УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЛАНЦА С ТВЕРДЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей (три варианта) относится к энергетике, в частности к устройствам сланцепереработки, применяющихся в энерготехнологических установках, использующих сланец различного качества и его смеси с другими компонентами для получения топливных продуктов с высокой теплотой сгорания и химических продуктов различного целевого назначения.
В качестве прототипа выбрана установка для термической переработки сланца с твердым теплоносителем [АС СССР 270684, дата публикации 12.05.1970]. Установка имеет в своем составе последовательно расположенные сушилку, сепаратор сухого сланца, шнек, реактор, топку, сепаратор теплоносителя, сепаратор золы в виде одного или нескольких циклонов, смесительное устройство и разделительную камеру, в которой вмонтирован ряд последовательно включенных циклонов. При этом сушилка и топка выполнены аэрофонтанного типа, а реактор - в виде вращающегося вокруг горизонтальной оси барабана.
В процессе работы данной установки поступающий на вход сушилки сланец сушится и нагревается, за счет поступающего горячего топочного газа снизу сушилки. После аэросмесь сланца и топочного газа направляется в сепаратор, в котором выделяется сухой сланец. Далее сухой сланец шнеком транспортируется в смесительное устройство, в котором он смешивается с горючим теплоносителем, и после поступает в реактор. За счет тепла горючего теплоносителя происходит нагрев и термическое разложение сланца в реакторе. Образующиеся парогазовые продукты разложения и полукокс в смеси с теплоносителем поступают в разделительную камеру, из которой парогазовые продукты отводят на охлаждение и конденсацию, а смесь полукокса и теплоносителя - в топку. А аэросмесь топочных газов и золы-теплоносителя из топки поступает в сепаратор теплоносителя, в котором выделяется необходимое количество теплоносителя для реактора. А топочные газы с избытком теплоносителя идут из сепаратора
теплоносителя в сепаратор золы, и очищенные в нем от золы поступают в сушилку.
Существенным недостатком описанной установки является следующее. Топочные газы, очищаемые в сепараторе от золы, поступают в сушилку, где используются в качестве сушильного агента для поступающего сланца. Одновременно с этим, этот топочный газ используется и для нагрева сланца. Однако, температура топочных газов, поступающих в сушилку составляет 780-900°С, что является избыточным для технологического процесса, т.к. для сушки сланца температура сушительного агента не должна превышать 600°С, во избежание начала пиролиза.
Кроме того, установка обладает еще одним недостатком. Зола, выводимая из цикла после сепаратора золы, обладает повышенной температурой (около 900°С), что вызывает сложности при ее утилизации или транспортировке. При этом установка имеет низкую термическую эффективность, которая выражается частичной потерей вырабатываемой теплоты при охлаждении золы и топочных газов.
В основу полезной модели поставлена задача утилизации избыточного тепла получаемых в процессе работы установки продуктов и повышение теплового к.п.д установки.
Поставленная задача в первом варианте решается тем, что установка для термической переработки сланца с твердым теплоносителем имеет в своем составе последовательно расположенные загрузочный бункер, аэрофонтанную сушилку, сепаратор, транспортирующее устройство (например, шнек), смеситель, реактор барабанного типа с горизонтальной осью вращения, разделительную камеру, технологическую топку аэрофонтанного типа, сепаратор теплоносителя, выход которого подсоединен к смесителю. Установка также содержит сепаратор золы, соединенный с сепаратором теплоносителя. От прототипа установка отличается тем, что дополнительно содержит котел-утилизатор, установленный между сепаратором золы и аэрофонтанной сушилкой и выполненный с обеспечением возможности получения технологического пара. Установка по первому варианту также может дополнительно содержать зольный теплообменник, установленный
на зольном выходе сепаратора золы, при этом теплоотводящие трубы теплообменника соединены с технологической топкой.
Поставленная задача во втором варианте решается тем, что установка для термической переработки сланца с твердым теплоносителем имеет в своем составе последовательно расположенные загрузочный бункер, аэрофонтанную сушилку, сепаратор, транспортирующее устройство (например, шнек), смеситель, реактор барабанного типа с горизонтальной осью вращения, разделительную камеру, технологическую топку аэрофонтанного типа, сепаратор теплоносителя, выход которого подсоединен к смесителю. Установка также содержит сепаратор золы, соединенный с сепаратором теплоносителя. От прототипа установка отличается тем, что дополнительно содержит зольный теплообменник, установленный на зольном выходе сепаратора золы, при этом теплоотводящие трубы теплообменника соединены с технологической топкой. По второму варианту установка также может дополнительно содержать котел-утилизатор, установленный между сепаратором золы и аэрофонтанной сушилкой и выполненный с обеспечением возможности получения технологического пара.
