способ комплексной переработки углей и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ комплексной переработки углей для получения жидких топлив и горючих газов, включающий приготовление масляно-угольной суспензии из пылевидного угля и тяжелого масла; полукоксование суспензии в реакторе под давлением 2-5 МПа и интервале температур 500-680°С с использованием в качестве теплоносителя перегретого до 800-900°С водяного пара; сепарацию полукокса от парогазовой смеси; охлаждение и разделение парогазовой смеси на бензиновую и газойлевую фракции и тяжелое масло; парокислородную газификацию полученного полукокса и тяжелого масла с получением синтез-газа; охлаждение и очистку синтез-газа.

2. Установка для получения жидких топлив и горючих газов из углей по п.1, состоящая из аппарата приготовления суспензии, соединенного с реактором полукоксования, к которому подключен пароперегреватель, причем реактор полукоксования соединен с сепаратором, один выход которого соединен с последовательно установленными контактным теплообменником, масляным скруббером и ректификационной колонной, а второй - с газификатором, соединенным с котлом-утилизатором, соединенным с водяным скруббером с отстойником, который соединен с абсорбером сернистых соединений, а затем с десорбером, причем первичное охлаждение парогазовой смеси производится тяжелым маслом в контактном теплообменнике, другая часть масла направляется в аппарат приготовления суспензии, а балансовое количество - в газификатор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к топливно-энергетическому комплексу, конкретнее - к производству синтетических жидких топлив (СЖТ) и горючих газов из каменных и бурых углей.

Основными способами переработки каменных и бурых углей являются термическая деструкция, гидрогенизация, термическое ожижение, газификация окислителями. Все эти способы являются энергозатратными и по сравнению с переработкой нефти широкого распространения не получили. По прогнозам снижение цены на нефть в 2009 г. не будет долговременным. И в настоящее время во многих странах исследуются способы переработки твердых топлив в СЖТ и горючие газы. Уже работающие заводы по производству СЖТ и высококалорийных газов доказывают экономическую целесообразность этих производств. Но затраты на производство СЖТ и газов из углей остаются высоким. Кроме того, происходит значительный выброс вредных веществ в окружающую среду.

Известны различные способы полукоксования и газификации углей [1, 2]. Близким к изобретению является процесс полукоксования с внутренним обогревом слоя угля газовыми теплоносителями, которыми являются продукты сгорания газа с большим избытком воздуха. Эти газы, имеющие температуру 600-750°С, пронизывают слой угля и нагревают его до температуры 460-620°С, при которой происходит полукоксование. Нагревающие газы смешиваются с газообразными продуктами коксования и отводятся из реактора. Таким способом получают низкокалорийный газ (Q_н=5800-8800 кДж/м ³), содержащий смолы, фенолы и другие жидкие углеводороды. Из него обычно выделяются смолы, а газ используется для собственных нужд без очистки. Следовательно, процесс полукоксования с газовым теплоносителем малоэффективен и экологически грязный и в настоящее время почти не применяется [1].

Известны способы полукоксования (термического пиролиза) пылевидного угля при нагреве его газовым и твердым теплоносителями в проточных реакторах [2]. Жидкие продукты (смолу пиролиза) разгоняют на фракции и затем подвергают гидрогенизационной переработке для получения моторных топлив. Но вследствие больших производственных затрат эти способы не нашли промышленного применения.

Известны способы одно- и двухступенчатой газификации твердых топлив окислителями (О₂, Н₂О), в которых сначала производится пиролиз углей с получением кокса или полукокса (в зависимости от условий), а затем парокислородная газификация твердого остатка. Во всех этих процессах получают газ со средней теплотой сгорания (12000-17000 кДж/м³). СЖТ таким способами не получают [1, 3].

Аналогами изобретения являются процессы "Synthan" Американского горного бюро и "Bi-gas" фирмы "Битоминоус коул Рисерч" [4, 5].

Целевым продуктом этих процессов является смесь газов полукоксования угля и парокислородной конверсии полукокса. Реактор (газификатор) состоит из двух секций с кипящим слоем. Мелкозернистый уголь подают в верхнюю зону газификатора, куда снизу поступает конвертированный газ, служащий теплоносителем. Образовавшийся полукокс пересыпается в нижнюю секцию, где газифицируется парокислородной смесью. Эти процессы имеют существенные недостатки. В зоне полукоксования образуется газ, содержащий смолы, фенолы, тяжелые углеводороды. Поэтому необходима глубокая очистка газа, но содержание побочных продуктов незначительно, и они часто не используются, ухудшая экологическую обстановку.

