Способ сухого тушения кокса посредством пара с последующим использованием образующегося синтез-газа

Способ сухого тушения кокса посредством пара с последующим использованием образующегося синтез-газа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу сухого тушения кокса посредством пара с последующим использованием образующегося синтез-газа, причем вышеупомянутый способ включает циклическое коксование угля, превращающегося в кокс, и кокс направляется в тушильное устройство после выгрузки из коксовой печи, пар вводится в тушильное устройство для сухого тушения, таким образом, образуя синтез-газ, состоящий из монооксида углерода (CO) и водорода (H₂), посредством реакции водяного газа, и образующийся синтез-газ направляется на дальнейшее использование. Данный способ позволяет использовать тепло, образующееся в процессе коксования, для производства полезного синтез-газа, который, в свою очередь, можно использовать для следующей цели или в процессе нагревания, таким образом, обеспечивая в целом предельно равный энергетический баланс всего процесса.

Большинство способов производства кокса осуществляются в больших батареях коксовых печей или блоках коксовых печей, которые включают камеры коксовых печей традиционного типа или камеры коксовых печей «теплоутилизационного» или «нециркуляционного» типа. В традиционных камерах коксовых печей коксовый газ собирают и обрабатывают, в то время как коксовый газ в батареях коксовых печей «теплоутилизационного» или «нециркуляционного» типа сжигают в коксовой печи, чтобы производить тепло для нагревания вышеупомянутой печи. Здесь, согласно многочисленным вариантам осуществления, нагревание коксовой печи осуществляется в несколько стадий в газовом пространстве над коксовым пирогом и на поде коксовой печи под камерой коксовой печи.

Процесс коксования осуществляют циклически, причем циклы представляют собой загрузку, коксование, выгрузку и тушение. После коксования кокс выгружают из камеры коксовой печи при температуре, составляющей приблизительно 1100°C. Кокс выгружают в тушильный вагон, который собирает коксовый пирог и перемещает его в тушильное устройство. Согласно многим вариантам осуществления, оно представляет собой влажную тушильную колонну, в которой коксовый пирог орошают водой, которая испаряется и охлаждает коксовый пирог до температуры ниже температуры воспламенения кокса, таким образом, что его можно перемещать на открытый воздух, не создавая опасности. После тушения температура кокса неравномерно распределяется в коксовом пироге но, как правило, она составляет менее чем 100°C.

Патентная заявка ФРГ DE19614482C1 предлагает один вариант осуществления влажной тушильной башни. Эта заявка описывает установку для влажного тушения горячего кокса в процессе коксования угля с использованием коксового лотка и коксового перегрузочного лотка, который расположен в тушильной башне с подающим воду устройством. На другой стороне желоб проходит в коксотушильный вагон, оборудованный в нижней части коксоразгрузочным устройством и выпускающими воду клапанами. Подающая воду система расположена непосредственно у перегрузочного желоба и опустошается в коксотушильный вагон, который может иметь водонепроницаемую герметизацию, причем вышеупомянутый вагон оборудован системой управления, которая сохраняет выпускающие кокс клапаны в закрытом водонепроницаемом состоянии, в то время когда поступает вода, и открывает выпускающие воду клапаны, как только завершается поступление воды. Когда воду используют для тушения, вся тепловая энергия, которая содержится в коксовом пироге, теряется и не используется.

По этой причине в последнее время предпринимается все большее число попыток сухого тушения горячего кокса с использованием газов вместо воды. Здесь газы пропускают через горячий кокс и собирают или выделяют до тех пор, пока кокс не охлаждается до температуры ниже своей температуры воспламенения. Горячий газ, как правило, пропускают через теплоутилизационный блок, в котором образуется пар, и таким образом, утилизируется тепловая энергия. В свою очередь, пар можно использовать для приведения в движение вспомогательных блоков или для производства электроэнергии. Для этих целей часто используются инертные газы, такие как азот или доменный газ.

