СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 1998 года по МПК C10B49/06 C10B53/06 

Изобретение относится к области термической переработки различных твердых углеродсодержащих топлив, например углей и сланца. Может быть использовано в коксохимической и электрометаллургической промышленностях.

Известны способы термообработки твердых топлив с использованием газового теплоносителя, где применяется подача водяного пара (авт. св. N 1773928, 1808003, 2014882). Все эти способы, осуществляемые в различных агрегатах, предназначены для получения адсорбентов путем реакционной активации углеродного вещества окислителями, в том числе водяным паром.

Отличительной особенностью данных аналогов является то, что водяной пар подается в зону высоких температур (850-900^oC), при которых и происходит реакция активации (авт. св. N 1773928). При этом необходимо организовывать и высокий расход пара - до 0,6-1,6 т на 1 т материала (авт. св. N 1808003). Кроме того, для поддержания высоких температур и скорости реакции активации водяной пар подают в смеси с экзотермическим окислителем - воздухом (авт.св. N 2014882).

Таким образом, известные способы термообработки твердых углеродсодержащих материалов используют водяной пар, главным образом, для окисления углерода топлива, что неизбежно связано с высоким (до 50% мас.) его угаром и жестким температурным режимом.

Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ термической переработки (полукоксования) кускового горючего сланца в шахтных газогенераторах с поперечным потоком газового теплоносителя, имеющего температуру 600-900^oC, отводом парогазовых продуктов из верхней зоны шахты и подачей паровоздушного дутья в нижней части агрегата противотоком к материалу ("Справочник сланцепереработчика", Л.: Химия, 1988 г., с.40-66).

Основным недостатком данного способа является возможность переработки в плотном нисходящем слое только неспекающихся твердых топлив типа сланца или антрацита.

В случае переработки спекающихся или слабоиспользующихся топлив, например каменных углей, дающих при перегреве пластический битуминозный слой, происходит монолитное спекание слоя и нарушение сыпучести материала. Это, в свою очередь, нарушает технологию процесса, падает вплоть до остановки схода материала, производительность агрегата, аварийно повышается температура выходящих продуктов.

Причиной этого недостатка является отсутствие каких-либо подготовительных операций, позволяющих нейтрализовать или снизить спекающее влияние пластического битуминозного слоя, образующегося еще до зоны максимальных температур при контакте с теплоносителем. Подача же паровоздушного дутья в нижнюю зону агрегата решает задачу газификации остаточной органики в выгружаемом полукоксе, но не влияет на спекающие свойства слоя материала в зоне нагрева и полукоксования.

Цель изобретения - предотвращение спекания слоя перерабатываемого топлива, стабилизация производительности агрегата и качества продуктов термообработки.

Указанная цель достигается тем, что в слой перерабатываемого топлива в поперечном потоке с ним в зону температур 300-450^oC подают водяной пар при массовом соотношении пар : топливо (0,025-0,25) : 1.

Существенным отличием предлагаемого способа является наличие дополнительной операции в процессе термообработки топлива - обработка его водяным паром в зоне температур, соответствующих образованию пластического спекающегося слоя.

Известно, что для большинства твердых углеродсодержащих топлив образование пластического слоя соответствует температурному интервалу 300- 450^oC (Р. Луазон и др., "Кокс", М.: Металлургия, 1975, стр. 85- 87). Поэтому при переработке спекающихся кусковых топлив в плотном слое образование спека-монолита произойдет еще до достижения заданных температур полукоксования (500-600^oC).

Использование именно водяного пара определяется тем, что при заданных температурах (300-450^oC) невозможна реакция окисления углерода топлива, которая термодинамически начинается примерно с 800^oC, то есть угар топлива в условиях отсутствует.

Подача водяного пара в поперечном к движению топлива потоке связана с меньшей толщиной слоя в этом направлении и поэтому с возможностью быстрой эвакуации слоя, образующегося при нагреве кускового топлива в шахтных агрегатах.

Физический смысл предложенной совокупности признаков заключается в следующем. Водяной пар, подаваемый в плотный слой нагреваемого кускового топлива, позволяет снизить парциальное давление смолобитумных продуктов и ускорить их эвакуацию из слоя, предотвращая или снижая возможность спекания последнего. При этом сохраняется сыпучесть материала, обеспечиваются равномерная производительность агрегата и стабильность качества полукокса при дальнейшей его карбонизации в процессе контакта с высокотемпературным теплоносителем.

Заявляемые пределы по массовому соотношению пар : топливо (0,025 - 0,25 : 1) определяются различиями спекающей способности разных видов топлива.