Для реакторов с кипящим слоем характерно полное перемешивание всех ингредиентов, и выводимый снизу газификатора коксозольный остаток содержит значительное количество кокса. Поэтому коэффициент использования углерода не превышает 90%, а энергетический КПД - около 70%. Назначением процессов "Bi-gas" и "Synthan" является получение только горючих газов, а теплоносителем для процесса полукоксования являются газы газификации полукокса. Поэтому ни один из них нельзя считать прототипом представленного изобретения, основным назначением которого является получение синтетических жидких топлив и горючих газов. Более близкие аналоги неизвестны.

Целью изобретения является совместное получение синтетических жидких топлив (бензиновых и газойлевых фракций) и среднекалорийных газов из углей без контакта промежуточных продуктов с атмосферным воздухом. Это приводит к снижению производственных затрат на получение вторичных топлив и минимальному выбросу вредных веществ в окружающую среду. Указанная цель достигается путем двухступенчатой переработки углей. На первой стадии осуществляется полукоксование угля с получением СЖТ и полукокса, а на второй стадии - парокислородная газификация полученного полукокса.

Заявленный способ осуществляется следующим образом. На первой стадии проводят полукоксование угля с использованием в качестве теплоносителя перегретого водяного пара. Газообразные продукты пиролиза вместе с паром отводятся на охлаждение и разделение. Отсепарированный полукокс вместе с золой поступает на вторую стадию переработки путем парокислородной газификации. При этом образуется синтез-газ (H₂, CO, СО₂, H₂S) и зольный остаток, который выводится из нижней части реактора. В результате целевыми продуктами комбинированного способа переработки углей являются: газ полукоксования, бензиновая фракция, газойлевая фракция и синтез-газ. Путем изменения параметров процессов может варьироваться выход этих продуктов. Совместное получение этих продуктов и более полное использование их физической теплоты (энтальпии) приводит к существенному снижению удельных капитальных вложений и себестоимости продукции.

Способ комплексной переработки углей включает следующие процессы: приготовление сырья для полукоксования - масляно-угольной суспензии из пылевидного угля и тяжелого масла; полукоксование (термический пиролиз) суспензии в реакторе под давлением 2-5 МПа и интервале температур 500-680°С с использованием в качестве теплоносителя перегретого до 800-900°С водяного пара; сепарация полукокса от парогазовой смеси; охлаждение и разделение парогазовой смеси на бензиновую и газойлевую фракции и тяжелое масло; парокислородная газификация полученного полукокса и тяжелого масла с получением синтез-газа; охлаждение и очистка синтез-газа.

По заявленному способу могут быть переработаны «жирные» каменные и все бурые угли с любым содержанием золы и влаги. Но с большей эффективностью перерабатываются обогащенные угли с зольностью не более 10 и влажностью не более 5%.

Пылевидный уголь с размерами частиц до 0,1 мм смешивают с тяжелым маслом собственного производства и полученную суспензию (пульпу) специальным насосом высокого давления подают в реактор полукоксования, куда также подают перегретый водяной пар с температурой 800-900°С. Давление в реакторе 2-5 МПа. Сырье смешивается с паром и в зависимости от отношения пар: сырье и температуры пара температура смеси будет на уровне 620-680°С. При этой температуре в пылегазовом потоке происходит термический пиролиз угля и тяжелого масла. В результате пиролиза масла увеличивается выход более легких продуктов (в основном бензиновой и газойлевой фракций). Суммарная реакция пиролиза эндотермическая, с небольшим тепловым эффектом, и происходит снижение температуры реагирующей смеси до 500-570°С. При полукоксовании «жирных» каменных углей с выходом летучих веществ 35-40% и бурых углей с выходом летучих веществ 45-55% на органическую массу угля и при отношении уголь:тяжелое масло 1:1 получается ориентировочно следующий выход продуктов (кг на 1 т органической массы угля):

	каменные угли	бурые угли
Газ полукоксования (C1-C4, CO, CO2)	70-100	60-100
Бензиновая фракция (<220°С)	30-60	30-50
Газойлевая фракция (220-350°С)	60-80	50-70
Тяжелое масло (>350°С)	60-90	70-100
Полукокс	600-700	600-650
Пиролитическая вода	30-50	50-80

После отделения полукокса парогазовая смесь охлаждается до температуры 350-400°С в смесительном холодильнике и масляном скруббере и подается в ректификационную колонну, где разделяется на газопаровую фракцию (C₁-C₄, Н₂О), газойль и тяжелое масло. Верхний продукт колонны охлаждается до 30-40°С, частично конденсируется и затем разделяется на газ, водяной конденсат и бензин. Необходимое количество тяжелого масла подают на приготовление суспензии, остальное - на газификацию.