Международная патентная заявка WO 9109094B1 описывает способ сухого тушения кокса в тушильной камере с помощью циркуляции тушильного газа, причем вышеупомянутый способ позволяет регулировать скорость газа, поступающего из кокса, таким образом, что размер зерен (частиц) захваченной коксовой пыли составляет менее чем 3 мм, и когда горячий тушильный газ поступает в теплоутилизационный котел, размер зерен захваченной коксовой пыли составляет менее чем 1 мм, вышеупомянутый способ, включающий пропускание этого газа через устройство, которое состоит из тушильной камеры и форкамеры с круглым поперечным сечением приблизительно равного размера и цилиндрической внешней оболочкой, изготовленной из металла, и, в частности, кровля тушильной камеры находится в наклонном положении, таким образом, что она поднимается в канал горячего газа, увеличивая при этом поперечное сечение кольцевого газ-канала выше коксового столба в достаточной степени, чтобы обеспечивать регулирование скорости газа для горячего тушильного газа в процессе тушения, таким образом, чтобы она оставалась практически однородной по всей длине.

Международная патентная заявка WO 8602939A1 описывает способ сухого тушения кокса с использованием тушильного газа, причем вышеупомянутый способ включает введение кокса и тушильного газа в противоположных направлениях через двухступенчатое тушильное устройство, в котором на первой ступени осуществляют тушение кокса до температуры, составляющей приблизительно 800°C, после чего тушильный газ пропускают через вторую ступень тушения с использованием пара, и контур тушильного газа, таким образом, непосредственно соединяется со стадией термической обработки, в течение которой пар вводят таким образом, что практически не требуется выжигание угля, что обеспечивается тушением на первой ступени тушения, которое осуществляется исключительно с помощью косвенного теплообмена между коксом и хладагентом, который осуществляется на стенках теплообменника, и тушение на второй ступени осуществляется исключительно посредством содержащего пар тушильного газа.

Согласно предшествующему уровню техники, способы сухого тушения кокса могут включать разнообразные варианты осуществления. Европейская патентная заявка EP 0317752 A2 описывает способ повышения эффективности сухих коксотушильных устройств, который включает измельчение горячего кокса перед поступлением в тушильную колонну. Патентная заявка ФРГ DE 3030969 A1 описывает способ сухого тушения горячего необработанного кокса, который выталкивают из камер батареи коксовых печей и выгружают в тушильную камеру, где его тушат, используя непосредственный и/или косвенный контакт с тушильным средством, и, таким образом, необработанный кокс предварительно классифицируют по размерам частиц, получая две или большее число фракций, перед введением в тушильную камеру, причем индивидуальные разделенные по размерам частиц фракции подвергают тушению в отдельных тушильных камерах.

Следующие варианты осуществления относятся к утилизации тепла или очистке тушильного газа. Патентная заявка ФРГ DE 2435500 A1 описывает способ предварительного нагревания коксующегося угля с использованием отходящего тепла перегретого пара, который образуется в сухом коксотушильном устройстве, посредством выпуска кокса при температуре на наиболее высоком уровне, причем некоторая часть его тепла переходит к стенкам паровой рубашки. Патентная заявка ФРГ DE 3217146 A1 описывает устройство для удаления пыли из циркулирующего газа сухого коксотушильного устройства, в котором впускающий газ-канал и выпускающий газ-канал расположены под прямым углом друг относительно друга, причем выпускающий газ-канал непосредственно соединен через коническое расширение с впускным отверстием теплоутилизационного котла, интегрированного в газовый контур, и пылесборная камера с наклонной областью выгрузки пыли находится на противоположной стороне относительно впускающего газ-канала.

Однако вышеупомянутые способы и их варианты осуществления имеют недостаток, заключающийся в том, что в процессе тушения тепло кокса невозможно утилизировать, или тепло кокса можно утилизировать лишь неэффективным образом, поскольку в процессе тушения образуется большой объем газа, который требуется пропускать через теплоутилизационный блок, делая тушение технически затруднительным или экономически неэффективным. По этой причине было бы предпочтительным использование тепла, которое содержится в выгружаемом коксе, посредством эндотермической химической реакции, которая делает эту энергию доступной в химической форме.

