СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО ТОПЛИВА Российский патент 1997 года по МПК C10B49/22 C01B31/08 

Изобретение относится к термической переработке твердых топлив с получением сорбентов, смолы и газа пиролиза и может быть использовано в энергетике и химических отраслях промышленности.

Известен способ термической переработки твердого топлива, включающий сушку и измельчение топлива, нагрев его твердым теплоносителем в реакторе пиролиза с получением полукокса и парогазовой смеси при 600 650^oС, подачу этого полукокса в топку и нагрев его, сжигая горючую массу полукокса, в режиме пневмотранспорта, отделение части нагретого полукокса с 850 900^oC от газовой фазы в первом циклоне с возвратом его в качестве теплоносителя в реактор, отделение оставшегося полукокса от газовой фазы во втором циклоне в качестве готового продукта с возвратом части этого продукта в количестве 10
30 мас. обратно в топку и подачу в нее перегретого водяного пара в количестве 5 10 мас. от выводимого в топку полукокса (патент РФ 1773928, кл. С 10 В 49/16, 21.12.90).

Недостатком вышеописанного способа является то обстоятельство, что по этой технологии можно переработать только измельченное (пылевидное) топливо, для которого остаток на сите с ячейками 200 мкм не превышает 30 мас. а с ячейками 100 мкм 60 мас. Соответственно, по этому способу может быть получен только пылевидный сорбент, который используется в очень ограниченном числе установок для очистки жидких и газообразных сред. Пылевидный сорбент не может конкурировать с зернистым, область применения последнего практически неограничена.

Другим серьезным недостатком указанного способа является пониженный выход готового продукта активированного полукокса из-за неконтролируемых соотношений направляемых в топку материальных потоков (воздушного дутья, водяного пара и т.д.), что приводит к повышенному содержанию свободного кислорода в газовой смеси, подаваемой на активацию, и сгоранию части полукокса в топке на стадии его активации. К тем же последствиям приводят относительно высокая температура 850 900^oС в зоне активации и низкое содержание водяного пара в смеси газов, вдуваемых в топку (5 10 мас. от вводимого в топку полукокса). По этой причине выход активированного полукокса не превышает 35% от массы перерабатываемого топлива, и полученный полукокс обладает крупнопористой структурой с относительно небольшой сорбционной емкостью по фенолам и йоду.

Известен наиболее близкий прототип способ термической переработки мелкозернистого топлива, включающий сушку топлива, пиролиз его твердым теплоносителем в кипящем слое в первом реакторе с получением полукокса и парогазовой смеси, подачу полукокса во второй реактор и нагрев его в кипящем слое в присутствии дымовых газов с отводом готового продукта и возврат нагретого полукокса в первый реактор в качестве твердого теплоносителя (Андрющенко А. И, Попов А.И. Основы проектирования энерготехнологических установок электростанций. М. Высшая школа, 1980, с. 49 53).

Недостатком этой технологии является то обстоятельство, что она не позволяет наряду с другими целевыми продуктами (смолой, газом пиролиза и т. д. ) получать кокс, свойство которого удовлетворяли бы требованиям, предъявляемым к углеродсодержащим сорбентам. Получаемый по описанной технологии кокс характеризуется низкой сорбционной способностью из-за развитой крупнопористой структуры и в нем содержится повышенное количество мелких (пылевидных) частиц с размером менее 0,5 мм.

Известен также способ получения активного угля в кипящем слое, в котором дымовые газы предварительно смешивают с водяным паром и полученную смесь подают в реактор активации (авт.св. СССР 339499, кл. С 01 В 31/08, 13.04.70).

Однако в указанном способе получают только активный уголь в отличие от предлагаемого способа, в котором наряду с активным углем производят смолу и газ пиролиза (комплексный способ). Кроме того, подвод тепла при помощи твердого теплоносителя в предложенном cпособе позволяет увеличить время пребывания твердой фазы (сорбента) в аппаратах, провести в мягких условиях пиролиз и активацию и получить сорбент с развитой структурой микропор.

