СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ Российский патент 2008 года по МПК C10B49/10 

Изобретение относится к области переработки угля в аппаратах с кипящим слоем для получения коксового продукта, в частности кокса или облагороженных твердых топлив типа полукокса, а также ряда экономичных углеродных сорбентов и катализаторов для производства качественного металлургического кокса, причем полученный продукт может быть использован в энергетике, металлургии для агломерации руд и в ферросплавных производствах взамен традиционной коксовой мелочи, а также в качестве топлива в коммунальном хозяйстве и в быту.

Известен способ переработки бурых и каменных углей с использованием техники кипящего слоя для получения полукокса, согласно которому осуществляют термоокислительную обработку угля в аппарате кипящего слоя при 600-700°С в потоке воздуха с подачей угля непосредственно на газораспределительную решетку. Дополнительно в кипящий слой под газораспределительную решетку подают водяной пар при соотношении водяного пара и воздуха 1:(10-30) мас.%. Подача водяного пара под газораспределительную решетку предотвращает ее зашлаковывание при нарушениях температурного режима процесса. Кроме того, под действием паров воды происходит активация полукокса, в ходе которой увеличивается его поверхность и он становится более активным в химических реакциях взаимодействия. С газораспределительной решетки осуществляют отвод материалов, оседающих на ней из кипящего слоя. Образующийся полукокс выводят из аппарата через шлюзовое устройство, а образующийся в верхней части кипящего слоя низкокалорийный газ полукоксования сжигают в топке котла-утилизатора (патент RU 2073061, МПК6 С10В 49/10).

К основным недостаткам данного способа следует отнести отсутствие регулирования производительности процесса переработки угля и связанное с этим отсутствие возможности оптимизации выработки котлом-утилизатором тепловой энергии, обусловленное фиксированной производительностью оборудования, реализующего данный способ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ переработки угля в кипящем слое для получения металлургического среднетемпературного кокса путем термоокислительной обработки угля с фракционным составом 0-15 мм в реакторе кипящего слоя. При этом подачу воздуха в слой осуществляют при температуре слоя 800-900°С. Для осуществления способа дробленый уголь, то есть коксуемый материал, непрерывно подают в реактор с кипящим слоем угля при температурах слоя 800-900°С. В процессе термоокислительной обработки крупные частицы исходного угля, нагреваясь до температуры слоя и перемещаясь в горизонтальном направлении, последовательно проходят стадии сушки, пиролиза и выгружаются из реактора путем естественного перетока через отборный патрубок, расположенный на уровне поверхности кипения слоя. Мелкодисперсный уголь и газообразные продукты коксования воспламеняются в верхней части кипящего слоя реактора и догорают в надслоевом пространстве, отдавая тепло излучением верхней части слоя. Продукты сгорания подают в котел-утилизатор на генерацию тепловой энергии (патент RU 2285715, МПК С10В 49/10 (2006.01)).

Данный способ, как и вышеописанный, не предусматривает регулирование производительности процесса переработки угля, что требуется для соблюдения графиков потребления тепловой энергии, генерируемой котлом-утилизатором. Кроме того, способ не позволяет оптимизировать генерацию тепловой энергии вследствие отсутствия возможности регулирования производительности оборудования, реализующего данный способ.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения регулирования производительности процесса переработки угля и оптимизации генерации тепловой энергии.

Поставленная задача решается тем, что в способе переработки угля в кипящем слое путем термоокислительной обработки угля в реакторе кипящего слоя согласно изобретению время обработки угля устанавливают постоянным. При этом путем перемещения в вертикальном направлении переливной стенки реактора кипящего слоя или путем изменения пропускной способности сливного устройства реактора кипящего слоя или производительности устройства вывода коксового продукта осуществляют регулирование объема кипящего слоя.

Качество коксового продукта - калорийность, зольность и содержание летучих определяется временем пребывания угля в слое, то есть временем обработки.

Время обработки можно оценивать по формуле:

где: V_сл - объем кипящего слоя, м³;

ρ_сл - плотность кипящего слоя; кг/м³;

B_У - расход угля в слой, кг/с;

β - доля выхода полукокса при оптимальном времени обработки.

При этом

где: В_к - выход коксового продукта, кг/с.

