RU2345116C1 - Method for making gas carbon and synthesis gas in coal conversion - Google Patents

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention refers to production of medium-temperature metallurgical gas carbon and to production of synthesis-gas thereafter applied in chemical industry or power engineering. Substance of invention consists that method for making gas carbon and synthesis gas converted in pit-type down-blow vertical vessel, involves upper firing of coal layer, heating, drying and carbonation of raw materials, lower discharge of gas coke product and upper selection of product gas not containing condensed pyrolysis products. The method specified provides coal of fraction 2-25 mm as coal layer, and oxygen of specific consumption within 50 to 150 m³/(m²·h) as down-blow component.

EFFECT: higher specific combustion heat of product gas more than in two times and higher volume fraction of CO and H₂more than in two times with increased specific gas product yield.

3 ex, 1 tbl

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к области производства среднетемпературного кокса металлургического назначения и к области производства синтез-газа для последующего его использования в химической промышленности или энергетике.The invention relates to the field of production of medium-temperature coke for metallurgical purposes and to the field of production of synthesis gas for its subsequent use in the chemical industry or energy.

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.There are a number of known methods for layer-by-layer gasification of coal in order to produce synthesis gas, the main components of which are hydrogen (H₂ ) and carbon monoxide (CO). The most common is the method of gasification of the company "Lurgi" (Schilling, G.-D. Gasification of coal / G.-D. Schilling B. Born, U. Kraus. - M .: Nedra, 1986. - 175 p.). In order to increase productivity, this method has been consistently improved (including by other companies) in the direction of increasing pressure and temperature in the combustion zone to the level of liquid slag. As a rule, in the production of synthesis gas, oxygen-vapor blasting is used, and the resulting gas contains condensable products of coal pyrolysis - resinous substances (up to 0.1 kg per 1 nm^{3 of} gas), which requires the introduction of a special gas washing stage in the technological scheme with the subsequent utilization of phenol-containing water drains. Modern processes are carried out in the mode of liquid slag removal, so the temperature in the combustion zone is at least 100-200 ° C higher than the melting temperature of the ash and is 1500-1600 ° C. This condition places high demands on materials and design solutions in the manufacture of a gasifier. Solid waste is chilled slag with a low content of residual carbon. To prepare the blast in the technological scheme, it is necessary to have a separate oxygen production, as well as steam production.

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.The main disadvantage of this technology is the high level of unit costs for the production of the target product, which inhibits the widespread use of this technology. Significant capital costs are due to the need to build gas washing and waste water treatment plants, as well as the structural complexity of the liquid slag removal system. The same reasons lead to increased operating costs, which are offset by the sale of the only target product - synthesis gas.

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.Closest to the claimed method according to the technical nature and the achieved result is a method for producing semicoke and associated combustible gas (RF patent No. 2288937, 10.12.2006), which is a variation of the method of layer-by-layer coal gasification with reverse blast. The method involves blowing a layer of coal filling with air. The blast is fed from the opposite side of the coal ignition with a flow rate that provides a temperature in the front of carbonization from 750 to 900 ° C. Coal pyrolysis products formed in the carbonization front are burnt in the air stream, forming mainly carbon dioxide and water vapor. Further, as they pass through a layer of hot coke located behind the carbonization front, these gases are partially reduced to carbon monoxide and hydrogen. Thus, the resulting gas does not contain coal pyrolysis products and can be used in further processing without intermediate cooling and washing steps from tarry substances.

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.The disadvantage of this method is the significant nitrogen content (50-55%) in the product gas due to the use of air blast. On the one hand, such a gas has a low calorie content of 2.5 to 4 MJ / nm³ , which limits the scope of its application as energy fuel, on the other hand, due to the low concentration of CO + H₂ - 17-29% in dry gas - It cannot be used as synthesis gas for the production of higher hydrocarbons in traditional processes of chemical technology. In addition, the enlarged fractional composition (up to 70 mm) significantly slows down the process of coal processing.

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.The objective of the present invention is to obtain coke and synthesis gas that do not contain or contain less ballast in the form of nitrogen, as well as a significant reduction in the cost of production of this product.

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).The technical result when using the invention consists in increasing the specific heat of combustion of the product gas more than twice as much, which is a positive factor for its use in energy production, as well as in more than doubling the volume fraction of the components CO + H₂ in the product gas which makes it possible to use it as a raw material for the processes of chemical synthesis of higher hydrocarbons. In addition, the specific productivity of the process for the gas product increases from 100-200 to 600-1100 m³ / (m² · h).

