CZ290861B6 - Způsob energetického vyuľití tuhých paliv s tlakovým zplyňováním a paro-plynovým cyklem a zařízení k jeho provádění - Google Patents

Abstract

Zp sob energetick ho vyu it pevn²ch paliv se zply ov n m a paro-plynov²m cyklem, s vysokoteplotn m i t n m syntetick ho plynu a ste nou recirkulac spalin spo v v tom, e uhl kat palivo obsahuj c uhl a/nebo sm s biomasy s uhl m se zply uje substechiometrick²m spalov n m ve fluidn a/nebo transportn vrstv stic sm s vzduchu a recirkuluj c st spalin na minim ln dvou vertik ln ch ·rovn ch p°i celkov m stechiometrick m pom ru kysl k/palivo 0,3 a 0,8, teplot 700 a 900 .degree.C a provozn m tlaku 1,0 a 2,4 MPa, p°i em teplota v tlakov m zply ovac m reaktoru se reguluje pomoc pr tokov ho mno stv a teploty recirkuluj c ch tlakov²ch spalin, tlakov ho vzduchu, recirkuluj c ho pop lku odlou en ho ze syntetick ho plynu a obsahem vody paliva vstupuj c ho nejm n ve dvou vertik ln ch ·rovn ch do reaktoru, vznikl² syntetick² plyn se ods ° a po odlou en tuh²ch stic spaluje na teplotu nejm n 1100 .degree.C, p°i em spaliny se nechaj expandovat a po n sledn m ochlazen spojen m s v²robou p ry se jich st recirkuluje. Za° zen k prov d n zp sobu sest v z tlakov ho zply ovac ho reaktoru (101), opat°en ho nejm n dv ma, v r zn²ch vertik ln ch ·rovn ch um st n²mi p° vody paliva a nejm n dv ma vertik ln odli n²mi p° vody vzduchu a recirkula n ch spalin a nejm n jedn m p° vodem recirkuluj c ho pop lku a nejm n jedn m p° vodem odsi°ovac ch v penat²ch l tek a d le odvodem (117) syntetick ho plynu, kter² je napojen na nejm n jeden cyklon (102), v²stup syntetick ho plynu z posledn ho cyklonu (102) je propojen p°es nejm n jeden filtr (203) se spalovac komorou (204), jej v²stup spalin je spojen p°es nejm n jednu plynovou turb nu (205) s parn m kotlem

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu energetického využití tuhých paliv, zvláště uhlí a směsi biomasy a uhlí s vyšším obsahem vody, s využitím paro-plynového cyklu s částečnou recirkulací spalin a zařízení k jeho provádění.

Dosavadní stav techniky

Obecnou snahou u energetické aplikace spalovacích procesů s tuhými palivy je dosáhnout maximální možné účinnosti přeměny energie paliva na užitečnou, nejčastěji elektrickou energii při minimalizaci jak plynných emisí, tak i minimalizaci ztrát uhlíku z paliva a škodlivosti tuhých zbytků ze spalování a zplyňování, jako jsou vymývatelné těžké kovy, některé nestálé sulfidy apod. Vývoj spalovacích metod a zvyšování účinnosti přeměn energie vedl postupně k zavádění tzv. kombinovaných cyklů (oběhů), využívajících nejen parní turbíny, ale také plynové turbíny schopné pracovat s podstatně vyšší teplotou stlačených spalných plynů - v současnosti okolo 1200 °C. Tyto skutečnosti vedly a vedou k vývoji stupňovitých procesů nejen tlakového fluidního spalování a zplyňování tuhých paliv s účelem dosažení teploty až 1250 °C bez negativních důsledků na chování popelových částic, např. měknutí, tavení, apod. bez přebytečné tvorby NO_X a se zachovanou možností „in šitu“ odsiřování plynů za teplot 750 až 950 °C.

Z patentů RU 2 123 637, WO 0 043 468, WO 0 077 128 a Al, US 6 101 983, US 6 148 599, EP 0 698 726 A2 aj. je známa řada způsobů a uspořádání kombinovaných cyklů využívajících tlakové fluidní zplyňování a spalování tuhých paliv s vysokoteplotním čištěním oxidačních spalin a syntetického plynu, které jsou použity po vzájemném kontaktu ve spalovací komoře ke zvýšení vstupní teploty plynů do plynové turbíny.

Typické uspořádání pro takový proces, např. advanced, staged PFBC/G, obsahuje zplyňovací tlakový reaktor, spalovací tlakový reaktor, dvě nezávislé linky pro vysokoteplotní čištění spalin, které často musí pracovat za odlišných podmínek, jako je teplota, zanášení, četnost zpětných profuků filtrů apod., problematické převody nespotřebovaných zbytků ze zplyňovacího reaktoru do spalovacího reaktoru apod., spalovací komoru pro kontakt oxidačních spalin se syntetickým plynem, která trpí odlišnými podmínkami čištění plynů a tlakovými nerovnoměrnostmi s tím souvisejícími. Kladem těchto technologií je naopak možnost dosažení nízkého nedopalu ve zbytcích z oxidační technologie tlakového spalování a možnost oxidace, případně rozkladu CaS, který vznikl za podmínek zplyňování paliva s obsahem síry.

