УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
GRANULAR MATERIAL THERMAL TREATMENT PLANT

ПЕРЕКРЕСНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Настоящая заявка является частичным продолжением заявки США № 11/107,152, поданной 15.04.2005 г. с истребованием конвенционного приоритета по временной заявке № 60/618,379, поданной 12.10.2004 г., и является частичным продолжением заявки США № 11/199,838 "Установка и способ отделения и концентрирования органических и неорганических материалов", поданной 8.08.2005 г., которая является частичным продолжением заявки США № 11/107,153, поданной 15.04.2005 г. с истребованием конвенционного приоритета по временной заявке США № 60/618,379, поданной 12.10.2004 г., причем все указанные заявки полностью вводятся ссылкой в настоящую заявку.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к рентабельным установкам для тепловой обработки зернистых материалов. Более конкретно, в изобретении предлагается использовать проходную сушильную установку непрерывного действия, например сушильную установку с псевдоожиженным слоем, обеспечивающую сушку таких материалов при низкой температуре с доступом атмосферного воздуха для повышения их теплосодержания или пригодности для переработки и уменьшения промышленных выбросов, прежде чем зернистый материал будет обрабатываться или сжигаться в процессе промышленного производства. Хотя такая установка может быть с высокой технической и экономической эффективностью использована во многих отраслях промышленности, однако она наилучшим образом подходит для использования на тепловых электростанциях с целью уменьшения содержания влаги в угле перед тем, как он будет сжигаться.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как известно, электрическая энергия насущно необходима для жизни людей. Она может все: от привода машин и механизмов на заводах до перекачивания воды на фермах и обеспечения работы компьютеров в офисах, освещения, отопления и охлаждения во многих жилищах.
Эта электрическая энергия вырабатывается большими электростанциями, использующими энергию пара или текущей воды для вращения валов турбин, которые, в свою очередь, вращают валы электрических генераторов. В то время как некоторые электростанции работают на энергии текущей воды или на атомной энергии, около 63% электроэнергии в мире и примерно 70% электроэнергии в США производится в результате сжигания ископаемых топлив, например угля, нефти или природного газа. Такое топливо сжигается в камере сгорания на электростанции для получения тепла, используемого для преобразования воды в пар в парогенераторе. Затем получают перегретый пар и подают его в гигантские паровые турбины, в которых пар толкает лопатки турбины для вращения вала. Вращающийся вал, в свою очередь, вращает ротор электрического генератора для получения электрической энергии.
После того как пар пройдет через турбину, он поступает в конденсационную установку, где он нагревает воду, циркулирующую по трубам теплообменника. По мере охлаждения пара он конденсируется в воду, которая может быть затем возвращена в парогенератор для повторения процесса превращения воды в пар. На многих электростанциях вода, циркулирующая по трубам конденсатора и поглощающая тепло пара, подается для охлаждения в охладительный бассейн с разбрызгиванием или в градирню. Затем охлажденная вода снова поступает в контур охлаждения конденсатора или сбрасывается в озера, реки или другие водоемы.
Восемьдесят девять процентов угля, добываемого в США, используется в качестве источника тепла для электростанций. В отличие от нефти и природного газа запасы угля в разведанных месторождениях достаточно велики, и его добыча рентабельна.
Существует четыре типа природных углей: антрацит, каменный (битуминозный) уголь, полубитуминозный уголь и бурый уголь (лигнит). Хотя в принципе все четыре типа углей содержат углерод, водород, азот, кислород и серу, а также влагу, однако конкретное содержание в них указанных элементов и влаги различается в широких пределах. Например, наиболее качественные антрацитовые угли могут содержать около 98 вес.% углерода, в то время как худшие сорта бурых углей (лигнита) могут содержать всего лишь 30 вес.% углерода. В то же время содержание влаги может быть ниже 1% в антрацитовых и битуминозных углях и порядка 25-30 вес.% в полубитуминозных углях, таких как угли бассейна Паудер Ривер (Powder River), и 35-40 вес.% в лигнитах Северной Америки. Для Австралии и России уровни содержания влаги в лигнитах могут достигать 50% и 60%, соответственно. Такие полубитуминозные и бурые угли с высоким содержанием влаги обладают меньшей теплотворностью по сравнению с битуминозными и антрацитовыми углями, поскольку при их сгорании выделяется меньшее количества тепла. Кроме того, высокое содержание влаги в топливе влияет на все аспекты работы электростанции, включая КПД и выброс загрязняющих продуктов. Высокое содержание влаги приводит к значительному снижению эффективности работы парогенератора и повышению удельного расхода тепла по сравнению с более качественными углями. Высокое содержание влаги также может приводить к проблемам в таких областях, как транспортировка и погрузочно-разгрузочные операции, дробление топлива, производительность вентилятора и высокие скорости истечения топочных газов.
2
x
Поэтому битуминозные угли являются типом углей, которые наиболее широко используются при производстве электрической энергии в связи с их широкой распространенностью и относительно высокой теплотворной способностью. Однако они также отличаются достаточно высоким содержанием серы. В результате ужесточившегося регулирования в области охраны окружающей среды (например. Закон о чистом воздухе (Clean Air Act), принятый в США) на электростанциях приходится устанавливать в дымовых трубах дорогостоящие газоочистительные устройства для предотвращения загрязнения воздуха сернистьм газом (SO), окислами азота (NO), соединениями ртути и зольной пылью, возникающими в результате сжигания этих углей.
Менее качественные угли, такие как полубитуминозные и бурые угли, начали привлекать повышенное внимание как источники тепла для тепловых электростанций в связи с низким содержанием в них серы. Сжигание их в качестве топлива может облегчить соблюдение на электростанциях стандартов штатов и стандартов федерального уровня, касающихся вопросов контроля загрязнения окружающей среды. Также большое значение имеет то обстоятельство, что полубитуминозные и бурые угли составляют большую часть разведанных запасов угля в западной части США. Однако высокое содержание влаги в этих низкосортных углях снижает их теплотворность при использовании в качестве источника тепловой энергии. Кроме того, такой высокий уровень содержания влаги удорожает их транспортировку (удельные расходы в расчете на единицу теплотворности). Эти угли также создают проблемы при их использовании, поскольку они крошатся и превращаются в пыль при потере влаги, в результате чего возникают трудности с их транспортировкой и проведением погрузочно-разгрузочных работ.
Хотя в связи с проблемами по загрязнению воздуха природный газ и дизельное топливо почти полностью заменили уголь в качестве топлива для бытовых целей, однако растущие цены на нефть и природный газ заставляют некоторые производства и службы по обеспечению зданий возвращаться к углю как к источнику тепла. В связи с более высокой теплотворной способностью каменного угля и антрацита они в общем случае являются более предпочтительными для получения тепла.
Уголь также является основным компонентом для производства кокса, который используется при производстве железа и стали. Каменный уголь нагревается примерно до 2000°F в герметично закрытых печах, в которых недостаток кислорода препятствует самовозгоранию угля. При такой высокой температуре часть твердых веществ превращается в газы, а остающаяся тяжелая пенообразная масса почти чистого углерода является коксом. Многие предприятия по производству кокса входят в состав сталеплавильных заводов, на которых кокс сжигается вместе с железной рудой и известняком для превращения руды в доменный чугун, который затем перерабатывается в сталь.
Некоторые из газов, образующиеся в процессе получения кокса, при их охлаждении превращаются в жидкий аммиак и каменноугольную смолу. При дальнейшей переработке эти остаточные газы могут быть превращены в легкие фракции. Полученный аммиак, каменноугольная смола и легкие фракции могут быть использованы для производства лекарств, красок и удобрений. Каменноугольная смола сама по себе может использоваться для изготовления кровли зданий и для покрытий дорог.
Часть газа, полученного в процессе коксования, жидким не становится. Такой каменноугольный газ горит как природный газ и может обеспечивать тепло в процессах получения кокса и стали. Промышленность альтернативных видов топлива также разработала процессы непосредственной газификации угля без коксования. Такие процессы газификации позволяют получить газообразные и жидкие заменители бензина и дизельного топлива, обладающие высокой теплотворностью. Таким образом, существуют различные полезные применения угля кроме использования присущей ему способности давать тепло при сжигании.
В промышленности уже давно известно, что нагрев угля уменьшает содержание в нем влаги, и поэтому сушка угля повышает его ценность и теплотворную способность. Сушка угля перед его сжиганием в парогенераторах может повысить эффективность их работы.
Berg
Для сушки угля могут использоваться многочисленные разработанные сушильные устройства. Например, в патенте США № 5,103,743, выданном , раскрывается ротационная сушильная печь, в которой влажный уголь высушивается в пространстве, образованном оболочкой ротационной печи и кожухом, окружающем эту оболочку. Топочные газы, получаемые в ротационной печи, пропускаются вместе с влажным углем через пространство высушивания, так что тепло, излучаемое поверхностью оболочки, и тепло горячих топочных газов, используемые совместно, высушивают уголь. С другой стороны, в патенте США № 4,470,878, выданном Petrovic и др., раскрывается каскадное сушильное устройство с псевдоожиженным слоем для предварительного нагрева угля, загружаемого в установку коксования, причем уголь прогревается в результате опосредованной теплопередачи при вихревом движении смеси угля и пара. Охлаждающие газы, используемые для охлаждения горячего кокса, получаемого в коксовой печи, поступают в последовательные каскады каскадного сушильного устройства с псевдоожиженным слоем для предварительного нагрева угля.
Удлиненное щелевое сушильное устройство, раскрытое в патенте США № 4,617,744, выданном Siddoway и др., используется для сушки влажного распыленного материала, например угля. Уголь загружается через верх щелевидной части щелевого сушильного устройства и выводится через нижнее отверстие, взаимодействуя в противопотоке с высушивающей текучей средой, которая пропускается вниз в щелевом канале, и затем направляется вверх для взаимодействия в противопотоке с опускающимися влажными частицами. Конвейер, размещенный вдоль нижней части щелевого сушильного устройства, транспортирует высушенные частицы угля.
Бункерное сушильное устройство описывается в патенте США № 5,033,208, выданном Ohno и др. Это устройство содержит два цилиндра с кольцевым пространством между ними. Угольные частицы вводятся в это кольцевое пространство, и сквозь отверстия во внутреннем цилиндре пропускается горячий газ, который воздействует на частицы угля и выпускается через отверстия во внешнем цилиндре.
В патенте США № 4,606,793, выданном Petrorvic и др., раскрывается сушильное устройство с подвижным слоем для предварительного нагрева угля, подаваемого в коксовальную печь. Горячий газ или отходящие пары процесса сухого охлаждения кокса подаются в трубчатый теплообменник, размещенный внутри сушильного устройства с подвижным слоем.
из
В патенте США №4,444,129, выданном Ladt, раскрывается сушильное устройство с вибрирующим псевдоожиженным слоем, используемое для сушки угольных частиц, проходящих через сито размера 28. В сушильное устройство поступают горячие газыгорелки, работающей на угле. Рекуперативный сепаратор, размещенный между горелкой и сушильным устройством с вибрирующим псевдоожиженным слоем, удаляет золу из потока угольных частиц. Выходящие горячие газы также очищаются от мелких частиц угля, которые затем подаются для сгорания в горелке.
Хотя все эти сушильные устройства могут использоваться для удаления влаги из зернистого материала, например угля, однако они имеют сравнительно сложную конструкцию, им присуща невысокая эффективность теплопередачи, и как правило они лучше подходят для циклической обработки порций материала, чем для работы в непрерывном режиме. Поэтому широкое распространение в промышленности для сушки угля получили сушильные аппараты или реакторы с псевдоожиженным слоем. В таких сушильных аппаратах сжижающая среда вводится через отверстия в нижней части псевдоожиженного слоя для разделения и подъема угольных частиц для улучшения характеристик процесса сушки, Ожижающая среда может быть одновременно средой непосредственного нагрева, или же отдельный вторичный источник тепла может быть размещен внутри реактора с псевдоожиженными слоем. Угольные частицы вводятся на одной стороне реактора и перемещаются по длине слоя в псевдоожиженном состоянии. Таким образом, реакторы с псевдоожиженным слоем являются хорошим техническим решением для реализации непрерывного процесса сушки, и в них обеспечивается увеличенная поверхность контакта между каждой взвешенной частицей и высушивающей средой. См., например, патенты США: № 5,537,941, выданный Goldich; № 5,546,875, выданный Selle и др.; № 5,832,848, выданный Reynoldson и др.; № 5,830,246, 5,830,247 и № 5,858,035, выданные Dunlop; № 5,637,336, выданный KLannenberg и др.; № 5,471,955, выданный Dietz; № 4,300,291, выданный Heard и др.; и № 3,687,431, выданный Parks.
Однако во многих из этих традиционных процессов сушки используются очень высокие температуры и давления. Например, процесс Горного бюро США выполняется при давлении 1500 psig, в то время как процесс сушки, описанный в патенте США № 4,052,168, выданном Koppelman, требует давления 1000-3000 psi. Аналогично, в патенте США № 2,671,968, выданном Criner, описывается применение продувочного воздуха, имеющего температуру 538°С. Аналогично, в патенте США № 5,145,489, выданном Dunlop, раскрывается процесс для одновременного улучшения характеристик угля и нефти, причем в используемом реакторе поддерживается температура на уровне 454-566°С. См. также патенты США: № 3,434,932, выданный Mansfield (760°С - 872°С) и № 4,571,174, выданный Shelton (≤538°С).
Использование таких высоких температур для высушивания или иной обработки угля требует больших расходов энергии, больших капитальных вложений и высоких затрат на эксплуатацию, что может сделать экономически невыгодным использование низкосортных углей. Кроме того, проведение процесса высушивания при повышенной температуре создает дополнительный поток загрязняющих веществ, который надо обрабатывать. Следующим обстоятельством, усложняющим экономическую ситуацию в этом вопросе, является то, что известные процессы сушки угля часто основывались на сжигании ископаемых топлив, таких как уголь, нефть или природный газ для обеспечения источника тепла, используемого для улучшения теплотворной способности угля, который должен высушиваться. См., например, патенты США: № 4,533,438, выданный Michael и др.; № 4,145,489, выданный Dunlop; № 4,324,544, выданный Blake; № 4,192,650, выданный Seitzer; № 4,444,129, выданный Ladt; и № 5,103,743, выданный Berg. В некоторых случаях этот сжигаемый источник тепла может представлять угольную мелочь, отделенную и утилизированную в процессе сушки угля. См., например, патенты США: № 5,322,530, выданный Merriam и др.; № 4,280,418, выданный Erhard; и № 4,240,877, выданный Stahlherm и др.
Поэтому предпринимались попытки разработать процессы сушки угля, которые осуществлялись бы при пониженных температурах. Например, в патенте США № 3,985,516, выданном Johnson, раскрывается процесс сушки низкосортного угля, в котором в качестве средства высушивания используется нагретый инертный газ в псевдоожиженном слое с температурой в диапазоне 204-260°С. В патенте США № 4,810,258, выданном Greene, раскрывается использование перегретой газообразной высушивающей среды для нагрева угля до температуры 300-450°F, хотя предпочтительная температура равна 455°С, и давление равно 0,541 psi. См. также патенты США: № 4,436,589 и 4,431,585, выданные Petrovic и др. (200°С); № 4,338,160, выданный Dellessard и др. (250-650°С); № 4,495,710, выданный Ottoson (204-483°С); №5.527,365, выданный Coleman и др. (150-300°С); № 5,547,549, вьщанный Fracas (259-316°С); № 5,858,035, выданный Dunlop; и № 5,904,741 и № 6,162,265, выданный Dunlop и др. (248-316°С).
