СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ТОПЛИВА И ДЕЗИНТЕГРАТОР И УСТРОЙСТВО ГИДРОУДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B02C21/00 

Изобретение относится к технологии изготовления жидких композиционных топливных смесей и в частности может быть использовано для получения водоугольных суспензий (ВУС).

Известен способ получения водоугольной суспензии из бурого угля (Демидов Ю. В. и др. Опытно-промышленное получение ВУС из углей Березовского разреза Канско-Ачинского бассейна. - Ж. Уголь, декабрь, 1993, с. 42-43), включающий подачу исходного угля в дробилку крупного дробления, затем в конусную дробилку мелкого дробления, после чего уголь направляют в шаровую мельницу первой ступени помола с водой, а затем суспензию насосом подают в цильпебсную мельницу второй стадии помола. Полученную суспензию через емкость с мешалкой закачивают насосом в коррекционный бассейн для хранения. Этот способ многостадиен, металлоемок, требует больших энергетических затрат, и полученная суспензия имеет недостаточно высокое качество.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения водоугольной суспензии (патент РФ 2138335, В 02 С 19/00, опубл. 27.09.99), включающий дозированную подачу предварительно измельченных до максимального размера твердых частиц ВУС 8 мм на смешение с водой в гомогенизаторную, а затем в циркуляционную емкости. Полученную суспензию подают в роторный гидроударный аппарат, в котором тонкое измельчение проводят генерацией импульсов с частотой резонансного разрыва частиц.

Недостатком данного способа является ограниченная частота гидроударных импульсов при обработке за один цикл, недостаточная для приготовления высококонцентрированных суспензий, отвечающих требованиям к жидкому композиционному топливу, предназначенному для прямого сжигания.

Таким образом, задачей предлагаемого способа является повышение эффективности гидроударного действия за счет многократного увеличения частоты гидроударных импульсов при обработке за один цикл.

Задачей также является повышение качества получаемой суспензии за счет более эффективного измельчения и повышения количества ее твердой составляющей.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения композиционного топлива, включающем дозированную подачу предварительно измельченного до грубой тонины помола твердых составляющих компонентов топлива, смешение с жидкими компонентами (водой с добавками) и последующее тонкое измельчение в жидкой среде в устройстве гидроударного действия, предлагается тонкое измельчение гидроударной обработкой проводить многократно за один проход в нескольких секциях устройства гидроударного действия.

При этом стадию предварительного измельчения твердых составляющих компонентов выполняют в дезинтеграторе.

Основная сущность предлагаемого способа заключается в том, что при многократном каскадном повторении гидроударного воздействия на обрабатываемую суспензию в нескольких секциях устройства удается значительно повысить эффективность измельчения ее твердой фазы и получить высококонцентрированную суспензию с твердой составляющей до 55%, отвечающую самым высоким требованиям, предъявляемым к жидкому энергетическому топливу, предназначенному для прямого сжигания. Включение в технологический процесс вместо целой цепочки оборудования всего одного устройства-дезинтегратора для сухого тонкого измельчения исходного материала, характеризующегося экономичностью и удобством обслуживания, позволяет снизить общетехнологическую металло- и энергоемкость установки в десятки раз и уменьшить затраты на ее обслуживание.

Известно, что для предварительного измельчения исходных твердых материалов (углей, руды, породы и др.) используют различные устройства.

Например, известен дезинтегратор ударного действия (патент США 3995814, В 02 С 23/00, опубл. 07.12.76), в котором исходный измельчаемый материал направляется на ротационный отражатель, расположенный в центре, и от него отбрасывается на кольцевой грохот, в котором помещены куски материала более крупного размера, о которые дробится целевой материал. Выходной продукт такого дезинтегратора имеет чрезмерно низкую степень измельчения и требует дальнейших промежуточных стадий измельчения перед подачей на тонкое измельчение, необходимое для приготовления ВУС.

Известны также дробилки, шаровые мельницы и цильпебсы для измельчения исходного материала до крупной тонины помола (Демидов Ю.В. Опытно-промышленное получение ВУС из углей Березовского разреза Канско-Ачинского бассейна. - Ж. Уголь, декабрь, 1993, с. 42). Эти устройства могут быть применены лишь совместно для достижения требуемой степени измельчения.