Целью изобретения является повышение качества полукокса за счет увеличения его адсорбционной способности и снижение доли мелких (пылевидных) частиц с размером менее 0,5 мм в готовом продукте.

Это достигается тем, что топливо сушат, подвергают пиролизу твердым теплоносителем в кипящем слое в первом реакторе с получением полукокса и парогазовой смеси, подают полукокс и смесь, содержащую дымовые газы с 0,05 до 0,1 об. кислорода и водяной пар в количестве 50 75 об. от смеси с соотношением водяного пара к полукоксу (1-8):1 во второй реактор, в котором полукокс нагревают и при 700 850^oС, активируют с отводом готового продукта и возвращают нагретый полукокс в первый реактор в качестве твердого теплоносителя.

Предлагаемое техническое решение позволяет в одном процессе организовать производство смолы и газа пиролиза (экологически чистого жидкого и газообразного топлива) и активированного зернистого полукокса, который удовлетворяет требованиям, предъявляемым к углеродсодержащим сорбентам.

Предлагаемый способ осуществляется на установке, схематически приведенной на чертеже. Установка содержит первый реактор для пиролиза 1 и второй реактор кипящего слоя 2, соединенные между собой трубопроводами для передачи полукокса 4 и теплоносителя 3. Второй реактор снабжен муфелем 5 с установленной в нем горелкой 6, сепараторами очистки отходящих газов 7 и 8 с патрубком их отвода и патрубком вывода сорбента 9. Верхняя часть первого реактора при помощи трубопровода для отвода парогазовых продуктов 10 с установленным на нем патрубком подачи мелкозернистого перерабатываемого топлива соединена с теплообменником-адсорбером 11. Нижняя часть адсорбера трубопроводом 12 с установленным на нем циклонным сепаратором 13 соединена с нижней частью первого реактора 1. На сепараторе 13 установлен патрубок для отвода очищенных от механических примесей парогазовых продуктов.

Способ осуществляют следующим образом.

Мелкозернистое топливо с размером частиц 1 5 мм подают в трубопровод 10, где оно перемешивается с неочищенными парогазовыми продуктами с температурой 500 650^oС и полученную газовзвесь направляют в теплообменник-адсорбер 11. В результате этой операции частицы топлива высушиваются и нагреваются, а парогазовые продукты остывают и содержащиеся в них пары тяжелой фракции смолы конденсируются на поверхность частиц. Покрытые пленкой смолы частицы топлива на своей поверхности адсорбируют пылевидные частицы полукокса и образовавшиеся конгломераты с температурой 200 250^oС в виде газовзвеси передают в циклон 13. В нем частицы топлива отделяют от парогазовых продуктов и по трубопроводу 12 направляют в первый реактор 1, а очищенную парогазовую смесь в отделение конденсации (не показано), где ее постадийно конденсируют и из нее вырабатывают экологически чистое жидкое и газообразное топливо.

В реакторе 1 высушенные частицы топлива в кипящем слое перемешивают с подаваемым по трубопроводу 3 теплоносителем с температурой 750 850^oС. Эта операция позволяет значительно уменьшить долю пылевидных частиц в полукоксе и одновременно облегчает очистку парогазовых продуктов от механических примесей (пыли). Конечная температура смеси топлива и теплоносителя поддерживается в пределах 500 650^oС. Для поддержания слоя в псевдоожиженном состоянии под газопроницаемую решетку реактора подают перегретый водяной пар с температурой 300 400^oС.

Полученный в первом реакторе полукокс по трубопроводу 4 направляют во второй реактор. Этот реактор снабжен муфелем 5 с горелкой 6. В горелку подают жидкое или газообразное топливо и подогретый воздух. В зоне горения поддерживают соотношение топливо-воздух близкое к теоретически необходимому ((α=1,0-1,05)). В продукты горения подают перегретый водяной пар. Полученная смесь содержит 50 75 об. водяного пара. Топливо сжигают в горелке 6 таким образом, чтобы образовавшиеся дымовые газы содержали 0,05 0,1 об. кислорода. Полученную смесь дымовых газов и водяного пара подают во второй реактор в количестве 1 8 кг водяного пара на 1 кг полукокса, вводимого также во второй реактор.