3
В нескольких известных процессах сушки угля используются еще более низкие температуры, хотя степень высушивания в них угля обеспечивается в ограниченных пределах. Например, в патенте США № 5,830,247, выданном Dunlop, раскрывается процесс для подготовки необратимо высушенного угля, в котором используется первый реактор с псевдоожиженным слоем с плотностью псевдоожиженного слоя, равной 20-40 фунт/фут, причем уголь с содержанием влаги 15-30 вес.%, кислорода 10-20% и с размером частиц 0-2 дюйма подвергается действию температуры 66-149°С в течение 1-5 минут для одновременного измельчения и сушки угля. Затем уголь подается во второй реактор с псевдоожиженным слоем, в котором он покрывается минеральным маслом и подвергается действию температуры 248-316°С в течение 1-5 минут для дальнейшего измельчения и высушивания продукта. Таким образом, ясно, что этот процесс не только применяется к углям, имеющим относительно невысокое содержание влаги (а именно 15-30%), но также частицы угля только частично обезвоживаются в первом реакторе с псевдоожиженным слоем, работающим при температуре 66-149°С, и действительное высушивание происходит во втором реакторе с псевдоожиженным слоем, который работает при повышенных температурах 248-316°С слоя.
Аналогично, в патенте США № 6,447,559, выданном Hunt, раскрывается процесс обработки угля в атмосфере инертного газа для повышения качества угля путем его нагревания сначала до температуры 93-122°С для удаления поверхностной влаги, и последующего нагревания с постепенным повышением температуры шагами 204-399°С, 482-594°С, 704-844°С и 1093-1316°С для удаления влаги, содержащейся в порах частиц угля, для получения угля с содержанием влаги и летучих компонентов не более 2 вес.% и 15 вес.%, соответственно. Так же, как и в предыдущем случае, ясно, что на первоначальной стадии нагрева до температуры 93-122°С обеспечивается лишь ограниченное высушивание частиц угля.
Одной из проблем, связанных с использованием для сушки угля реакторов с псевдоожиженным слоем, является возникновение больших количеств мелких частиц, захваченных ожижающей средой. В частности, при высоких рабочих температурах может происходить самовозгорание этих частиц, в результате чего может произойти взрыв. Поэтому во многих известных процессах сушки угля для предотвращения загорания прибегают к использованию инертных псевдоожижающих газов, замещающих воздух. В качестве такого инертного газа может использоваться азот, двуокись углерода и пар. См., например, патенты США: № 3,090,131, выданный Waterman, мл.; № 4,431,485, выданный Petrovic и др.; № 4,300,291 и № 4,236,318, выданный Heard и др.; № 4,292,742, выданный Ekberg; № 4,176,011, выданный Knappstein; № 5,087,269, выданный Cha и др.; № 4,468,288, выданный Galow и др.; № 5,327,717, выданный Hauk; № 6,447,559, выданный Hunt; и № 5,904,741, выданный Dunlop и др. В патенте США № 5,527,365, выданном Coleman и др., предлагается способ высушивания низкосортных углеродсодержащих топлив, например угля, в "мягкой восстановительной среде", что достигается использованием таких инертных газообразных низших алканов, как пропан или метан. В некоторых других известных процессах используется несколько нагретых потоков ожижающей среды, температуры которых последовательно понижаются, по мере того как уголь проходит по длине псевдоожиженного слоя реактора, для обеспечения необходимого охлаждения угля для предотвращения взрыва. См., например, патенты США: № 4,571,174, выданный Shelton; и № 4,493,157, выданный Wicker.
Еще одной проблемой, с которой столкнулась промышленность при осуществлении процессов сушки угля, является природная склонность угля к повторной абсорбции влаги при обычных условиях хранения после выполнения процесса сушки. Поэтому предпринимались попытки покрывать поверхность частиц высушенного угля минеральным маслом или каким-либо другим углеводородным продуктом для формирования барьера, защищающего от проникновения влаги в поры частиц угля. См., например, патенты США: № 5,830,246 и № 5,858,035, выданные Dunlop; № 3,985,516, выданный Johnson.; и № 4,705,533 и № 4,800,015, выданные Simmons.
Для того чтобы повысить экономичность процессов сушки низкосортных углей, в качестве дополнения к первичному источнику тепла, сжигаемому топливу, используются потоки отработанного тепла. См, патент США № 5,322,530, выданный Merriam и др. Это в особенности справедливо для производства коксующегося угля, где охлаждающий газ, нагретый горячим коксом, может быть использован повторно для нагрева осушающего газа в теплообменнике. См., например, патенты США: № 4,053,364, выданный Poersch; № 4,308,102, выданный Wagener и др.; № 4,338,160, выданный Dellessard и др.; № 4,354,903, выданный Weber и др.; № 3,800,427, выданный Kemmetmueller; № 4,533,438, выданный Michael и др.; и № 4,606,793 и № 4,431,485, выданный Petrovic и др. Аналогично, в качестве дополнительного источника тепла для теплообменника, размещенного внутри реактора с псевдоожиженным слоем для сушки угля, использовались топочные газы печей с псевдоожиженным слоем. См., например, патенты США: № 5,537,941, выданный Goldich; и № 5,327,717, выданный Hauk. В патенте США № 5,103,743, выданном Berg, раскрывается способ сушки твердых материалов, таких как влажный уголь, в ротационной сушильной печи, в которой высушиваемый материал газифицируется для получения горячих газов, которые затем используются в качестве источника тепла для радиационных нагревателей, используемых для высушивания материала внутри печи. В патенте США № 4,284,476, выданном Wagener и др., дымовые газы из установки по получению металла пропускаются через горячий кокс в процессе производства кокса для его охлаждения, в результате чего дымовые газы нагреваются и затем используются для предварительного нагрева подаваемого влажного угля перед его преобразованием в кокс.
Однако, похоже, ни в одном из известных процессов поток отработанного тепла не используется в качестве единственного источника тепла для сушки угля. Такой поток используется лишь в качестве дополнения к первичному источнику тепла, которым остается сжигание ископаемого топлива, например угля, нефти или природного газа. Отчасти это обусловливается относительно высокими температурами, используемыми для высушивания материалов в этих известных сушильных установках и в соответствующих способах. Таким образом, экономическая эффективность процессов сушки продуктов из угля продолжает ограничиваться необходимостью сжигать ископаемые топлива для высушивания ископаемого топлива (а именно угля) для повышения его теплотворной способности с целью использования в парогенераторе промышленной установки (например, тепловой электростанции).
Кроме того, во многих известных сушильных установках с псевдоожиженным слоем может происходить забивание (засорение), поскольку более крупные и более плотные частицы угля оседают на дне установки и затрудняют создание псевдоожиженного слоя из остальных частиц. Конденсация в верхней части сушильной установки также может вызывать агломерацию частиц и их падение в нижнюю часть, что усугубляет проблему засорения. По этой причине многие из известных сушильных установок с псевдоожиженным слоем имеют вертикальную конструкцию или же выполняются в форме нескольких каскадов с входными потоками среды псевдоожижения, направленными на создание улучшенных схем псевдоожижения для частиц угля, введенных в сушильную установку.
Было бы желательно осуществлять процесс в сушильной установке, такой как сушилка с псевдоожиженным слоем, при пониженных температурах, ниже 300°F, что могло бы исключить необходимость в подавлении самовозгорания частиц угля внутри установки. Кроме того, введение внутрь сушильной установки с псевдоожиженным слоем механических средств для физического отделения и удаления более крупных и более плотных частиц угля из зоны псевдоожиженного слоя и устранения конденсации вокруг частиц могло бы исключить проблемы, связанные с засорением, которые могут снижать эффективность работы сушильной установки. Сушка угля перед его введением в печь парогенератора должна повысить экономическую эффективность использования низкосортных углей, таких как полубитуминозные и бурые угли. Такие низкосортные угли могли бы стать конкурентоспособными видами топлива для тепловых электростанций по сравнению с традиционно используемыми антрацитовыми и битуминозными углями. Экономичное использование полубитуминозных и бурых углей, имеющих пониженное содержание серы, а также удаление из угля вредных компонентов, вызывающих загрязнение внешней среды, было бы в высшей степени выгодным с точки зрения охраны окружающей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В изобретении предлагается установка для тепловой обработки или иного улучшения характеристик зернистых материалов, которая используется в качестве одного из основных компонентов производственного процесса промышленного предприятия и в которой обеспечивается предотвращение засорения. Такие зернистые материалы могут включать топлива, сжигаемые в производственных процессах промышленных предприятий, или сырьевые материалы, используемые для получения готовых продуктов при осуществлении производственного процесса. Хотя это не так существенно, такая установка тепловой обработки предпочтительно нагревается одним или несколькими источниками отработанного тепла, имеющимися внутри работающего промышленного предприятия. Такие источники отработанного тепла могут включать, в частности, горячую воду охлаждения конденсатора, горячие топочные или дымовые газы, отработанный производственный пар из контура турбины и другие производственные потоки с повышенным теплосодержанием. Таким образом, предлагаемая в изобретении установка обеспечивает более экономичную тепловую обработку зернистого материала, в результате чего становится возможным использование низкосортных (например, с повышенной влажностью) материалов, которые иначе не могли бы составить конкуренцию традиционным материалам, используемым на промышленных предприятиях.
Хотя изобретение может быть использовано во многих отраслях промышленности, однако в иллюстративных целях оно описывается в заявке в отношении традиционной тепловой электростанции, работающей на угле, где удаление влаги из угля в сушильной установке необходимо для повышения теплотворной способности угля и, соответственно, увеличения эффективности работы парогенератора электростанции. Высушивание угля с помощью предложенной установки может способствовать использованию низкосортных углей, например бурых и полубитуминозных. Уменьшение содержания влаги в угле независимо от того, является он высокосортным или низкосортным, позволяет также улучшить рабочие характеристики.
Стоит заметить, что нет необходимости в полном высушивании угля, используемого в качестве топлива, для того чтобы было экономически выгодно использовать его в парогенераторах тепловых электростанций. Вместо этого, используя имеющиеся источники отработанного тепла для высушивания угля в достаточной степени, можно существенно повысить эффективность работы парогенератора, одновременно поддерживая производственные затраты на уровне, обеспечивающем рентабельность процесса. Таким образом, обеспечивается действительный экономический выигрыш для оператора электростанции. Снижение уровня влаги в бурых углях возможно с типичных 39-60% до 10% и даже ниже, хотя предпочтительным является уровень 27-32%. Этот предпочтительный уровень определяется способностью парогенератора по теплопередаче.
Хотя предлагаемая в изобретении установка тепловой обработки нацелена на использование имеющихся источников отработанного тепла, таких как отработанный пар из контура паровой турбины, топочные газы, выбрасываемые предприятием, или горячая вода охлаждения конденсатора, для снижения уровня влажности или для другой технологической стадии, однако необходимо понимать, что вместе с источниками отработанного тепла может использоваться первичный источник тепла, получаемого сжиганием топлива, для достижения необходимого результата наиболее экономичным образом. В большинстве случаев, тепла, получаемого из первичного источника, будет использоваться гораздо меньше, чем отработанного тепла.
В настоящем изобретении могут использоваться сушильные установки с псевдоожиженным и неподвижным слоем, как одноступенчатые, так и многоступенчатые, для предварительной сушки и последующей очистки материала перед тем, как он используется в технологическом процессе промышленного предприятия, хотя могут использоваться и другие известные типы сушильных установок. Кроме того, такой процесс сушки осуществляется при низкой температуре в открытом контуре (без герметизации), что позволяет снизить производственные затраты для промышленного предприятия. Температура осуществления процесса сушки предпочтительно поддерживается ниже 300°F и более предпочтительно в диапазоне 200-300°F. В соответствии с настоящим изобретением часть горячей охлаждающей воды охлаждения конденсатора, выходящая из конденсатора, могла бы отбираться и использоваться для подогрева воздуха, подаваемого в воздухоподогреватель, для получения эффекта "теплового усилителя".
Предлагаемая в изобретении установка тепловой обработки также содержит транспортирующее средство, например винтовой шнек, размещенное внутри сушильной установки для перемещения к одной ее стороне или удаления за ее пределы более крупных и более плотных частиц ("тяжелые частицы") зернистого материала, которые иначе могли бы затруднять поддержание непрерывного потока зернистого материала через сушильную установку с псевдоожиженным слоем или забивать (засорять) ее. Удаление таких тяжелых частиц может повысить эффективность работы сушильной установки и легко может быть осуществлено в первой ступени многоступенчатой установки.
В настоящем изобретении также предлагается система для удаления из угля зольной пыли, серы, материалов, содержащих ртуть, и других вредных загрязняющих веществ с использованием возможностей псевдоожиженных слоев по выделению и сортировке материалов, в отличие от используемых систем, в которых удаление загрязняющих веществ осуществляется после того, как уголь сжигается. Удаление таких загрязняющих веществ до сжигания угля исключает возможность нанесения вреда окружающей среде, который может быть вызван загрязняющими веществами производственных процессов предприятия, и к числу ожидаемых выигрышей относятся: низкий уровень выброса вредных веществ, уменьшение количества подаваемого угля, уменьшение потребления энергии вспомогательным оборудованием предприятия, уменьшение количества используемой воды, снижение расходов на техническое обслуживание, связанное с эрозией металла и с другими факторами, и снижение капитальных расходов, связанных с установкой оборудования, необходимого для извлечения этих загрязняющих веществ из топочных газов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На прилагаемых чертежах представлено следующее.
Фигура 1 - упрощенная схема, иллюстрирующая работу тепловой электростанции, в которой в качестве источника энергии используется уголь.
Фигура 2 - схема модернизированной тепловой электростанции, работающей на угле, в которой для повышения эффективности работы парогенератора используются топочные газы и потоки отработанного тепла паровой турбины.
Фигура 3 - вид предлагаемой в настоящем изобретении сушильной установки с псевдоожиженным слоем и относящегося к ней оборудования для транспортировки угля и подачи горячего воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя.
Фигура 4 - схема одноступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 5 - вид в плане распределительной пластины для сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 6 - вид в плане другого варианта распределительной пластины для сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 7 - вид сечения распределительной пластины по линии 7-7 фигуры 6.
Фигура 8 - вид в плане распределительной пластины, представленной на фигуре 6, содержащей винтовой шнек.
Фигура 9 - схема одноступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением, в которой используется первичный источник тепла для опосредованного подогрева воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя и сушки угля.
Фигура 10 - схема одноступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением, в которой используется отработанное тепло производственного процесса для опосредованного подогрева воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя и сушки угля.
Фигура 11 - схема одноступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением, в которой используется сочетание отработанного тепла производственного процесса для подогрева воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя угля (опосредованный нагрев), и горячей охлаждающей воды конденсатора, пропускаемой через теплообменник, размещенный внутри сушильной установки с псевдоожиженным слоем для сушки угля (непосредственный нагрев).
Фигура 12 - схема одноступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением, в которой используется сочетание отработанного тепла производственного процесса для подогрева воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя угля (опосредованный нагрев), и горячего пара, отобранного из контура паровой турбины и пропускаемого через теплообменник, размещенный внутри сушильной установки с псевдоожиженным слоем для сушки угля (непосредственный нагрев).
Фигура 13 - схема одноступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением, в которой используется отработанное тепло производственного процесса как для подогрева воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя угля (опосредованный нагрев), так и для нагрева жидкого теплоносителя, циркулирующего в теплообменнике, размещенном внутри сушильной установки с псевдоожиженным слоем для сушки угля (опосредованный нагрев).