Известен дезинтегратор для относительно тонкого измельчения сухих специальных материалов (патент США 4406409, В 02 С 13/28, опубл. 27.09.83), содержащий два ротора с противоположным вращением, расположенных концентрично в кольцах и несущих каждый по два ряда лопаток, которые отклоняются вперед и назад при вращении, как радиальные турбинные лопасти. Роторы крепятся на полых валах, монтируемых на фиксированной общей оси. Дезинтегратор путем турбодействия производит измельчение в результате многократного столкновения частиц в свободном полете, за счет чего производится чрезвычайно эффективное измельчение. Такой дезинтегратор имеет сложную конструкцию, дорогостоящ, недостаточно надежен в работе, предназначен только для специальных материалов.

Наиболее близким к предлагаемому является дезинтегратор для относительно тонкого измельчения различных сухих материалов (а.с. СССР 915947, В 02 С 13/22, опубл. 30.03.82), содержащий цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, вертикально установленные в нем друг против друга с возможностью вращения в противоположных направлениях два рабочих органа с измельчающими элементами в виде пальцев, причем первый рабочий орган выполнен в виде диска, а второй - в виде стакана, и один концентрично охватывает другой. Измельчающие элементы расположены концентричными рядами на рабочих органах, и ряды одного органа расположены между рядами другого органа, при этом каждый рабочий орган снабжен своим приводным валом.

Недостатком этого устройства является несколько усложненная конструкция и недостаточно эффективная доставка измельченного материала во входной патрубок. Так как материал имеет повышенную влажность (50% и выше), что часто случается на практике, то он зависает во входном патрубке и измельчения вообще не происходит.

Таким образом, задачей предлагаемого дезинтегратора является упрощение его конструкции и создание возможности измельчения исходных материалов любой влажности, а также упрощение замены изношенных рабочих органов.

Для решения этой задачи в дезинтеграторе, содержащем цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, вертикально установленные в нем друг против друга с возможностью вращения в противоположных направлениях два рабочих органа, первый из которых выполнен в виде диска с концентричными рядами измельчающих элементов, расположенными между рядами измельчающих элементов второго рабочего органа, при этом каждый рабочий орган снабжен своим приводным валом, предлагается второй рабочий орган выполнить также в виде диска с измельчающими элементами, а в основании входного патрубка на приводном валу первого диска установить шнек.

Особенностью устройства является выполнение дисков съемными, а корпуса - с торцевой крышкой, закрывающей его цилиндр по всей окружности с одной стороны, при этом крышка выполнена открывающейся.

Сущность данного решения заключается в том, что конструкция дезинтегратора упрощается за счет выполнения обоих рабочих органов в виде дисков с концентричными рядами измельчающих элементов, из рабочего пространства которых измельчаемый исходный материал легко удаляется. Эффективной работе измельчающих элементов помогает шнек в основании входного патрубка, который не только направляет исходный материал в междисковое пространство, но и увеличивает эффективность обработки влажных материалов (с влажностью до 0-100%), что не под силу другим устройствам этого класса, в которых влажные материалы просто вязнут в рабочих органах. Для удобства замены изношенных дисков они выполнены съемными, а торцевая крышка корпуса выполнена закрывающей его с одной стороны по всей окружности цилиндра и открывающейся.

Для выполнения стадии тонкого измельчения твердых компонентов до размеров, пригодных для приготовления ВУС и других видов композиционного топлива, известны устройства гидроударного действия.

Например, известен аппарат гидроударного действия (патент РФ 2138335, В 02 С 19/00, опубл. 27.09.99) для получения тонкой фазы измельчения ВУС, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, внутренний ротор с лопастями центробежного насоса, по периметру цилиндрического кольца которого выполнены щелевидные диффузоры; внешний ротор противоточного вращения с щелевидными конфузорами по периметру его цилиндрического кольца, концентрически охватывающий внутренний ротор. Количества диффузоров и конфузоров и их разность выбраны четными для баланса гидроударных нагрузок на оси роторов.

Основными недостатками данного устройства являются, во-первых, наличие всего одной рабочей камеры для выполнения гидравлического удара и, во-вторых, то, что два концентрично расположенных ротора имеют разное число диффузоров одного и конфузоров другого, в результате чего число полных совпадений и полных перекрытий диффузоров с конфузорами при вращении роторов не возникает или недостаточно для создания резонансной волны гидроударов и повышения действия кавитации.