Další zjednodušení a integraci zplyňování a spalování v jednom reaktoru řeší např. patent JP II 181 458 A2, kde přívod vzduchu a paliva je realizován vždy pouze v jedné vertikální úrovni, přičemž v reaktoru je použito pouze nepřímé chlazení generací nebo přehřátím páry v trubkách. V takovém reaktoru se nezbytně vytváří teplotní profil s možným negativním odrazem ve složení plynů.

Jiným problémem bývá vlhkost paliva, která se někdy řeší integrací sušení paliva do procesů tlakového spalování a zplyňování např. do A-PFBC/G. Sušení pálívaje realizováno např. pomocí horkých spalin s nižším obsahem kyslíku nebo pomocí horkého syntetického plynu viz např. patenty US 6 148 599, US 5 695 532. Společným nedostatkem těchto technologií je uvolňování dehtů z paliv, obtížné odlučování často lepivých částic prachového uhlí od plynu s obsahem dehtovitých látek a obtížné zpětné získávání energie použité k odpaření vody z paliva (uhlí).

-1 CZ 290861 B6

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je jednak zjednodušení provádění tlakového fluidního zplyňování uhlí, směsi uhlí a biomasy a směsi uhlí a odpadní biomasy, např. čistírenských kalů, a jednak efektivnější, účinnější využití a transformace tepla v kombinovaném cyklu pomocí částečné recirkulace spalin při účinném omezení jak plynných emisí, tak tvorby tuhých odpadů obtížně deponovatelných nebo vyžadujících další úpravy před skládkováním.

Způsob zplyňování podle vynálezu zlepšuje možnost ovlivňování kvality a výhřevnosti syntetického plynu tím, že na rozdíl od známých řešení, např. japonský patent JP 11 181 450, používá vertikální členění přívodů vzduchu, paliva a recirkulujících spalin, přispívající k vyrovnanějšímu vertikálnímu profilu teplot ve zplyňovacím reaktoru a vyšší kvalitě plynu. Na rozdíl od známých řešení využívá pouze přímé chlazení vzduchem, recirkulujícími spalinami a vodou z paliva, čímž je odstraněno nebezpečí koroze a eroze chladicích trubek u nepřímého chlazení ve zplyňovacím reaktoru. Dále návrh umožňuje a dokonce také vyžaduje alespoň částečné použití paliva (uhlí, směsi uhlí-biomasa, směsi uhlí-čistírenský kal aj.) s relativně vysokým obsahem vody do 60 % hmotn. bez problematické integrace sušení paliva (uhlí, biomasy) do procesu, zvyšuje celkovou účinnost procesu recirkulací části spalin, tj. vřazením prakticky uzavřeného plynového cyklu se spalinovým kompresorem a průchodem plynovou turbínou.

Ochrana plynové turbíny před zvýšenou koncentrací sloučenin alkalických kovů, těžkých kovů a vanadu je zabezpečena podle vynálezu relativně nižší provozní teplotou keramického filtru (500 až 700 °C) před spalovací komorou a případně, podle potřeby, přidáváním jednak aditiva s obsahem SiO₂ nebo SiO₂ + A1₂O₃ přímo do zplyňovacího reaktoru a přidáváním určitého množství adsorbentu na bázi aktivního uhlí či hnědouhelného koksu do chlazeného proudu syntetického plynu před filtrem.

Vynález řeší snížení obsahu CaS v tuhých zbytcích po zplyňování pomocí styku směsi částic popelu, nedopalu, CaCO₃, CaS a případně malého množství CaO, se spalinami obsahujícími 2 až 4 % obj. kyslíku, nad 12 % obj. H₂O a nad 8 % obj. CO₂ za teplot 500 až 800 °C a tlaků nad 1 MPa. Pokud je ve zbytcích relativně významnější množství nedopalu, je možné také přimíchat ke spalinám určité množství vzduchu ke zvýšení koncentrace kyslíku.

Recirkulace jak cyklonového popela, tak popílku z filtrů, slouží k zajištění menšího uhlíkového nedopalu.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že tuhé palivo obsahující uhlí a/nebo směs biomasy s uhlím se zplyňuje ve fluidní a/nebo transportní vrstvě částic směsí vzduchu a recirkulující části spalin přiváděných na minimálně dvou vertikálních úrovních při celkovém stechiometrickém poměru spalování kyslík /palivo 0,3 až 0,8, teplotě 700 až 900 °C a provozním tlaku 1,0 až 2,4 MPa, vzniklý syntetický plyn se odsíří a po odloučení tuhých částic se spaluje na teplotu nejméně 1100 °C, přičemž spaliny se nechají expandovat a po následném ochlazení spojeném s výrobou páry se jejich část recirkuluje.