Для каждых условий переработки, таких как марка угля, его фракционный состав и температура кипящего слоя, существует свое оптимальное время обработки угля, при котором достигается наилучшее качество получаемого коксового продукта. Так, по данным испытаний, проведенных заявителем, для получения полукокса с характеристиками: калорийность - 27,2-27,6 МДж/кг; зольность - 8%; содержание летучих - 8,4%; влажность - не более 4% из Березовского бурого угля марки 2Б класса 7-25 мм оптимальное время обработки составляет 140-150 секунд.

Регулирование производительности процесса переработки угля осуществляется оперативным изменением объема кипящего слоя, позволяющим выдерживать оптимальные значения времени обработки угля. Регулируя объем кипящего слоя, можно задавать требуемую производительность энерготехнологической установки и, следовательно, ее тепловую мощность. Согласно формулам (1), (2) увеличение или уменьшение объема кипящего слоя при условии, что время обработки τ=const требует соответствующего увеличения или уменьшения расхода угля, что приведет соответственно к увеличению или уменьшению выхода коксового продукта и увеличению или уменьшению тепловой мощности энерготехнологической установки. Таким образом достигается и оптимизация генерации тепловой энергии котлом-утилизатором в зависимости от необходимости ее потребления.

Предложенный способ переработки угля в кипящем слое поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично изображена энерготехнологическая установка, реализующая предлагаемое изобретение, с подвижной переливной стенкой, на фиг.2 схематично изображена энерготехнологическая установка, реализующая предлагаемое изобретение, со сливным устройством и на фиг.3 схематично изображена энерготехнологическая установка, реализующая предлагаемое изобретение, с регулируемым устройством вывода коксового продукта.

Кроме того, на чертеже дополнительно обозначено следующее:

Н_сл - высота кипящего слоя;

- минимальная эксплуатационная высота кипящего слоя;

- горизонтальной линией со стрелкой, обращенной слева направо, показано направление подачи первичного воздуха;

- горизонтальной линией со стрелкой, обращенной справа налево, показано направление подачи холодной воды в теплообменник;

- горизонтальной линией со стрелкой, обращенной справа налево и соединенной с вертикальными линиями со стрелками, обращенными сверху вниз, показано направление подачи вторичного воздуха;

- горизонтальной штриховой линией со стрелкой, обращенной слева направо, показано направление вывода дымовых газов;

- двойной вертикальной линией со стрелкой, обращенной сверху вниз, показано направление подачи угля;

- вертикальной линией со стрелкой, обращенной сверху вниз, показано направление вывода коксового продукта;

- вертикальной штриховой линией со стрелкой, обращенной сверху вниз, показано направление вывода породы и огарка;

- вертикальной линией со стрелкой, обращенной снизу вверх, показано направление вывода подогретой воды или пара;

- вертикальной штриховой линией со стрелкой, обращенной снизу вверх, показано направление подачи водяного пара;

- вертикальной линией со стрелками, направленными в противоположные стороны, показаны направления перемещения переливной стенки реактора кипящего слоя.

Энерготехнологическая установка с подвижной переливной стенкой (фиг.1) содержит питатель 1, связанный с реактором 2 кипящего слоя, газораспределительную решетку 3, расположенную в нижней части топки 4 котла-утилизатора. На газораспределительной решетке 3 находится кипящий слой 5. Переливная стенка 6 реактора 2 кипящего слоя, являющаяся его задней стенкой, выполнена подвижной в вертикальном направлении посредством приводного механизма (на чертеже не показан). Реактор 2 связан с трубчатым теплообменником 7, расположенным в опускной шахте 8, что обеспечивает поступление коксового продукта, образующегося в реакторе 2, через переливную стенку 6 в трубчатый теплообменник 7 на охлаждение. Опускная шахта 8 в нижней части соединена с бункером 9, который связан с транспортирующим механизмом (на чертеже не показан). Топка 4 котла-утилизатора снабжена соплами 10 для ввода вторичного воздуха и экранами (на чертеже не показаны). Котел-утилизатор оборудован конвективными поверхностями нагрева 11 и дымососом (на чертеже не показан). Золоотводящее устройство 12, подсоединенное к газораспределительной решетке 3, предназначено для удаления через него породы и огарка.

