close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY3383

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3383
(13)
C1
5
(51) C 10J 3/62
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ С НИЗКОЙ
ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ
(21) Номер заявки: 950324
(22) 1995.02.02
(86) PCT/GR 94/00011, 1994.06.03
(31) 930100227
(32) 1993.06.04
(33) GR
(46) 2000.06.30
(71) Заявитель: КОМПОСТЕЛЛА,
КОМПАНИА
МАРИТАЙМ ЛТД. (CY)
(72) Автор: Джордж Валканас (GR/GR)
(73) Патентообладатель: КОМПОСТЕЛЛА,
КОМПАНИА МАРИТАЙМ ЛТД. (CY)
(57)
1. Способ использования твердых топлив с низкой теплотворной способностью, включающий пиролиз
твердого топлива и последующую газификацию твердого остатка пиролиза, отличающийся тем, что на стадии пиролиза пиролизуют до 30 - 80 % углерода твердого топлива при температуре 450 - 600 °С, при этом пиролиз проводят с интенсивным выделением тепла до 250 - 600 ккал/кг в зависимости от степени пиролиза, а
оставшуюся часть углерода твердого топлива газифицируют кислородом или кислородом и паром или сжигают без образования смолистых или жидких побочных продуктов с высоким суммарным тепловым балансом, без загрязнений и с получением топливных газов высокого качества и в количестве, при котором для
смешанного топливного потока газов со стадии пиролиза и газификации обеспечивается возможность использования в системе производства электрической энергии.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пиролиз проводят с обеспечением восстановительного харак-
BY 3383 C1
тера и получением серы в виде сероводорода, а газификацию остатка - с окислительным характером, при
этом два газовых потока смешивают при условиях, обеспечивающих нейтрализацию газов, содержащих серу, с образованием молекулярной серы.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что пиролиз твердых топлив с влажностью до 60 % при
температуре 450 - 600 °С обеспечивают за счет тепловой энергии экзотермической реакции пиролиза, дающей 200 - 300 °С, за счет теплообмена с газами газификации, повышающими температуру на 200 °С, и за
счет энергии, содержащейся в поступающих твердых топливах, нагретых до 180 - 320 °С и частично обезвоженных за счет теплообмена с отходящими газами и зольной пылью, при этом на стадии пиролиза при температуре 600 °С, давлении 20 - 30 атм получают газы с высоким содержанием термомеханической энергии и
обеспечением возможности использования ее путем теплообмена.
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что обеспечивают создание условий высокой экономии энергии путем проведения пиролиза за счет отдачи тепловой энергии всеми полученными продуктами
и за счет экзотермической реакции, обеспечивающей энергией все полученные продукты, а газификацию кислородом или кислородом и паром осуществляют при потреблении только 6 % углерода с получением теплопроизводительности до 95 % от теплосодержания поступающих твердых топлив в сухом виде, которая за
счет экзотермической реакции имеет приращение энергии более чем 100 % от основного теплосодержания.
5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что твердые топлива с низкой теплотворной способностью, которые пиролизуют более чем на 40 %, после обработки в два этапа, а именно пиролиза и газификации углеродного остатка посредством кислорода или кислорода и пара, производят топливные газы, которые в реакции Клауса очищают от газов, содержащих серу, при этом газы получают с температурой 600 800 °С и давлением 20 - 30 атм и с высоким содержанием термомеханической энергии, а затем подают в
турбину для производства электрической энергии или для получения пара под давлением.
6. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что твердые топлива с низкой теплотворной способностью обрабатывают в два этапа путем пиролиза и газификации кислородом или кислородом и паром и
получают газовые потоки с температурой 600 - 800 °С и давлением 20 - 30 атм и нейтрализуют их от газов,
содержащих серу, в реакционной установке Клауса, затем топливные газы подают для использования их
термомеханической энергии в турбину, после чего их используют в качестве топлива в комбинированной
циклической системе, которая производит электрическую энергию, составляющую более 50 % тепловой
энергии поступающего твердого топлива, при этом обеспечивается возможность работы термоэлектрической установки без загрязнений, без образования газов, содержащих серу или зольные пыли, и без окислов
азота, при снижении выделения двуокиси углерода до 75 % на единицу продукции с производством электрической энергии в три раза большей, чем при производстве ее путем обычного сжигания.