Nejméně 30 % hmotn. z přiváděných paliv je ve formě pasty s obsahem vody menším než 60 % hmotn., přičemž všechna paliva obsahující reaktivní hnědé uhlí nebo lignit nebo směs reaktivní uhlí-biomasa nebo směs reaktivní uhlí-bio-odpad, mají průměrnou výhřevnost v suchém stavu vyšší než 15MJ/kg, průměrný obsah popelovin v suchém stavu pod 30% hmotn., obsah síry a dusíku v suchém stavu pod 1,5% hmotn., obsah vanadu, arzenu a olova v sušině jednotlivě pod 100 mg/kg, obsah chloru v sušině pod 500 mg/kg paliva.

Teplota v tlakovém zplyňovacím reaktoru se reaguje pomocí množství a teploty recirkulujících tlakových spalin vstupujících do reaktoru a do děliče cyklonového popela, teplotou tlakového

-2CZ 290861 B6 vzduchu, hmotným tokem ochlazeného popela z fluidního uzávěru do zplyňujícího reaktoru a také částečně obsahem vody 30 až 60 % hmotn. v palivu vstupujícím do zplyňovacího reaktoru.

Odsiřování syntetického plynu se provádí za podmínek tlakového zplyňování pomocí nezávislého přivádění vápenatého materiálu, s výhodou mletého vápence s obsahem CaO nad 30 % hmotn., s obsahem MgO nebo SiO₂ nebo A1₂O₃ nad 5 % hmotn., který se přidává podle obsahu síry v palivu tak, aby celkový molámí poměr Ca/S za podmínek zplyňování byl větší nebo roven 1,5.

Spodní popel ze zplyňovacího reaktoru a část popela cyklonového, recirkulujícího je před vypuštěním do atmosféry podrobena za tlaků nad 1 MPa kontaktu s plynem - směsí spalin a vzduchu s obsahem kyslíku 3 až 10% obj., podle obsahu uhlíkového nedopalu a s obsahem H₂O a CO₂ za teplot 500 až 800 °C tak, aby přítomný CaS v odpadní popelové směsi byl částečně zoxidován na CaSO₄ a částečně přeměněn působením CO₂ a H₂O na CaCO₃.

Odlučování částic prachu v syntetickém plynu za cyklonem (cyklony) se provádí po ochlazení jmenovaného plynu na filtru (filtrech) za teplot 500 až 700 °C.

Při obsahu uhlíkového nedopalu v prachu zachyceném na filtru menším než 6 % hmotn. se přidává před filtrem (filtry) do plynného proudu adsorbent na bázi uhlíku (např. aktivní koks) tak, aby celkový obsah uhlíku v zachyceném popelu byl 6 až 12 % hmotn.

Při molámím poměru (CaO + K₂O + Na₂O)/SiO₂ v palivovém popelu větším než 1 a při obsahu SiO₂ ve vápenci pod 5 % hmotn., přidává se do tlakového zplyňování (např. společně s vápenatým materiálem) aditivní látka obsahující SiO₂ nebo směs obsahující A1₂O₃ + SiO₂ jako např. oxid křemičitý, kaolinit, drcený šamot, popel z fluidního spalování s obsahem SiO₂ nad 30 % hmotn. v tlakovém množství aby molámí poměr (CaO + K₂O + Na₂O) z paliva + aditivní látky/SiO₂ z paliva + aditivní látky bel menší než 1.

Do spalovací komory za filtry se přivádí syntetický plyn o teplotě 500 až 700 °C, předehřátý vzduch o teplotě vyšší než 350 °C a eventuálně také zemní plyn, čímž po kontaktu a shoření vznikají spaliny o teplotě nad 1100 °C, přičemž celkový průměrný obsah kyslíku ve spalinách za plynovou turbínou je 2 až 4 % obj..