Одна подходящая эндотермическая химическая реакция представляет собой реакцию водяного газа с соответствующим равновесием между водой и газом. Для осуществления этой реакции пар (H₂O) пропускают через горячий кокс, который реагирует с паром (H₂O), образуя водород (H₂) и монооксид углерода (CO). Эта реакция является эндотермической и протекает следующим образом:

C+H₂O↔H₂+CO; ΔH=+131,3 кДж/моль

Последующая реакция между паром и коксом с образованием диоксида углерода и двух эквивалентов водорода является возможной, но, согласно настоящему изобретению, как правило, она не происходит вследствие соответствующей дозировки и соответствующей скорости потока пара. Эта реакция является сильно эндотермической, и ее можно осуществлять только посредством дополнительного нагревания кокса.

Британская патентная заявка GB 347601 A описывает способ производства газовой смеси, состоящей из азота и водорода, которая является подходящей для синтеза аммиака, который образуется в коксотушильном устройстве, причем кокс орошают водой и продувают воздухом, и монооксид углерода направляют в секцию установки, в которой монооксид углерода образует эквивалентное количество водорода посредством последующей конверсии монооксида углерода с использованием пара. Здесь пар для конверсии монооксида углерода образуется из воды, которой орошают коксовый пирог, чтобы осуществлять тушение кокса. В данной заявке не описано тушение коксового пирога посредством продувания водяного пара.

Таким образом, задача заключается в том, чтобы предложить способ, согласно которому в циклическом режиме осуществляют карбонизацию угля и используют водяной пар (H₂O) для сухого тушения горячего кокса после цикла коксования, и, таким образом, пар (H₂O) реагирует, по меньшей мере, частично с коксом, образуя водород (H₂) и монооксид углерода (CO) согласно равновесию между водой и газом, причем получаемый водород (H₂) собирают, и получаемую таким способом газовую смесь используют для следующей цели. Таким путем получают синтез-газ.

Согласно настоящему изобретению, тушение кокса с использованием пара происходит в тушильном устройстве, которое предпочтительно сконструировано как тушильная колонна. После коксования угля и завершения процесса коксования коксовый пирог перемещают или выгружают в тушильный вагон, который перемещает коксовый пирог в тушильное устройство. Здесь коксовый пирог герметически отделяется от окружающей атмосферы, и через него пропускают водяной пар. Предпочтительно это осуществляют в вертикальном восходящем направлении потока газа, таким образом, что более плотный пар вытесняется менее плотным водородом в течение процесса тушения. Пар может представлять собой газовую смесь в любом состоянии, и он даже может присутствовать в смеси с другими газами, но его предпочтительно используют в чистом виде.

В частности, заявлен способ сухого тушения кокса, в котором:

- уголь нагревают в коксовой печи в процессе нагревания, используя имеющий высокую теплотворную способность газ, и кокс получают посредством циклического коксования, причем вышеупомянутый кокс выгружают в коксотушильный вагон после завершения коксования, и

- раскаленный кокс перемещают в коксотушильное устройство в коксотушильном вагоне, в котором вышеупомянутый раскаленный кокс тушат до температуры ниже температуры воспламенения посредством тушильного газа, причем вышеупомянутый процесс отличается тем, что:

- водяной пар (H₂O) используют в качестве тушильного газа в условиях исключения воздуха, причем вышеупомянутый пар реагирует, по меньшей мере, частично с раскаленным коксом (C) согласно реакции водяного газа, образуя синтез-газ, состоящий из водорода (H₂) и монооксида углерода (CO), и

- поскольку сухое тушение осуществляют в коксотушильном устройстве, получаемый водородсодержащий тушильный газ собирают, и

- получаемую таким способом газовую смесь используют для следующей цели.

Образующийся синтез-газ может также содержать примеси, но если реакцию осуществляют правильно, он состоит, главным образом, из таких компонентов, как водород (H₂) и монооксид углерода (CO).

Для осуществления данного способа пар предпочтительно производят в паровом котле. Вышеупомянутый пар сохраняют в горячем состоянии, используя подходящие устройства для промежуточного хранения, и затем вводят в коксотушильное устройство под давлением, используя дозирующее устройство. Чтобы предотвратить конденсацию пара при его введении в коксотушильное устройство, согласно предпочтительному варианту осуществления, питающие трубы можно нагревать. Когда пар реагирует с горячим коксом, образуются водород (H₂) и монооксид углерода (CO). Согласно предпочтительному варианту осуществления, используемый водяной пар является сухим, т.е. в нем отсутствуют захваченные капли воды или аэрозоль. Осуществляя способ согласно настоящему изобретению, тепловую энергию кокса, которая высвобождается в процессе тушения после процесса коксования, используют для получения полезных продуктов. В результате можно улучшать энергетический баланс всего процесса производства кокса.