(56)
1. SU 1120009 A, МПК5 C10B 49/00, C10J 3/00, 1984.
Изобретение описывает оригинальный способ использования твердых топлив с низкой теплотворной
способностью, например лигнитов (бурых углей) и торфов, при пиролизе и газификации кислородом или кислород-паром в два этапа. Кроме того, оно описывает оригинальный процесс, посредством которого полученные газы используются в усовершенствованной системе со спутными потоками газов для производства
больших количеств электрической энергии в режиме работы, не загрязняющем окружающую среду.
При существующем кризисе в обеспечении адекватных количеств энергии и в связи с тем, что нефтяные
источники обычно не являются постоянными по доступности и ценности, в национальных программах производства электроэнергии предпочтение отдается разработке местных источников энергии. Среди таких
предпочтительных разработок уголь рассматривается как главный источник, который, в сущности, является
первым топливом, которое использовалось для получения энергии, более дешевым и более регулярно распределенным в мире, чем нефть. Угли в зависимости от месторождения отличаются по величине теплотворной способности: высокой или низкой. Они также отличаются по содержанию в них серы, которая при сжигании твердых топлив превращается в двуокись серы, являющуюся источником токсичного загрязнения
окружающей среды. При наличии этой проблемы использование твердых топлив ограничено использованием твердых топлив с низким содержанием серы с тем, чтобы обеспечить настолько незначительное загрязнение окружающей среды, насколько это возможно.
В отношении угля и его использования для производства электроэнергии было замечено, что при его
сжигании производится небольшое количество электроэнергии, высвобождается большое количество двуокиси серы, зольной пыли, копоти и окислов азота, что является причиной сильной коррозии оборудования.
Кроме того, при сжигании твердых топлив образуется большое количество двуокиси углерода, которая
сегодня считается главным фактором загрязнения и является основным источником опасности создания условий потепления на нашей планете. Все упомянутые проблемы окружающей среды и производственные
2
BY 3383 C1
проблемы становятся еще более критическими при использовании таких твердых топлив с низкой теплотворной способностью, как, например, лигниты и торфы.
С учетом этих проблем сегодня существуют решения, ведущие к снижению содержания серы в этих низкокалорийных топливах и нейтрализации продуктов сгорания газов, загрязняющих окружающую среду.
Эти решения, однако, являются дорогостоящими, и предлагаемые усовершенствования, вследствие их
дороговизны, не могут сделать их предпочтительными. Более интересным решением становится газификация этих низкокалорийных топлив, например согласно [1], которая сегодня является более предпочтительной, несмотря на то, что ведет к большим потерям энергии. При полной газификации газы могут быть промыты для отделения их от токсичных газов, зольной пыли. Однако при полной газификации значение
теплотворной способности дополнительно снижается до 65-70 %, при этом становятся необходимыми более
дорогостоящие промышленные установки. Между тем, однако, с усовершенствованием газовых турбин для
производства энергии становятся доступными более экономичные решения для использования газов.
Задачей настоящего изобретения является создание способа использования твердых топлив с низкой теплотворной способностью для производства большого количества электрической энергии без загрязнения окружающей среды.
Задача решается оригинальным способом, который использует топливные газы, полученные в усовершенствованной системе со спутными потоками газов, посредством которой увеличивается количество производимой электроэнергии в сравнении с применением воздушных турбин и комбинированного цикла. Для
эксплуатации газовых турбин, однако, необходимы топливные газы, не коррозионные, не содержащие дегтя,
смол и жидких побочных продуктов, имеющие в то же время наиболее высокие возможные значения теплотворной способности.
В настоящем изобретении исследовались технологические характеристики лигнитов и торфов с низкими
значениями теплотворной способности. Учитывая вышеупомянутые обстоятельства, при этом исследовании
было установлено, что эти твердые топлива, либо когда их получают, либо после их обеззоливания, проявляют высокую эффективность при работе в такой усовершенствованной системе для производства электроэнергии, поскольку эти топлива пиролизуют в высокой степени (40-85 %), высокоэкзотермично (с большим
выделением тепла) без образования дегтя и смол и жидких побочных продуктов. Пиролиз этих низкокалорийных топлив оптимален при температурах 400-600 °С, и пиролитическая обработка по своему характеру
высокоэкзотермична. Остатком пиролиза является углерод высокой чистоты со значением теплотворной
способности порядка 4000-6000 ккал/кг без золы или порядка 2200-4000 ккал/кг с золой. В настоящем изобретении изучена газификация этого углеродного остатка кислородом и, предпочтительнее, кислород-паром
и установлено, что полученные топливные газы имеют максимально высокую теплотворную способность и
получены при температурах порядка 900-1000 °С, и такая газификация обеспечивает полное использование
углерода. В соответствии с этой методикой для настоящего изобретения установлено, что двухстадийная газификация лигнитов и торфов обеспечивает очень высокую теплоотдачу, при этом окислительная газификация не дает дегтя, смол и побочных продуктов.