Část ochlazených spalin o teplotě 120 až 180 °C a obsahu kyslíku 2 až 4 % obj. za parním kotlem je vedena do spalinového kompresoru pro částečnou recirkulaci spalin, přičemž podle čistoty spalin se používá k odstranění např. H₂SO₄ části SO₂ a NO_X z proudu spalin před kompresí spalin aktivní uhlí, nebo aktivní koks vyrobený z hnědého uhlí. Lze tak zachytit většinu par H₂SO₄ část SO₂ a část NO_X, které by mohly korozně působit při pozdějším hlubším ochlazování komprimovaných recirkulačních spalin. Spotřebovaný, nasycený filtr je možné likvidovat rozemletím a spalováním/zplyňováním v hlavním reaktoru. Recirkulující spaliny obíhají v uzavřeném plynovém cyklu a průchodem nejen spalinovým kotlem, ale také plynovou turbínou dosahují vyšší účinnosti přeměny tepelné energie na užitečnou, elektrickou energii než při použití jen prostého parního cyklu. Spalinový kompresor může být v ustáleném stavu procesu poháněn například parní turbínou a vzduchový kompresor může být poháněn plynovou turbínou. Zemní plyn jako přídavné, vyrovnávací palivo může sloužit k dolaďování potřebné teploty na vstupu do plynové turbíny za nižších výkonů nebo při nezařazení předehřevu vzduchu vstupujícího do dohořívací komory a také k lepšímu startování celého systému. Přídavný kompresor na vzduch může zabraňovat zbytečnému škrcení tlakového vzduchu při zásobování systému stlačeným vzduchem na různých tlakových úrovních.

Zřízení obsahuje tlakový zplyňovací reaktor opatřený nejméně dvěma, v různých vertikálních úrovních umístěnými přívody paliva a nejméně dvěma vertikálně odlišnými přívody vzduchu a přívody recirkulačních spalin a nejméně jedním přívodem odsiřovacích vápenatých látek a dále odvodem syntetického plynu, který je napojen na odlučovače pevných částic a následně na spalovací komoru, jejíž výstup spalin je veden přes plynovou turbínu na parní kotel, jehož

-3CZ 290861 B6 generovaná pára expanduje v parní turbíně a výstup spalin za parním kotlem je dělen na výstup do komína a do systému s kompresorem pro recirkulaci části spalin.

Dále zařízení obsahuje cyklon(y), fluidní dělič a fluidní uzávěr k recirkulaci části popela, nezreagovaného uhlíku a vápenatých látek odloučených v cyklonu zpět do tlakového zplyňovacího reaktoru pomocí recirkulovaných spalin nebo jejich směsí s tlakovým vzduchem a fluidní komoru pro konverzi CaS oxidací a reakcí s H₂O a CO₂ před vypuštěním ze systému.

Pro zachycování jemných částic je použit keramický filtr nebo soustava využívající keramických filtrů s periodickým odstraňováním usazeného prachu.

Zařízení obsahuje výměníky tepla, např. zapojené do parního okruhu s parní turbínou, pro ochlazení proudu syntetického plynu před filtrací na keramických filtrech, pro ochlazení proudu stlačených recirkulujících spalin a proudu stlačeného vzduchu za příslušnými kompresory na požadovanou teplotu.

Přiklad provedení vynálezu

Na přiloženém výkrese je znázorněno schéma zapojení jednotlivých aparátů v zařízení podle vynálezu, včetně vedení jednotlivých médií. V tlakovém zplyňovacím reaktoru 101 je spalováno a zplyňováno za tlaku 1,0 až 2,4 MPa palivo přiváděné minimálně na dvou různých vertikálních úrovních. Zplyňovacím médiem je jednak stlačený vzduch, jednak recirkulující část stlačených spalin. Stlačený vzduch je dodáván pomocí kompresoru 401, případně s pomocí dalšího dmychadla či kompresoru 405 a stlačené spaliny jsou dodávány pomocí spalinového kompresoru 303. Vertikálně odlišné přívody plynů a paliva slouží k vytvoření vyrovnanějšího vertikálního teplotního pole v reaktoru 101. Pro odsiřování plynů je do reaktoru uváděn vápenec přívodem 110. Vyrobený syntetický plyn s unášenými částicemi je veden do cyklonu nebo řady cyklonů 102, ve kterých jsou odloučeny hrubější částice (asi nad 3 až 6 pm). Cyklonem odloučené částice popela s nedopalem, CaCCh, CaSO₄ a CaS (CaO) jsou ve fluidním děliči 104 částečně ochlazeny a Částečně oxidovány fluidací recirkulujícími spalinami, případně směsí spalin se vzduchem. Pomocí fluidního uzávěru nebo jiného typu uzávěru 103 jsou částice dopravovány recirkulačním kanálem 111 do zplyňovacího reaktoru 101. Z děliče 104 je partikulární materiál také dopravován do fluidní komory 105 pro konverzi (destrukci a oxidaci) CaS recirkulujícími spalinami nebo jejich směsí se stlačeným vzduchem. Tím za teplot 500 až 800 °C vzniká odpad 115 pouze s nízkým obsahem uhlíkového nedopalu a CaS. Hrubý popel je odpouštěn ze spodní části reaktoru 101 přes chladič 106 spodního popela, kde je také umenšen obsah uhlíku a CaS v odpadu pomocí spalin vystupujících z chladiče 304 spalin či směsi recirkulovaných spalin a vzduchu do komorového podavače 107 popela a dále ven ze systému jako odpad 114. Plyn vystupující z cyklonu 102 je veden do chladiče 201 syntetického plynu, kde je vyrobený plyn ochlazen z teploty 700 až 900 °C např. pomocí přehříváku páry nebo ohřevu tlakového vzduchu z ohřívače 402, vedeného přívodem 403 do spalovací-dohořívací komory 204. Ochlazený plyn je veden do jemného filtru 203. Při velmi malém obsahu nedopalu v popelu z uhlí a biomasy je přidáván v místě 202 uhlíkový adsorbent, např. aktivní uhlí nebo aktivní koks. Při nízkém obsahu SiO₂ v palivovém popelu a vápenci je přidávána do zplyňovacího reaktoru 101 aditivní látka s vyšším obsahem SiO₂. Prach zachycený ve filtru 203 je zpětným profukem inertního plynu nebo vyčištěného syntetického plynu odloučen a dále přes systém s komorovým podavačem 113 popílku veden recirkulačním potrubím 112 pro jemný popílek do fluidního děliče 104. Část jemného prachu z filtrů (typicky 20 až 50 % hmotn) je vypouštěna ze systému jako tuhý odpad 116. Čistý syntetický plyn zbavený prachu a par sloučenin alkalických a těžkých kovů je veden do dohořívací, spalovací komory 204, kde spalitelné složky plynu (CO, H₂, CH₄, C_xH_y) jsou spalovány pomocí předehřátého vzduchu o teplotě nad 350 °C (např. 500 °C) vedeného přívodem 403 a pomocí zemního plynu vedeného přívodem 501 pro dosažení požadované vyšší teploty. Tím, podle obsahu spalitelných složek, stupně předehřátí syntetického plynu a vzduchu a průtoku zemního plynu, stoupne teplota spalin typicky na 1100 až 1300 °C. Horké spaliny vstupují do