Наиболее близким к предлагаемому является роторный гидроударный аппарат (а. с. СССР 1586759, В 01 F 7/2, опубл. 23.08.90) для получения гомогенных и гетерогенных суспензий, содержащий корпус с концентричными ротором и статором, в котором ротор выполнен с щелевидными отверстиями-диффузорами по его периметру, а статор - с щелевидными конфузорами по его периметру. Диспергирование жидких сред в аппарате осуществляется за счет создания гидроударов и кавитации щелевидными диффузорами и конфузорами особой формы.

Основным недостатком аппарата является наличие всего одной рабочей камеры, не позволяющей значительно увеличить силу гидравлического удара и количество воздействий.

Таким образом, задачей предлагаемого устройства является повышение силы гидравлического удара и создания более эффективного процесса кавитации, позволяющего достигать более тонкого измельчения и смешения твердых и жидких компонентов топлива и повышения качества получаемых суспензий.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве гидроударного действия, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, ротор центробежного насоса на приводном валу, выполненный с щелевидными диффузорами по периметру его кольца, и статор с щелевидными конфузорами по периметру его кольца, предлагается число конфузоров статора выполнить равным числу диффузоров ротора, пару статор-ротор поместить в отдельный корпус образованием секции, выполнить несколько секций, последовательно соединенных своими выходами-входами на общем приводном валу и размещенных в общем корпусе устройства.

Особенность устройства в том, что статор каждой секции предлагается выполнить подвижным.

Особенность также в том, что выход последней секции связан с входом первой секции обводной линией трубопровода, установленной между входным и выходным патрубками общего корпуса устройства, в которую встроен регулировочный дроссель.

Сущность предлагаемого решения заключается в том, что при прохождении жидкой среды через роторы всех секций она создает кинетическую энергию, которая в результате периодического перекрывания диффузоров ротора и конфузоров статора преобразуется в энергию гидродинамического удара.

При совпадении диффузоров ротора и конфузоров статора при вращении образуются так называемые сопла, создающие кавитацию, которая является механизмом преобразования механической энергии (как потенциальной, так и кинетической) в несколько видов энергии: в тепловую энергию с нагревом среды; в энергию гидродинамического удара при схлопывании кавитационных пузырьков с разрушением и диспергацией как твердых частиц, так и частиц различных жидких фаз с образованием суспензий и эмульсий; в энергию химического взаимодействия компонентов обрабатываемой среды - активации веществ. В каждой секции устройства процесс гидродинамического удара и кавитации возникает m раз = n•Z, где n - число оборотов приводного вала; Z - число диффузоров в роторе. Для усиления воздействия процессы в каждой секции повторяются n раз, а за счет кратности циркуляции жидкой среды дросселем по байпасной линии достигается необходимое качество обработки. Таким образом многосекционная конструкция устройства позволяет в несколько раз усилить интенсивность воздействия, условие равенства числа диффузоров и конфузоров дает возможность создать импульс движения обрабатываемой среды с высоким и крутым фронтом. Это, в свою очередь, позволяет создать импульсные воздействия в широком интервале: 1,0-100 кВт/см² с одновременным увеличением КПД процессов обработки до 80%. Радиально подвижный статор обеспечивает лучшую центровку роторов и статоров в пакете секций.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана технологическая схема процесса получения жидкого композиционного топлива; на фиг.2 - осевой разрез дезинтегратора; на фиг.3 - вид сбоку устройства гидроударного действия с частичными осевыми разрезами; на фиг.4 - торцевой разрез по А-А устройства гидроударного действия.

Технологическая схема (фиг.1) содержит узел А дозирования и подачи жидких компонентов (воды с добавками), узел Б дозирования и подачи сухих компонентов исходных материалов в узел В дезинтегратора на предварительное измельчение, а затем в узел Г смешения предварительно измельченных сухих компонентов с жидкими компонентами и последующую подачу смеси в узел Д устройства гидроударного действия на тонкое измельчение и окончательное смешение компонентов и получение целевой суспензии, которую подают в узел Е резервуара хранения, либо через кран Ж по байпасной линии З в узел Г для дополнительной обработки.