Энерготехнологическая установка со сливным устройством (фиг.2) содержит питатель 1, связанный с реактором 2 кипящего слоя, газораспределительную решетку 3, расположенную в нижней части топки 4 котла-утилизатора. На газораспределительной решетке 3 находится кипящий слой 5. Реактор 2 кипящего слоя снабжен сливным устройством 13 с дозатором 14 и связан с трубчатым теплообменником 7, расположенным в опускной шахте 8, что обеспечивает поступление коксового продукта, образующегося в реакторе 2, через сливное устройство 13, выполненное в виде патрубка, с дозатором 14 в трубчатый теплообменник 7 на охлаждение. Опускная шахта 8 в нижней части соединена с бункером 9, который связан с транспортирующим механизмом (на чертеже не показан). Топка 4 котла-утилизатора снабжена соплами 10 для ввода вторичного воздуха и экранами (на чертеже не показаны). Котел-утилизатор оборудован конвективными поверхностями нагрева 11 и дымососом (на чертеже не показан). Золоотводящее устройство 12, подсоединенное к газораспределительной решетке 3, предназначено для удаления через него породы и огарка.

Энерготехнологическая установка с устройством вывода коксового продукта (фиг.3) содержит питатель 1, связанный с реактором 2 кипящего слоя, газораспределительную решетку 3, расположенную в нижней части топки 4 котла-утилизатора. На газораспределительной решетке 3 находится кипящий слой 5. Реактор 2 кипящего слоя снабжен сливным устройством 13 и связан с трубчатым теплообменником 7, расположенным в опускной шахте 8, что обеспечивает поступление коксового продукта, образующегося в реакторе 2, через сливное устройство 13, выполненное в виде патрубка, в трубчатый теплообменник 7 на охлаждение. Опускная шахта 8 в нижней части соединена с бункером 9, к которому подключено устройство вывода 15 коксового продукта, которое связано с транспортирующим механизмом (на чертеже не показан). Топка 4 котла-утилизатора снабжена соплами 10 для ввода вторичного воздуха и экранами (на чертеже не показаны). Котел-утилизатор оборудован конвективными поверхностями нагрева 11 и дымососом (на чертеже не показан). Золоотводящее устройство 12, подсоединенное к газораспределительной решетке 3, предназначено для удаления через него породы и огарка.

Способ переработки угля в кипящем слое осуществляется следующим образом (фиг.1, 2, 3). В реактор 2 кипящего слоя энерготехнологической установки питателем 1 непрерывно подают дробленый уголь. Для ожижения и обеспечения термоокислительных процессов в кипящий слой 5 через газораспределительную решетку 3 подают первичный воздух. Для предотвращения зашлаковывания кипящего слоя 5 в случаях нарушения температурного режима процесса переработки угля под газораспределительную решетку 3 подают водяной пар в необходимом количестве. Время обработки угля устанавливают постоянным. Температурный режим кипящего слоя 5 и фракционный состав исходного угля определяются требованиями к вырабатываемому коксовому продукту. Так, для получения полукокса температуру слоя выдерживают в пределах 600-700°С; для производства металлургического среднетемпературного кокса температуру слоя выдерживают в пределах 800-900°С и используют уголь с фракционным составом 0-25 мм. Объем V_сл кипящего слоя 5 задают положением Н_сл переливной стенки 6 реактора 2 таким, чтобы обеспечивалось оптимальное время обработки угля (фиг.1), или объем V_сл кипящего слоя 5 задают изменением пропускной способности сливного устройства 13 с дозатором 14, установленного над газораспределительной решеткой 3 на высоте, не превышающей минимальную эксплуатационную высоту кипящего слоя 5 - (фиг.2), или объем V_сл кипящего слоя 5 задают изменением производительности устройства вывода 15 коксового продукта (фиг.3).

