СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ШЛЮЗОВЫХ СРЕДСТВ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2016 года по МПК C10J3/30 B01J3/02 B01J8/00 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации системы шлюзов сыпучего материала, каждый из которых используют для загрузки под избыточным давлением технологического устройства, содержащего технологический газ, такого как резервуар или реактор, причем перед загрузкой сыпучего материала в шлюзах сбрасывают давление до атмосферного давления, а улетучивающийся газ собирают в один или несколько резервуаров и хранят для последующего использования, и причем перед выгрузкой находящегося в них

сыпучего материала в резервуар или реактор в шлюзах нагнетают давление до его рабочего давления с помощью технологического газа.

Такую систему шлюзов сыпучего материала образуют шлюзы промышленных установок, включающих в себя несколько, по существу, идентичных технологических устройств.

Уровень техники

Способы эксплуатации шлюзов сыпучего материала, которые используются для загрузки находящихся под избыточным давлением технологических устройств, уже известны. Хорошо известным примером такого способа эксплуатации является загрузка доменных печей в сталелитейной промышленности, при сбросе давления в шлюзе выполняют улавливание газа с подачей на газоочистку и хранение в газгольдере, откуда газ отбирают для использования по назначению, как правило, в качестве топливного газа. Для повторного нагнетания давления в шлюзе осуществляют забор технологического газа непосредственно из доменной печи или на выходе газоочистки. При этом нет необходимости повторно использовать уловленный газ как таковой для нагнетания давления в шлюзе, поскольку доменный процесс обеспечивает получение достаточного количества доменных газов, которые можно отбирать в необходимом объеме для нагнетания давления в шлюзе сыпучего материала, не нарушая ведение доменного процесса, см. энциклопедию промышленной химии Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry (6-е издание, том 18: «Чугун», глава 2.5).

Менее благоприятной оказывается ситуация на установках газогенераторов на угольном сырье в том виде, в каком их принципиальное описание приведено в энциклопедии промышленной химии Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry (6-е издание, том 15: «Производство газа», глава 4.4). Типичный пример этой технологии описан в публикации выложенной германской патентной заявки DE 10 2007 017 402 А1.

Эти газогенераторы на угольном сырье, также обозначаемые как напорные газогенераторы, являются установками шахтного типа. В этих газогенераторах твердое топливо, такое как торф, бурый уголь, антрацит, кокс, биомасса и т.п. преобразуют в горючий генераторный газ, основными компонентами которого являются монооксид углерода и водород. Топливо в напорный газогенератор шахтного типа загружают сверху. В шахте топливо образует неподвижную топливную колошу, через которую по принципу противотока пропускают газовую смесь, состоящую, по существу, из кислорода или воздуха и пара. Генераторный газ, температура которого обычно составляет до 800°С, отводят в верхнюю зону напорного газогенератора и направляют на газоочистку, а затем на утилизацию. Золу, полученную в результате сгорания топлива, выгружают из напорного газогенератора на уровне днища, например, через вращающуюся колосниковую решетку. Процесс газификации под давлением обычно осуществляют на давлениях в диапазоне от 15 до 50 бар. Это приводит к необходимости загрузки топлива в шахту через шлюз сыпучего материала. Для схода сыпучего материала или топлива (в шахту) в шлюзе нагнетают давление генераторным газом до технологического давления, обеспечиваемого в шахте напорного газогенератора, а для забора новой партии шихты выполняют сброс давления до давления окружающей среды.

В отличие от доменных печей в сталелитейной промышленности газ в данном случае является технологическим продуктом для процесса газификации под давлением. Следовательно, по меньшей мере, на крупных установках, включающих в себя несколько газогенераторов, целесообразно осуществлять улавливание газа, отходящего от шлюзов по ходу сброса давления, для выполнения его повторного сжатия до рабочего давления процесса газификации с помощью компрессорной установки и обратной подачи в поток генераторного газа.

При этом нагнетание давления в шлюзах с помощью этой компрессорной установки не представляется возможным по экономическим соображениям, поскольку компрессия очень большого количества газа, необходимого всякий раз за короткий период времени, потребовала бы использования слишком больших и дорогостоящих компрессоров. Поэтому для нагнетания давления в шлюзах газ необходимо отбирать из процесса газификации, причем следует иметь в виду, что каждый отбор газа для нагнетания давления в шлюзе приводит к нарушению равномерного протекания процесса газификации.

Следовательно, цель изобретения заключается в обеспечении такого способа эксплуатации системы шлюзов сыпучего материала, который исключал бы известные недостатки, т.е. чтобы получалось меньшее количество газа, подвергаемого сбросу давления, который после компрессии должен подаваться обратно в производственный процесс, и чтобы из производственного процесса отбиралось меньшее количество газа на нагнетание давления.

Описание изобретения

Цель изобретения достигнута благодаря способу с признаками п. 1 формулы изобретения, в котором заявляется способ эксплуатации системы шлюзов сыпучего материала, каждый из которых используют для загрузки под избыточным давлением технологического устройства, содержащего технологический газ, такого как резервуар или реактор, причем перед загрузкой сыпучего материала в шлюзах сбрасывают давление до атмосферного давления, а улетучивающийся газ собирают в один или несколько резервуаров, такие как напорные резервуары или газгольдеры, и хранят для последующего использования, и причем перед выгрузкой сыпучего материала шлюзов в устройство в шлюзах нагнетают давление до его рабочего давления с помощью технологического газа, отличающийся тем, что сброс давления и нагнетания давления в шлюзе включает в себя следующие стадии:

а) стадия сброса давления в шлюзе посредством компенсации давления с напорным резервуаром, содержащим технологический газ, начальное давление которого ниже начального давления шлюза,

б) факультативно, одна или несколько других стадий сброса давления в каждом случае посредством компенсации давления с одним другим напорным резервуаром, содержащим технологический газ каждый, причем начальное давление одного или нескольких других напорных резервуаров в каждом случае ниже, чем давление в напорном резервуаре, использованном на стадии а), или в напорном резервуаре, использованном перед этим,

в) факультативно, стадии нагнетания давления посредством компенсации давления с напорными резервуарами, перечисленными в п. б), начиная с

резервуара с самым низким давлением и продолжая соответствующим резервуаром со следующим более высоким давлением,

г) стадия нагнетания давления посредством компенсации давления с напорным резервуаром, указанным в п. а).

Основополагающая идея изобретения заключается в том, что сброс давления в каждом шлюзе осуществляют частичными стадиями посредством компенсации давления с напорным резервуаром так, что в одном или нескольких напорных резервуарах не только накапливают газ, но и аккумулируют часть энергии давления, присутствующей в газе.

Чем меньше интервал между исходным давлением в шлюзе и давлением в напорном резервуаре перед компенсацией давления и чем меньше напорный резервуар, тем больше энергии давления можно сохранить.

Сколько шлюзов может быть объединено в подобную систему, состоящую из нескольких шлюзов и одного или нескольких напорных резервуаров, зависит прежде всего от периодичности и продолжительности циклов срабатывания шлюзов и от количества и продолжительности стадий компенсации давления.

При этом под циклом срабатывания шлюза здесь должны подразумеваться сброс давления в шлюзе до атмосферного давления, загрузка шлюза твердыми материалами, нагнетание давления в шлюзе до рабочего давления реактора и выгрузка твердых материалов из шлюза в реактор.

Способ согласно изобретению может быть задан в преимущественном выполнении в соответствии с зависимыми пунктами 2-6 формулы изобретения.

Один преимущественный аспект изобретения заключается в том, что первую стадию сброса давления в шлюзе, которую осуществляют даже перед стадиями, осуществляемыми по п. 1 формулы изобретения, осуществляют посредством компенсации давления с другим шлюзом системы, который уже прошел через стадии в) и г) нагнетания давления по п. 1. В результате консервируют даже большее количество газа и энергии давления, а для подвергаемого нагнетанию давления шлюза необходимо отбирать меньше газа из процесса газификации, чтобы выйти на рабочее давление в шлюзе, необходимое для схода твердых материалов в реактор.

Другой предпочтительный аспект изобретения заключается в том, что последнюю стадию нагнетания давления в шлюзе до рабочего давления подключенного устройства осуществляют таким образом, что компенсация давления происходит между шлюзом и устройством. Во многих случаях практического применения эта стадия оказывается проблематичной, поскольку газ, отбираемый непосредственно из устройства, может быть очень горячим и может содержать компоненты, которые осаждаются в шлюзе и могут вызывать функциональные сбои. Однако в рассматриваемом случае необходимость в газе для этой последней стадии нагнетания давления настолько мала, что ее можно осуществлять также и при высокой температуре газа и с определенной концентрацией конденсирующихся компонентов в газе без ухудшения функциональности шлюза.

Другой предпочтительный аспект изобретения заключается в том, что после осуществления стадий а) и б) сброса давления по п. 1 выполняют другую стадию сброса давления, т.е. осуществляют компенсацию давления между шлюзом и напорным резервуаром, который используется в качестве приемного резервуара для компрессорной установки, с помощью которой газ вводят в поток генераторного газа на установку, запитываемую системой шлюзов. В результате обеспечивается рециркуляция через шлюз технологического газа, отобранного из технологического процесса, и повышается эффективность процесса по выходу продукта.

Другой преимущественный аспект изобретения заключается в том, что после осуществления сброса давления в приемный резервуар компрессорной установки осуществляют дополнительный сброс давления почти до атмосферного давления посредством компенсации давления с газгольдером. В результате можно обеспечить улавливание и аккумулирование максимально возможного количества газа. Благодаря аккумулированию газ можно направлять для дальнейшего использования, например, в качестве топливного газа.

При этом в качестве альтернативы аккумулированию в газгольдере экономически целесообразным может оказаться также сброс газа через факельную стойку.

Наиболее предпочтительно настоящее изобретение можно использовать для осуществления способов газификации под давлением твердотельных видов топлива, в которых по меньшей мере один шлюз сыпучего материала используют для загрузки напорного газогенератора шахтного типа. Поскольку эти способы осуществляют под давлением, превышающим атмосферное давление, то загрузка топлива в напорный газогенератор должна производиться через шлюз, чтобы нарушение процесса газификации оказалось минимальным, насколько это возможно. Учитывая, что в соответствии с уровнем техники генераторный газ, необходимый для нагнетания давления в шлюзах, отбирают исключительно из процесса газификации под давлением, настоящее изобретение экономичным способом, т.е. без установки компрессоров большой производительности, предлагает осуществление нагнетания давления в шлюзах частично с помощью газа, отведенного из шлюзов при сбросе давления. В результате из напорного газогенератора должно отбираться меньшее количество газа для нагнетания давления, а его технологический процесс нарушается в меньшей степени.

Кроме того, предметом изобретения является устройство для осуществления способа по пп. 1-6, включающее в себя систему шлюзов сыпучего материала, из которых по меньшей мере один шлюз используют для загрузки находящегося под избыточным давлением технологического устройства, причем система включает в себя по меньшей мере один напорный резервуар и, факультативно, другой напорный резервуар с подключенной газокомпрессорной установкой, (а также) газгольдер и факельная труба, и причем шлюзы, резервуары и факельную трубу соединены трубопроводом таким образом, что каждый компонент может выполнять газообмен с любым другим компонентом. Предпочтительно компоненты соединяются с распределительным коллектором. В составе более крупных систем предпочтительным может быть также решение с использованием нескольких распределительных коллекторов, например по одному для напорного(-ых) резервуара(-ов), газокомпрессорной установки, газгольдера и/или факельной трубы.

Примеры конструктивного выполнения

Доработанные варианты, преимущества и возможные случаи применения изобретения можно также оценить на основе приведенного описания примеров конструктивного выполнения и чертежей. Все описанные и/или проиллюстрированные отличительные особенности определяют сущность изобретения как сами по себе, так и в любой их комбинации, независимо от того, включены ли они в пункты формулы изобретения или указаны в перекрестных ссылках.

Чертеж на фиг. 1 в качестве примера демонстрирует частичный вид системы шлюзов сыпучего материала согласно изобретению, укомплектованной двумя напорными резервуарами и газгольдером.

Чертеж на фиг. 2 в качестве примера демонстрирует частичный вид системы шлюзов сыпучего материала согласно изобретению, укомплектованной двумя напорными резервуарами, газгольдером и компрессорной установкой, из состава которой здесь показаны приемный резервуар для газа и компрессор.

Далее для наглядности приведено описание порядка функционирования способа согласно изобретению со ссылкой на два примера конструктивного выполнения.

Пример 1

Подача сыпучего материала, загружаемого в шлюзы или выгружаемого из шлюзов в реактор, показана стрелками или трубопроводами 4, 5, 6 и 7. Шлюзы А и В сыпучего материала, а также напорные резервуары С и D имеют объем в 12,1 м каждый. Газгольдер Е предназначен для хранения подвергаемого сбросу давления газа на почти атмосферном давлении. Газодувка F предназначена для подачи газа через трубопровод 7 для его дальнейшего использования, например, в качестве топливного газа или на утилизацию, например, через факельную стойку. Шлюзы, напорные резервуары и газгольдер соединены между собой для обеспечения газообмена с помощью трубопроводов 8, 9, 10, 11, 12 и распределительного коллектора 3. Трубопроводы 1 и 2 предназначены для компенсации давления в шлюзах с соответствующим загружаемым резервуаром или реактором (здесь не показаны).

Исходная ситуация

- Шлюз А заполнен твердыми материалами на 54% (объемн.) и газом на 46% (объемн.). Шлюз находится под атмосферным давлением и готов к нагнетанию давления до рабочего давления в 50 бар (изб.) в (здесь не показанном) резервуаре или реакторе, загружаемом через шлюз, для обеспечения последующего схода в них находящихся в нем твердых материалов.

- Из шлюза В выполнена выгрузка находившихся в нем твердых материалов в (здесь не показанный) реактор, загружаемый через этот шлюз, шлюз находится под рабочим давлением этого реактора в 50 бар (изб.) и готов к сбросу давления до атмосферного давления в расчете на повторную загрузку твердыми материалами.

- Напорный резервуар С находится под давлением в 29,5 бар (изб.).

- Напорный резервуар D находится под давлением в 38,8 бар (изб.).

- Газгольдер Е постоянно находится под рабочим давлением, номинально равным атмосферному.

1 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом А и напорным резервуаром С до 20,2 бар (изб.).

2 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом А и напорным резервуаром D до 32,9 бар (изб.).

3 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом А и шлюзом В до 44,6 бар (изб.).

4 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом А и реактором до 50 бар (изб.).

5 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом В и напорным резервуаром D до 38,8 бар (изб.).

6 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом В и напорным резервуаром С до 29,5 бар (изб.).

7 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом В и газгольдером Е до почти атмосферного давления.

В соответствии с процедурой, описанной в этом примере, 40% (объемн.) газа, высвободившегося из шлюзов при сбросе давления в них, могут быть повторно использованы для нагнетания давления в шлюзах. Остальные 60% (объемн.) газа, подвергающегося сбросу давления, выпускаются в газгольдер и направляются из него на утилизацию через факельную стойку и/или подаются на использование в качестве топливного газа. На известных установках 100% (объемн.) газа, подвергающегося сбросу давления, должны обрабатываться подобным образом. Сжатие этого газа, подвергнутого сбросу давления до атмосферного давления, до такой степени, чтобы можно было использовать его для нагнетания давления в шлюзах или подмешивать его в генераторный газ на выходе реакторов-газогенераторов, не является экономически целесообразным.

Пример 2

Подача сыпучего материала, загружаемого в шлюзы или выгружаемого из шлюзов в реактор, показана стрелками или трубопроводами 4′, 5′, 6′ и 7′. Шлюзы А′ и В′ сыпучего материала, а также напорные резервуары С′ и D′ имеют объем в 12,1 м³ каждый. Газгольдер Е′ предназначен для хранения подвергаемого сбросу давления газа на почти атмосферном давлении. Газодувка F′ предназначена для подачи газа через трубопровод 7′ для его дальнейшего использования, например, в качестве топливного газа или на утилизацию, например, через факельную стойку. Шлюзы, напорные резервуары и газгольдер соединены между собой для обеспечения газообмена с помощью трубопроводов 8′, 9′, 10′, 11′, 12′ и распределительного коллектора 3′. Трубопроводы 1′ и 2′ предназначены для компенсации давления в шлюзах с соответствующим загружаемым резервуаром или реактором (здесь не показаны).

Кроме того, система включает в себя компрессорную установку, представленную резервуаром G для газа, объем которого составляет 300 м³, и компрессором Н. Давление газа на входе в приемный резервуар G для газа поддерживается в пределах от 3 до 4 бар (изб.). Компрессор Н сжимает газ до давления генераторного газа, существующего на выходе реакторов-газогенераторов (здесь не показаны). Заполнение резервуара G подвергаемым сбросу давления газом из шлюзов выполняют через трубопровод 13. Через трубопровод 14 сжатый газ подмешивают в поток генераторного газа, выходящего из реакторов-газогенераторов.

Исходная ситуация

- Шлюз А′ заполнен твердыми материалами на 54% (объемн.) и газом на 46% (объемн.). Шлюз находится под атмосферным давлением и готов к нагнетанию давления до рабочего давления в 50 бар (изб.) в (здесь не показанном) резервуаре или реакторе, загружаемом через шлюз, для обеспечения последующего схода в них находящихся в нем твердых материалов.

- Из шлюза В′ выполнена выгрузка находившихся в нем твердых материалов в (здесь не показанный) реактор, загружаемый через этот шлюз, шлюз находится под рабочим давлением этого реактора в 50 бар (изб.) и готов к сбросу давления до атмосферного давления в расчете на повторную загрузку твердыми материалами.

- Напорный резервуар С′ находится под давлением в 29,5 бар (изб.).

- Напорный резервуар D′ находится под давлением в 38,8 бар (изб.).

- Газгольдер Е′ постоянно находится под рабочим давлением, номинально равным атмосферному.

- Давление в приемном резервуаре G для газа составляет 3 бар (изб.).

1 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом А′ и напорным резервуаром С′ до 20,2 бар (изб.).

2 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом А′ и напорным резервуаром D′ до 32,9 бар (изб.).

3 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом А′ и шлюзом В′ до 44,6 бар (изб.).

4 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом В′ и реактором до 50 бар (изб.).

5 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом В′ и напорным резервуаром D′ до 38,8 бар (изб.).

6 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом В′ и напорным резервуаром С′ до 29,5 бар (изб.).

7 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом В′ и приемным резервуаром G для газа до 4 бар (изб.).

8 стадия способа

Компенсация давления между шлюзом В′ и газгольдером Е′ до почти атмосферного давления.

В соответствии с процедурой, описанной в этом примере, 40% (объемн.) газа, высвободившегося из шлюзов при сбросе давления в них, могут быть повторно использованы для нагнетания давления в шлюзах. Другие 50% (объемн.) газа подвергаются компрессии с помощью компрессорной установки до такой степени, что могут подмешиваться в поток генераторного газа из реакторов-газогенераторов. Только остающиеся 10% (объемн.) газа должны отводиться в газгольдер и направляться из него либо на утилизацию (через факельную стойку), либо для дальнейшего использования во вспомогательном оборудовании, например, в качестве топливного газа.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

А, В, А′, В′ шлюзы сыпучего материала 4, 5, 4′, 5′ подача сыпучего материала (по трубопроводам) 6, 7, 6′, 7′ выгрузка сыпучего материала в реактор (по трубопроводам) 1, 2, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13,   Г, 2′, 7′, 8′, 9′, 10′, 11′, 12′, 13 трубопроводы для транспортировки газа 3, 3′ распределительные коллекторы С, D, С, D′ напорные резервуары E, Е′ газгольдеры F, F′ газодувки G приемный резервуар для газа Н компрессор бар (изб.) избыточное давление, в бар

Изобретение относится к способу эксплуатации системы шлюзов сыпучего материала, которые используют для загрузки под избыточным давлением технологического устройства, содержащего технологический газ, причем во время сброса давления в шлюзах газ и энергию давления частично сохраняют посредством компенсации давления с одним или несколькими напорными резервуарами и вновь используют во время нагнетания давления. Способ направлен на то, чтобы получалось меньшее количество газа, подвергаемого сбросу давления, который после компрессии должен подаваться обратно в производственный процесс, и чтобы из производственного процесса отбиралось меньшее количество газа на нагнетание давления. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

1. Способ эксплуатации системы шлюзов сыпучего материала, каждый из которых используют для загрузки под избыточным давлением технологического устройства, содержащего технологический газ, такого как резервуар или реактор, причем перед загрузкой сыпучего материала в шлюзах сбрасывают давление до атмосферного давления, а улетучивающийся газ собирают в один или несколько резервуаров, такие как напорные резервуары или газгольдеры, и хранят для последующего использования, и причем перед выгрузкой сыпучего материала шлюзов в устройство в шлюзах нагнетают давление до его рабочего давления с помощью технологического газа, отличающийся тем, что сброс давления и нагнетания давления в шлюзе включает в себя следующие стадии:
а) стадия сброса давления в шлюзе посредством компенсации давления с напорным резервуаром, содержащим технологический газ, начальное давление которого ниже начального давления шлюза,
б) факультативно одна или несколько других стадий сброса давления в каждом случае посредством компенсации давления с одним другим напорным резервуаром, содержащим технологический газ каждый, причем начальное давление одного или нескольких других напорных резервуаров в каждом случае ниже, чем давление в напорном резервуаре, использованном на стадии а), или в напорном резервуаре, использованном перед этим,
в) факультативно стадии нагнетания давления посредством компенсации давления с напорными резервуарами, перечисленными в п. б), начиная с резервуара с самым низким давлением и продолжая соответствующим резервуаром со следующим более высоким давлением,
г) стадия нагнетания давления посредством компенсации давления с напорным резервуаром, указанным в п. а).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед стадией а) п.1 сброса давления осуществляют стадию сброса давления посредством компенсации давления с другим шлюзом системы, который сначала был подвергнут нагнетанию давления согласно стадиям в) и г).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что последнюю стадию нагнетания давления для установки давления в шлюзе до величины рабочего давления подключенного устройства осуществляют посредством компенсации давления между шлюзом и устройством.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что последнюю стадию нагнетания давления для установки давления в шлюзе до величины рабочего давления подключенного устройства осуществляют посредством компенсации давления между шлюзом и устройством.

5. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что при сбросе давления в шлюзе после осуществления стадий а) и б) осуществляют другую стадию сброса давления посредством компенсации давления в шлюзе с напорным резервуаром, который служит в качестве приемного резервуара для компрессорной установки.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что при сбросе давления в шлюзе после осуществления стадий а) и б) и после сброса давления в напорный резервуар по п.5 шлюз подвергают сбросу давления посредством компенсации давления с газгольдером.

7. Применение способа по одному из предшествующих пунктов для осуществления способа газификации под давлением твердотельных видов топлива, отличающееся тем, что по меньшей мере один шлюз сыпучего материала используют для загрузки напорного газогенератора шахтного типа.

8. Устройство для осуществления способа по любому из пп.1-6, включающее в себя систему шлюзов сыпучего материала, из которых по меньшей мере один шлюз используют для загрузки находящегося под избыточным давлением технологического устройства, причем система содержит по меньшей мере один напорный резервуар и факультативно другой напорный резервуар с подключенной газокомпрессорной установкой или газгольдер, и факельную трубу, и причем шлюзы, резервуары и факельная труба соединены трубопроводом таким образом, что каждый компонент может выполнять газообмен с любым другим компонентом.