Дезинтегратор для сухого измельчения исходного твердого материала (например, угля), входящий в установку для осуществления способа, содержит корпус 1, торцевую крышку 2, съемный диск 3 с трехрядными концентрично расположенными измельчающими элементами (билами), съемный диск 4 с двухрядными билами, приводной вал 5 диска 4 и приводной вал 6 диска 3, входной патрубок 7 загрузочного бункера, разгрузочное окно 8 выходного патрубка, шнек 9, съемное устройство 10 для крышки 2, шкив 11.

Устройство гидроударного действия (фиг. 3) для тонкого измельчения и получения целевой суспензии содержит установленные в общем корпусе несколько секций, каждая в отдельном корпусе 12, каждая секция содержит ротор 13 центробежного насоса-ускорителя с щелевидными отверстиями-диффузорами 14, закрепленный на общем для всех секций приводном валу 15, и статор 16 с щелевидными отверстиями - конфузорами 17, закрепленный радиально подвижно в корпусе 12 секции. В двух крайних секциях с наружных сторон на общем приводном валу установлены уплотнительные устройства 18 и подшипниковые узлы 19. Шпильки 20 стягивают корпуса 12 всех секций в единый агрегат, который помещен в общий тепло-и звукоизолирующий корпус 21. Корпус 21 имеет входной патрубок 22, выходной патрубок 23, между которыми установлена обводная линия 24 со встроенным в нее регулировочным дросселем 25.

Технологический процесс получения топлива осуществляется следующим образом.

Жидкие и твердые компоненты дозируются в узлах А и Б. Твердые компоненты исходного материала (например, угля) подаются в узел В для предварительного измельчения в дезинтеграторе. Измельченные компоненты подаются в узел Г, куда одновременно подают жидкие компоненты (например, вода и специальные добавки). В узле Г производится смешение компонентов с образованием грубой суспензии, которая подается в узел Д устройства гидроударного действия, в котором компоненты суспензии диспергируются, нагреваются и активируются до образования тонкодиспергированной суспензии, которую подают в резервуар Е на хранение. Образование тонкой суспензии требуемого качества осуществляется в течение одного технологического цикла, длящегося доли секунды. Если по каким-либо причинам необходимо повторить обработку, то суспензию рециркулируют через кран Ж и байпасную линию З в узел Г для повторного смешения при соответствующем уменьшении подачи первичных компонентов от дозирующих узлов.

Особенность работы узла В предварительного измельчения твердых компонентов (дезинтегратора) заключается в том, что при поступлении сухого исходного материала в дезинтегратор (фиг.2) через патрубок 7 он попадает на шнек 9 в основании входного патрубка и продавливается в междисковое пространство, в котором измельчается между измельчающими элементами (билами) дисков 3 и 4. При этом загружаемый материал всегда имеет некоторую влажность, которая при слипании кусков сыпучих материалов обычно затрудняет работу дезинтегратора. Введение в него шнека позволяет загружать материалы с влажностью в интервале 0-100%. Из междискового пространства измельченный материал легко выводится, т. к. нет никаких поперечных перегородок на выходе. Техническое обслуживание дезинтегратора облегчается за счет выполнения дисков с измельчающими элементами съемными и выполнения крышки 2, закрывающей цилиндр корпуса по всей окружности с одной стороны (открываемой).

Степень обработки сухих материалов в дезинтеграторе представлена в табл. 1.

Работа узла Д - устройства гидроударного действия осуществляется следующим образом.

Суспензия первичной обработки из смесителя Г подается во входной патрубок 22 и затем последовательно во все секции через роторы 13 центробежных насосов и радиально подвижные статоры 16. Роторы 13 - насосы-ускорители при вращении на приводном валу 15 придают проходящей через них жидкой среде кинетическую энергию, которая за счет периодического перекрытия диффузоров 14 роторов стенками статоров 16 преобразуется в энергию гидродинамического удара. При совмещении диффузоров 14 роторов и конфузоров 17 статоров и открытии системы диффузор-конфузор образуется временная конструкция, называемая соплом, которая создает кавитацию в обрабатываемой жидкой среде, производящую процесс тонкой диспергации, нагрева, активации и смешивания всех компонентов суспензии, которая за один каскадный проход через все секции достигает высокого качества. Если для отдельных применений необходимо повысить тонкость диспергации, можно увеличить кратность циркуляции обрабатываемой среды во всех секциях, осуществляемой через регулировочный дроссель 25 по обводной линии 24. При этом достигается необходимое качество обработки. Полученная суспензия или эмульсия выводится через патрубок 23. Для уменьшения тепловых потерь и снижения шума общий корпус устройства выполнен с изолирующим слоем. Полученную суспензию можно направлять как на непосредственное использование, так и хранить в резервуаре. Степень обработки, достигаемая в данном устройстве, показана в табл. 2.