В настоящем изобретении установлено, что пиролитическая обработка является экзотермическим процессом, производящим 350-600 ккал/кг при 600 °С, и при этом мерой пиролиза является выделенная экзотермическая энергия. К этому количеству энергии добавляется теплосодержание топливных газов и теплообмен между зольным осадком и топливными газами, полученными в результате окислительной
газификации.
Как показано на фигуре, поступающие на вход твердые топлива могут быть подогреты. Поэтому также исследовались условия, при которых тепловой баланс пиролитической обработки устанавливается без использования тепловой энергии углерода. Это приводит к большой экономии энергии и высокой степени использования энергии низкокалорийных твердых топлив.
В настоящем изобретении установлено, что две стадии газификации, пиролитическая обработка и собственно газификация (кислородом или кислород-паром) выгодно приводят к получению продуктов с различной химической природой, поскольку пиролиз является восстановительной обработкой, при которой серу газифицируют как сероводород, а окислительная обработка является окислительной по химической природе, и
серу газифицируют как двуокись серы. Затем исследовалось и вырабатывалось решение для нейтрализации
этих серных газов путем создания условий для пропускания топливных газов в реактор Клауса. При смешивании этих топливных потоков после первого использования их термомеханической энергии в системе турбины при температуре порядка 600 °С и давлении порядка 30 атм и подаче их в каталитический реактор
Клауса из серных газов высвобождается сера.
2H2S+SO2→3S+2OH2 .
Эта возможность нейтрализации серных газов с выгодным производством ценной серы является в настоящем изобретении ключевой по новизне и важности, поскольку это соответствует первоочередной задаче
применения R & D, с помощью которого предполагалось разработать способ получения электрической
энергии из топлив с низкой теплотворной способностью, которые в свою очередь не создают проблем токсического загрязнения двуокисью серы, зольной пылью и копотью. Извлеченная сера имеет высокую сте3
BY 3383 C1
пень чистоты и может в небольших количествах захватываться газовым потоком, из которого она вымывается водой и собирается.
Еще одним новым оригинальным признаком настоящего изобретения является то, что топливные газы
получают при давлении 30 атм, достигаемом во время пиролитической обработки, и создают рабочее давление при обеих газифицирующих обработках и в реакторе Клауса. Топливные газы, получаемые при температурах от 600 до 900 °С и давлении 30 атм, не содержат коррозионных веществ и серных газов.
Еще одним основным новым результатом, подтвержденным в настоящем изобретении экспериментально,
является то, что твердые топлива с низкой теплотворной способностью (лигниты и торфы) пиролизуют экзотермически вследствие наличия кислорода, содержащегося в органических веществах, которые имеют сходство с древесиной. Древесину и древесную биомассу, как известно, пиролизуют экзотермически при температурах выше 400 °С, и это выгодно использовали в прошлом при обработке древесины перегонкой, а в
последнее время при пиролитической обработке биомасс животных отходов. Твердые топлива с низкой теплотворной способностью (лигниты и торфы) имеют подобную древесине плотность и консистенцию.
Таблица 1
Состав лигнитов и торфов
Составляющие
Лигниты
5,8-6,9
15-35
5,2-6,8
20-33,8
30-40
31-35
8-15
рН
Зола
Воскообразные вещества
Гуминовая кислота
Гуминовые вещества
Голоцеллюлоза
d-целлюлоза
Торфы
4,6-5,4
6-20,5
8,1-8,3
18-34,1
37-42,1
26,1-32,9
10,5-12,0
Исходя из вышеуказанных параметров, определяют природу пиролитической тенденции и результат газификации кислородом или кислород-паром, создают систему с положительным тепловым балансом в теплообмене и положительными конечными результатами. Термические рабочие параметры определяют исходя
из того:
а. Что нагрев твердых топлив до пиролитической обработки обеспечивают за счет выбрасываемой тепловой энергии, например тепловой энергии отходящих газов, зольного осадка и т.п.