Поставленная задача в третьем варианте решается тем, что установка для термической переработки сланца с твердым теплоносителем имеет в своем составе последовательно расположенные загрузочный бункер, аэрофонтанную сушилку, сепаратор, транспортирующее устройство (например, шнек), смеситель, реактор барабанного типа с горизонтальной осью вращения, разделительную камеру, технологическую топку аэрофонтанного типа, сепаратор теплоносителя, выход которого подсоединен к смесителю, а также содержит сепаратор золы, соединенный с сепаратором теплоносителя. От прототипа установка отличается тем, что дополнительно содержит котел-утилизатор, установленный между сепаратором золы и аэрофонтанной сушилкой и выполненный с обеспечением возможности получения технологического пара, а также дополнительно содержит зольный теплообменник, установленный на зольном выходе сепаратора золы, при этом теплоотводящие трубы теплообменника соединены с технологической топкой.
Более подробно сущность группы полезных моделей иллюстрируется Фигурой, на которой представлено схематичное изображение установки для термической переработки сланца с твердым теплоносителем.
Полезная модель по первому варианту имеет в своем составе последовательно расположенные: загрузочный бункер 1, аэрофонтанную сушилку 2, сепаратор 3 сухого сланца, транспортирующее устройство 4, смеситель 5, барабанный вращающийся реактор 6 с горизонтальной осью, разделительную камеру 7, аэрофонтанную технологическую топку 8, сепаратор 9 теплоносителя, сепаратор 10 золы, котел-утилизатор 11 с дожигающим устройством 12 и байпасным газоходом 13 и клапаном 14, стоящим в магистрали, соединяющей котел-утилизатор и аэрофонтанную сушилку. Устройство также дополнительно может содержать зольный теплообменник 15, установленный на зольном выходе сепаратора 10 золы, при этом теплоотводящие трубы теплообменника 15 соединены с технологической топкой 8. В состав зольного теплообменника входит промежуточный воздухо-водяной теплообменник 16.
Полезная модель по второму варианту имеет в своем составе последовательно расположенные загрузочный бункер 1, аэрофонтанную сушилку 2, сепаратор 3 сухого сланца, транспортирующее устройство 4, смеситель 5, барабанный вращающийся реактор 6, разделительную камеру 7, аэрофонтанную технологическую топку 8, сепаратор 9 теплоносителя, сепаратор 10 золы и зольный теплообменник 15, установленный на зольном выходе сепаратора 10 золы, при этом теплоотводящие трубы теплообменника 15 соединены с технологической топкой 8. В состав зольного теплообменника входит промежуточный воздухо-водяной теплообменник 16. Устройство также дополнительно может содержать котел-утилизатор 11 с дожигающим устройством 12 с байпасным газоходом 13 и клапаном 14, стоящим в магистрали, соединяющей котел-утилизатор и аэрофонтанную сушилку
Полезная модель по третьему варианту имеет в своем составе последовательно расположенные загрузочный бункер 1, аэрофонтанная сушилка 2, сепаратор 3 сухого сланца, транспортирующее устройство 4, смеситель 5, барабанный вращающийся реактор 6, разделительную камеру 7, аэрофонтанная технологическая топка 8, сепаратор 9 теплоносителя, сепаратор 10 золы, котел-утилизатор
11, дожигающее устройство 12, байпасный газоход 13, клапан 14, зольный теплообменник 15 и промежуточный воздухо-водяной теплообменник 16, который входит в состав зольного теплообменника 15.
В описанной схеме выход сепаратора 9 теплоносителя для отвода золы подсоединен ко входу смесителя 5, а его второй выход для отвода топочных газов подсоединен ко входу сепаратора 10 золы. Один из выходов последнего соединен с зольным теплообменником 15, а второй - с котлом-утилизатором 11. Выход котла-утилизатора 11 посредством газохода 13 подключен к аэрофонтанной сушилке 2. Выход зольного теплообменника 15, служащего для отвода горячего дутьевого воздуха подключен к технологической топке 8 и к дожигающему устройству 12.
Описанная выше установка для термической переработки сланца с твердым теплоносителем работает следующим образом (рассматривается третий вариант, использующий преимущества первого и второго).
Предварительно дробленый сланец с размером частиц не более 25 мм подают через загрузочный бункер 1 в аэрофонтанную сушилку 2, где происходит его сушка и нагрев до температуры 110-150°С посредством воздействия топочных газов, также поступающих в сушилку. После сушки аэросмесь сланца и топочного газа поступает в сепаратор 3 сухого сланца, в котором сухой сланец выделяется из газа, сбрасываемого в последствии в атмосферу. Далее частицы сланца поступают в смеситель 5 посредством транспортирующего устройства 4 (например, шнека). В смесителе 5 частицы сланца смешивается с горячим теплоносителем (золой), имеющей температуру 800-850°С, после смесь поступает в реактор 6. В реакторе 6 сланец и теплоноситель также перемешиваются, равномерно продвигаясь через него. За счет тепла горячего теплоносителя происходит нагрев (до температуры 500°С) и термодеструкция (пиролиз) содержащихся в них горючей массы. В результате пиролиза образуется парогазовая смесь и коксозольный остаток. Полученная смесь поступает в разделительную камеру 7, в которой парогазовые продукты отводят на охлаждение и конденсацию, а смесь полукокса и теплоносителя - в технологическую топку 8. В последнюю также подают горячий (400-450°С) дутьевой воздух. В технологической топке 8 во взвешенном состоянии происходит сжигание коксозольного остатка, и за счет выделяемого при этом
тепла вся масса теплоносителя и золы свежего полукокса нагревается до требуемой температуры (780-820°С). Полученную в результате сжигания коксозольного остатка газовзвесь подвергают разделению в сепараторе 9 на теплоноситель, возвращаемый в смеситель 5, и на топочные газы с избытком теплоносителя, которые в последствии идут из сепаратора 9 теплоносителя в сепаратор 10 золы. В последнем происходит разделение на золу и топочный газ.