-4 CZ 290861 B6 plynové turbíny 205, která může také pohánět v ustáleném stavu kompresor 401 pro stlačování vzduchu. Expandované spaliny s obsahem kyslíku 2 až 4% obj. a o teplotě 450 až 750 °C vstupují do kotle 206 na odpadní teplo, kde předávají teplo pro výrobu páry pro pohon parní turbíny 207. K výrobě páry může sloužit také teplo odvedené při chlazení tlakového vzduchu a recirkulujících spalin v chladiči 404 vzduchu a v chladiči 304 spalin, v uzavřeném parním cyklu s parní turbínou 207 jsou také zapojeny kondenzátor 208 a čerpadlo 209 na kondenzát. Spaliny o teplotě 120 až 180 °C vystupující z kotle 206 mohou být dále hnány spalinovým ventilátorem 301 do komína 306.

Část spalin je vedena potrubím přes filtr 302 recirkulačních spalin s aktivním uhlím nebo hnědouhelným koksem do kompresoru 303 pro recirkulaci spalin, kde je tato část spalin stlačena na tlak vyšší než provozní, aby se mohly regulovat průtoky v různých větvích přívodu spalin do zplyňovacího reaktoru 101, fluidního děliče 104, fluidní komory 105 pro konverzi CaS atd. Podle požadavků na ochlazování v reaktoru 101, v komorách 103, 104, 105 a v chladiči 106 spodního popela se část nebo celý průtok recirkulujících spalin může ochlazovat v chladiči 304 spalin. Podobně také vzduch stlačovaný kompresorem 401 může být chlazen v chladiči 404 vzduchu před vstupem do zplyňovacího reaktoru 101, do fluidního děliče 104 a dalších komor.

Příklad technologického postupu

Palivem je hnědé, reaktivní uhlí o následujícím složení v suchém, bezvodém stavu: popel 10 % hmotn., hořlavina 90 % hmotn., vodík 4,5 % hmotn., uhlík 62 % hmotn., síra 0,5 % hmotn., dusík 0,7 % hmotn., kyslík 22,3 % hmotn., chlor 350 mg/kg, obsah V, As a Pb jednotlivě menší než 15 mg/kg hmotn. Výhřevnost uhlí v bezvodém stavu je 21 MJ/kg. Poměr (CaO + K₂O + Na₂O)/SiO₂ v popelu je 0,8. Velikost částic uhlí je pod 2 mm. Odsiřovacím vápenatým materiálem je mletý vápenec o obsahu: 42,5 % hmotn. CaO, 0,7 % hmotn. MgO, 15 % hmotn. SiO₂ a 3,5 % hmotn. A1₂Oj.