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).The specified technical result is achieved in that coal of a fraction of 2-25 mm is used as a coal layer, and oxygen or an oxygen-enriched mixture with a specific oxygen flow rate of 50-150 m³ / (m² · h) is used as a blast component from below.

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%.A method of producing coke and synthesis gas in the processing of coal is as follows. Crushed coal (class 2-25 mm) is loaded into a vertical shaft type apparatus to the entire height, oxygen blast or oxygen enriched air blast is supplied with a specific oxygen flow rate of 50 to 150 m³ / (m² · h) and the coal layer is ignited from the side, opposite blowing. The formed carbonization front with a constant speed is shifted towards the air flow, and behind the front there is a layer of hot coke. When passing through the carbonization front, coal is subsequently subjected to heating, drying, and pyrolysis. The combustible components of the pyrolysis products are completely oxidized by oxygen to form carbon dioxide and water vapor, and then, by reduction on the hot surface of the semicoke, they turn into combustible components of the gas (carbon monoxide and hydrogen), which does not contain condensable pyrolysis products. The temperature in the carbonization front does not exceed 700-800 ° C. The net calorific value of gas (per dry volume) reaches 8–9 MJ / nm³ , and the content of CO + H₂ components in dry gas reaches 70%.

После окончания процесса производится охлаждение кокса и его выгрузка с нижней стороны вертикального аппарата.After the process is completed, coke is cooled and unloaded from the bottom of the vertical apparatus.

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:In the examples illustrating the method, a vertical shaft-type apparatus with an inner diameter of 0.3 m and a height of 1.5 m was used. As a raw material, coal fraction 2-25 mm of grade 2B (Berezovsky open-pit mine of the Kansk-Achinsk coal basin) was used, having the following technical and elemental composition:

В аппарат загружается 75 кг дробленого угля.75 kg of crushed coal is loaded into the apparatus.

Пример 1Example 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.Air enriched with oxygen up to 40% is used as a blast, incomplete gasification is carried out - processing of coal into combustible gas and coke. The ignition of the layer is carried out from above. Air blast is supplied from below. After the combustion front reaches the lower side of the coal layer, the process ends.

Удельный расход воздуха - 200 м³/(м²·час).The specific air flow rate is 200 m³ / (m² · hour).

Удельный расход кислорода - 38 м³/(м²·час).The specific oxygen consumption is 38 m³ / (m² · hour).

Скорость движения фронта горения составила 0,6 м/час.The velocity of the combustion front was 0.6 m / h.

Температура в зоне реагирования - 780°С.The temperature in the reaction zone is 780 ° C.

Удельный выход кокса - 134 кг/(м²·час).The specific yield of coke is 134 kg / (m² · hour).

Выход кокса - 31%.The coke yield is 31%.

Зольность кокса, А^d=15%.The ash content of coke, And^d = 15%.

Удельная теплота сгорания кокса - 28,3 МДж/кг.The specific heat of combustion of coke is 28.3 MJ / kg.

Удельная производительность процесса по газу - 690 м³/(м²·час).The specific gas productivity of the process is 690 m³ / (m² · hour).

Состав сухого горючего газа (об.%):The composition of the dry combustible gas (vol.%):

СО=24,8;
СН₄=2,4%;CO = 24.8;
CH₄ = 2.4%;Н₂=26,1%;
N₂=21,6%.H₂ = 26.1%;
N₂ = 21.6%.СО₂=25,1%;CO₂ = 25.1%;

Удельная теплота сгорания сухого газа - 6,8 МДж/м³.The specific heat of combustion of dry gas is 6.8 MJ / m³ .

Пример 2Example 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.Oxygen blast is used, incomplete gasification is carried out - the processing of coal into combustible gas and coke. The ignition of the layer is carried out from above. The blast is supplied from below. After the combustion front reaches the lower side of the coal layer, the process ends.

Удельный расход кислородного дутья - 113 м³/(м²·час).The specific consumption of oxygen blasting is 113 m³ / (m² · hour).

Скорость движения фронта горения составила 0,91 м/час.The velocity of the combustion front was 0.91 m / h.

Температура в зоне реагирования - 680°С.The temperature in the reaction zone is 680 ° C.