Топочный газ, очищенный от основной массы золы поступает в котел-утилизатор 11 при температуре 780-820°С. При этом количество вносимой теплоты в котел-утилизатор 11 зависит от качества и объема перерабатываемого сланца и возможностей примесей, зольности и режима термической переработки. В котле-утилизаторе производится последовательное ступенчатое охлаждение и дожиг топочного газа так, чтобы температура в газоходе 13 не превышала предельную по условиям шлакования (900-950°С). При этом охлаждение топочного газа осуществляется посредством теплового обмена с питательной водой, поступающей в трубную поверхность теплообменника 11. В процессе многократной принудительной циркуляции и теплообмена питательной воды с топочным газом происходит ее нагрев и последующий отвод в виде технологического пара. Указанный ранее дожиг топочного пара осуществляется дожигающим устройством 12, что востребовано с целью регулирования температуры технологического пара, отводимого из котла-утилизатора 11.
После охлаждения топочные газы используют для сушки поступающего в сушилку 2 сланца. Количество теплоты, отводимое на сушку сланца зависит от его расхода и влажности, и меняется в процессе эксплуатации. Для регулирования необходимого количества теплоты на сушку сланца при максимальном теплосъеме в котле-утилизаторе 11 предусматривается байпасирование нагретого топочного газа таким образом, чтобы температура за аэрофонтанной сушилкой 2 соответствовала требованиям безопасности. Отвод топочного газа в этом случае осуществляется посредством байпасного газохода 13.
Зола, отделяемая в сепараторе 10 от топочных газов, поступает в зольный теплообменник 15 при температуре около 800-850°С. В теплообменнике 15 зола охлаждается встречным потоком дутьевого воздуха, поступающего в многосекционную трубную поверхность теплообменника 15 с температурой не
более 50-70°С. Это позволяет получить золу приемлемой температуры (до 150-200°С) на выходе указанного теплообменника для ее дальнейшей утилизации или транспортировки. Одновременно с этим, на выход многосекционной трубной поверхности теплообменника 15 поступает высокотемпературный (400-450°С) технологический дутьевой воздух, далее который поступает в технологическую топку 8 и в дожигающее устройство 12.
Поскольку температура подогрева дутьевого воздуха, как правило, ограничена конструктивными особенностями теплообменника (до 400-450°С), а расход его определяется потребностью установки, то в конструкции описываемой установки предусмотрена возможность промежуточного охлаждения дутьевого воздуха в промежуточном воздухо-водяном теплообменнике 16, который входит в состав зольного теплообменника 15. При этом охлаждение дутьевого воздуха может быть осуществлено посредством теплообмена с питательной водой, поступающей в трубную поверхность теплообменника 16. А указанная питательная вода может также использоваться для теплообмена в котле-утилизаторе 11, что позволит существенно увеличить полезную паропроизводительность котла-утилизатора 11. Кроме того, за счет изменения расхода дутьевого воздуха через теплообменник 15, можно осуществить регулирование теплосъема в теплообменнике 16 путем поддержания определенной температуры дутьевого воздуха на выходе многосекционной трубной поверхности теплообменника 15.
Таким образом, заявляемая установка для термической переработки сланца с твердым теплоносителем позволяет снизить потери вырабатываемой теплоты при охлаждении золы и/или топочных газов в соответствующих теплообменниках, повысить тепловой КПД установки в целом, а также получить технологический пар, который может быть использован как дополнительный энергетический продукт. Полезная модель по первому варианту позволяет эффективно утилизировать избыточное тепло топочных газов с получением технологического пара. При этом полезная модель по второму варианту позволяет эффективно утилизировать остаточное тепло золы с получением высокотемпературного технологического дутьевого воздуха. А полезная модель по третьему варианту позволяет решить комбинированную задачу по эффективной утилизации
избыточного тепла золы и топочного газа с получением технологического дутьевого воздуха и водяного пара, соответственно. Кроме того, утилизация теплоты топочного газа (за счет его дожига) позволяет снизить вредные выбросы в атмосферу оксида углерода при производстве.