б. Что пиролитическая газификация является экзотермическим процессом, производящим 250-600
ккал/кг тепловой энергии с созданием рабочего давления до 30 атм, и что она проходит независимо от присутствия влаги и золы, и что эта реакция имеет восстановительную химическую природу.
в. Что реакция Клауса нейтрализации серных газов является самопроизвольно начинающейся реакцией
при температуре топливных газов равной 600 °С, и давлении топливных газов, равном 30 атм, и при молярном отношении H2S/SO2, составляющем 2:1, реакция является количественной реакцией.
г. Что установка для использования данной методики должна работать под давлением 30 атм. и при температуре топливных газов до 900 °С.
При сушке твердых топлив, например лигнитов или торфов, во время или после обеззоливающей обработки
последние измельчают в порошок сначала путем механического обезвоживания, а затем нагреванием до 180300 °С за счет теплообмена тепловой энергией с золой, поступающей с температурой 1000 °С, и тепловой энергией отходящих газов таким образом, чтобы завершить подогрев твердого топлива, когда температура отходящих газов достигнет 180-300 °С.
Пиролитическую обработку начинают, когда твердое топливо, например лигнит, имеет температуру 180300 °С, тогда как для его пиролиза необходимы температуры от 450 до 600 °С. Для обеспечения такой температуры используют следующие источники тепла: а) обмен с газами окислительной газификации, которые
поступают с температурой 1000 °С и могут отдать пиролизуемой массе 200 °С (охлаждаясь до 600 °С) и б)
тепловая энергия, получаемая от экзотермической пиролитической реакции, которая увеличит температуру
от 200 °С до 300 °С. При получении тепла от этих источников температуры пиролитической обработки достигают 600 °С и выше. Обеспечение энергией пиролитической обработки регулируют с помощью нагревателей, обеспечивающих подогрев поступающих лигнитов, если это необходимо, тем не менее это в огромной
степени зависит от относительной длительности пиролиза и окислительной газификации.
Газификация углеродных остатков пиролиза кислородом или, предпочтительнее, кислород-паром при дополнительном введении углерода высокой чистоты и в пористом состоянии с температурой 600 °С проходит
очень энергично с количественным превращением содержащегося углерода и быстрым увеличением температуры до 900-1000 °С. Потери тепловой энергии при окислительной обработке сравнительно низкие, менее
12 %, при этом они относятся к 50 % от общих потерь. Реальные потери тепловой энергии ниже 6 %, т.е. они
невелики для полной газифицирующей обработки и очень выгодны энергетически.
4
BY 3383 C1
Два потока газов, один от пиролиза, другой от газификации кислородом или кислород-паром, смешивают, либо когда их получают, либо после использования в энергообмене в турбине. Затем их направляют в
реактор Клауса, который работает под давлением. В реакторе Клауса серные газы нейтрализуют с получением топливного потока, не содержащего коррозионных газов. Анализ газов, полученных в двух реакторах,
пиролиза и окислительной газификации, из ряда греческих лигнитов и торфов, приведен в табл. 2 для максимальных и минимальных составов.
Таблица 2
Состав топливных газов от пиролиза и от окислительной газификации
От пиролиза, %
От кислородной газификации
Метан
20-35 %
Моноокись углерода
30-50 %
Моноокись углерода
35-40 %
Двуокись углерода
2-6 %
Двуокись углерода
16-22 %
Водород
16-22 %
Водород
40-60 %
Сероводород
1-3 %
Двуокись серы
1-2 %
Результаты пиролитической реакции ряда твердых топлив с низкой теплотворной способностью приведены в табл. 3.
Таблица 3
Пиролитическая реакция лигнитов и торфов с низкой теплотворной способностью в %
(обеззоленных и в сухом виде)
Температура
Торф
Птолемейс (Сев. Мегаполис (Пелопонес, Аливери (о-в Эвбея, ГреГреция)
Греция)
ция)
400°
15,2 %
17,3 %
35,4 %
16,8 %
450°
22,4 %
23,6 %
44,3 %
23,4 %
500°
34,24 %
35,28 %
52,4 %
37,2 %
550°
34,48 %
39,43 %
67,42 %
44,64 %
600°
44,00 %
44,24 %
75,42 %
51,00 %
650°
4,63 %
46,6 %
79,38 %
56,00 %
Содержание золы
11,55 %
10,8 %
20,6 %
11,5 %
ккал/кг твердого
топлива
4400
5100
4400
5400
ккал/кг угольного остатка
4465
5200
4020
5730
По технологической схеме, показывающей направление движения газов, производимых для получения
электроэнергии, легко определить новизну и энергетическую выгоду, получаемые за счет описанного изобретения.