Удельный выход кокса - 198 кг/(м²·час).The specific yield of coke is 198 kg / (m² · hour).

Выход кокса - 30,1%.The coke yield is 30.1%.

Зольность кокса, А^d=13,5%.The ash content of coke, And^d = 13.5%.

Удельная теплота сгорания кокса - 28,4 МДж/кг.The specific calorific value of coke is 28.4 MJ / kg.

Удельная производительность процесса по газу - 980 м³/(м²·час).The specific gas productivity of the process is 980 m³ / (m² · hour).

Состав сухого продуктового газа (об.%):The composition of the dry product gas (vol.%):

СО=23,6;
СН₄=3,2%;CO = 23.6;
CH₄ = 3.2%;Н₂=40,5%;
N₂=1,4%.H₂ = 40.5%;
N₂ = 1.4%.СО₂=31,3%;CO₂ = 31.3%;

Удельная теплота сгорания сухого газа - 8,5 МДж/м³.The specific heat of combustion of dry gas is 8.5 MJ / m³ .

Пример 3 (сравнительный)Example 3 (comparative)

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.An air blast is used, incomplete gasification is carried out - the processing of coal into combustible gas and coke. Coal of fraction 5-70 mm was used as raw material. The ignition of the layer is carried out from above. The blast is supplied from below. After the combustion front reaches the lower side of the coal layer, the process ends.

Удельный расход воздуха - 67,5 м³/(м²·час).The specific air flow rate is 67.5 m³ / (m² · hour).

Скорость движения фронта горения составила 0,105 м/час.The velocity of the combustion front was 0.105 m / h.

Температура в зоне реагирования - 800-850°С.The temperature in the reaction zone is 800-850 ° C.

Удельный выход кокса - 36,1 кг/(м²·час).The specific yield of coke is 36.1 kg / (m² · hour).

Выход кокса - 30%.The coke yield is 30%.

Зольность кокса, А^d=14,2%.The ash content of coke, And^d = 14.2%.

Удельная теплота сгорания кокса - 28 МДж/кг.The specific calorific value of coke is 28 MJ / kg.

Удельная производительность процесса по газу - 114 м³/(м²·час).The specific gas productivity of the process is 114 m³ / (m² · hour).

Состав горючего газа (об.%):Composition of combustible gas (vol.%):

СО=8,0;
СН₄=1,5%;CO = 8.0;
CH₄ = 1.5%;Н₂=9,1%;
N₂=52,2%.H₂ = 9.1%;
N₂ = 52.2%.СО₂=16,0%;CO₂ = 16.0%;

Удельная теплота сгорания сырого газа - 2,53 МДж/м³.The specific heat of combustion of the raw gas is 2.53 MJ / m³ .

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).Thus, the proposed method allows to increase the specific heat of combustion of the product gas, the volume fraction of the components of CO + H₂ in the product gas and to increase the specific productivity of the process (see table).

ТаблицаTableПараметрParameterПример 1Example 1Пример 2Example 2Пример 3 (сравнительный)Example 3 (comparative)Фракция угля, ммCoal fraction, mm2-252-252-252-255-705-70Удельный расход воздуха, м³/(м²·час).Specific air consumption, m³ / (m² · hour).2002000067,567.5Удельный расход кислорода, м³/(м²·час).Specific oxygen consumption, m³ / (m² · hour).383811311300Удельная теплота сгорания газа, МДж/нм³The specific heat of gas combustion, MJ / nm³6,86.88,58.52,532,53Объемная доля СО+Н₂ в газеVolume fraction of CO + H₂ in gas50,950.964,164.117,117.1Удельная производительность процесса по газу, м³/(м²·час).The specific productivity of the process for gas, m³ / (m² · hour).690690980980114114Удельная производительность процесса по коксу, кг/(м²·час).The specific productivity of the process for coke, kg / (m² · hour).13413419819836,136.1

Claims (1)

Translated fromRussian

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).A method of producing coke and synthesis gas during processing in a vertical shaft-type apparatus with blast supply from below, including ignition of a coal layer from above, stages of heating, drying and carbonization of raw materials, unloading of coke product from below and selection of product gas not containing condensable pyrolysis products, characterized in that coal of a fraction of 2-25 mm is used as a coal layer, and oxygen or an oxygen-enriched mixture with a specific oxygen flow rate of 50 to 150 m³ / (m² · h) is used from the bottom as blast components.