Образующийся синтез-газ и содержащийся в нем водород можно использовать для любой следующей цели. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, использование этой газовой смеси для следующей цели включает его введение в топливный газ коксовой печи (печей). При этом коксовую печь нагревают, используя газ, образующийся в процессе тушения кокса. Для этой цели водород, используемый для нагревания коксовой печи, можно смешивать с углеводородным топливным газом перед его поступлением в коксовую печь. Согласно примерному варианту осуществления, топливный газ представляет собой природный газ. Согласно следующему варианту осуществления, топливный газ представляет собой коксовый газ. Кроме того, является возможным использование доменного газа из процесса доменной печи в качестве топливного газа вместо углеводородного топливного газа.

Согласно следующему варианту осуществления, синтез-газ вводят в теплоутилизационный процесс перед его использованием для следующей цели или введением в коксовую печь для целей нагревания. Это можно осуществлять, например, посредством пропускания газа через теплоутилизационный котел. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, пар образуется в течение теплоутилизационного процесса. Согласно типичному варианту осуществления, пар затем используют для производства механической энергии, приводя в движение турбину. Это можно, в свою очередь, использовать для производства электроэнергии. Кроме того, можно направлять образующийся синтез-газ через теплообменник, в котором пар, используемый для тушения, предварительно нагревают в противоточном направлении.

Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения реакцию конверсии водяного газа проводят для превращения монооксида углерода (CO) в диоксид углерода (CO₂) после тушения кокса паром (H₂O). В результате получают газовую смесь. Эта газовая смесь состоит, главным образом, из водорода (H₂) и диоксида углерода (CO₂), и из нее можно легко получать чистый водород, например, посредством адсорбции при переменном давлении. Здесь, согласно одному варианту осуществления, пар, требуемый для данной цели, можно добавлять в избытке для процесса тушения или вводить в уже произведенный синтез-газ. Его можно также распылять в форме жидкой воды после того, как кокс оказывается потушенным.

Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения использование для следующей цели относится к конверсии монооксида углерода с паром и к последующей очистке водорода, получаемого в процессе конверсии, в блоке адсорбции переменного давления. Водород можно затем использовать, например, в химическом процессе в последующем применении. Блоки адсорбции переменного давления для очистки водорода от водородсодержащих газов хорошо известны на предшествующем уровне техники. Международная патентная заявка WO 2006066892 A1 описывает один пример способа очистки водорода посредством адсорбции при переменном давлении.

Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения, пар разделяют, по меньшей мере, на два частичных потока для тушения. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, частичный поток пара вводят в коксотушильное устройство снизу в вертикально восходящем направлении потока, а следующий частичный поток пара вводят в часть колонны, в которой подлежащий тушению кокс имеет температуру от 500 до 900°C. Это можно осуществлять, например, используя, питающие сопла, установленные на стороне колонны, которые вводят пар непосредственно в кокс.

Согласно одному примерному варианту осуществления настоящего изобретения, коксотушильное устройство представляет собой коксотушильную колонну. Согласно следующему примерному варианту осуществления настоящего изобретения, коксотушильное устройство представляет собой коксотушильную камеру. Кроме того, это устройство может быть оборудовано, например, форкамерой. Тушильное устройство или последующую транспортную линию для водорода можно также оборудовать удаляющим пыль устройством. Это позволяет сократить содержание пыли, если используется насыщенный пылью уголь, или пыль образуется в больших количествах в процессе тушения.