Отработанный газ очищают от летучих частиц в циклонных сепараторах 7 и 8 и после утилизации потенциального и физического тепла сбрасывают в дымовую трубу. Полученный мелкозернистый сорбент через патрубок 9 выводят из реактора 2, охлаждают, разделяют на фракции и реализуют как готовый продукт.

Ввод во второй реактор смеси дымовых газов водяного пара с соотношением 1 8 кг водяного пара на кг поступающего во второй реактор полукокса резко снижает обгар полукокса во втором реакторе и способствует протеканию реакций газификации. Преобладание реакций газификации над реакциями горения углерода во втором реакторе способствует образованию сорбента с хорошо развитой мелкопористной структурой. Снижение расхода водяного пара менее 1 кг/кг полукокса дает сорбент (полукокс) с недостаточно развитой структурой микропор, и такой сорбент обладает пониженной сорбционной способностью. Превышение расхода пара более 8 кг/кг полукокса далее не приводит к улучшению сорбционных свойств вырабатываемого кокса. В этом случае происходит ненужная трата водяного пара и тепла на его перегрев в муфельной печи.

Поддержание во втором реакторе температуры 700 850^oС создает оптимальные условия для образования микропористой структуры в полукоксе. Понижение этой температуры ниже 700^oС замедляет реакции взаимодействия водяного пара с углеродом и снижает производительность второго реактора. Повышение температуры во втором реакторе выше 850^oС приводит к значительной потери (угару) массы сорбента. Кроме того, в полукоксе развивается крупнопористая структура, что снижает его сорбционную способность.

Поддержание в дымовых газах содержания кислорода 0,05 0,10 об. способствует получению полукокса с микропористой структурой. Снижение кислорода менее 0,05 об. приводит к механической неполноте сгорания топлива в горелке муфеля, в следствие чего в газовой смеси появляются частицы сажи и других веществ, которые загрязняют поверхность горелочного устройства, и с этими частицами теряется потенциальное тепло сжигаемого топлива. Повышение содержания кислорода в смеси дымовых газов более 0,1 об. приводит к угару (потери массы) сорбента во втором реакторе. Кроме того, присутствие кислорода в газовой смеси способствует развитию макропористой структуры в полукоксе, что приводит к снижению его сорбционной способности и образованию мелких (пылевидных) частиц.

Поддержание в смеси дымовых газов и водяного пара содержания водяных паров в пределах 50 75 об. позволяет получить полукокс с развитой микропористой структурой, которая обеспечивает его хорошие сорбционные способности и позволяет сохранять зернистую структуру частиц сорбента. Снижение содержания водяных паров в смеси газов ниже 50 об. приводят к увеличению времени активации полукокса и как следствие этого снижается производительность второго реактора. Кроме того, доля водяного пара ниже 50 об. приводят к увеличению температуры газовой смеси выше 1000^oС, что также отрицательно влияет на свойство вырабатываемого сорбента.

Увеличение доли водяного пара в газовой смеси выше 75 об. требует высокой температуры перегрева (более 400^oС) подаваемого на смешение пара, что вызывает технические сложности при создании пароперегревателей. Кроме того, газовой смеси, в которой доля водяных паров более 75 об. резко снижается парциальное давление двуокиси углерода, что в свою очередь оказывает отрицательное влияние на свойства получаемого сорбента.

Только совместное сочетание всех указанных в формуле признаков позволяет получить дешевый полукокс, который своими свойствами удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сорбентам.