Полученные путем полукоксования полукокс и тяжелое масло газифицируются для получения синтез-газа (искусственного газа) - экологически чистого топлива или сырья для органического синтеза. Используется парокислородная газификация в потоке. Для газификации 1 тонны угля требуется приблизительно 360 кг кислорода и 400 кг водяного пара. Давление в газификаторе немного ниже, чем в реакторе полукоксования и составляет 1,9-4,8 МПа, максимальная температура в реакционной зоне 1350-1400°С, а на выходе - около 1200-1300°С, и продуктами реакции являются только Н₂, СО, СO ₂, Н₂S с незначительной примесью других газов. Синтез-газ охлаждается в котле-утилизаторе с выработкой пара и в водяном скруббере, а затем очищается от сернистых соединений известными способами. Таким образом, продуктами комплексной переработки угля являются синтетические жидкие топлива - бензиновая и газойлевая фракции и горючие газы. Для указанных выше углей выход продуктов приблизительно составит (кг на 1 тонну органической массы угля):

	каменные угли	бурые угли
Синтез-газ	1650	1530
Углеводородный газ	100	90
Бензиновая фракция	60	40
Газойлевая фракция	70	60

Заявленный способ переработки углей осуществляется на технологической установке, обладающей существенной новизной. Принципиальная схема технологической установки приведена на чертеже. Установка содержит аппарат для получения масляно-угольной суспензии (пульпы) 1, насос для суспензии 2, реактор полукоксования 3, циклонные сепараторы 4 и 10, пароперегреватель 5, смесительный холодильник 6, масляный скруббер 7, ректификационную колонну 8, трехфазный разделитель 9, газификатор 11, котел-утилизатор 12, водяной скруббер 13, отстойник 14, абсорбер 15, десорбер 16.

Пылевидный уголь с размерами частиц до 0,1 мм подают в аппарат приготовления масляно-угольной суспензии 1. Суспензию с отношением уголь:масло, равным (1,2-0,8):1, получают при атмосферном давлении и температуре 150-300°С при интенсивном механическом или кавитационном перемешивании. При этом происходит частичное растворение угля в масле.

Аппарат приготовления суспензии 1 через насос 2 соединен с реактором полукоксования 3, давление в котором находится в пределах 2-5 МПа. Реактор соединен также с пароперегревателем 5, в котором перегревается водяной пар под давлением 3-6 МПа до температуры 800-900°С. Пар распыляет масляно-угольную суспензию, и дисперсная смесь движется вниз и происходит пиролиз смеси. Низ реактора соединен с циклонным сепаратором 4, который по парогазовой фазе соединен со смесительным холодильником 6, в который подается охлажденное тяжелое масло. Выход холодильника соединен с масляным скруббером 7, в который поступает парожидкостная смесь с температурой 300-400°С. Скруббер соединен с ректификационной колонной 8, верх которой соединен с трехфазным разделителем 9, из которого отводится газ полукоксования, а жидкость расслаивается на бензин и водяной конденсат. Газойлевая фракция отводится с середины, а тяжелое масло - с низа колонны 8.

Трубопроводы тяжелого масла и пылевидного кокса из сепараторов 4 и 10 объединены в один трубопровод, который связан с котлом-утилизатором 12. Общий трубопровод соединен с газификатором 11. В газификатор подают кислород и происходит парокислородная газификация сырьевой смеси. Газификатор по газовой фазе соединен с котлом утилизатором, в котором синтез-газ охлаждается до 300-400°С. Котел-утилизатор соединен с водяным скруббером 13 с отстойником 14. Скруббер соединен с абсорбером сернистых соединений 15, который по абсорбенту соединен с десорбером 16. Из абсорбера отводится очищенный от сернистых соединений синтез-газ, а из десорбера - газ, содержащий H ₂S с примесью COS, CO₂ и других газов, который направляется на установку получения серы или серной кислоты.

Отстойник 14 соединен с газификатором 11, и часть воды из него используется для тушения шлака, а остальная часть воды направляется на очистные сооружения.

СПИСОК ССЫЛОК

1. Химические вещества из угля / под. ред. Ю.Фальбе. - М.: Химия, 1980. - 516 с.

2. Чуханов З.Ф. Некоторые проблемы топлива и энергетики. М.: Изд. АНСССР, 1961. - 478 с.

3. Справочник азотчика. 2-е изд. - М.: Химия, 1986. - 512 с.

4. Corder W.C., Batschelder H.R. 5-th Synthetic pipeline Gas Simposium, Chicago, 1973.

5. Grace R.J. et al. Design of Bi-gas Pilot plant. 5-th Synthetic pipeline Gas Simposium, Chicago, 1973.