Фигура 14 - схема одноступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением, в которой используется горячие топочные газы, отбираемые из дымовой трубы печи предприятия как для подогрева воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя угля (опосредованный нагрев), так и для нагрева жидкого теплоносителя, циркулирующего в теплообменнике, размещенном внутри сушильной установки с псевдоожиженным слоем для сушки угля (опосредованный нагрев).
Фигура 15 - схема двухступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 16 - схема двухступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением, в которой используется отработанное тепло производственных процессов предприятия для подогрева воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя угля в обеих камерах сушильной установки (опосредованный нагрев), и горячая вода охлаждения конденсатора, пропускаемая через теплообменники, размещенные внутри обеих камер сушильной установки с псевдоожиженным слоем для сушки угля (непосредственный нагрев).
Фигура 17 - вид сбоку нагревательного змеевика, используемого внутри псевдоожиженного слоя сушильной установки.
Фигура 18 - вид сечения нагревательного змеевика по линии 18-18 фигуры 17.
Фигура 19 - вид сбоку регулируемой перегородки первой ступени сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 20 - вид сбоку регулируемой перегородки второй ступени сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 21 - вид сбоку рассеивающей трубы, используемой внутри сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 22 - вид с торца сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 23 - схема одного из вариантов осуществления сушильной установки с неподвижным слоем.
Фигура 24 - схема двухступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением, которая интегрирована в тепловую электростанцию и в которой горячая вода охлаждения конденсатора используется для нагрева угля в первой ступени сушильной установки и нагрева воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя угля в обеих ступенях сушильной установки. Горячая вода охлаждения конденсатора в сочетании с горячими топочными газами высушивает уголь во второй ступени сушильной установки.
Фигуры 25а и 25b - виды в перспективе с вырезом скруббера, используемого для удаления тяжелых частиц из сушильной установки с псевдоожиженным слоем.
Фигура 26 - вид в перспективе с вырезом скруббера, содержащего распределительную пластину для создания псевдоожиженного слоя зернистого материала внутри скруббера.
Фигура 27 - вид в перспективе другого варианта осуществления скруббера в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 28 - вид в плане скруббера, представленного на фигуре 27.
Фигура 29 - увеличенный вид в перспективе части скруббера, представленного на фигуре 27.
Фигура 30 - график, иллюстрирующий повышение удельного расхода тепла энергетического блока для различных значений уменьшения влажности угля.
Фигура 31 - график величины высшей теплоты сгорания лигнита и углей бассейна Паудер Ривер (Powder River) для различных содержаний влаги.
Фигура 32 - схема экспериментальной двухступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением.
Фигуры 33-37 - графики различных характеристик работы сушильной установки с псевдоожиженным слоем, представленной на фигуре 32.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В изобретении предлагается установка для тепловой обработки зернистых материалов при сравнительно низких температурах с предотвращением закупоривания. Предлагаемая в изобретении установка обеспечивает более экономичную сушку материала, в результате чего становится возможным использование низкосортных (например, с повышенной влажностью) материалов, которые иначе не могли бы составить конкуренцию традиционным материалам, используемым в промышленных установках. Использование установки тепловой обработки также может обеспечить снижение уровней загрязняющих веществ и других вредных компонентов, содержащихся в материале, прежде чем он будет использован в технологическом процессе промышленной установки.
Хотя изобретение может быть использовано во многих отраслях промышленности, однако в иллюстративных целях оно описывается в заявке в отношении традиционной тепловой электростанции, работающей на угле, где удаление влаги из угля в сушильной установке необходимо для повышения теплотворной способности угля и, соответственно, увеличения эффективности работы парогенератора электростанции. Сушка угля с использованием предложенной установки может способствовать использованию низкосортных углей, например бурых и полубитуминозных. Уменьшение содержания влаги в угле независимо от того, является он высокосортным или низкосортным, позволяет также улучшить и другие характеристики. Например, высушенный уголь будет уменьшать нагрузку на систему погрузки-разгрузки, на конвейеры и на устройства измельчения угля, используемые на тепловой электростанции. Поскольку высушенный уголь легче транспортировать, то сокращаются расходы на техническое обслуживание и повышается коэффициент технического использования системы транспортировки. Высушенный уголь легче измельчать, поскольку необходимо меньше энергии для получения одного и того же размера частиц угля. Если топливо содержит меньше влаги, то уменьшается количество влаги, отводимой из мельницы. В результате улучшается эффективность дробления угля. Кроме того, для подачи, создания псевдоожиженного слоя и нагрева угля требуется меньше первичного воздуха. Уменьшение объемов первичного воздуха приводит к снижению скорости воздушного потока, и в результате существенно уменьшается эрозия углеразмольных мельниц, трубопроводов транспортировки угля, угольных горелок и другого соответствующего оборудования. В результате снижаются расходы на техническое обслуживание трубопроводов транспортировки угля и углеразмольных мельниц, которые для электростанций, работающих на бурых углях, очень высоки. Также может быть получено сокращение потоков дымовых газов, в результате чего улучшается эффективность работы выходных очистительных устройств.
Стоит заметить, что нет необходимости в полном высушивании угля, используемого в качестве топлива, для того чтобы было экономически выгодно использовать его в парогенераторах тепловых электростанций. Вместо этого, используя имеющиеся источники отработанного тепла для сушки угля в достаточной степени, можно существенно повысить эффективность работы парогенератора, одновременно поддерживая производственные затраты на уровне, обеспечивающем рентабельность процесса. Таким образом, обеспечивается действительный экономический выигрыш для оператора электростанции. Возможно снижение уровня влаги в бурых углях с типичных 39-60% до 10% и даже ниже, хотя предпочтительным является 27-32%. Этот предпочтительный уровень определяется способностью парогенератора по теплопередаче.
В настоящем изобретении предпочтительно используются в различных сочетаниях различные источники отработанного тепла, имеющиеся в промышленном предприятии, для высушивания материала без негативного воздействия на характеристики работы предприятия. На типичной тепловой электростанции имеется отработанное тепло различных процессов, которое может быть использовано. Одним из возможных источников является паровая турбина. Для сушки угля может быть отобран пар из контура паровой турбины. Для многих существующих турбин это могло бы привести к снижению выходной мощности и негативно повлиять на работу ступеней турбины ниже точки отбора пара, то есть целесообразность отбора тепла из этого источника весьма проблематична. Что же касается новых тепловых электростанций, то паровые турбины в них сконструированы таким образом, что отбор пара не приводит к ухудшению характеристик работы ступени, то есть контур турбины новых электростанций является одним из источников отработанного тепла, который может использоваться для сушки угля.
Другим возможным источником отработанного тепла, который может использоваться для сушки угля, являются топочные газы, которые выбрасываются электростанцией. Использование остаточного тепла, содержащегося в топочных газах, для удаления влаги из угля может понизить температуру в дымовой трубе, в результате чего снижается тяга и повышается возможность конденсации водяных паров и серной кислоты на стенках трубы. Это обстоятельство ограничивает количество тепла, которое может быть извлечено из топочных газов для сушки угля, особенно для предприятий, оборудованных скрубберами с водяным орошением, и поэтому горячие топочные газы не могут использоваться в качестве единственного источника отработанного тепла для конечного применения в соответствии с настоящим изобретением.
В энергетическом цикле Ренкина тепло отходит из контура парового конденсатора и/или из башни охлаждения (градирни). Количество тепла, отходящего от парового конденсатора, которое обычно используется для коммунального теплоснабжения, достаточно велико, и его вторичное использование оказывает минимальное воздействие на работу электростанции. Поэтому часть этой горячей воды охлаждения конденсатора, выходящей из конденсатора, могла бы быть отведена и использована для сушки угля. Инженерный анализ показывает, что при полной нагрузке станции всего 2% тепла, отходящего от конденсатора, необходимо для снижения содержания влаги в угле на 4%. Использование этого источника тепла в качестве единственного источника или в сочетании с другими источниками отработанного тепла, имеющимися на электростанции, обеспечивает оптимальное использование источников отработанного тепла без негативного воздействия на характеристики работы станции.
Хотя это изобретение сосредоточено на использовании имеющихся источников отработанного тепла для удаления влаги из угля или для другой технологической стадии, необходимо понимать, что вместе с источниками отработанного тепла может использоваться первичный источник тепла, получаемого сжиганием топлива, для достижения необходимого результата наиболее экономичным образом. В большинстве случаев количество тепла, получаемого из первичного источника, будет гораздо меньше, чем используемое отработанное тепло.
В настоящем изобретении могут использоваться сушильные установки с псевдоожиженным и неподвижным слоем, как одноступенчатые, так и многоступенчатые, для предварительного высушивания и последующей очистки материала перед тем, как он будет использоваться в работе промышленного предприятия, хотя могут использоваться и другие известные типы сушильных установок. Кроме того, такой процесс сушки осуществляется при низкой температуре в открытом контуре (без герметизации), что позволяет снизить производственные затраты для промышленного предприятия. Температура осуществления процесса сушки предпочтительно поддерживается ниже 300°F и более предпочтительно в диапазоне 200-300°F.
Предлагаемая в настоящем изобретении установка тепловой обработки также обеспечивает удаление из угля зольной пыли, серы, материалов, содержащих ртуть, и других вредных загрязняющих веществ с использованием возможностей псевдоожиженных слоев по выделению и сортировке материалов в отличие от используемых систем, в которых удаление загрязняющих веществ осуществляется после того, как уголь сжигается. Удаление таких загрязняющих веществ до сжигания угля устраняет возможность нанесения вреда окружающей среде, который может быть вызван загрязняющими веществами производственных процессов предприятия, и к числу ожидаемых выигрышей относятся: низкий уровень выброса вредных веществ, уменьшение количества подаваемого угля, уменьшение потребления энергии вспомогательным оборудованием предприятия, уменьшение количества используемой воды, снижение расходов на техническое обслуживание, связанное с эрозией металла и с другими факторами, и снижение капитальных расходов, связанных с установкой оборудования, необходимого для извлечения этих загрязняющих веществ из топочных газов.
Для целей настоящего изобретения термин "зернистый материал" означает любой поступающий гранулированный или порошковый материал, вещество, элемент или ингредиент, который является необходимой частью работы промышленного предприятия, в частности сжигаемое топливо (например уголь, биомасса, кора, торф, древесные отходы), боксит и другие руды; и субстраты, которые должны быть модифицированы или преобразованы в технологических процессах промышленного предприятия, например зерновые и крупяные материалы, солод, какао.
В контексте настоящего изобретения термин "технологический процесс промышленного предприятия" означает любое сжигание, потребление, преобразование, изменение или улучшение вещества для получения полезного результата или конечного продукта. Такие технологические процессы могут осуществляться, например, на тепловых электростанциях, на заводах по производству кокса, чугуна, стали или алюминия, цемента, стекла, этилового спирта, при высушивании зерна или других сельскохозяйственных материалов, при производстве пищевых продуктов и при получении тепла для производственных нужд предприятий и для обогрева зданий. Технологические процессы промышленного предприятия охватывают и другие процессы по тепловой обработке продукта или системы, в частности теплицы, коммунальное теплоснабжение, процессы регенерации аминов или других экстрагирующих веществ, используемых при разрушении двуокиси углерода или органических кислот.
В контексте настоящего изобретения термин "уголь" означает антрацит, битуминозный уголь, полубитуминозный уголь и лигнит (бурый уголь) и торф. Отдельно указывается уголь бассейна Паудер Ривер (Powder River).
2
Для целей настоящего изобретения термин "качественная характеристика" означает отличительное свойство зернистого материала, которое влияет на его горение, потребление, преобразование, изменение или улучшение в технологическом процессе промышленного предприятия, в частности содержание влаги, углерода, серы, ртути, зольной пыли, а также образование SO и золы, двуокиси углерода и окиси ртути при сгорании материала.
В данной заявке термин "установка тепловой обработки" означает любое устройство, которое может использоваться для воздействия теплом на продукт, в частности печи, сушилки, плиты, духовые шкафы, инкубаторы, камеры искусственного климата и обогреватели.
В контексте настоящего изобретения термин "сушильная установка" означает любое устройство, которое может использоваться для снижения содержания влаги в зернистом материале путем применения тепла, непосредственного или опосредованного, в частности сушильная установка с псевдоожиженным слоем, сушильная установка с вибрирующим псевдоожиженным слоем, сушильная установка с неподвижным слоем, сушильная установка с подвижным слоем, многоступенчатый сушильная установка с псевдоожиженным слоем, удлиненная щелевая сушильная установка, бункерная сушильная установка или сушильная печь. Такие сушильные установки также могут содержать один или несколько резервуаров, одну или несколько ступеней и внутренние или внешние теплообменники.
Для целей настоящей заявки термин "основной источник тепла" означает количество тепла, получаемого непосредственно для основной цели выполнения работы в части оборудования, в частности в парогенераторе, турбине, печи, сушильной установке, теплообменнике, реакторе или дистилляционной колонне. Примеры такого основного источника тепла могут включать, в частности, тепло сгорающего топлива и производственный пар, выходящий непосредственно из парогенератора.
В настоящей заявке термин "источник отработанного тепла" означает остаточный поток побочного газообразного или жидкого продукта, имеющего повышенное содержание тепла, являющегося результатом работы, уже выполненной основным источником тепла в части оборудования в технологическом процессе промышленного предприятия, причем это отработанное тепло не выпускается, а используется дополнительно для выполнения работы в части оборудования. Примеры таких источников отработанного тепла могут включать, в частности, потоки охлаждающей воды, горячую воду охлаждения конденсатора, горячие топочные или дымовые газы, отработанный производственный пар, например, из контура турбины, выбрасываемое тепло из рабочего оборудования, например из компрессора, реактора или дистилляционной колонны.
Для целей настоящей заявки уголь, сжигаемый в печи парогенератора тепловой электростанции, используется в качестве типичного зернистого материала, используемого в технологическом процессе промышленного предприятия, однако важно отметить, что любой другой материал, подача которого необходима или полезна для технологического процесса промышленного предприятия, также охватывается настоящей заявкой.
На фигуре 1 представлена упрощенная схема тепловой электростанции 10, в которой для выработки электричества используется уголь. Запас необработанного угля 12 содержится в угольном бункере 14. Затем из бункера он подается с помощью подающего устройства 16 в углеразмольную мельницу 18, в которой он превращается в порошок и распыляется с помощью потока первичного воздуха 20.
Затем распыленные частицы угля подаются в печь 25, в которой они сжигаются с использованием потока вторичного воздуха 30 для получения тепла. В результате реакции сгорания выделяются топочные газы 27, которые выпускаются в атмосферу.
Этот источник тепла превращает воду 31 в парогенераторе 32 в пар 33, который подается в паровую турбину 34. Паровая турбина 34 может состоять из турбины 36 высокого давления (HP), турбины 38 среднего давления (IP) и турбин 40 низкого давления (LP), соединенных последовательно. Пар 33 выполняет работу, толкая лопатки рабочих колес турбин, установленных на валу. Пар толкает лопатки турбин и приводит во вращение рабочие колеса турбин и, соответственно, вал. Вращающийся вал является приводом электрического генератора 43, который вырабатывает электричество 45.