Пример осуществления предлагаемого способа. Подсушенное и подогретое топливо, например, уголь Тугнуйского месторождения с характеристиками W 2,0 А 15,7 V 49,5 Q 7140 ккал/кг; ρ=0,766 г/см³ элементный состав С 75,8 Н 5,93 S 0,30 (О + N) 17,97 размерами частиц 1 5 мм подают в теплообменник-адсорбер. Все материальные потоки рассчитаны на одну тонну рабочего топлива (кг/т). В качестве теплоносителя в этот теплообменник-адсорбер поступают неочищенная парогазовая смесь 290 кг/т угля с температурой 550^oС. В результате контакта парогазовой смеси с топливом частицы топлива нагреваются, а парогазовая смесь охлаждается и конденсируются содержащиеся в ней пары тяжелой фракции смолы. Осмоленные частицы топлива адсорбируют пылевидные частицы, унесенные с ПГС около 3 кг/т угля, и с температурой 250^oС конгломераты возвращают в первый реактор. В этот реактор подают нагретый с температурой 800^oС теплоноситель 1500 кг/т и оба потока в кипящем слое перемешивают. Для псевдоожижения под решетку реактора подают 10,5 кг/т водяного пара, а для транспорта теплоносителя в трубопровод для возврата теплоносителя вдувают 50 кг/т водяного пара.

В первом реакторе поддерживают температуру 550^oС и при этой температуре проводят пиролиз угля и сконденсированной на поверхности частиц смолы. В результате пиролиза получают пары смолы 114 кг/т, газ пиролиза 93 кг/т, пары пирогенетической воды 32 кг/т в смеси с 60,5 кг/т подаваемого в реактор водяного пара, и 770 кг/т полукокса в смеси с 1500 кг/т циркулирующего твердого теплоносителя. Смесь полукокса и теплоносителя 2270 кг/т направляют во второй реактор с кипящим слоем. Для транспортировки этой смеси в трубопровод вводят около 26 кг/т перегретого водяного пара. Под газопроницаемую решетку второго реактора подают смесь дымовые газы и водяного пара с температурой 950^oС. Расход водяного пара 2700 кг/т (3400 м³/т или 3,5 кг/кг поступающего полукокса). Расход дымовых газов 3300 м³/т. Содержание паров воды в смеси около 53 об. содержание свободного кислорода в дымовых газах около 0,085 об. Температуру во втором реакторе поддерживают 800^oС. В следствие реакций активации около 360 кг/т полукокса сгорает (переходит в газовую фазу). Расход отходящих газов из второго реактора составляет около 7400 кг/т. Выход активированного полукокса - 410 кг/т или 41% от массы перерабатываемого угля. Характеристика полученного активированного полукокса приведена в таблице, где дана и характеристика полукокса, получаемого по известной технологии (прототип).

Способ термической переработки мелкозернистого топлива может быть использован в энергетической и химической отраслях промышленности и позволяет повысить качество полукокса за счет увеличения его адсорбционной способности. Топливо сушат, подвергают пиролизу твердым теплоносителем в кипящем слое в первом реакторе с получением полукокса и парогазовой смеси, подают полукокс и смесь, содержащую дымовые газы и водяной пар в количестве 50 - 75 об. % от смеси, с соотношением водяного пара к полукоксу (1-8):1 во второй реактор, в котором полукокс нагревают до 700 - 850^oC c получением готового продукта и возвращают нагретый полукокс в первый реактор в качестве твердого теплоносителя. Содержание кислорода в дымовых газах составляет 0,05 - 0,1 об.%. 1 ил., 1 табл.

Способ термической переработки мелкозернистого топлива, включающий сушку топлива, пиролиз его в присутствии твердого теплоносителя в кипящем слое в первом реакторе с получением полукокса и парогазовой смеси, подачу полукокса во второй реактор и его нагрев в кипящем слое в присутствии дымовых газов с отводом готового продукта, возврат нагретого полукокса в первый реактор в качестве твердого теплоносителя, отличающийся тем, что дымовые газы, содержащие 0,05 0,1 об. кислорода, предварительно смешивают с водяным паром и эту смесь, содержащую 50 75 об. водяного пара при соотношении водяной пар полукокс, равном 1 8 1, подают во второй реактор, в котором поддерживают температуру 700 850^oС.