В таблице 1 представлены результаты сухого измельчения на дезинтеграторе угля Черниговского месторождения с исходной крупностью 10 - 0 мм с влажностью 16% (проба 1) и 8% (проба 2), а также силикатглыбы крупностью 15 - 3 мм.

В табл. 2 представлены результаты мокрой обработки вышеуказанных проб угля в водно-солярной среде с получением водоугольносолярного топлива (ВУСТ) и в воде с получением водно-угольного топлива (ВУТ), а также пробы 2, измельченной непосредственно в устройстве гидроударного действия (УГД) без предварительного измельчения в дезинтеграторе. При этом композиционное топливо в обоих случаях содержало угля в качестве твердой фазы до 55%.

Изобретение относится к технологии изготовления жидких композиционных топливных смесей и, в частности, может быть использовано для получения водоугольных суспензий. Техническим результатом является повышение эффективности измельчения твердых компонентов жидкого топлива и снижение металло- и энергоемкости технологического оборудования. Для этого сперва выполняют предварительное измельчение в дезинтеграторе, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, два рабочих органа в виде дисков противоточного вращения, на которых концентричными рядами размещены измельчающие элементы, обращенные друг к другу, и ряды одного диска размещены между рядами другого. При этом в основании входного патрубка на валу одного из дисков введен шнек, помогающий измельчать исходные материалы любой влажности. Последующее тонкое измельчение, производимое многократно за один проход, выполняют в устройстве гидроударного действия, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, ротор центробежного насоса на приводном валу и статор. При этом ротор выполнен с диффузорами, а статор с конфузорами и число диффузоров равно числу конфузоров, пара ротор-статор, помещенная в отдельный корпус, образуют отдельную секцию. При этом устройство содержит несколько секций, последовательно соединенных на общем приводном валу и помещенных в общий корпус. 3 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил.

1. Способ получения жидкого композиционного топлива, включающий дозированную подачу предварительно измельченных до грубой тонины помола твердых составляющих компонентов на смешение с жидкими компонентами и последующее тонкое измельчение в жидкой среде в устройстве гидроударного действия, отличающийся тем, что тонкое измельчение проводят многократно за один проход в нескольких секциях устройства гидроударного действия. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительное измельчение твердых составляющих компонентов выполняют в дезинтеграторе. 3. Дезинтегратор, содержащий цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками и вертикально установленные в нем друг против друга с возможностью вращения в противоположных направлениях два рабочих органа, первый из которых выполнен в виде диска с концентричными рядами измельчающих элементов, расположенными между рядами измельчающих элементов второго рабочего органа, при этом каждый рабочий орган снабжен своим приводным валом, отличающийся тем, что второй рабочий орган выполнен также в виде диска с измельчающими элементами, а в основании входного патрубка на приводном валу первого диска установлен шнек. 4. Дезинтегратор по п. 3, отличающийся тем, что оба диска выполнены съемными, а корпус снабжен торцевой крышкой, закрывающей его цилиндр по всей окружности с одной стороны, при этом крышка выполнена открывающейся. 5. Устройство гидроударного действия, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, ротор центробежного насоса на приводном валу, выполненный с щелевидными диффузорами по периметру его кольца, и статор с щелевидными конфузорами по периметру его кольца, отличающееся тем, что число конфузоров статора равно числу диффузоров ротора, пара ротор-статор помещена в отдельный корпус образованием секции, устройство содержит несколько секций, последовательно соединенных своими выходами-входами на общем валу и размещенных в общем корпусе устройства. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что статор каждой секции выполнен подвижным. 7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что выход последней секции связан с входом первой секции обводной линией трубопровода, установленной между входным и выходным патрубками общего корпуса устройства, в которую встроен регулировочный дроссель.