Термоокислительную обработку угля осуществляют в реакторе 2 кипящего слоя. При этом крупные частицы угля, нагреваясь до температуры кипящего слоя 5 и перемещаясь в горизонтальном направлении в сторону переливной стенки 6 (фиг.1) или сливного устройства 13 (фиг.2 и 3), последовательно претерпевают стадии сушки, пиролиза и их выгружают из реактора 2 путем естественного перелива через верхнюю кромку переливной стенки 6 (фиг.1), или через сливное устройство 13 с дозатором 14 (фиг.2), или через сливное устройство 13 (фиг.3) в опускную шахту 8 с размещенным в ней теплообменником 7, в который подают холодную воду. В опускной шахте 8 коксовый продукт охлаждают до требуемой температуры и из бункера 9, присоединенного к шахте 8, удаляют или непосредственно транспортирующими механизмами (на чертеже не показаны) (фиг.1 и 2), или через регулируемое устройство вывода 15 транспортирующими механизмами (на чертеже не показаны) (фиг.3). Породу и огарок удаляют с поверхности газораспределительной решетки 3 через золоотводящее устройство 12. Мелкие частицы угля, кокса и газообразные продукты коксования частично сгорают в кипящем слое 5, поддерживая его температуру, и затем догорают в топке 4 котла-утилизатора за счет подачи в нее вторичного воздуха через сопла 10. Выделяющаяся при этом в топке 4 теплота сгорания угольной и коксовой мелочи и газообразных продуктов пиролиза воспринимается экранами топки 4 (на чертеже не показаны) и конвективными поверхностями нагрева 11 котла-утилизатора. Подогретую воду или пар направляют потребителю на бытовые и/или технологические нужды, и/или выработку электроэнергии. Дымовые газы выводят из котла дымососом (на чертеже не показан).

Для увеличения или уменьшения производительности энерготехнологической установки по коксовому продукту и, соответственно, ее тепловой мощности одновременно с увеличением или уменьшением подачи угля регулируют, то есть соответственно увеличивают или уменьшают, объем кипящего слоя 5, поднимая или опуская переливную стенку 6, связанную с приводным механизмом (на чертеже не показан), в вертикальном направлении таким образом, чтобы время обработки угля τ оставалось оптимальным, заранее заданным в соответствии с формулами (1), (2) (фиг.1), либо для увеличения или уменьшения, например, в n раз производительности энерготехнологической установки и, соответственно, ее тепловой мощности, увеличивают или уменьшают подачу угля и регулируют объем кипящего слоя, выждав некоторое время (не больше нескольких минут), пока объем слоя не увеличится или уменьшится также в n раз, и затем увеличив или уменьшив в n раз дозатором 13 (фиг.2) или устройством вывода 15 (фиг.3) выход коксового продукта. Для сохранения качества коксового продукта во время регулирования производительности данный процесс рекомендуется осуществлять ступенчато (n→1) (фиг.2 и 3). Для обеспечения надежного регулируемого выхода коксового продукта из сливного устройства 13 с дозатором 14 в промежутке между сливным устройством 13 и теплообменником 7 поддерживают разрыв потока коксового продукта (фиг.2). Для обеспечения надежного регулирования объема слоя путем изменения производительности устройства вывода 15 движение коксового продукта от реактора 2 кипящего слоя через сливное устройство 13 и теплообменник 7 до бункера 9 организуют сплошным потоком (фиг.3).

Таким образом, предложенный способ переработки угля в кипящем слое позволяет регулировать производительность энерготехнологической установки и ее тепловую мощность, оптимизируя генерацию тепловой энергии.

Изобретение относится к области переработки угля в аппаратах с кипящим слоем для получения коксового продукта, а также ряда экономичных углеродных сорбентов и катализаторов для производства качественного металлургического кокса. Полученный продукт может быть использован в энергетике, металлургии и в качестве топлива в коммунальном хозяйстве. В реактор кипящего слоя питателем непрерывно подают дробленый уголь. Для сжижения и обеспечения термоокислительных процессов в кипящий слой через газораспределительную решетку подают первичный воздух. Термоокислительную обработку угля производят в реакторе кипящего слоя. Время обработки угля устанавливают постоянным. Объем кипящего слоя регулируют путем перемещения в вертикальном направлении переливной стенки реактора кипящего слоя или путем изменения пропускной способности сливного устройства реактора кипящего слоя или производительности устройства вывода коксового продукта. Техническим результатом является обеспечение возможности изменения производительности процесса переработки угля и оптимизация генерации тепловой энергии котлом-утилизатором. 3 ил.

Способ переработки угля в кипящем слое путем термоокислительной обработки угля в реакторе кипящего слоя, отличающийся тем, что время обработки угля устанавливают постоянным, при этом путем перемещения в вертикальном направлении переливной стенки реактора кипящего слоя или путем изменения пропускной способности сливного устройства реактора кипящего слоя или производительности устройства вывода коксового продукта осуществляют регулирование объема кипящего слоя.