Пар 47, выходящий из турбин 40 низкого давления, подается в конденсатор 50, в котором он охлаждается для превращения в воду с помощью охлаждающей воды 52. Большинство паровых конденсаторов имеет водяное охлаждение, причем может использоваться как закрытый, так и открытый контур охлаждения. В схеме с закрытым контуром, представленной на фигуре 1, латентное тепло, содержащееся в паре 47, будет повышать температуру холодной охлаждающей воды 52, так что она выходит из парового конденсатора уже как горячая охлаждающая вода 54, которая затем охлаждается в градирне 56 и возвращается обратно как холодная охлаждающая вода 52. В схеме с открытым контуром тепло, переносимое охлаждающей водой, сбрасывается в охлаждающий водоем (например, в реку или в озеро). В схеме с закрытым контуром, напротив, тепло, переносимое охлаждающей водой, отводится в градирню.
КПД тепловой электростанции 10, схема которой представлена на фигуре 1, может быть повышен путем извлечения и использования некоторых потоков отработанного тепла и побочных продуктов, как показано на фигуре 2. Парогенераторы тепловых электростанций, работающие на ископаемом топливе, в большинстве случаев оборудованы воздухоподогревателями, предназначенными для нагрева потоков первичного и вторичного воздуха, используемых в процессах размельчения угля и его сжигания, соответственно. Сжигаемый уголь используется в системе парогенератора (печь, горелка и котлоагрегат) для превращения воды в пар, который затем используется для привода паровых турбин, соединенных с электрическими генераторами. В теплообменниках, предназначенных для нагрева воздуха с помощью пара (SAH), пар, отобранный из паровой турбины, используется для предварительного подогрева потоков первичного и вторичного воздуха перед их нагревом устройствами. Отбор пара из турбины приводит к уменьшению выходной мощности турбины (и всей электростанции) и снижает эффективность использования топлива.
Типичный подогреватель АРН может быть регенеративным (конструкция Люнгстрема или Ротемюле) или может иметь трубчатую конструкцию. Подогреватели SAH используются для поддержания повышенной температуры воздуха на входе подогревателя АРН и для защиты его холодной стороны от коррозии, вызываемой серной кислотой, осаждающейся на теплопередающих поверхностях подогревателя, и от забивания, которое приводит к увеличению сопротивления потоку и к повышенному потреблению энергии вентиляторами. Более высокая температура воздуха на входе подогревателя АРН приводит к повышению температуры воздуха на его выходе и температуры теплопередающих поверхностей (теплопроводных каналов в регенеративных подогревателях или труб в трубчатых подогревателях) холодной стороны нагревателя. Более высокие температуры уменьшают зону осаждения кислот внутри подогревателя АРН и также снижают интенсивность их осаждения.
Таким образом, внутри модифицированной системы 65 обогреватель SAH 70 использует часть 71 отработанного производственного пара, отобранного из турбины 38 промежуточного давления пара для предварительного подогрева потока первичного воздуха 20 и потока вторичного воздуха 30 до того, как они будут поданы в углеразмольную мельницу 18 и печь 26, соответственно. Максимальная температура потока первичного воздуха 20 и потока вторичного воздуха 30, которая может быть достигнута в подогревателе SAH 70, ограничивается его тепловым сопротивлением и температурой отобранного пара 71, выходящего из паровой турбины 38.
Кроме того, потоки первичного воздуха 20 и вторичного воздуха 30 подаются с помощью вентиляторов РА 72 (первичный воздух) и FD 74 (вторичный воздух), соответственно, в трехсекционный подогреватель АРН 76, в котором указанные потоки воздуха дополнительно нагреваются с помощью потока топочных газов 27 до того, как они будут выброшены в атмосферу. Таким образом, потоки первичного воздуха 20 и вторичного воздуха 30, имеющие повышенную температуру, повышают эффективность работы углеразмольной мельницы 18 и получения производственного тепла в печи 25. Далее, поток воды 78, сбрасываемый из конденсатора 50, может быть возвращен в парогенератор для повторного превращения в производственный пар. Топочные газы 27 и производственный пар 71, выходящий из паровой турбины 38, и вода 78, выходящая из конденсатора, которые в противном случае просто бы выбрасывались, с успехом используются для повышения общего КПД тепловой электростанции 65.
Как указывалось выше, эффективность работы тепловой электростанции можно было бы повысить еще больше, если бы уровень содержания влаги в угле 12 был уменьшен перед его подачей в печь 25. Такой предварительный процесс высушивания мог бы также обеспечить использование низкосортных углей, например полубитуминозных и бурых углей, с достаточной экономической эффективностью.
На фигуре 3 представлена схема сушильной установки 100 с псевдоожиженным слоем, используемой для уменьшения содержания влаги в угле 12, хотя ясно, что для целей настоящего изобретения может использоваться любой другой тип сушильной установки. Кроме того, вся система сушки угля может состоять из нескольких сушильных установок, соединенных последовательно или параллельно для удаления влаги из угля. Такая конструкция, содержащая несколько одинаковых сушильных установок, обеспечивает гибкость в эксплуатации и техническом обслуживании, и поскольку она, как правило, требует меньше места для размещения, то сушильные установки для угля могут устанавливаться и интегрироваться внутри существующего оборудования электростанции последовательно, одна за другой. Это минимизирует возможное нарушение обычных производственных процессов электростанции.
Псевдоожиженные слои будут работать в открытом контуре при сравнительно невысоких температурах. Теплообменник, установленный в слое, будет использоваться со стационарной конструкцией установки с псевдоожиженным или неподвижным слоем для обеспечения дополнительного тепла для сушки угля, в результате чего могут быть уменьшены размеры оборудования. В случае достаточной теплопередающей поверхности в псевдоожиженном слое сушильной установки поток воздуха, используемый для создания псевдоожиженного слоя и для сушки угля, может быть уменьшен до уровня, соответствующего минимальной скорости, необходимой для создания псевдоожиженного слоя. Это будет снижать эрозионное разрушение сушильной установки и интенсивность выноса частиц материала из псевдоожиженного слоя.
Тепло для теплообменника, размещенного в псевдоожиженном слое, может доставляться непосредственно или опосредованно (с использованием промежуточного теплоносителя). Непосредственная подача тепла предусматривает отбор горячей воды охлаждения конденсатора, производственного пара, горячих топочных газов, части потока горячего воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя, или других источников отработанного тепла и пропускание их через теплообменник, размещенный в псевдоожиженном слое. Опосредованная подача тепла предусматривает использование воды или другого теплоносителя, который нагревается потоком горячего первичного воздуха, горячей водой охлаждения конденсатора, паром, отобранным из контура паровой турбины, горячими топочными газами или другими источниками отработанного тепла во внешнем теплообменнике перед тем, как этот теплоноситель подается в теплообменник, размещенный в псевдоожиженном слое.
Псевдоожиженный слой может быть единым (см. фигуру 3) или разделенным на несколько частей, "ступеней" (см. фигуры 15-16). Сушильная установка с псевдоожиженным слоем является хорошим решением для высушивания влажного угля в том месте, где его нужно будет сжигать. Несколько ступеней могут быть выполнены в одном резервуаре или в нескольких резервуарах. Многоступенчатая конструкция позволяет максимально использовать возможности сушильных установок с псевдоожиженным слоем по смешиванию, разделению и высушиванию. Сушильная установка для угля может содержать первичный или вторичный источник тепла для сушки угля.
На фигуре 3 представлена схема сушильной установки для угля в форме сушильной установки 100 с псевдоожиженным слоем и относящегося к ней оборудования на площадке промышленного предприятия. Влажный уголь хранится в бункере 14, из которого через питательный затвор 15 он поступает на вибрационный питатель 16, который транспортирует уголь в углеразмольную мельницу 18 для измельчения угля. Затем измельченный уголь пропускается через сито 102 для отбора (сортировки) частиц, размеры которых не превышают 1/4 дюйма в диаметре. Затем отобранные по размеру частицы угля транспортируются с помощью конвейера 104 в верхнюю зону сушильной установки 100 с псевдоожиженным слоем, в которой с помощью горячего воздуха 106 создается псевдоожиженный слой и осуществляется высушивание частиц угля. Затем высушенные частицы угля транспортируются нижним конвейером 108, ковшовым элеватором 110 и верхним конвейером 112 в верхние части бункеров 114 и 116 для высушенного угля, в которых высушенный уголь хранится перед подачей в печь 25 парогенератора.
Влажный воздух и вынесенные им мелкие частицы 120 из сушильной установки 100 с псевдоожиженным слоем подаются в пылеулавливатель 122, в котором вынесенные мелкие частицы отделяются от влажного воздуха. Пылеулавливатель 122 создает силу всасывания для забора влажного воздуха и вынесенных мелких частиц. После этого воздух, очищенный от мелких частиц, пропускается через дымовую трубу 126 для последующей очистки в модуле скруббера (не показан) от загрязняющих веществ, таких как сера, зола и соединения ртути, содержащиеся в воздушном потоке.
На фигуре 4 иллюстрируется вариант конструкции для создания слоя для сушки угля в соответствии с настоящим изобретением, представляющей собой одноступенчатую сушильную установку 150 с псевдоожиженным слоем, которая содержит один резервуар и в которой используется первичный источник тепла. Хотя имеется много различных возможных конструкций сушильной установки 150 с псевдоожиженным слоем, однако все они содержат резервуар 152, в котором осуществляется обработка угля в псевдоожиженном слое и его транспортировка. Резервуар 152 может представлять собой закрытый контейнер с желобом или другую подходящую конструкцию. Резервуар 152 содержит распределительную пластину 154, представляющую собой настил над нижней частью резервуара, который делит его на зону 156 псевдоожиженного слоя и зону 158 повышенного давления (нижняя зона). Как можно видеть на фигуре 5, распределительная пластина 154 может быть перфорированной или же выполняется таким образом, чтобы обеспечивать поступление воздуха 160, создающего псевдоожиженный слой, в зону 158 повышенного давления резервуара 152. Воздух 160, используемый для создания псевдоожиженного слоя, распределяется в зоне 158 повышенного давления и нагнетается вверх через отверстия 155 или клапаны в распределительной пластине 154 под давлением для создания псевдоожиженного слоя угля 12, находящегося внутри зоны 156 псевдоожиженного слоя.
В верхней части резервуара 152, находящейся выше псевдоожиженного слоя, формируется верхняя зона 162. Влажный сортированный уголь 12 подается в зону 156 псевдоожиженного слоя сушильной установки 150 через впускное отверстие 164, как показано на фигуре 4. Когда влажный сортированный уголь 12 обрабатывается в псевдоожиженном слое воздухом 160, влага, содержащаяся в угле, и выносимые мелкие частицы угля перемещаются в верхнюю часть 162 резервуара 152, и обычно выходят из резервуара через выпускные отверстия 166, находящиеся вверху сушильной установки 150 с псевдоожиженным слоем. Тем временем высушенный уголь 168 будет выводиться из резервуара 152 через разгрузочный желоб 170 для транспортировки по конвейеру 172 в накопительный бункер или в печь парогенератора. По мере того как частицы угля перемещаются в псевдоожиженном слое в зоне 156 над распределительной пластиной 154 в направлении стрелки А (см. фигуру 4), они будут накапливаться возле перегородки 174, которая является вертикальной стенкой, пересекающей сушильную установку по ширине. Высота перегородки 174 будет определять максимальную толщину псевдоожиженного слоя частиц угля внутри сушильной установки, поскольку, после того как высота скапливающихся частиц угля превысит высоту перегородки, они переваливаются через верх перегородки и падают в зону сушильной установки 150, прилегающую к разгрузочному желобу 170. Конструкция и расположение впускных 164 и выпускных 169 отверстий для угля, выпускных отверстий 166 для выносимых мелких частиц, распределительной пластины 154 и конфигурация резервуара 152 могут быть модифицированы при необходимости для получения лучших результатов.
Сушильная установка 150 с псевдоожиженным слоем предпочтительно содержит ротационный воздушный шлюз 176, соединенный с впускным отверстием 164 для подачи влажного угля, для обеспечения уплотнения между трубопроводом подачи угля и сушильной установкой и обеспечения в то же время подачи влажного угля в псевдоожиженный слой 156. Ротационный воздушный шлюз 176 должен иметь литой чугунный корпус с проходом, стенки которого покрыты карбидом никеля. Торцевые крышки шлюза должны быть изготовлены из литого чугуна, и их поверхности должны быть покрыты карбидом никеля. Роторы воздушного шлюза должны быть изготовлены из литого чугуна с закрытым торцом, сглаженными краями и сварной сателлитной шестерней. В одном из вариантов осуществления изобретения размеры воздушного шлюза 176 должны быть подобраны таким образом, чтобы пропускать примерно 115 тонн в час влажного угля, и соответствующая скорость вращения ротора при коэффициенте заполнения 60% должна быть равна примерно 13 об/мин. Воздушный шлюз поставляется с редукторным электродвигателем мощностью 3 л.с. и комплектом для продувки шлюза. В то время как воздушный шлюз 172 приводится непосредственно двигателем, любой дополнительный воздушный шлюз, установленный на дополнительном впускном отверстии для загрузки угля в сушильную установку, может приводиться с помощью цепной передачи. Необходимо заметить, что подходящее покрытие, например, из карбида никеля используется на поверхностях деталей воздушного шлюза из литого чугуна, которые могут повреждаться в результате долговременного абразивного действия частиц угля. На поверхность, покрытую этим материалом, ничего не прилипает.
Ротационный воздушный шлюз 178 для продукта размещается сразу за выпускным отверстием 169 для выгрузки высушенного угля 168 по мере того, как он выходит из сушильной установки с псевдоожиженным слоем. В одном из вариантов осуществления изобретения ротационный воздушный шлюз 178 должен иметь литой чугунный корпус с проходом, стенки которого покрыты карбидом никеля. Аналогично, торцевые крышки воздушного шлюза должны быть изготовлены из литого чугуна, и их поверхности должны быть покрыты карбидом никеля. Ротор воздушного шлюза должен быть изготовлен из литого чугуна с закрытым торцом, сглаженными краями и сварной сателлитной шестерней. Скорость вращения воздушного шлюза должна быть равна примерно 19 об/мин при коэффициенте заполнения 60% для того, чтобы обеспечивать необходимый поток продукта. Воздушный шлюз должен быть снабжен редукторным электродвигателем мощностью 2 л.с., цепным приводом и комплектом для продувки шлюза.
1
1
8
2
Распределительная пластина 154 отделяет зону 158 горячего воздуха, поступающего под давлением, от камер 156 и 162 высушивания сушильной установки. Распределительная пластина предпочтительно должна быть изготовлена из листа углеродистой стали толщиной 3/8 дюйма с отверстиями, выполненными с использованием струи воды под давлением 50000 psi (см. фигуру 5). Распределительная пластина 154 может быть плоской и может быть расположена горизонтально по отношению к сушильной установке 150 с псевдоожиженным слоем. Отверстия 155 должны иметь диаметр порядка / дюйма и должны быть выполнены от стороны подачи до стороны выгрузки распределительной пластины с шагом примерно 1 дюйм и с расстоянием между рядами отверстий / дюйма, и должны быть направлены перпендикулярно поверхности пластины. Более предпочтительно отверстия 155 могут быть выполнены под углом примерно 65° к поверхности распределительной пластины, так чтобы воздух 160, подаваемый через отверстия 155, выталкивал частицы угля внутри зоны 156 псевдоожиженного слоя к центру сушильной установки в сторону от боковых стенок. Частицы угля перемещаются в псевдоожиженном слое в направлении стрелки В (см. фигуру 5).
1
3
1
2
8
2
Другой вариант распределительной пластины 180 показан на фигурах 6 и 7. В отличие от вышеописанной конструкции пластины, имеющей плоскую форму, распределительная пластина 180 состоит из двух секций 182 и 184 с отверстиями, которые имеют плоские части 182а и 184а, закругленные части 182b и 184b и вертикальные части 182с и 184с, соответственно. Для того чтобы сформировать распределительную пластину 180, две вертикальные части 182с и 184с скреплены с помощью болтов 186 и гаек 188. "Плоские" части 182а и 184а распределительной пластины 180 в действительности располагаются с наклоном 5° в направлении средней части сушильной установки для того, чтобы способствовать движению частиц угля в направлении центральной части распределительной пластины. Закругленные части 182b и 184b распределительной пластины вместе образуют полукруглую часть 190, имеющую примерно 1 фут в диаметре для размещения в ней винтового шнека 192, как показано на фигуре 8. Отверстия 183 и 185, просверленные в частях 182 и 184 распределительной пластины, соответственно, также выполняются от стороны подачи до стороны выгрузки с шагом 1 дюйм и с расстоянием / дюйма между рядами, причем они сверлятся под углом 65° к горизонтальной поверхности сушильной установки. В то время как плоские части 182а и 184а и вертикальные части 182с и 184с секций 182 и 184 распределительной пластины должны быть выполнены из листа углеродистой стали толщиной / дюйма с отверстиями, выполненными с использованием струи воды под давлением 50000 psi, причем закругленные части 182b и 184b предпочтительно выполняются из листа углеродистой стали толщиной / дюйма для получения усиленной конструкции вокруг желоба 190 для винтового шнека. Частицы угля перемещаются в псевдоожиженном слое в направлении стрелки С (см. фигуру 6).
По мере того как частицы угля обрабатываются в зоне 156 псевдоожиженного слоя сушильной установки и перемещаются в направлении стрелки D вдоль псевдоожиженного слоя, более крупные и более плотные частицы будут естественным образом опускаться под действием силы тяжести в нижнюю часть псевдоожиженного слоя. В то же время более легкие частицы угля и выносимые мелкие частицы будут подниматься в верхнюю часть псевдоожиженного слоя, поскольку их относительная плотность меньше. Обычно такие более плотные частицы угля, имеющие увеличенные размеры, будут покрывать поверхность распределительной пластины 180 и закупоривать просверленные отверстия 183 и 185, препятствуя, таким образом, поступлению горячего воздуха 160 под давлением в сушильную установку для создания псевдоожиженного слоя частиц угля. Кроме того, частицы угля могут накапливаться неравномерно по длине сушильной установки, затрудняя, таким образом, необходимое движение потока частиц от стороны подачи к стороне разгрузки сушильной установки. Поэтому возникает необходимость периодически останавливать работу сушильной установки 150 для очистки от частиц увеличенного размера зоны 156 псевдоожиженного слоя для того, чтобы обеспечить беспрепятственную возможность поступления горячего воздуха 160 для создания псевдоожиженного слоя частиц угля и обеспечить их беспрепятственное движение по длине сушильной установки. Необходимость проведения таких работ вступает в противоречие с необходимостью обеспечения режима непрерывной работы сушильной установки.
Поэтому в зоне 190, имеющей цилиндрическую форму, размещается винтовой шнек 194, как показано на фигуре 8. Этот винтовой шнек должен иметь диаметр 12 дюймов, чтобы обеспечивать удаление порядка 11,5 тонн/час укрупненных частиц угля, и иметь достаточный вращающий момент для того, чтобы он мог начать вращение под слоем частиц угля толщиной 4 фута. В качестве привода используется редукторный электродвигатель мощностью 3 л.с. с понижающим передаточным числом 10. Для обеспечения продолжительного срока службы винтовой шнек 194 должен быть выполнен из углеродистой стали.
Цилиндрический желоб 190 распределительной пластины 180 и винтовой шнек 194 должны быть перпендикулярны продольной оси сушильной установки. Это дает возможность ребрам 196 винтового шнека в процессе работы захватывать укрупненные частицы угля вдоль нижней части псевдоожиженного слоя и подавать их к одной стороне сушильной установки, в результате чего предотвращается забивание этими укрупненными частицами отверстий в распределительной пластине и создание препятствий для движения потока частиц угля по длине псевдоожиженного слоя сушильной установки.
На фигуре 9 представлена схема сушильной установки 150 с псевдоожиженным слоем, вид которой приведен на фигуре 4, на которой для упрощения описания для указания одинаковых частей сушильной установки используются одинаковые ссылочные номера. Внешний воздух 160 подается с помощью вентилятора 200 через подогреватель 202, в котором используется источник 204 горения. Часть воздуха 206, который используется для создания псевдоожиженного слоя влажного сортированного угля 12 и который подогревается с помощью подогревателя 202, направляется в зону 156. Для подогревателя 202 может использоваться любой источник горения, такой как уголь, нефть или природный газ.
В то время как такой подогретый сжижающий воздух 206 может использоваться для нагрева частиц угля 12, которые обрабатываются в зоне 156 псевдоожиженного слоя, и для испарения воды с поверхности частиц путем конвекционной передачи тепла, для обеспечения передачи тепла частицам угля для дальнейшего улучшения указанного процесса нагрева и высушивания предпочтительно используется теплообменник 208, размещенный внутри псевдоожиженного слоя. В этом случае создается первичный источник тепла путем отбора части горячего воздуха 206 (подогретого подогревателем 202) и подачи его в теплообменник 208, который проходит через псевдоожиженный слой 156 для нагрева угля с целью удаления из него влаги. Воздух 206, выходящий из внутреннего теплообменника 208, возвращается в вентилятор 200 для повторной подачи для нагрева в подогреватель 202. Имеют место некоторые потери сжижающего воздуха 206, когда он непосредственно входит в зону 156 псевдоожиженного воздуха через зону 158 повышенного давления. Эти потери возмещаются за счет забора дополнительного наружного воздуха 160 и включения его в контур циркуляции воздуха.
Схема, приведенная на фигуре 10, иллюстрирует другой вариант одноступенчатой сушильной установки 150 с одним резервуаром, представленной на фигуре 4, за исключением того, что вместо подогревателя 202 используется внешний теплообменник 210, в котором для подогрева используется отработанное производственное тепло 212 из окружающего промышленного предприятия. Поскольку промышленные предприятия, подобные тепловым электростанциям, обычно содержат источники отработанного производственного тепла, которое в противном случае выбрасывалось бы в окружающую среду, то техническое решение настоящего изобретения дает возможность продуктивного использования этого отработанного тепла для нагрева и высушивания влажного угля 12 в сушильной установке 150 с псевдоожиженным слоем для того, чтобы повысить экономическую эффективность сжигания этого высушенного угля. Использование первичного источника тепла, такого как уголь, нефть или природный газ, как показано на фигуре 9, для высушивания частиц угля является более дорогостоящим решением.
На фигуре 11 иллюстрируется еще один вариант одноступенчатой сушильной установки 150 с одним резервуаром, аналогичной установке, представленной на фигуре 10, за исключением того, что отработанное производственное тепло 212 не используется в качестве источника тепла одновременно для внешнего 210 и для внутреннего 208 теплообменников. В этом случае во внутренний теплообменник 208, размещенный в псевдоожиженном слое, подается часть горячей воды 222 охлаждения конденсатора электростанции, отбираемой для подачи в качестве требуемого источника тепла. Таким образом, в варианте 220 сушильной установки с псевдоожиженным слоем, схема которой представлена на фигуре 11, для повышения эффективности процесса сушки угля используются два независимых источника отработанного тепла (а именно: отработанное производственное тепло и горячая вода охлаждения конденсатора).
На фигуре 12 представлена схема еще одного варианта одноступенчатой сушильной установки 230 с псевдоожиженным слоем, аналогичной установке, схема которой представлена на фигуре 11, за исключением того, что вместо горячей воды охлаждения конденсатора в качестве источника тепла для внутреннего теплообменника 208 используется горячий производственный пар 232, отобранный из контура паровой турбины тепловой электростанции. Снова, как и в предыдущем варианте, в сушильной установке 230 с псевдоожиженным слоем для повышения эффективности процесса сушки угля используются два разных источника отработанного тепла (отработанное производственное тепло 212 и горячий производственный пар 232).
Еще один вариант одноступенчатой сушильной установки 240 с псевдоожиженным слоем, содержащей один резервуар, с вторичным источником тепла представлен на фигурах 13-14. Вторичным источником тепла для внутреннего теплообменника 208, размещенного в псевдоожиженном слое, является вода или другой жидкий теплоноситель 242, который нагревается во внешнем теплообменнике 210 воздухом 206, используемым для создания псевдоожиженного слоя, горячей водой 222 охлаждения конденсатора, производственным паром 232, отобранным из контура паровой турбины, или горячими топочными газами 248 из дымовой трубы и затем подается во внутренний теплообменник 208 с помощью насоса 246, как показано на фигуре 13. Могут также использоваться любые сочетания вышеуказанных (и других) источников тепла.
На фигурах 15-16 представлен еще один вариант конструкции низкотемпературной сушильной установки с псевдоожиженным слоем с открытым контуром в соответствии с настоящим изобретением, которая является многоступенчатой сушильной установкой 250 с одним резервуаром, в которой во внутреннем теплообменнике 208 используется первичный источник тепла (горячая вода 252 охлаждения конденсатора из градирни электростанции). Резервуар 152 разделен на две ступени: первую ступень 254 и вторую ступень 256. Хотя на фигурах 15-16 иллюстрируется двухступенчатая сушильная установка, однако могут использоваться дополнительные ступени, обеспечивающие дополнительную обработку. Как правило, влажный сортированный уголь 12 поступает в первую ступень 254 сушильной установки 250 с псевдоожиженным слоем через верхнюю зону 162 в точке 164 впуска. Влажный сортированный уголь 12 предварительно подогревается и частично высушивается (а именно, удаляется часть поверхностной влаги) горячей водой 252 охлаждения конденсатора, которая поступает в змеевик внутреннего теплообменника 258, размещенного внутри первой ступени 254 (непосредственный нагрев), циркулирует в нем и выходит из него. Влажный сортированный уголь 12 также подогревается и обрабатывается в псевдоожиженном слое горячим сжижающим воздухом 206. Воздух 206 подается вентилятором 200 через распределительную пластину 154 первой ступени 254 сушильной установки 250 с псевдоожиженным слоем после того, как он нагревается отработанным производственным теплом 212 во внешнем теплообменнике 210.
В первой ступени 254 поток горячего сжижающего воздуха 206 пропускается через влажный сортированный уголь 12, находящийся на распределительной пластине 154, для его высушивания и для разделения частиц угля на поддающиеся псевдоожижению и не поддающиеся псевдоожижению. Более тяжелые или более плотные частицы, не поддающиеся псевдоожижению, отделяются и накапливаются в нижней части псевдоожиженного слоя на распределительной пластине 154. Затем эти частицы, не поддающиеся псевдоожижению ("тяжелые" частицы), выгружаются из первой ступени 254 как Поток 1 (260), как это более подробно описано в патентной заявке США, поданной в один день с настоящей заявкой, с указанием того же соавтора и владельца, что и в настоящей заявке, которая является частичным продолжением патентной заявки США № 11/107,153, поданной 15 апреля 2005 г.; причем обе заявки вводятся ссылкой в настоящую заявку. Сушильные установки с псевдоожиженным слоем в общем случае обеспечивают возможность обработки слоя материала, не поддающегося псевдоожижению, толщиной до четырех дюймов, который скапливается в нижней части псевдоожиженного слоя. Материал, который не поддается псевдоожижению, может составлять до 25% всего угля, загружаемого в сушильную установку. Этот поток 260 может быть направлен для обработки в другом обогатительном процессе или может быть просто отброшен. Движение отделенного материала вдоль распределительной пластины 154 к точке выгрузки потока 260 осуществляется за счет наклона распределительной пластины 154, как показано на фигуре 16. Таким образом, в первой ступени 254 осуществляется разделение материалов, поддающихся псевдоожижению и не поддающихся псевдоожижению, предварительный нагрев и высушивание влажного сортированного угля 12, и обеспечивается однородный поток влажного сортированного угля 12 во вторую ступень 256 сушильной установки 250 с псевдоожиженным слоем. Псевдоожиженный уголь 12 перетекает из первой ступени 254 через первую перегородку 262 во вторую ступень 256 сушильной установки 250. В этой второй ступени сушильной установки 250 псевдоожиженный уголь 12 дополнительно нагревается и высушивается до необходимого конечного уровня содержания влаги, причем горячая вода 252 охлаждения конденсатора поступает в змеевик внутреннего теплообменника 264, размещенного во второй ступени 256, циркулирует и выходит из него, в результате чего излучается тепло. Уголь 12 также нагревается, высушивается и осуществляется его псевдоожижение с помощью горячего сжижающего воздуха 206, нагнетаемого вентилятором через распределительную пластину 154 во вторую ступень 256 сушильной установки 250 после того, как он нагревается отработанным производственным теплом 212 во внешнем теплообменнике 210.
Поток высушенного угля перетекает через вторую перегородку 266 на стороне 169 выгрузки сушильной установки 250 с псевдоожиженным слоем, а поток 166 выносимых мелких частиц и влажного воздуха выпускается через верхнюю часть сушильной установки. Вторая ступень 256 также может использоваться для дополнительного отделения от угля 12 зольной пыли и других примесей. Отделяемый материал, обозначенный на фигуре 16 как Потоки 2 (268) и 3 (270), будет удаляться из второй ступени 256 через ряд точек 268 и 270 выгрузки, расположенных в нижней части псевдоожиженного слоя сушильной установки 250 (или в других подходящих точках). Число точек выгрузки может быть изменено в зависимости от размеров и других характеристик частиц влажного сортированного угля 12, в частности от характера вредных примесей, параметров псевдоожижения и конфигурации псевдоожиженного слоя. Перемещение выделяемого материала к точкам 260, 268 и 270 выгрузки может осуществляться с помощью наклонной распределительной пластины 154, показанной на фигуре 16, или могут использоваться подходящие горизонтальные распределительные пластины, имеющиеся на рынке. Потоки 1, 2 и 3 могут либо удаляться из процесса для захоронения или для дальнейшей обработки с целью отделения вредных примесей.
Поток ожижающего воздуха 206 охлаждается и увлажняется по мере того, как он проходит через псевдоожиженный слой сушильной установки 250 влажного сортированного угля 12, содержащегося в первой 254 и второй 256 ступенях псевдоожиженного слоя 156. Количество влаги, которое может быть удалено из угля 12 внутри псевдоожиженного слоя, ограничивается сушильной способностью потока ожижающего воздуха 206. Таким образом, тепло, вводимое в псевдоожиженный слой 156 змеевиками внутренних теплообменников 258 и 264, увеличивает сушильную способность потока воздуха 206 и уменьшает количество воздуха, которое необходимо для обеспечения необходимого уровня сушки угля. Если теплопередающая поверхность внутри псевдоожиженного слоя имеет достаточную величину, то поток высушивающего воздуха 206 может быть уменьшен до уровня, соответствующего минимальной скорости, необходимой для поддержания частиц во взвешенном состоянии. Эта скорость обычно составляет величину порядка 0,8 м/с, но на практике следует использовать более высокие скорости, порядка 1,4 м/с, чтобы гарантировать, что скорость не упадет ниже минимальной величины.
Для достижения максимальной высушивающей способности поток ожижающего воздуха 206 выходит из псевдоожиженного слоя 156 в состоянии насыщения (то есть его относительная влажность равна 100%). Для предотвращения конденсации влаги в верхней части 162 сушильной установки 250 с псевдоожиженным слоем и в других частях оборудования дальше по потоку установка 250 сушки угля сконструирована так, чтобы относительная влажность выходящего воздуха была меньше 100%. Кроме того, часть горячего ожижающего воздуха 206 может быть пущена в обход псевдоожиженного слоя 156 и далее может смешиваться в верхней зоне 162 с насыщенным воздухом для снижения его относительной влажности, как указано более подробно ниже. В качестве альтернативного варианта внутри верхней зоны 162 могут быть размещены поверхности дополнительного подогрева, или же может использоваться подогрев оболочки резервуара или другие технические средства для повышения температуры и уменьшения относительной влажности воздуха 206, выходящего из сушильной установки 250, для предотвращения конденсации влаги в оборудовании, расположенном дальше по потоку. Количество влаги, извлеченной в сушильной установке, прямо пропорционально количеству тепла, содержащегося в ожижающем воздухе 206, и количеству тепла, излучаемого внутренними теплообменниками. Чем больше тепла вводится, тем выше температура псевдоожиженного слоя и температура выходящего воздуха, то есть улучшается способность воздуха по транспортировке влаги, в результате чего уменьшается удельное количество воздуха, необходимого для обеспечения определенного уровня высушивания угля. Требования по мощности, необходимой для высушивания, зависят от потока воздуха и перепада давления, создаваемого вентилятором. Способность дополнительной подачи тепла в псевдоожиженный слой зависит от разности температур слоя и нагревающей воды, коэффициента теплопередачи и площади поверхности теплообменника. Поэтому в случае использования отработанного тепла при пониженных температурах, требуется бóльшая площадь теплопередающей поверхности для подачи тепла в процесс. Это в большинстве случаев означает увеличение толщины псевдоожиженного слоя для обеспечения достаточного объема для размещения змеевиков внутренних теплообменников. Таким образом, выполнение заявленных целей может требовать точного выдерживания размеров и конфигурации конструкции предлагаемой в изобретении сушильной установки с псевдоожиженным слоем.
Потоки угля, поступающие в сушильную установку и выгружаемые из нее, включают влажный сортированный уголь 12, поток обработанного угля, поток 166 выносимых мелких частиц и потоки 260, 268 и 270 тяжелых частиц. Для выгрузки частиц угля, не поддающихся псевдоожижению, сушильная установка 250 снабжена винтовым шнеком 194, размещенным в цилиндрической зоне 190 распределительной пластины 254 первой ступени, а также бункерным накопителем и скруббером для накопления осевших частиц угля, как описано более подробно ниже. Указанный винтовой шнек и скруббер более подробно описаны в патентной заявке США, которая была подана в один день с настоящей заявкой с указанием одного и того же соавтора и владельца и которая является частичным продолжением патентной заявки США № 11/107,153, поданной 15 апреля 2005 г.; причем обе заявки вводятся ссылкой в настоящую заявку.
К типичным компонентам комплекса сушильной установки относятся в частности: оборудование подачи угля, бункер для складирования угля, сушильная установка с псевдоожиженным слоем, система подачи и подогрева воздуха, внутренние теплообменники, очистные устройства (пылеулавливатель), контрольно-измерительная аппаратура и система управления и сбора данных. В одном из вариантов осуществления изобретения для подачи влажного угля в сушильную установку и выгрузки из нее высушенного продукта используются винтовые шнеки. Для регулирования скорости подачи и обеспечения воздушного шлюза в каналах подачи и выгрузки угля могут использоваться лопаточные загрузчики. Тензодатчики угольного бункера обеспечивают необходимую интенсивность подачи и общее количество угля, подаваемого в сушильную установку. Контрольно-измерительная аппаратура может включать, в частности, термопары, датчики давления, измерители влажности воздуха, расходомеры и датчики деформаций.
В сушильных установках с псевдоожиженным слоем в первой ступени осуществляется предварительный подогрев и отделение материала, не поддающегося псевдоожижению. Она может иметь конструкцию небольшой высокопроизводительной камеры, используемой для разделения угля. Во второй ступени уголь высушивается в результате испарения содержащейся в нем влаги благодаря разнице парциальных давлений воздушных паров и угля. В предпочтительном варианте осуществления изобретения большая часть влаги удаляется во второй ступени.
Трубчатые нагревательные элементы 280 теплообменников 258 и 264, размещенных внутри псевдоожиженного слоя сушильной установки 250, более подробно изображены на фигурах 17-18. Каждый трубчатый нагревательный элемент, представляющий две трубки, соединенные с помощью U-образного соединительного элемента, изготовлен из углеродистой стали и соединен с баком 284 для воды, закрытым крышкой и имеющим входной 286 и выходной 288 фланцы и подъемные проушины 290. Эти пакеты трубчатых нагревательных элементов предназначены для работы при давлении 150 psig и температуре 300°F с фланцами 150# ANSI для впускного 286 и выпускного 288 отверстий для воды. Трубчатые нагревательные элементы 280 расположены по ширине первой 254 и второй 256 ступеней сушильной установки, и по длине пакетов трубчатых нагревательных элементов распределены поддерживающие пластины 292 с подъемными проушинами, которые обеспечивают опору в боковом направлении.
1
1
1
1
1
1
1
1
3
1
2
2
2
2
2
2
4
2
2
4
2
Один из вариантов теплообменника 258 первой ступени содержит 50 трубчатых нагревательных элементов 280, имеющих диаметр 1/ дюйма и изготовленных из углеродистой стали Sch 40 SA-214, с ребрами, имеющими высоту, равную / дюйма, шаг - / дюйма, толщину - 16, причем спиральные приваренные ребра из углеродистой стали имеют проход, равный 1 дюйму по горизонтали и 1/ дюйма по диагонали. При этом теплообменник 264 второй ступени сушильной установки может состоять из одного пакета длинных трубчатых элементов или из нескольких пакетов трубчатых элементов, соединенных последовательно, в зависимости от длины второй ступени. Теплообменник 264 второй ступени в общем случае состоит из труб, имеющих внешний диаметр 1-1/ дюйма и толщину стенки 10 BWG и изготовленных из углеродистой стали SA-214, с ребрами, имеющими высоту, равную /-/ дюйма, шаг - /-/ дюйма, толщину - 16, причем спиральные приваренные ребра из углеродистой стали имеют проход, равный 1 дюйму по горизонтали и 1/ дюйма по диагонали. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения теплообменник второй ступени содержит 110-140 труб. Общая площадь поверхности пакетов трубчатых элементов теплообменников 258 и 264 первой и второй ступеней, соответственно, составляет примерно 8483 фут.
Перегородка 262 первой ступени показана более подробно на фигуре 19. Она тянется по всей ширине сушильной установки 250 с псевдоожиженным слоем между первой 254 и второй 256 ступенями. Поскольку ширина сушильной установки составляет 14 футов, то регулируемая переливная перегородка состоит из двух панелей 300 и 302. Панели 300 и 302 перегородки содержат нижние секции 301 и 303, соответственно, приваренные к нижней части сушильной установки и к ее боковым стенкам, и регулируемые верхние секции 304 и 305, которые могут перемещаться по вертикали внутри направляющих, размещенных на боковых стенках, и подвешены на цепях 308, закрепленных на опорной трубе 310 квадратного сечения 5×5 дюймов, которая проходит по всей ширине сушильной установки. С помощью этих цепей обеспечивается перемещение верхних секций 304, 305 панелей регулируемой переливной перегородки по вертикали для регулирования высоты перегородки. Выравнивание распределения псевдоожиженных частиц угля по ширине перегородки обеспечивается с помощью отверстий 314 в верхних секциях перегородки, в результате чего поддерживается равномерность толщины слоя частиц угля по ширине сушильной установки. В каждой панели перегородки имеются по три отверстия 315, которые имеют форму ромба с длиной сторон, равной 12 дюймам. Однако могут использоваться и другие формы, размеры и количество отверстий в зависимости от характеристик псевдоожиженного слоя сушильной установки 250. По мере того как верхние секции панелей перегородки смещаются по отношению к нижним секциям, размер этих отверстий может увеличиваться или уменьшаться для обеспечения определенной степени регулирования высоты перегородки.
Перегородка 266 на стороне разгрузки второй ступени 256 сушильной установки более подробно изображена на фигуре 20. Как и в случае первой регулируемой переливной перегородки 262, вторая регулируемая переливная перегородка 266 состоит из двух панелей 320 и 322 с нижними секциями 321, 323, приваренными к нижней части и к боковым стенкам сушильной установки. Верхние регулируемые секции 324, 325 могут перемещаться по вертикали вдоль направляющих, размещенных на боковых стенках сушильной установки, и, подвешены за верхние края 328 на цепях 332, закрепленных на опорной трубе 330 квадратного сечения 5×5 дюймов, которая проходит по всей ширине сушильной установки. Так же, как и в предыдущем варианте, для выравнивания распределения частиц угля вдоль регулируемой переливной перегородки используются отверстия 334, имеющие форму ромбов, длина сторон которых предпочтительно равна 12 дюймам.
1
2
В качестве нижних секций панелей распределительной перегородки используются поворотные затворы 336 и 338. Поворотные затворы соединены с регулируемой переливной перегородкой с помощью петель и приводятся в действие воздушными цилиндрами 340 и 342 с помощью соответствующих соединительных элементов для открытия и закрытия проемов 344 размерами 8 дюймов на 3 фута, имеющихся в каждой панели регулируемой переливной перегородки. Когда поворотные затворы открыты, псевдоожиженные частицы угля во второй ступени 256 сушильной установки могут падать в разгрузочные бункеры 346, из которых затем высушенный уголь выгружается из сушильной установки. Распределительные перегородки изготавливаются из листовой углеродистой стали толщиной / дюйма.
Рассеивающая труба 350, размещенная в верхней зоне 162 сушильной установки 250, способствует поддержанию влажности воздуха в этой зоне выше точки росы. Это важно, поскольку влага, испарившаяся из частиц угля в псевдоожиженном слое, поднимается в верхнюю зону сушильной установки, и влажность в этой зоне повышается. При определенных температурных условиях влага, содержащаяся в воздухе, будет конденсироваться, и водяные капли могут падать в псевдоожиженный слой, в результате чего частицы угля будут слипаться и могут нарушать работу псевдоожиженного слоя и забивать распределительную пластину.
Конструкция рассеивающей трубы иллюстрируется на фигуре 21. Она состоит из ряда соединенных между собой трубных секций 352, 354, 356 с концами 358 и 360. Конец 358 выходит в сушильную установку, как показано на фигуре 15. Конец 360 подающей трубы 350 подсоединен к воздуховоду 362, отходящему от трубопровода, по которому в две ступени сушильной установки подается горячий воздух для создания псевдоожиженного слоя. Таким образом, часть горячего воздуха 206 с помощью рассеивающей трубы 350 может подаваться в верхнюю зону сушильной установки. Рассеивающая труба 350 предпочтительно имеет диаметр 20 дюймов, и в ней выполнены три ряда отверстий 364 диаметром 1 дюйм для подачи горячего воздуха по всей ширине сушильной установки 250 с псевдоожиженным слоем. Рассеивающая труба предпочтительно размещается в верхней зоне сушильной установки возле стороны первой ступени, поскольку основная часть влаги, образующаяся в сушильной установке, может накапливаться именно здесь. Кроме того, некоторые отверстия в подающей трубе могут быть выполнены под углом для направления подаваемого воздуха таким образом, чтобы уменьшить образование слоя частиц угля на стенках сушильной установки.
На фигуре 22 представлен вид сушильной установки 250 с псевдоожиженным слоем со стороны загрузки. Необходимо обратить особое внимание на установки 370 огнетушения. Хотя вероятность самопроизвольного возгорания частиц высушенного угля и угольного порошка в псевдоожиженном слое снижается за счет того, что сушильная установка нагревается до температуры не более 300°F, и предпочтительно до 200-300°F, однако опасность взрыва все-таки существует. Поэтому установки 370 огнетушения содержат систему подачи воды, которая начинает распылять воду внутрь сушильной установки в случае возникновения чрезвычайной ситуации в процессе ее работы. Она состоит из труб с фланцевыми соединениями, на концах которых находятся распылительные головки. Система контролируется блоком управления с одной зоной, причем батарея резервного источника питания блока управления обеспечивает его работу в течение 24 часов. Сухие контакты обеспечивают дистанционную передачу сигнала тревоги при обнаружении ранней стадии взрыва, развивающегося внутри сушильной установки. Для подавления взрыва и создания изолирующих барьеров используются огнетушители, имеющие высокую скорость разряда. Огнетушители находятся под давлением 500 psig, заполнены сухим азотом и содержат заряд бикарбоната натрия для подавления взрыва. Когда происходит обнаружение начинающегося взрыва, датчики посылают электрические сигналы через блок управления в исполнительный механизм взрывного действия, размещенный на выходе огнетушителя. В огнетушителе разрывается мембрана, и происходит мгновенный разряд вещества, подавляющего взрыв. В качестве детектора взрыва используются два датчика давления, содержащих диафрагмы с малой инерцией, изготовленные из нержавеющей стали. При установке датчиков давления используется специальное крепление, позволяющее минимизировать ложные срабатывания. Используются шесть 30-литровых огнетушителей, по три с каждой стороны сушильной установки, и в случае срабатывания реагент подается через телескопическую распылительную головку.
Другим типом устройства для сушки угля в соответствии с настоящим изобретением является одноступенчатая сушильная установка с неподвижным слоем, в которой используется один резервуар и первичный или вторичный источник тепла. Схема одного из вариантов такой сушильной установки с первичным источником тепла представлена на фигуре 23, хотя возможны и другие конфигурации. Сушильная установка с неподвижным слоем является хорошим решением для сушки угля, который предназначается для продажи другим тепловым электростанциям или другим промышленным предприятиям. Это связано с более низкими скоростями высушивания и увеличенным временем проведения процесса высушивания, которыми отличаются сушильные установки с неподвижным слоем по сравнению с установками с псевдоожиженным слоем. Кроме того, обычно имеются практические ограничения на использование сушильной установки с псевдоожиженным слоем, если она используется не в комплексе промышленного предприятия, например на месте разработки месторождения. В этом случае такие источники тепла, как горячая вода охлаждения конденсатора или тепло компрессора, которые используются для осуществления процесса сушки, могут отсутствовать. Кроме того, может быть затруднительным дешевое получение необходимого количества воздуха для создания псевдоожиженного слоя.
Как можно видеть на фигуре 23, сушильная установка 400 с неподвижным слоем имеет две концентрические стенки, причем внешняя стенка 402, имеющая в общем цилиндрическую форму, и внутренняя стенка 404, также имеющая в основном цилиндрическую форму, формируют кольцевое пространство 406 между указанными стенками для прохождения воздушного потока. Коническая конструкция 408, диаметр основания которой меньше диаметра внутренней стенки 404, размещается в нижней части сушильной установки 400 с неподвижным слоем коаксиально с внутренней стенкой 404, формируя в полу кольцевое отверстие 410 для разгрузки высушенного угля 412.
Уголь (обычно, но не обязательно, влажный сортированный уголь 12) поступает в сушильную установку 400 через открытую верхнюю часть 414. Под действием силы тяжести влажный сортированный уголь 12 перемещается в нижнюю часть сушильной установки 400. Поток воздуха 416 для создания псевдоожиженного слоя создается вентилятором 418, прогоняющим холодный высушивающий воздух 420 через воздушно-водяной теплообменник 422. Воздух 420 нагревается с помощью отработанного тепла, как показано на фигуре 23, при прохождении горячей воды 424 охлаждения конденсатора, отобранной из контура охлаждения конденсатора (не показан). Так же, как и в случае всех других вариантов осуществления изобретения, описанных в настоящей заявке, возможны и другие источники отработанного тепла.
Нагретый ожижающий воздух 420 поступает в нижнюю часть сушильной установки 400 с неподвижным слоем как через коническую структуру 408, так и через кольцевое пространство 406 между внутренней 404 и внешней 402 стенками. В конической структуре 408 и во внутренней стенке 404 предусмотрены отверстия или другие средства, которые обеспечивают прохождение воздуха 416 через влажный сортированный уголь 12, находящийся в пространстве, ограниченном внутренней стенкой 404 сушильной установки 400 с неподвижным слоем, как показано на фигуре 23. Воздух 416 выходит в атмосферу через открытую верхнюю часть 414 сушильной установки 400.
Сушильная установка 400 содержит теплообменник 426, находящийся внутри псевдоожиженного слоя. Для работы внутреннего теплообменника 426 используется отработанное тепло, в данном случае горячая вода 424 охлаждения конденсатора. Кроме того, другие источники отработанного тепла или пар, отобранный из контура паровой турбины, по отдельности или совместно, также могут использоваться отдельно или вместе с горячей водой 424 охлаждения конденсатора. В то время как влажный сортированный уголь 12 нагревается во взвешенном состоянии в сушильной установке 400 с неподвижным слоем, высушенный уголь 412 под действием силы тяжести или с помощью механических устройств, имеющихся на рынке, перемещается в нижнюю часть сушильной установки, где он выгружается через разгрузочное кольцевое отверстие 410, сформированное в нижней части сушильной установки 400.
Конструкции сушильной установки в соответствии с настоящим изобретением специально разрабатываются для максимального использования потоков отработанного тепла, отходящих из различных производственных процессов предприятия, причем температура нагрева угля не должна превышать 149°С и предпочтительно должна находиться в диапазоне 93-149°С. Сырье, градиенты температуры топлива и потоки теплоносителя могут изменяться в зависимости от назначения, свойств топлива или сырья и других факторов, относящихся к назначению. При температурах, превышающих 149°С, обычно ближе к 205°С, начинают происходить окислительные процессы, и из угля выделяются летучие компоненты, образующие поток продуктов, содержащий вредные составляющие, которые необходимо обрабатывать, то есть могут возникать различные проблемы для производства.
Сушильные установки способны работать с источниками отработанного тепла, имеющими более высокую температуру, путем регулирования температуры воздуха, подаваемого в сушильную установку, на уровне, не превышающем 149°С, и подачей этого тепла во внутренний теплообменник. Многоступенчатая конструкция сушильной установки с псевдоожиженным слоем обеспечивает создание температурных зон, которые могут быть использованы для достижения более эффективной теплопередачи за счет применения противотока теплоносителя. Температура угля на выходе предлагаемой в изобретении сушильной установки сравнительно невысока (обычно не выше 60°С), то есть такой продукт сравнительно несложно хранить и обрабатывать. Если для какого-то зернистого материала необходима повышенная или пониженная температура, то может быть разработана сушильная установка, работающая при повышенной или пониженной температуре.
Необходимый уровень влаги в выходном продукте может быть достигнут за счет выбора подходящей конструкции сушильной установки, ее температурного режима и времени нахождения угля внутри псевдоожиженного слоя. Для низкосортных углей, используемых в качестве топлива для тепловых электростанций, в частности для лигнитов Северной Америки, можно получить снижение влажности от примерно 35-40 вес.% до примерно 10-30 вес.%, и более предпочтительно 27-32 вес.%. В других регионах, например в Австралии и России, в которых начальный уровень влажности лигнитов может достигать 50-60%, потребители угля могут выбирать возможность уменьшения уровня влажности путем высушивания ниже уровня 27%. Для полубитуминозных углей такое снижение уровня влажности может составлять от примерно 25-30 вес.% до примерно 10-30 вес.%, и более предпочтительно 20-25 вес.%. Хотя предлагаемые в настоящем изобретении сушильные установки, разработанные соответствующим образом, способны, используя источники тепла, имеющие пониженную температуру, уменьшить уровень влажности зернистых материалов до 0%, однако в случае угля, используемого для работы тепловых электростанций, это может быть необязательным и только будет приводить к увеличению производственных расходов. Разработка специализированных конструкций позволяет получить псевдоожиженные слои для сушки угля с высоким уровнем влажности, которые наилучшим образом подходят для производственных процессов конкретного промышленного предприятия.
На фигуре 24 представлена схема двухступенчатой сушильной установки 502 с псевдоожиженным слоем с одним резервуаром, которая интегрирована в тепловую электростанцию 500 и в которой горячая вода 504 охлаждения конденсатора и горячие топочные газы 506 используются в качестве единственных источников тепла в низкотемпературном процессе высушивания с открытым контуром. Исходный уголь 12, являющийся лигнитом, имеющим влажность порядка 35-40 вес.%, подается на сито 510 для отбора частиц, пригодных для обработки в используемом процессе. Отобранные кусочки угля 12, размеры которых не превышают 2 дюймов, более предпочтительно 0,25 дюйма или менее, с помощью обычных средств транспортируются в угольный бункер 512. Кусочки угля, размеры которых превышают 0,25 дюйма, сначала подаются в мельницу 514 и затем транспортируются в бункер 512.
Затем влажный сортированный уголь 12 из угольного бункера транспортируется с помощью конвейерной системы в сушильную установку 502 с псевдоожиженным слоем, в которой общее количество влаги на поверхности и внутри пор частиц угля снижается до заданного уровня для получения "сухого" угля 516, имеющего среднее значение влажности порядка 28-30 вес.%. Этот высушенный уголь 516 транспортируется конвейером 518 к ковшовому элеватору 520 и затем в бункер 522 высушенного угля, в котором он хранится до подачи в печь парогенератора.
Высушенный уголь 516, накапливаемый в бункере 522, с помощью известных технических средств подается в углеразмольную мельницу 524, в которой он превращается в сухой угольный порошок 526 перед подачей в дутьевую камеру 528 печи 530. Для целей настоящей заявки для процесса сушки угля, схема которого представлена на фигуре 24, обеспечиваются параметры процесса, типичные для "зимних условий" штата Северная Дакота, а именно расход угля в печи парогенератора, равный 4 млн фунтов/час. При сгорании угля 526 в печи 530 выделяющееся тепло в количестве до 6 млрд БТЕ/час передается воде 532, находящейся в котлоагрегате 534. Затем образующийся пар 536, имеющий среднюю температуру порядка 538°С и давление 2520 psig, подается сначала в турбину высокого давления, затем в турбину промежуточного давления и наконец в турбину низкого давления пара (не показаны), приводящие по меньшей мере один генератор (не показан) для производства электричества. Отработанный пар выходит из турбины высокого давления обычно при температуре 316°С и давлении 650 psi, а из турбины промежуточного давления пар выходит при температуре порядка 287-316°С и давлении 70 psi.
Отработанный пар 538 выходит из турбины низкого давления при температуре примерно 51-55°С и давлении 1,5 psia, после чего он направляется в конденсатор 540 для превращения в воду. В конденсаторе 540 циркулирует холодная вода 542 охлаждения, имеющая температуру порядка 29°С, которая используется для отвода латентной тепловой энергии отработанного пара 538. В процессе охлаждения вода 542 нагревается и выходит из конденсатора уже как горячая вода 544 при температуре порядка 49°С. Затем эта горячая вода 544 охлаждения конденсатора подается в градирню 546, в которой ее температура понижается снова до величины порядка 29°С для получения холодной воды охлаждения конденсатора, которая снова подается в конденсатор 540. После этого сконденсировавшийся пар из конденсатора снова подается в парогенератор 534 для превращения в пар 536, вращающий паровые турбины.
2
2
Сушильная установка 502 с псевдоожиженным слоем состоит из первой ступени 550, которая содержит распределительную зону площадью 70 фут для приема угля 12, который должен высушиваться, и большей второй ступени 552, содержащей распределительную зону 240 фут. Эти ступени сушильной установки 502 с псевдоожиженным слоем снабжены внутренними теплообменниками 554 и 556, соответственно, которые более подробно будут рассмотрены ниже.
Часть 504 горячей воды охлаждения конденсатора отбирается и пропускается через теплообменник 554 в качестве первичного источника тепла для первой ступени 550 сушильной установки. Эта часть 504 горячей воды охлаждения конденсатора в большинстве случаев имеет среднюю температуру 49°С, и при ее циркуляции во внутреннем теплообменнике первой ступени излучается порядка 2,5 млн БТЕ/час тепла. Отработанная горячая вода 558 охлаждения конденсатора, выходящая из теплообменника при температуре порядка 37°С, возвращается в градирню, в которой она используется для дополнительного охлаждения отработанного пара 558 турбин и снова становится горячей водой 504 охлаждения конденсатора.
Часть 504а горячей воды охлаждения конденсатора пропускается через внешний теплообменник 560, который используется для нагрева жидкого теплоносителя 562 на основе гликоля, используемого для нагрева предварительного теплообменника 564 вентиляционной камеры. Этот предварительный теплообменник 564 вентиляционной камеры повышает температуру потоков первичного воздуха 566 и вторичного воздуха 568 от температуры окружающего воздуха, которая изменяется в течение года, до температуры примерно (-3)-(-1)°С (зимние условия). Гликоль не замерзает при низких температурах, поэтому температура потоков первичного и вторичного воздуха не будет опускаться ниже минимальной температуры -3°С.
Затем потоки первичного 566 и вторичного 568 воздуха, выходящие из теплообменника 564 предварительного нагрева вентиляционной камеры, пропускаются через основной теплообменник 570 вентиляционной камеры, который является воздушно-водяным теплообменником. Часть 504b горячей воды 504 охлаждения конденсатора пропускается через основной теплообменник 570 вентиляционной камеры в качестве необходимого источника тепла. Потоки первичного 566 и вторичного 568 воздуха выходят из основного теплообменника вентиляционной камеры при температуре примерно 27-38°С, после чего они направляются с помощью вентиляторов РА 572 и FD 574 при температурах 60°С и 45°С, соответственно, во внешний подогреватель 576 воздуха, который является трехсекционным ротационным регенеративным подогревателем.
Использование теплообменников 564 и 570 вентиляционной камеры для предварительного подогрева наружного воздуха, поступающего в воздухоподогреватель 576, и потоков горячего 580 и холодного 566а первичного воздуха, соответственно, обеспечивает повышение температуры источника тепла, используемого во внешнем теплообменнике 586, и потока 588 жидкого теплоносителя от примерно 40°С до 94°С. Это положительно сказывается на расходе воздуха 552, используемого для создания псевдоожиженного слоя и сушки угля, и на потребной площади поверхности внутреннего теплообменника 556. И одна, и другая величина уменьшаются при повышении температуры потоков подогрева и высушивания.
Часть 566а первичного воздуха 566 отбирается перед внешним воздухоподогревателем 576 и подается в смеситель 578 при температуре порядка 63°F. После смешивания с более горячим потоком (примерно 306°С) первичного воздуха 380а получается воздух 582 при температуре примерно 86°С, который используется для создания псевдоожиженного слоя в первой 550 и второй 552 ступенях сушильной установки 502 с псевдоожиженным слоем. Для получения указанной температуры 86°С воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя, в смеситель 578 подают примерно 54% горячего первичного воздуха 580а и 46% холодного первичного воздуха 566а. Воздух 582, используемый для создания псевдоожиженного слоя, подается в первую ступень со скоростью примерно 3,5 фут/с для создания слоя частиц угля толщиной примерно 40 дюймов. Через первую ступень 550 проходит примерно 132000 фунт/час угля 12, причем частицы угля нагреваются внутренним теплообменником и горячим сжижающим воздухом до температуры примерно 33°С, в результате чего происходит небольшое снижение влажности угля. При достижении конца первой ступени 550 частицы угля "переливаются" через верх перегородки во вторую ступень 552.
Топочные газы 506 выходят из печи 530 парогенератора при температуре примерно 440°С. Этот источник отработанного тепла пропускается через внешний воздухоподогреватель 576 в качестве теплоносителя. Топочные газы выходят из внешнего подогревателя при температуре примерно 172°С и направляются в дымовую трубу через электростатический пылеуловитель и скруббер. Топочные газы нагревают потоки первичного 566 и вторичного 568 воздуха до температуры примерно 403°С и 393°С, соответственно, для получения горячего первичного воздуха 580 и подогретого вторичного воздуха 582. Подогретый вторичный воздух 582 подается в печь 530 с превышением на 17% необходимого количества воздуха для обеспечения эффективности процесса сжигания топлива и повышения КПД парогенератора.
Горячий первичный воздух 580, имеющий температуру примерно 403°С, подается в углеразмольную мельницу 524, где он создает повышенное давление для выталкивания частиц угля в дутьевую камеру 528 и далее в печь 530. Снова предварительный подогрев частиц угля 526 повышает КПД парогенератора и дает возможность использовать парогенератор и относящееся к нему оборудование меньших размеров.
При сжигании высушенного угля температура горения повышается благодаря снижению уровня водяных паров, и процессы теплопередачи в печи 530 улучшаются. Более высокая температура горения повышает тепловой поток, излучаемый в направлении стенок печи 530. Поскольку содержание влаги в выходящих топочных газах 506 снижено, то изменяются характеристики излучения тепла пламенем, что также влияет на величину теплового потока, излучаемого в направлении стенок печи 530. При повышении температуры пламени повышается температура частиц угольной золы, выходящих из печи 530, что может интенсифицировать процессы засорения и зашлаковывания печи. Осаждение шлака на стенках печи уменьшает теплопередачу, что приводит к повышению температуры топочных газов на выходе печи. Благодаря уменьшению скорости подачи угля в печь в связи с тем, что влажность топлива снижена, количество золы, поступающей в парогенератор, также снижается. Кроме того, уменьшается эрозия парогенератора 534 твердыми частицами и уменьшается объем его технического обслуживания (например, удаление сажи, которая осаждается на внутренних поверхностях котлоагрегата).
Часть потока горячего первичного воздуха 580 подается в теплообменник 586, который нагревает до температуры примерно 94°С теплоноситель 588, используемый в качестве источника тепла во внутреннем теплообменнике 556, размещенном во второй ступени 552 сушильной установки 502 с псевдоожиженным слоем. Этот теплоноситель выходит из теплообменника при температуре примерно 74°С, после чего он направляется обратно в теплообменник 586 для повторного нагрева. Как уже указывалось, поток первичного воздуха 580а, выходящий из теплообменника 586 при температуре примерно 139°С, соединяется с холодным первичным воздухом 566а в смесителе 578 для получения потока воздуха 582, направляемого в сушильную установку 502 для создания псевдоожиженного слоя. Смеситель обеспечивает получение необходимой температуры воздуха, используемого для создания псевдоожиженного слоя.
Частицы угля псевдоожиженного слоя, которые поступают из первой ступени 550 во вторую ступень 552 при температуре примерно 33°С и с несколько пониженной влажностью, формируют слой толщиной примерно 38-42 дюйма, который ожижается потоком воздуха 582 и дополнительно нагревается внутренним теплообменником 556. Этим частицам угля требуется примерно 12 минут для прохождения всей длины второй ступени 552 псевдоожиженного слоя, после чего они выгружаются уже как сухой уголь 516, имеющий влажность 29,5%, при температуре 488°С. Что более важно, теплотворная способность угля 12, которая при его поступлении в первую ступень сушильной установки 502 составляет 6200 БТЕ/фунт, увеличивается до 7045 БТЕ/фунт.