Для использования в осуществлении данного способа батарея коксовых печей или блок коксовых печей может иметь любую конструкцию и конфигурацию любого типа. Батарея коксовых печей, из которых поступает кокс, и которые нагревают, используя синтез-газ, может представлять собой, например, батарею коксовых печей, в которых коксовый газ собирают и обрабатывают. Блок коксовых печей, из которых поступает кокс, может представлять собой, например, батарею коксовых печей «теплоутилизационного» типа». Наконец, блок коксовых печей, из которых поступает кокс, может представлять собой также батарею коксовых печей «нециркуляционного» типа. Даже коксовые печи, которые расположены в батарее или блоке коксовых печей, могут, в конечном счете, иметь любую конструкцию, при том условии, что они являются подходящими для производства кокса и нагревания посредством синтез-газа, когда это целесообразно. Выдачу кокса можно также осуществлять, используя другие батареи или блоки коксовых печей, в которых не получают синтез-газ в процессе тушения, но это не представляет собой обычную практику.

Кроме того, вспомогательные устройства, такие как резервуары для хранения жидкостей или газов, насосы, клапаны, нагревательные или тушильные устройства, газожидкостные сепараторы или устройства для измерения температуры или концентрации составляющих компонентов газа, можно использовать в любой точке процесса согласно настоящему изобретению.

Настоящее изобретение обладает преимуществом использования тепловой энергии кокса после коксования посредством эндотермической химической реакции, и, таким образом, тепловую энергию горячего кокса можно использовать значительно эффективнее, чем в способах предшествующего уровня техники. Кроме того, настоящее изобретение обладает преимуществом получения водорода в качестве полезного продукта без введения дополнительной энергии, и, таким образом, обеспечивается улучшение энергетического баланса всего процесса. Таким образом, может быть значительно повышена экологическая совместимость данного способа.

Далее настоящее изобретение разъясняется посредством чертежа, причем данный чертеж просто представляет примерный вариант осуществления и не ограничивает его.

Чертеж представляет коксовую печь, которая служит для карбонизации угля. Чертеж представляет камеру коксовой печи (1), в которой находятся угольный пирог (2), дверцы камеры коксовой печи (3), первичное нагревательное пространство (4) над коксовым пирогом (2) и вторичное нагревательное пространство (5) под коксовым пирогом (2). Тушильный вагон (6), в который собирают коксовый пирог (2) для тушения, устанавливают перед камерой коксовой печи (1). Вышеупомянутый тушильный вагон (6) устанавливают перед коксотушильной камерой (7), и коксовый пирог (2) выгружают в коксотушильную камеру (7) посредством впускного клапана (7a). Вышеупомянутый клапан (7a) закрывают, как только коксотушильная камера (7) оказывается заполненной. Пар (8, H₂O) затем поступает в коксотушильную камеру (7) снизу и реагирует с горячим коксовым пирогом (5a) согласно равновесию между водой и газом, образуя смесь водорода и монооксида углерода (9, H₂ и CO), представляющую собой синтез-газ. Пар (8) производят посредством парового котла (10) с установленным ниже по потоку дозирующим устройством (10a). Синтез-газ (9), образующийся в процессе тушения, выводят по направлению вверх, и после отделения пыли в отделяющем пыль блоке (11) его направляют во вторичное нагревательное пространство (5) коксовой печи (1) в качестве топливного газа (9a). Это осуществляют посредством теплообменника (12), который в противоточном режиме осуществляет предварительное нагревание пара (8), поступающего для тушения кокса (2). Здесь его вводят в частично сгоревший коксовый газ, который уже был введен во вторичное нагревательное пространство (5) из первичного нагревательного пространства (4) и сожжен. В результате это способствует нагреванию коксового пирога (2) через пол камеры коксовой печи (1). После сгорания полностью сожженный коксовый газ выводят из вторичного нагревательного пространства (5) как отходящий газ (13) и направляют в газоочистительное устройство (14). Очищенный отходящий газ (14a) выводят из газоочистительного устройства (13) и направляют в теплоутилизационный блок (15). Здесь генератор (15a), который производит электроэнергию, приводят в движение посредством турбины. Охлажденный отходящий газ (15b) выводят через дымовую трубу (16). Потушенный кокс (5a) или подлежащий тушению кокс (5a) выводят посредством выпускного клапана (7b) и направляют на заключительное тушение.