Производство включает два реактора, работающих под давлением, расположенных последовательно один
на другом, предназначенных один для пиролиза, другой для газификации кислородом. Пиролитический реактор сконструирован таким образом, что он работает при температуре 700 °С и давлении 50 атм и является
реактором псевдосжиженного типа с автоматизированными системами подачи углерода и выведения полученных продуктов углеродных остатков и топливных газов.
Газифицирующий реактор работает при температурах до 1200 °С и давлении до 50 атм и является реактором с неподвижным слоем, и также имеет автоматизированные системы подачи и введения кислорода и
разделения полученных газов и золы.
Другой возможностью использования настоящего изобретения является комбинация пиролитической обработки с сжиганием углеродсодержащих остатков в существующих котлах, производящих пар под давлением.
Согласно этому решению, твердые топлива, например лигниты или торфы, вводят в пиролитический реактор с влажностью до 60 % или в сухом, или полусухом виде, и полученные топливные газы подают в турбину для использования их термомеханической энергии, а затем их промывают, при этом присутствующий
сероводород нейтрализуют посредством известной технологии, например, в комбинации с процессом
Стретфорда. После этого топливные газы сжигают для получения большого количества электроэнергии в
усовершенствованной комбинированно-круговой системе. Углеродсодержащие остатки в этом случае сжигают в существующем котле для получения пара под давлением и приведения в действие существующей паровой турбины или вновь установленной. Для данного решения выработка электроэнергии примерно в три
раза выше, чем сегодня получают, при этом десульфурация (обессеривание) достигает 70 % всей присутствующей в твердом топливе серы.
5
BY 3383 C1
В рамках описанного изобретения было установлено и проверено на практике, что на пиролитическую
обработку не влияет присутствие влаги в золе и что эта обработка предопределяет модель энергетической
трансформации, поскольку использование энергии расходуется на производство продуктов, газов и углеродных остатков, а образующийся пар сам по себе значительно увеличивает объем газа и содержание энергии.
Кроме использовании твердого топлива, оптимизированного путем биоочистки, экзотермическая реакция
является значительным вкладом в количество энергии и значительным источником энергии.
Топливные газы из реакторов смешивают и направляют в турбину для выделения части термомеханической энергии в виде электроэнергии и затем вводят в реактор Клауса. В реакторе Клауса газы для оптимизации должны иметь рабочую температуру 400-450 °С и рабочее давление. Термомеханическую энергию также можно использовать для генерирования пара путем теплообмена.
В конце топливные газы содержат тепловую энергию, составляющую до 90 % тепловой энергии исходного твердого топлива, используемого в биоочистке, и дополнительной энергии экзотермической реакции.
Топливные газы подают в усовершенствованную комбинированную круговую схему для выработки электроэнергии. Это, в сочетании с турбиной, может на 65 % увеличить использование термомеханической энергии.
Для достижения выхода электроэнергии в 1 кватт/ч сегодня необходим 1,1 кг лигнитов с теплосодержанием 3000 ккал/кг или 1,6-4,1 кг лигнитов и торфов с теплосодержанием 800-1200 ккал/кг. Для настоящего
изобретения выход электроэнергии намного выше - 0,41-0,62 кг лигнита или торфа на 1 кватт/ч - так как
лигниты и торфы с низким теплосодержанием используют в соответствии с их содержанием энергии в сухом
виде и дополнительно за счет вклада энергии экзотермической реакции, который вносит 20-30 % в увеличение энергии. После вышеупомянутого вывода показано, что описанное изобретение при использовании твердых топлив с низкой теплотворной способностью с пиролитической тенденцией порядка 30-60 % обеспечивает высокую производительность при производстве электроэнергии, которая сравнима с выходом для
твердых топлив с высокой теплотворной способностью и нефтью, а также эксплуатацию установки, совершенно не загрязняющую окружающую среду.
Следовательно, настоящее изобретение дает дешевый способ производства электроэнергии из твердых
топлив с низкой теплотворной способностью, широко распространенных в мире, который, хотя и производит большое количество электроэнергии, при эксплуатации не дает загрязнений зольной пылью и SO2, а
также не загрязняет окислами азота и, следовательно, совершенно не дает никаких загрязнении. Он также
обеспечивает снижение выделений CO2 на 75 % на единицу продукции.
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
178 Кб
Теги
патент, by3383
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа