СПОСОБ КАРБОНИЗАЦИИ УГЛЯ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR COAL CARBONATION IN BOILING LAYER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области энергетики и химической промышленности, в части переработки угля в аппаратах с кипящим слоем для получения карбонизата угля, в частности кокса, полукокса, углеродных сорбентов и катализаторов, причем полученный продукт может быть использован в энергетике, металлургии для агломерации руд и в ферросплавных производствах взамен коксовой мелочи, а также в качестве топлива в коммунальном хозяйстве. Термоокислительную обработку угля производят в реакторе кипящего слоя, который содержит газораспределительную решетку в форме поверхности полуцилиндра с дутьевыми соплами и механический питатель кипящего слоя, снабженный приводом. При этом механический питатель производит перемещение карбонизата вдоль оси газораспределительной решетки в кипящем слое к разгрузочной стороне реактора, а также очистку газораспределительной решетки от оседающей на ее поверхности породы и образующихся шлаков.
Техническим результатом является обеспечение долгосрочной работы реактора кипящего слоя и повышение качества карбонизата путем управления временем термообработки угля в кипящем слое, степенью карбонизации топлива, и обеспечением очистки газораспределительной решетки от выпадающей породы и образующегося шлака.
Известен ряд способов энерготехнологической переработки углей с использованием техники кипящего слоя, ориентированных на получение кокса преимущественно из бурого угля. Характерным примером является технология, известная как технологический процесс «Термококс-КС» (С.Р. Исламов. Частичная газификация угля. - М.: Издательство «Горное дело». 2017. - с. 384). Коксование мелкозернистого угля осуществляется в реакторе кипящего слоя прямоугольного сечения с газораспределительной колпачковой решеткой, через которую подается дутьевой воздух. Расход и напор воздуха обеспечивают поддержание горения топлива в псевдоожиженном состоянии слоя (кипящий слой) с температурами 750-800°С. Частицы сырого угля, поступающего в реактор, быстро нагреваются, интенсивно выделяют влагу и летучие компоненты, которые сгорают, а горячий кокс (карбонизат) выводится из реактора. При этом регулирование времени пребывания частицы угля, от чего зависит степень карбонизации частицы, регулируется только расходом угля, подаваемого в кипящий слой в определенной пропорции с воздушным дутьем. Скорость вывода кокса, продукта переработки, из реактора автоматически подстраивается к скорости подачи топлива в реактор за счет текучести свободного кипящего слоя.
Практическое применение способа в промышленных условиях при модернизации энергетических котлов с установкой в топке реактора кипящего слоя типа «Термококс-КС» (котел КВТС-20, разрез «Березовский», котел БКЗ-75, Уланбаторской ТЭЦ-2) показало неэффективность принятых решений по организации управления кипящим слоем в реакторе. Котел КВТС-20 не достиг проектных параметров производительности и качества кокса в связи с периодическим нарушением режима кипящего слоя в реакторе при колебаниях качества исходного угля и последующей зашлаковкой газораспределительной решетки. Продолжительность работы котла КВТС-20 до зашлаковки составляет не более 8 суток. В котле БКЗ-75 Уланбаторской ТЭЦ-2 не удалось обеспечить стабильную работу реактора кипящего слоя более 8 часов, в связи с быстрой зашлаковкой газораспределительной решетки и нарушением кипящего слоя. После зашлаковки решетки требуется остановка установки и ручная очистка топки.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ переработки угля в кипящем слое для получениям металлургического среднетемпературного кокса путем термоокислительной обработки угля с фракционным составом 0-15 мм в реакторе кипящего слоя (патент RU 2285715, 2006.01) В процессе термоокислительной обработки крупные частицы исходного угля, нагреваясь до температуры слоя и перемещаясь по длине реактора вследствие перемешивания слоя выгружаются из реактора путем естественного перетока через отборный патрубок, расположенный на уровне поверхности кипения слоя.
Данный способ, как и вышеописанный, предусматривает регулирование производительности процесса переработки и времени нахождения угля в высокотемпературной зоне реактора расходом угля, подаваемого в кипящий слой, что может обеспечить работу реактора только при устоявшемся режиме и стабильном фракционном составе топлива. Любое изменение условий, в том числе расхода, фракционного состава или зольности угля влечет за собой нарушение кипящего слоя и выпадение на газораспределительную решетку топлива с неуправляемым режимом роста температур в реакторе, что приводит к зашлаковке решетки и последующей остановке процесса, необходимой для очистки газораспределетильной решетки от шлака, а в итоге к снижению качества карбонизата и производительности установки.
Кроме того, способ не обеспечивает возможность поддержания кипящего слоя в реакторе при накоплении на газораспределительной решетке породы, содержащейся в угле.
Задача настоящего изобретения состоит в устранении недостатков известных способов карбонизации угля в кипящем слое, а именно - в обеспечении управляемости процессом карбонизации, что позволит увеличить КПД устройства, обеспечить надежность технологического процесса карбонизации за счет удаления шлаков и породы, оседающих на воздухораспределительную решетку реактора кипящего слоя, а также повысить качество производимого карбонизата путем управления временем его термической обработки.
Техническим результатом является стабильное осуществление технологического процесса, обеспечение долгосрочной работы реактора кипящего слоя в непрерывном режиме с реализацией постоянной очистки газораспределительной решетки от выпадающей породы и образующегося шлака, что ведет к увеличению эксплуатационной производительности реактора, а также повышению качества карбонизата по зольности, содержанию летучих, теплотворной способности путем управления временем термообработки угля в кипящем слое.
Задача изобретения решается и технический результат достигается предлагаемым способом карбонизации угля, заключающимся в том, что термическую переработку угля крупностью 0-30 мм выполняют в реакторе кипящего слоя при температуре 750-800°С, при этом очистку газораспределительной решетки реактора от шлаков и разгрузку карбонизата из реактора осуществляют посредством механического питателя.
Заявленное изобретение иллюстрируется графическими материалами, где показана конструкция устройства, вид данного устройства в разрезе, а также представлено схематическое изображение осуществления способа карбонизации угля в кипящем слое. На фиг. 1 показан общий вид реактора кипящего слоя, на фиг. 2 показан вид реактора кипящего слоя в разрезе А-А. Реактор кипящего слоя состоит из корпуса 1, газораспределительной решетки 2, имеющей форму поверхности полуцилиндра, ось вращения 3 которого совпадает с осью вращения водоохлаждаемого вала 4 привода механического питателя на котором закреплен рабочий орган 5 механического питателя. Рабочий орган механического питателя может иметь форму шнека, лопасти или скребков, установленных под углом к оси вращения вала. Газораспределительная решетка 2, на которой находится слой псевдоожиженного топлива размещена в нижней части реактора.
3
2
Способ осуществляется следующим образом. Уголь 6, крупностью куска до 30 мм, подается на газораспределительную решетку 2 реактора питателем (на чертеже не указан) через течку 7 в передней стенке реактора. Под газораспределительную решетку 2 через патрубок 8 подается воздух 9. Разгрузка образующегося карбонизата 10 из реактора осуществляется перетеканием через перегородку 11 задней стенки реактора в накопительный бункер 12, оборудованный теплообменником 13 для охлаждения карбонизата. Выходящий из кипящего слоя газ 14, имеющий температуру 600°С, сжигается в топке котла-утилизатора (на чертеже не показан). Уголь подвергается карбонизации в кипящем слое при температуре 750-800°С. Псевдоожижение угля осуществляется воздухом, который подается под газораспределительную решетку. Подача воздуха производится в диапазоне 3500-5500 м на 1 м площади газораспределительной решетки и зависит от фракционного состава угля и его кажущейся плотности. В процессе скоростного нагрева происходит интенсивное измельчение частиц угля в результате их термодеструкции и разрушения в результате соударений. Измельчение частиц сопровождается уменьшением их кажущейся плотности вследствие выделения из пор частиц паров влаги и смолы. Поэтому измельченные и облегченные частицы образовавшегося карбонизата перемещаются в верхнюю часть кипящего слоя, откуда при движении кипящего слоя к задней стенке реактора перетекают через перегородку 11 в накопительный бункер 12. Продвижение кипящего слоя вдоль оси решетки реактора организуется давлением слоя при пополнении реактора углем и движением рабочего органа механического питателя 5, периодичность включения которого и частота оборотов вала рабочего органа определяется заданным временем карбонизации угля и заданными требованиями к продукту переработки, карбонизату, по содержанию летучих и зольности. Механический питатель при движении рабочего органа 5 обеспечивает управляемую по времени выгрузку карбонизата из слоя, а также выполняет очистку газораспределительной решетки 2 от образующегося шлака, кроме того рабочим органом механического питателя вместе с карбонизатом 11 выводятся за перегородку реактора порода и сростки угля, которые вследствие их повышенной плотности оседают на поверхности газораспределительной решетки.
Отличительными характеристиками заявленного изобретения являются:
1. Реализация постоянной очистки газораспределительной решетки от выпадающей породы и образующегося шлака путем движения рабочего органа механического питателя, что приводит к долгосрочной работе реактора кипящего слоя в непрерывном режиме и ведет к увеличению эксплуатационной производительности реактора;
2. Управление временем термообработки угля в кипящем слое за счет изменения частоты оборотов рабочего органа механического питателя, что приводит к повышению качества производимого карбонизата по содержанию летучих, зольности, и теплотворной способности.
В качестве примера приводятся характеристики карбонизации бурого угля марки 2Б Березовского месторождения в пилотном аппарате по предлагаемому способу (см. табл. 1). Как следует из приведенных в табл. 1 данных, полученных на пилотном аппарате, процесс карбонизации протекает достаточно эффективно и обеспечивает более высокие показатели качества карбонизата по сравнению с прототипом. Эксплуатация пилотного аппарата в течение шести месяцев показала оправданность принятых технических решений, отмечена устойчивость поддержания кипящего слоя в реакторе при попадании включений породы и колебаниях качества подаваемого угля, шлакование газораспределительной решетки не наблюдалось.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Таким образом, устройство по настоящему изобретению являются эффективным, производительным, экономичным и способным обеспечить продолжительную работу реактора с процессом карбонизации угля в кипящем слое.
Описание способа карбонизации угля в кипящем слое и устройства для его осуществления приведено только в качестве не ограничивающего изобретение примера, и поэтому очевидно, что в рамках следующей ниже формулы изобретения возможны изменения и варианты, возникшие как в процессе создания, так и применения устройства.