Способ получения кокса и синтез-газа при переработке угля

Изобретение относится к области производства среднетемпературного кокса металлургического назначения и к области производства синтез-газа для последующего его использования в химической промышленности или энергетике. Сущность изобретения заключается в том, что способ получения кокса и синтез-газа при переработке в вертикальном аппарате шахтного типа с подачей дутья снизу, включающий розжиг слоя угля сверху, стадии нагрева, сушки и карбонизации сырья, выгрузку коксового продукта снизу и отбор сверху продуктового газа, не содержащего конденсируемых продуктов пиролиза, предусматривает в качестве слоя угля использование угля фракции 2-25 мм, а в качестве компонента дутья снизу использование кислорода с удельным расходом от 50 до 150 м³/(м²·час). Технический результат заключается в повышении удельной теплоты сгорания продуктового газа более чем в два раза и повышение более чем в два объемной доли СО и Н₂ в нем. Удельная производительность процесса по газовому продукту также увеличивается. 1 табл.

 

Изобретение относится к области производства среднетемпературного кокса металлургического назначения и к области производства синтез-газа для последующего его использования в химической промышленности или энергетике.

Известен целый ряд способов слоевой газификации угля с целью получения синтез-газа, основными компонентами которого являются водород (H₂) и оксид углерода (СО). Самым распространенным является способ газификации фирмы "Лурги" (Шиллинг, Г.-Д. Газификация угля / Г.-Д.Шиллинг Б.Борн, У.Краус. - М.: Недра, 1986. - 175 с.). С целью повышения производительности этот способ последовательно усовершенствовался (в том числе и другими фирмами) в направлении повышения давления и температуры в зоне горения до уровня жидкого шлака. Как правило, при производстве синтез-газа используется парокислородное дутье, а полученный газ содержит конденсируемые продукты пиролиза угля - смолистые вещества (до 0,1 кг на 1 нм³ газа), что требует введения в технологическую схему специальной стадии промывки газа с последующей утилизацией фенолсодержащих водных стоков. Современные процессы осуществляются в режиме жидкого шлакоудаления, поэтому температура в зоне горения как минимум на 100-200°С превышает температуру плавления золы и составляет 1500-1600°С. Это условие предъявляет высокие требования к материалам и конструкторским решениям при изготовлении газификатора. Твердым отходом производства является охлажденный шлак с незначительным содержанием остаточного углерода. Для приготовления дутья в технологической схеме необходимо иметь отдельное производство кислорода, а также производство пара.

Главным недостатком данной технологии является высокий уровень удельных затрат на производство целевого продукта, что тормозит широкое использование этой технологии. Значительные капитальные затраты обусловлены необходимостью сооружения установок для промывки газа и утилизации сточных вод, а также конструктивной сложностью исполнения системы жидкого шлакоудаления. Эти же причины обуславливают повышенные эксплуатационные затраты, которые компенсируются продажей единственного целевого продукта - синтез-газа.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения полукокса и попутного горючего газа (патент РФ №2288937, 10.12.2006 г.), представляющий собой разновидность способа слоевой газификации угля с обращенным дутьем. Способ предполагает продувку слоевой засыпки угля воздухом. Дутье подают с противоположной розжигу угля стороны с расходом, который обеспечивает температуру во фронте карбонизации от 750 до 900°С. Продукты пиролиза угля, образующиеся во фронте карбонизации, сгорают в потоке воздуха, образуя преимущественно диоксид углерода и водяной пар. Далее по мере прохождения через слой раскаленного кокса, расположенный позади фронта карбонизации, эти газы частично восстанавливаются до оксида углерода и водорода. Таким образом, получаемый газ не содержит продуктов пиролиза угля и может использоваться в дальнейших переделах без промежуточных стадий охлаждения и отмывки от смолистых веществ.

Недостатком данного способа является значительное содержание азота (50-55%) в продуктовом газе вследствие использования воздушного дутья. С одной стороны, такой газ имеет низкую калорийность от 2,5 до 4 МДж/нм³, что ограничивает сферу его применения как энергетического топлива, с другой стороны, из-за низкой концентрации CO+H₂ - 17-29% в сухом газе - он не может использоваться как синтез-газ для производства высших углеводородов в традиционных процессах химической технологии. Кроме того, укрупненный фракционный состав (до 70 мм) существенно замедляет процесс переработки угля.

Задача настоящего изобретения состоит в получении кокса и синтез-газа, не содержащих или содержащих меньше балласта в виде азота, а также в существенном снижении затрат на производство данного продукта.

Технический результат при использовании изобретения заключаются в повышении удельной теплоты сгорания продуктового газа белее чем в два раза, что является положительным фактором для его использования в энергетических производствах, а также в повышении более чем в два раза объемной доли компонентов CO+H₂ в продуктовом газе, что позволяет использовать его как сырье для процессов химического синтеза высших углеводородов. Кроме того, увеличивается удельная производительность процесса по газовому продукту - с 100-200 до 600-1100 м³/(м²·ч).

Указанный технический результат достигается тем, что в качестве слоя угля используют уголь фракции 2-25 мм, а в качестве компонента дутья снизу применяют кислород или обогащенную кислородом смесь с удельным расходом кислорода 50-150 м³/(м²·ч).