Zplyňování je prováděno pomocí přivádění 0,7 násobku stechiometrické potřeby kyslíku ve vzduchu a recirkulující části spalin. Celkem je přiváděno do zplyňovacího tlakového reaktoru 70 500Nm³/hod vzduchu a asi 90 000Nm³/hod recirkulujících spalin se 3% obj. kyslíku. Celkově se přivádí do zplyňovacího reaktoru v přepočtu 20 tun/hod bezvodého uhlí a 700 kg/hod vápence. Uhlí se dávkuje do cylindrového reaktoru o celkové výšce 22 m a výška kónusu je 5 m a homí válcovitou částí o průměru 3,2 m na celkem třech vertikálních úrovních. Ve spodní části a v oblasti asi 7 m vysoko nad distributorem se dávkuje uhlí ve formě vodní suspenze s obsahem vody 45 % hmotn., přičemž se suspenze mechanicky rozmělňuje na menší části před vstupem do zplyňovacího reaktoru, na nejvyšší úrovni asi 14 m nad distributorem se přivádí hrubší, suché palivo a velikosti částic 1 až 4 mm. Na spodní a prostřední úrovni se přivádí vždy 14,54 tun/hod uhelné suspenze, to je 8 tun/hod bezvodého uhlí, na homí úrovni se přivádí 4,7 tun/hod uhlí s 15% vlhkostí, v přepočtu 4 tuny/hod bezvodého uhlí. V dolní části je přiváděno celkem 31 000 Nm³/hod vzduchu a 40 000 Nm³ /hod vzduchu a 40 000 Nm³ /hod spalin (včetně vzduchu a spalin pro recirkulaci a chlazení popela). Ve střední části je přiváděno 25 000 Nm³/hod vzduchu a 32 000 Nm³ /hod recirkulačních spalin s 3 % obj. kyslíku a v homí části asi 12 m nad distributorem je přiváděno 14 500 Nm³/hod vzduchu a asi 18 000 Nm³/hod spalin s 3% obj. kyslíku.

Vápenec je přiváděn asi 6 m vysoko nad distributorem. Teplota ve zplyňovacím reaktoru je 830 až 870 °C, průměrná teplota je asi 850 °C, pracovní tlak je 1,6 MPa, lineární rychlost plynů v homí části reaktoru je okolo 1,7 m/s. Vstupní teplota vzduchu je asi 100 °C a vstupní teplota spalin je asi 150 °C.

Syntetický plyn je odsiřován vápencem, přičemž stupeň odsíření při molámím poměru Ca/S «1,7 je asi 70% obj. Složení syntetického plynu za cyklony je asi 14,4% obj. CO₂, 17,7% obj. H₂O, 3,5% obj. CO a 3,85% H₂. Koncentrace simých sloučenin (hlavně

-5CZ 290861 B6

H₂S + COS + S₂) v syntetickém plynu za filtrem dosahuje asi 100 až 110ml/m³. Asi 20 až 24 % hmotn. dusíku z paliva se přemění na NH₃, velmi malá část na HCN a zbytek hlavně na elementární dusík. Koncentrace amoniaku v syntetickém plynu za filtrem dosahuje okolo 110 až 130ml/m³.

Syntetický plyn je zbavován prachu průchodem cyklony. V cyklonech odloučený popílek zbytky odsiřování a nedopalu jsou hromaděny ve fluidním děliči, odkud je materiál (popílek, nedopal a odsiřovací zbytky) jednak přes fluidní uzávěr vracen do zplyňovacího reaktoru a jednak je veden do fluidní komory pro oxidaci a konverzi CaS. Poměr hmotového toku odloučeného materiálu do zplyňovacího reaktoru k hmotovému toku do fluidní komory a ven ze systému je asi 4:1. Původní koncentrace CaS (při molárním poměru CaSO₄/CaS je 60:40) poklesla průchodem fluidní komorou za teploty 650 °C asi na čtvrtinu.

Hmotové toky popela a zbytků ze zplyňovacího reaktoru jsou 10 % hmotn. jako spodní odpadní popelový produkt, 75 % hmotn. jako cyklonový popílek prošlý fluidní komorou pro konverzi CaS a asi 15% hmotn. jako prach z filtrů. Kvůli obsahu uhlíkového nedopalku v prachu na filtrech větším než 6 % hmotn. nebyl přidáván uhlíkový adsorbent a vzhledem k relativně vy ššímu obsahu SiO₂ v popelu uhlí také nebyl přidáván oxid křemičitý. Celkově bylo vy produkováno asi 2840 kg pevných odpadů/hod s obsahem asi 19 kg CaS, asi 120 kg uhlíkového nedopalu a asi 20 kg CaO.

Vzhledem k obsahu železa a některých těžkých kovů, pomáhá CaS stabilizovat tyto kovy ve formě sulfidů. Hydraulická povaha vápence po průchodu vysokými teplotami a částečný obsah CaSO₄ pomáhají těmto zbytkům hydraulicky tvrdnout po přidání vody. Syntetický plyn tepla asi 68 000 MJ/hod (výkon 18,9 MW). Poté je uvedený plyn přiveden do keramických filtrů k dočištění od jemného prachu. Výstup syntetického plynu z flitrů (teplota 600 °C, množství asi 193 000 Nm³/hod) je veden do spalovací komory, kde je uveden do kontaktu s předehřátým vzduchem (průtok asi 93 500Nm³/hod, tepla asi 550 °C) a zemním plynem, o průtoku přibližně ekvivalentnímu 2000 Nm³/hod methanu.