Список условных номеров и обозначений

1 - Камера коксовой печи

2 - Угольный или коксовый пирог

3 - Дверцы камеры коксовой печи

4 - Первичное нагревательное пространство

5 - Вторичное нагревательное пространство

5a - Подлежащий тушению кокс

6 - Тушильный вагон

7 - Коксотушильная камера

7a - Впускной клапан

7b - Выпускной клапан

8 - Пар

9 - Синтез-газ

9a - Топливный газ для вторичного нагревательного пространства

10 - Паровой котел

10a - Регулирующий клапан для пара

11 - Накопительный резервуар

12 - Теплообменник

13 - Отходящий газ

14 - Газоочистительное устройство

14a - Очищенный отходящий газ

15 - Теплоутилизационный блок

15a - Генератор

15b - Охлажденный отходящий газ

16 - Дымовая труба.

1. Способ сухого тушения кокса (5а), в котором:- уголь (2) нагревают в коксовой печи (1) в процессе нагревания, используя имеющий высокую теплотворную способность газ, и кокс (5а) получают посредством циклического коксования, причем вышеупомянутый кокс выгружают в коксотушильный вагон (6) после завершения коксования, и- раскаленный кокс (5а) перемещают в коксотушильное устройство (7) в коксотушильном вагоне (6), в котором вышеупомянутый раскаленный кокс (5а) тушат до температуры ниже температуры воспламенения посредством тушильного газа (8),и который отличается тем, что:- водяной пар (H₂O) используют в качестве тушильного газа (8) в условиях исключения воздуха, причем вышеупомянутый пар реагирует, по меньшей мере, частично с раскаленным коксом (5а) согласно реакции водяного газа, образуя синтез-газ, состоящий из водорода (Н₂) и монооксида углерода (СО), и- поскольку сухое тушение осуществляют в коксотушильном устройстве (7), получаемый водородсодержащий тушильный газ (9) собирают, и- полученную таким способом газовую смесь (9) используют для следующей цели, причем водяной пар (8) для тушения разделяют, по меньшей мере, на два частичных потока, причем один частичный поток пара (8) поступает в коксотушильное устройство (7) снизу вверх в вертикальном направлении потока, а второй частичный поток пара (8) поступает в часть коксотушильного устройства (7), в котором подлежащий тушению кокс (5а) имеет температуру от 500 до 900°C.

2. Способ сухого тушения кокса (5а) по п. 1, отличающийся тем, что использование для следующей цели относится к введению газовой смеси (9) в топливный газ (9а) коксовой печи (печей) (1).

3. Способ сухого тушения кокса (5а) по п. 2, отличающийся тем, что углеводородный топливный газ смешивают с синтез-газом (9), используемым для нагревания коксовой печи (1), перед его введением (9а) в коксовую печь (1).

4. Способ сухого тушения кокса (5а) по п. 3, отличающийся тем, что топливный газ представляет собой природный газ.

5. Способ сухого тушения кокса (5а) по п. 3, отличающийся тем, что топливный газ представляет собой коксовый газ.

6. Способ сухого тушения кокса (5а) по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что синтез-газ (9) вводят в теплообменник (12) перед использованием для следующей цели.

7. Способ сухого тушения кокса (5а) по п. 6, отличающийся тем, что водяной пар (8) предварительно нагревают в теплообменнике (12) в противоточном режиме.

8. Способ сухого тушения кокса (5а) по любому из пп. 1, 2, 3, 4, 5 или 7, отличающийся тем, что использование для следующей цели относится к конверсии монооксида углерода (СО), содержащегося в газовой смеси (9), с использованием пара (H₂O), причем вышеупомянутый монооксид углерода (СО) превращается в диоксид углерода (CO₂).

9. Способ сухого тушения кокса (5а) по п. 8, отличающийся тем, что использование для следующей цели относится к конверсии монооксида углерода (СО) с использованием пара (H₂O) и последующей очистке водорода (Н₂), получаемого в блоке адсорбции переменного давления.

10. Способ сухого тушения кокса (5а) по любому из пп. 1, 2, 3, 4, 5, 7 или 9, отличающийся тем, что коксотушильное устройство (7) представляет собой коксотушильную колонну.

11. Способ сухого тушения кокса (5а) по любому из пп. 1, 2, 3, 4, 5, 7 или 9, отличающийся тем, что коксотушильное устройство (7) представляет собой коксотушильную камеру.

12. Способ сухого тушения кокса (5а) по п. 11, отличающийся тем, что коксотушильная камера (7) оборудована форкамерой.