Способ получения кокса и синтез-газа при переработке угля осуществляется следующим образом. В вертикальный аппарат шахтного типа на всю высоту загружают дробленый уголь (класс 2-25 мм), подают кислородное или обогащенное кислородом воздушное дутье с удельным расходом кислорода от 50 до 150 м³/(м²·ч) и поджигают слой угля со стороны, противоположной подаче дутья. Образующийся фронт карбонизации с постоянной скоростью смещается навстречу потоку воздуха, а за фронтом остается слой горячего кокса. Уголь при прохождении через фронт карбонизации последовательно подвергается нагреву, сушке и пиролизу. Горючие компоненты продуктов пиролиза полностью окисляются кислородом с образованием диоксида углерода и водяного пара, а затем путем восстановления на горячей поверхности полукокса превращаются в горючие компоненты газа (оксид углерода и водород), который не содержит конденсируемых продуктов пиролиза. При этом температура во фронте карбонизации не превышает 700-800°С. Низшая теплота сгорания газа (на сухой объем) достигает 8-9 МДж / нм³, а содержание компонентов CO+H₂ в сухом газе - до 70%.

После окончания процесса производится охлаждение кокса и его выгрузка с нижней стороны вертикального аппарата.

В примерах, иллюстрирующих способ, использован вертикальный аппарат шахтного типа с внутренним диаметром 0,3 м и высотой 1,5 м. В качестве сырья использовали уголь фракции 2-25 мм марки 2Б (разрез "Березовский" Канско-Ачинского угольного бассейна), имеющий следующий технический и элементный состав:

В аппарат загружается 75 кг дробленого угля.

Пример 1

В качестве дутья используется воздух, обогащенный кислородом до 40%, проводится неполная газификация - переработка угля в горючий газ и кокс. Розжиг слоя осуществляется сверху. Воздушное дутье подается снизу. После достижения фронтом горения нижней стороны слоя угля процесс завершается.

Удельный расход воздуха - 200 м³/(м²·час).

Удельный расход кислорода - 38 м³/(м²·час).

Скорость движения фронта горения составила 0,6 м/час.

Температура в зоне реагирования - 780°С.

Удельный выход кокса - 134 кг/(м²·час).

Выход кокса - 31%.

Зольность кокса, А^d=15%.

Удельная теплота сгорания кокса - 28,3 МДж/кг.

Удельная производительность процесса по газу - 690 м³/(м²·час).

Состав сухого горючего газа (об.%):

СО=24,8; СН4=2,4%;

Н2=26,1%; N2=21,6%.

СО2=25,1%;

Удельная теплота сгорания сухого газа - 6,8 МДж/м³.

Пример 2

Используется кислородное дутье, проводится неполная газификация - переработка угля в горючий газ и кокс. Розжиг слоя осуществляется сверху. Дутье подается снизу. После достижения фронтом горения нижней стороны слоя угля процесс завершается.

Удельный расход кислородного дутья - 113 м³/(м²·час).

Скорость движения фронта горения составила 0,91 м/час.

Температура в зоне реагирования - 680°С.

Удельный выход кокса - 198 кг/(м²·час).

Выход кокса - 30,1%.

Зольность кокса, А^d=13,5%.

Удельная теплота сгорания кокса - 28,4 МДж/кг.

Удельная производительность процесса по газу - 980 м³/(м²·час).

Состав сухого продуктового газа (об.%):

СО=23,6; СН4=3,2%;

Н2=40,5%; N2=1,4%.

СО2=31,3%;

Удельная теплота сгорания сухого газа - 8,5 МДж/м³.

Пример 3 (сравнительный)

Используется воздушное дутье, проводится неполная газификация - переработка угля в горючий газ и кокс. В качестве сырья использован уголь фракции 5-70 мм. Розжиг слоя осуществляется сверху. Дутье подается снизу. После достижения фронтом горения нижней стороны слоя угля процесс завершается.

Удельный расход воздуха - 67,5 м³/(м²·час).

Скорость движения фронта горения составила 0,105 м/час.

Температура в зоне реагирования - 800-850°С.

Удельный выход кокса - 36,1 кг/(м²·час).

Выход кокса - 30%.

Зольность кокса, А^d=14,2%.

Удельная теплота сгорания кокса - 28 МДж/кг.

Удельная производительность процесса по газу - 114 м³/(м²·час).

Состав горючего газа (об.%):

СО=8,0; СН4=1,5%;

Н2=9,1%; N2=52,2%.

СО2=16,0%;

Удельная теплота сгорания сырого газа - 2,53 МДж/м³.

Таким образом, предложенный способ позволяет повысить удельную теплоту сгорания продуктового газа, объемную долю компонентов СО+Н₂ в продуктовом газе и увеличить удельную производительность процесса (см. таблицу).

Таблица
Параметр	Пример 1	Пример 2	Пример 3 (сравнительный)
Фракция угля, мм	2-25	2-25	5-70
Удельный расход воздуха, м3/(м2·час).	200	0	67,5
Удельный расход кислорода, м3/(м2·час).	38	113	0
Удельная теплота сгорания газа, МДж/нм3	6,8	8,5	2,53
Объемная доля СО+Н2 в газе	50,9	64,1	17,1
Удельная производительность процесса по газу, м3/(м2·час).	690	980	114
Удельная производительность процесса по коксу, кг/(м2·час).	134	198	36,1

Способ получения кокса и синтез-газа при переработке в вертикальном аппарате шахтного типа с подачей дутья снизу, включающий розжиг слоя угля сверху, стадии нагрева, сушки и карбонизации сырья, выгрузку коксового продукта снизу и отбор продуктового газа, не содержащего конденсируемых продуктов пиролиза, отличающийся тем, что в качестве слоя угля используют уголь фракции 2-25 мм, а в качестве компонентов дутья снизу применяют кислород или обогащенную кислородом смесь с удельным расходом кислорода от 50 до 150 м³/(м²·ч).