В качестве обоснования выбранных величин в табл. 2 представлена зависимость основных показателей процесса полукоксования трех углей от величины расхода пара на единицу массы топлива. Характеристика спекающих свойств трех исходных углей (1, 2, 3) дана в табл. 1.

Определены по стандартным методам (см. Химическая технология твердых горючих ископаемых. Под ред. Г. Н. Макарова и Г.Д.Харламповича. М.: Химия, 1986).

Для шахтных агрегатов слоевого полукоксования при заданном режиме работы выгрузочного устройства производительность падает при снижении сыпучести материала за счет спекания слоя. При этом за счет нарушения ритмичности схода материала снижается и однородность качества полукокса, в первую очередь, по показателю "содержание летучих веществ" в нем. Разброс показателей качества увеличивается.

Из табл. 2 видно, что производительность агрегата и качество продукции гарантировано стабильным при подаче пара в массовом соотношении к топливу не менее 0,025 : 1. Расход более чем в соотношении 0,25 : 1 не влияет на процесс и экономически не оправдан.

Опробование предложенного способа осуществлено в опытно-промышленных условиях для получения полукоксов, используемых в электротермических производствах (производство кремния и ферросплавов). Термообработке подвергались обогащенные угли Кузнецкого бассейна марок "Д", "Г", "СС" (НТ 1, 2, 3 в табл.1) крупностью 20-50 мм, отличающиеся спекаемостью.

В качестве агрегата полукоксования использовался сланцевый реконструированный газогенератор, используемый ранее в способе-прототипе.

Характеристика процесса:
Производительность по углю (ср.), т/сут - 120
Сечение шахты полукоксования, м - 1х4
Время прохождения топлива (ср.), ч - 14
Расход теплоносителя (ср.), м³/т топлива - 0,90
Температура теплоносителя, ^oC - 600-900
Расход пара (6 ат), кг/кг топлива - 0,02-0,30
Насыпной вес топлива, т/м³ - 0,7
Загрузка угля производилась порционно по мере опускания уровня в агрегате. Слой кускового топлива, имеющий сечение 1 х 4 м, проходил постепенно зоны (пароводяной обработки и карбонизации), где продувался в поперечном потоке сначала водяным паром, а затем высокотемпературным газовым теплоносителем. При этом уголь подвергался полукоксованию, из него удалялись летучие в виде газа и смол. Парогазовые продукты совместно с отработанным паром и теплоносителем удалялись в верхней части агрегата за счет создаваемого разрежения.

Выгрузка полукокса осуществлялась после охлаждения его в водяной ванне. Производительность агрегата поддерживалась количеством оборотов элементов выгрузочного устройства.

Варьирование режимов термообработки предложенного способа в период эксперимента производилось в рамках условий (предельных и запредельных), представленных в табл. 2.

Основные результаты испытаний представлены ниже:
1. Выход продуктов, мас.% угля:
полукокс - 62-81
смола - 4,8 - 15,6
газ и вода - 9,5 - 18,1
2. Характеристика полукокса,% :
содержание летучих - 4-20
зольность - 2-9
влажность - 16-31
При этом, как видно из табл. 2, в рамках заявленных режимов снижение производительности агрегата не превышает 1%, а разброс качества продукции (полукокса) становится минимальным и стабилизируется на уровне заданных требований. Кроме того, в выбранных условиях стабилизируется температура отходящих газов полукоксования и увеличивается срок службы агрегата.

Таким образом, заявленный способ термообработки в отличие от прототипа позволяет существенно расширить сырьевую базу процесса и поднять его технико-экономические показатели, экономическая эффективность предложенного способа определяется снижением условно-постоянных расходов за счет повышения единичной производительности агрегата и большей цены продукта за счет лучшей его однородности.

Областью использования изобретения является коксохимическая и электрометаллургическая промышленности. Решаемая изобретением задача заключается в предотвращении спекания слоя перерабатываемого топлива, стабилизации производительности агрегата и качества продуктов термообработки. Сущность изобретения заключается в том, в что в слой перерабатываемого топлива в поперечном потоке с ним в зону температур 300-450^oC подают водяной пар при массовом соотношении пар - топливо 0,025 - 0,25 : I. Новым в способе является наличие дополнительной операции в процессе термообработки топлива - обработка его водяным паром в зоне температур, соответствующих образованию пластического спекающегося слоя. 2 табл.

Способ термической переработки твердого топлива в нисходящем плотном слое в шахтной печи с внутренним нагревом в потоке газового теплоносителя с температурой 600 900^oС и отводом парогазовых продуктов вверху печи, отличающийся тем, что в слой топлива в поперечном потоке с ним в зону температур 300 450^oС подают водяной пар при массовом соотношении пар топливо (0,025 0,25) 1.