Teplota spalin na výstupu ze spalovací komory je okolo 1150 °C. Horké tlakové spaliny (průtok asi 282 000 Nm³/hod) expandují ve dvou paralelních plynových turbínách, kde při menším výkonu je možné jednu turbínu odstavit. Expandované spaliny s obsahem kyslíku asi 3 % a o teplotě přibližně 600 °C jsou energeticky zhodnoceny v parním kotli na odpadní teplo, kde jsou spaliny ochlazeny asi na teplotu 150 °C. V parním kotli se přibližně odebere ze spalin teplo 191 000 MJ/hod (výkon 53 MW).

Spaliny s obsahem 3 % obj. kyslíku, asi 13 % obj. CO₂ a asi 16,2 % obj. H₂O jsou dále děleny na proud do komína (asi 192 000 Nm³/hod) a proud recirkulujících spalin (asi 90 000 Nm³/hod), který je veden přes filtr s hnědouhelným aktivním koksem do kompresoru pro recirkulaci spalin. Teplota spalin na výstupu z kompresoru je asi 500 °C. Tato teplota je upravena na vstupní teplotu do zplyňovacího reaktoru 100 až 400 °C pomocí chladiče zapojeného v parním okruhu. Tlakový vzduch, kterého je třeba pro zplyňování (substechiometrické spalování) v množství asi 70 500 Nm³/hod a pro spalování nízkovýhřevného syntetického plynu a zemního plynu ve spalovací komoře asi 93 500 Nm³/hod je získáván pomocí kompresoru. Teplota stlačeného vzduchu na výstupu z kompresoru je asi 350 až 400 °C. Vzduch je před vstupem do zplyňovacího reaktoru chlazen v chladiči vzduchu na teplotu asi 100 °C.

Claims (13)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob energetického využití tuhých paliv s tlakovým zplyňováním a paro-plynovým cyklem sčástečnou recirkulací, vyznačený tím, že tuhé palivo obsahující uhlí a/nebo směs biomasy s uhlím se zplyňuje substechiometrickým spalováním ve fluidní a/nebo transportní vrstvě částic směsí vzduchu a recirkulující částí spalin přiváděných na minimálně dvou vertikálních úrovních při celkovém stechiometrickém poměru kyslík /palivo = 0,3 až 0,8, teplotě 700 až 900 °C a provozním tlaku 1,0 až 2,4 MPa, vzniklý syntetický plyn se odsíří a po odloučení tuhých částic se spaluje na teplotu nejméně 1 100 °C, přičemž spaliny se nechají expandovat a po následném ochlazení spojeném s výrobou páry se jejich část recirkuluje.
2. 2. Způsob podle nároku 1,vyznačený tím, že minimálně 30 % hmotn. z přiváděných tuhých paliv je palivo ve formě pasty s obsahem vody menším než 60 % hmotn., přičemž všechna paliva obsahující reaktivní hnědé uhlí nebo lignit nebo směs reaktivní uhlí-biomasa nebo směs reaktivní uhlí-bio-odpad, mají průměrnou výhřevnost v suchém stavu vyšší než 15 MJ/kg, průměrný obsah popelovin v suchém stavu pod 30 % hmotn., obsah síry a dusíku v suchém stavu pod 1,5 % hmotn., obsah vanadu, arzenu a olova v sušině jednotlivě pod 100 mg/kg, obsah chloru v sušině pod 500 mg/kg.
3. 3. Způsob podle nároku 1,vyznačený tím, že teplota v tlakovém zplyňovacím reaktoru se reaguje pomocí množství a teploty recirkulujících tlakových spalin vstupujících do reaktoru a do děliče cyklonového popela, teplotou tlakového vzduchu, hmotovým tokem ochlazeného popele z fluidního uzávěru do zplyňovacího reaktoru a také částečně obsahem vody 30 až 60 % hmotn. v palivu vstupujícím do zplyňovacího reaktoru.
4. 4. Způsob podle nároku 1,vyznačený tím, že odsiřování syntetického plynu se provádí za podmínek tlakového zplyňování pomocí nezávislého přivádění vápenatého materiálu, s výhodou mletého vápence s obsahem CaO nad 30 % hmotn., obsahem MgO nebo SiO₂ nebo A1₂O₃ nad 5 % hmotn., který se přidává podle obsahu síry v palivu tak, aby celkový molámí poměr Ca/S za podmínek zplyňování byl větší nebo roven 1,5.
5. 5. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že spodní popel a cyklonový popel ze zplyňovacího reaktoru jsou před vypuštěním do atmosféry podrobeny za tlaků nad 1 MPa kontaktu s plynnou směsí recirkulujících spalin a vzduchu s obsahem kyslíku 3 až 10% obj. a s obsahem H₂O a CO₂ za teplot 500 až 800 °C tak, aby přítomný CaS v odpadní popelové směsi byl částečně zoxidován na CaSO₄ a částečně přeměněn působením CO₂ a H₂O na CaCO₃.
6. 6. Způsob podle nároku 1,vyznačený tím, že odlučování částic prachu v syntetickém plynu za cyklonem (cyklony) se provádí po ochlazení jmenovaného plynu filtrací za teplot 500 až 700 °C.
7. 7. Způsob podle nároků 1 až 6, v y z n a č e n ý t í m , že při obsahu uhlíkového nedopalu v prachu zachyceném na filtru menším než 6 % hmotn. se přidává před filtrací do plynného proudu adsorbent na bázi uhlíku tak, aby celkový obsah uhlíku v zachyceném popelu byl 6 až 12 % hmotn.
8. 8. Způsob podle nároků 1 až 7, vyznačený tím, že při molárním poměru (CaO + K₂O + Na₂O)/SiO₂ v palivovém popelu větším než 1 a při obsahu SiO₂ ve vápenci pod 5 % hmotn., se do tlakového zplyňování přidává aditivní látka obsahující SiO₂ nebo A1₂O₃ + SiO₂ jako oxid křemičitý, kaolinit, drcený šamot, popel z fluidního spalování s obsahem SiO₂ nad 30 % hmotn. v tlakovém množství, aby molámí poměr (CaO + K₂O + Na₂O) z paliva + aditivní látky /SiO₂ z paliva + aditivní látky byl menší než 1.

   -7CZ 290861 B6
9. 9. Způsob podle nároků 1 až 8. v y z n a č e n ý t í m , že do spalovací komory za filtry se přivádí syntetický plyn o teplotě 500 až 700 °C, předehřátý vzduch o teplotě vyšší než 350 °C a eventuálně také zemní plyn, čímž po kontaktu a shoření vznikají spaliny o teplotě nad 1100 °C,

   5 přičemž celkový průměrný obsah kyslíku ve spalinách po expanzi v plynové turbíně 2 až

   4 % obj.
10. 10. Způsob podle nároků 1 až 9, vyznačený tím, že část spalin po expanzi a ochlazení v parním kotli na teplotu 120 až 180 °C a při obsahu kyslíku 2 až 4 % obj. se uvede do kontaktu

    10 s aktivním uhlím nebo aktivním koksem vyrobeným z hnědého uhlí a zkomprimuje se.
11. 11. Zařízení k provádění způsobu podle nároků 1 až 10, vy z n a č e n é tím, že sestává z tlakového zplyňovacího reaktoru (101) opatřeného nejméně dvěma, v různých vertikálních úrovních umístěnými přívody paliva a nejméně dvěma vertikálně odlišnými přívody vzduchu

    15 a recirkulačních spalin a nejméně jedním kanálem (111) recirkulujícího popílku a nejméně jedním přívodem odsiřovacích vápenatých látek a dále odvodem (117) syntetického plynu z reaktoru (101) napojeného na nejméně jeden cyklon (102), výstup syntetického plynu z posledního cyklonu (102) je propojen přes nejméně jeden filtr (203) se spalovací komorou (204), jejíž výstup spalin je spojen přes nejméně jednu plynovou turbínu (206) s parním kotlem 20 (206), a výstup spalin z parního kotle (206) je připojen a vstup do komína (306) a na vstup do kompresoru (303) recirkulujících spalin, výstup odloučených tuhých částic - popílku z cyklonu (102) je připojen na fluidní dělič (104), který je spojen jednak s fluidním uzávěrem (103), propojeným pomocí kanálu (111) pro recirkulaci popílku se zplyňovacím reaktorem (101) a jednak s fluidní komorou (105) ke konverzi CaS na CaCO₃ a CaSO₄ před vypuštěním 25 cyklonového popílku ze systému.
12. 12. Zařízení k provádění způsobu podle nároku 11,vyznačené tím, že mezi cyklonem(y) (102) a filtrem (203) je zařazen chladič (201) syntetického plynu a dávkovač (202) aktivního uhlí.
13. 13. Zařízení kprovádění způsobu podle nároků 1 až 12, vyznačené tím, že výstup generované páry z parního kotle (206) je připojen přes výměník tepla v chladiči (201) syntetického plynu na parní turbínu (207) propojenou přes kondenzátor (208), čerpadlo (209) kondenzátu a výměníky tepla v chladiči (304) recirkulujících spalin a v chladiči (404) tlakového

    35 vzduchu se vstupem do parního kotle (206).