В отрасли вычисляется "коэффициент X" для оценки относительной эффективности передачи тепла в воздушном теплообменнике 576 от топочных газов 506 к первичному воздуху 566 и вторичному воздуху 568. Определяется в соответствии с уравнением:
PA+FD
pa+FD
out
in
PA+FD
flue
flue
out
in
flue
m · cp · (T-T)=m · cp · (T-T),
in
out
где m - массовый расход, ср - удельная теплоемкость, T - температура на входе, T - температура на выходе для соответствующих потоков воздуха горения (то есть первичного и вторичного воздуха) и топочных газов, соответственно. Поскольку произведение (m · ср) для потока воздуха горения (выраженного в БТЕ/час) обычно составляет только 80% от соответствующей величины для потока топочных газов, это означает, что при обычных условиях для электростанции падение температуры топочных газов при их прохождении через теплообменник может быть равно только 80% роста температуры потока воздуха горения. Однако уменьшение в соответствии с изобретением содержания влаги в угле и, соответственно, в топочных газах, образующихся при сгорании этого угля в печи, будет уменьшать массовый поток и величину удельной теплоемкости для потока топочных газов 506, в то время как предварительный подогрев потока первичного воздуха 566 и потока вторичного воздуха 568 с помощью теплообменников 564 и 570 вентиляционной камеры будет повышать массовый поток воздуха горения. Это будет приводить к увеличению коэффициента Х до 100%, что означает значительное увеличение КПД парогенератора тепловой электростанции. Кроме того, выполнение конструкции системы сушки угля в точном соответствии с принципами настоящего изобретения может дополнительно повысить коэффициент Х вплоть до 112%, в результате чего работа парогенератора при производстве электричества становится еще более эффективной. Более того, это значительное увеличение коэффициента Х для воздушного теплообменника и КПД парогенератора достигается за счет использования имеющихся в тепловой электростанции источников отработанного тепла, что, в свою очередь, улучшает экономическую эффективность работы электростанции. Другие варианты осуществления низкотемпературного процесса высушивания с открытым контуром с использование сушильной установки в соответствии с настоящим изобретением описываются в патентной заявке США № 11/107,152, поданной 15.04.2005 г., в которой указан тот же соавтор и владелец, что и в настоящей заявке, и которая вводится ссылкой в настоящую заявку.
Система в соответствии с настоящим изобретением обладает многими достоинствами. В системе обеспечивается отбор отработанного тепла из различных источников, в том числе из горячей воды охлаждения конденсатора, горячих топочных газов, производственного пара, отобранного из контура турбины (перечень не является исчерпывающим), температуры которых являются приемлемыми, для их использования в процессе сушки. В системе также может обеспечиваться лучшее использование тепла горячей воды охлаждения конденсатора путем повышения температуры вентиляционной камеры на 50-100°F при малых издержках, в результате чего уменьшаются потери тепла, и тепло отбирается у потоков первичного 580 и вторичного 582 воздуха, выходящих из воздухоподогревателя (АРН). Это тепло также может быть извлечено непосредственно из топочных газов путем использования теплообменника воздухоподогревателя. В результате существенно уменьшается отношение потока воздуха, подаваемого в сушильную установку, к потоку угля, а также возможно уменьшение размеров самой сушильной установки.
Сушильная установка может быть сконструирована так, чтобы использовать существующие вентиляторы для подачи воздуха, необходимого для создания псевдоожиженного слоя, путем регулирования разности давления псевдоожиженного слоя и характеристик работы вентилятора пылеуловителя. Для псевдоожиженных слоев могут использоваться различные схемы пылеуловители, и некоторые из них описаны в настоящей заявке. В описанных вариантах осуществления изобретения достигается снижение использования первичного воздуха, поскольку использование сушильной установки в соответствии с изобретением обеспечивает уменьшение количества угля, необходимого для нагрева парогенератора, и поэтому требуется меньше углеразмольных мельниц для измельчения угля, в результате чего уменьшается количество воздуха, который необходимо подавать в мельницы для подачи воздуха в сушильную установку.
Интеграция сушильной установки в систему обработки угля перед загрузкой угля в бункеры печи парогенератора обладает тем достоинством, что в мельницы подается нагретый уголь, поскольку уголь выходит из сушильной установки при повышенной температуре. Ожидается, что уменьшение объема топочных газов, времени нахождения угля в псевдоожиженном слое, содержания влаги в топочных газах и ускорение процессов очистки существенно уменьшат выбросы ртути промышленным комплексом.
Достоинством предварительного подогрева воздуха, подаваемого в воздухоподогреватель, является повышение температуры теплопередающих поверхностей на холодной стороне воздухоподогревателя. Более высокие температуры поверхностей снижают интенсивность осаждения кислот и, соответственно, уменьшают интенсивность забивания (засорения) и коррозии. Это положительно сказывается на потреблении вентилятора, производительности энергетического блока и общих характеристиках его работы. Использование отработанного тепла конденсатора для предварительного нагрева воздуха, подаваемого в воздухоподогреватель, вместо тепла, извлеченного из пара турбины, приводит к увеличению выходной мощности турбины и всего блока и к улучшению характеристик работы электростанции. Увеличение температуры воздуха на входе воздухоподогревателя (АРН) приводит к уменьшению скорости утечки из него воздуха. Это происходит благодаря уменьшению плотности воздуха. Снижение скорости утечки воздуха из воздухоподогревателя положительно сказывается на мощности всасывания и нагнетания вентилятора, в результате чего снижается объем технического обслуживания, увеличивается выходная мощность энергетического блока и улучшаются характеристики его работы. Для тепловых электростанций с градирнями использование отработанного тепла для предварительного подогрева воздуха, подаваемого в воздухоподогреватель, будет уменьшать тепловую нагрузку на градирни, в результате чего снижается потребление ими воды.
Сушка угля с использованием описанного способа будет снижать потери воды в системе парогенератора, в результате чего его КПД повышается. Снижение потерь тепла в системе парогенератора повышает его КПД. Кроме того, уменьшение объема образующихся топочных газов приводит к снижению выбросов двуокиси углерода, оксидов серы, ртути, твердых частиц и окислов азота в расчете на мегаватт выходной мощности. Также снижается эрозия трубопроводов подачи угля (например, эрозия труб частицами угля и воздухом), уменьшается объем работ по превращению угля в порошок, снижается мощность, потребляемая вспомогательным оборудованием, в результате чего повышается мощность энергетического блока, снижаются объемы золы и отложений в скрубберах, уменьшается потребление воды промышленным предприятием (это не затрагивает воду, отбираемую из контура паровой турбины), снижается засорение и коррозия холодной стороны воздухоподогревателя, а также эрозия трубы для выпуска топочных газов, и повышается степень очистки топочных газов. Сушильные установки с псевдоожиженным слоем также могут быть снабжены скрубберами, устройствами, отделяющими более плотные частицы, что позволяет удалить загрязняющие вещества и обеспечить обработку угля перед его сжиганием. Существует неограниченное множество уровней температуры и схем конструкций, которые могут использоваться с настоящим изобретением для обработки других сырьевых материалов и топлив.
x
Сочетание воздухоподогревателя со схемой использования горячей воды охлаждения конденсатора позволяет использовать для сушки угля псевдоожиженный слой меньших размеров с большей эффективностью. Псевдоожиженные слои известных систем, в которых используется производственный пар из контура паровой турбины, имеют гораздо большие размеры. В настоящем изобретении используется разделение материалов. Это позволяет повысить эффективность высушивания. Описанный способ обработки может использоваться с сушильными установками либо со статическим (псевдоожиженным слоем), либо с неподвижным слоем. В двухступенчатой сушильной установке может регулироваться относительная разница скоростей в первой и второй ступенях. В различных ступенях могут выбираться различные градиенты температур и тепловые режимы для получения максимальной эффективности процесса. В конструкции многоступенчатой сушильной установки с псевдоожиженным слоем обеспечивается отделение материала, не поддающегося псевдоожижению, дожигание и регулирование содержания кислорода. В первой ступени, площадь которой в одном из вариантов осуществления изобретения составляет 20% площади поверхности распределения сушильной установки, удаляется больше соединений ртути и серы. Поскольку двухступенчатая сушильная установка с псевдоожиженным слоем может иметь меньшие размеры, то в этом случае требуется вентилятор меньшей мощности, что означает значительную экономию электроэнергии. Требуемая мощность вентилятора в процессе сушки угля является существенным экономическим фактором. Сушильная установка в соответствии с настоящим изобретением может использоваться вместе с модулем очистки. В системе также обеспечивается сортировка для регулирования содержания NO или введение углерода для регулирования содержания ртути.
Система позволяет снизить износ и объем технического обслуживания конвейеров для транспортировки угля и дробилок для угля, уменьшить уровень золы и снизить эрозию. Облегчается процесс превращения угля в порошок, так что обеспечивается более полное высушивание в углеразмольной мельнице, уменьшаются засорения трубопроводов, требуется меньше первичного воздуха, и могут использоваться пониженные скорости потока первичного воздуха. Могут быть снижены потребности электростанции в электроэнергии для работы вспомогательного оборудования, повышена мощность электростанции, улучшена работа скрубберов и снижен уровень выброса вредных веществ.
Также снижается скорость потока топочных газов 506, выходящих из печи 530, при сжигании сухого порошкообразного угля 526 по сравнению со случаем сжигания влажного угольного порошка. Также снижается удельная теплоемкость топочных газов 506 благодаря пониженному содержанию влаги в высушенном порошке угля 526. В результате снижается тепловая энергия топочных газов 506 и появляется возможность использования очистного оборудования меньших размеров. Пониженная скорость потока топочных газов 506 также обусловливает меньшую интенсивность конвективной теплопередачи. Поэтому при использовании высушенного топлива, несмотря на увеличение температуры топочных газов на выходе из печи, меньше тепла будет передаваться рабочему теплоносителю (вода или пар, не показаны) в парогенераторе 534. Для парогенераторов с постоянной конфигурацией теплопередачи температура горячего повторно нагретого пара (циркулирующий производственный пар) может быть снижена по сравнению с работой на более влажном топливе. Некоторое снижение температуры горячего повторно нагретого пара можно скомпенсировать за счет увеличения площади поверхности подогревателя (повторный нагрев, не показано) или изменения рабочего режима работы парогенератора, например, за счет изменения угла наклона горелки, в результате чего изменяется угол подачи тепла к стенкам котлоагрегата, или за счет использования повышенного уровня избыточности воздуха. Можно было бы разработать новую конструкцию парогенератора для пониженных скоростей топочных газов 506 в конвективном газоходе (путь выхода топочных газов внутри печи) для получения необходимой температуры пара при нормальном рабочем режиме. Это позволит дополнительно уменьшить размеры конструкции и ее стоимость.
При сжигании высушенного угля мощность, необходимая для работы вспомогательного оборудования, будет уменьшаться в результате снижения мощностей вентиляторов нагнетания (FD), всасывания (ID) и первичного воздуха (РА) и уменьшения мощности углеразмольной мельницы. Сочетание снижения подачи угля, меньшего потребного потока воздуха, и меньшей скорости истечения топочных газов при сжигании высушенного угла улучшают эффективность работы парогенератора и удельный расход тепла энергетического блока, прежде всего за счет уменьшения потерь в дымовой трубе и снижения потребления углеразмольных мельниц и вентиляторов. Это улучшение характеристик позволяет повысить мощность промышленного предприятия на существующем оборудовании. Работа очистных систем (скрубберы, электростатические пылеуловители и устройства извлечения ртути), которые устанавливаются на выходе и обычно используются на электростанциях, работающих на угле, улучшается при сжигании высушенного угля благодаря снижению скорости истечения топочных газов и увеличению времени нахождения газов в очистных устройствах.
2
2
x
x
Сжигание высушенного угля также положительно сказывается на уменьшении выбросов вредных веществ. Уменьшение потребного количества подаваемого угля может быть непосредственно выражено в массовых количествах золы, CO, SO и твердых частиц. Параметры подачи первичного воздуха влияют на содержание NO. При сжигании высушенного угля поток первичного воздуха будет меньше, чем в случае сжигания влажного угля. В результате интенсивность выброса NO будет меньше, поскольку создается большая гибкость на входе сушильной установки по подготовке воздуха сгорания.
2
Для энергетических установок, оборудованных мокрыми скрубберами, выбросы ртути, возникающие в результате сжигания более сухого угля, могут быть снижены благодаря меньшей температуре газа на выходе воздухоподогревателя, что благоприятствует образованию HgO and HgCl из элементарной ртути. Эти окисленные формы ртути растворимы в воде и поэтому могут быть удалены с помощью скруббера. Кроме того, влажность топочных газов замедляет окисление ртути в водорастворимые формы. Снижение влажности топлива приводит к снижению содержания влаги в топочных газах, что будет способствовать окислению ртути с образованием ее водорастворимых форм. Таким образом, при сжигании более сухого угля выбросы ртути будут ниже по сравнению с использованием более влажного угля. В патентной заявке США, которая была подана в один день с настоящей заявкой с указанием одного и того же соавтора и владельца и которая является частичным продолжением патентной заявки США №11/107,153, поданной 15 апреля 2005 г., более подробно описывается применение слоя сушильного устройства для удаления из угля серы, золы, ртути и других вредных составляющих; причем указанная заявка вводится ссылкой в настоящую заявку.
Снижение содержания влаги в угле по мере того, как он движется через эту ограниченную часть системы, обладает следующими достоинствами: более сухой уголь легче превращать в порошок, и требуется меньше энергии для получения одной и той же степени помола; повышается выходная температура (температура угля и смеси первичного воздуха на выходе мельницы), и улучшаются характеристики транспортировки угля по трубопроводу (меньше забивается), по которому уголь подается в печь 530. Кроме того, требуется меньше первичного воздуха 580 для высушивания и транспортировки угля. Меньшие скорости первичного воздуха означают снижение эрозии углеразмольной мельницы 524, угольных трубопроводов, горелки и вспомогательного оборудования, что уменьшает затраты на техническое обслуживание трубопроводов и мельницы, которые для электростанций, работающих на бурых углях, очень высоки.
При высушивании угля температура в печи 530 выше благодаря снижению уровня водяных паров, и процессы теплопередачи улучшаются. Более высокая температура горения повышает радиационный тепловой поток в направлении стенок печи 530. Поскольку содержание влаги в выходящих топочных газах 506 снижено, то изменяются характеристики излучения тепла пламенем, что также влияет на величину теплового потока, излучаемого в направлении стенок печи 530. При повышении температуры пламени повышается температура частиц угольной золы, выходящих из печи 530, что может интенсифицировать процессы засорения и зашлаковывания печи. Осаждение шлака на стенках печи уменьшает теплопередачу, что приводит к повышению температуры топочных газов на выходе печи. Благодаря уменьшению скорости подачи угля в печь в связи с тем, что влажность топлива снижена, количество золы, поступающей в парогенератор, также снижается. В результате уменьшается эрозия парогенератора 534 твердыми частицами и уменьшается объем его технического обслуживания (например, удаление сажи, которая осаждается на внутренних поверхностях котлоагрегата).
Также при сжигании сухого порошка угля 526 снижается скорость истечения топочных газов 506, выходящих из печи 530, по сравнению со случаем сжигания влажного угольного порошка. В общем случае более низкие скорости истечения топочных газов создают возможности для использования очистного оборудования, имеющего меньшие размеры. Также снижается удельная теплоемкость топочных газов 506 благодаря пониженному содержанию влаги в сухом порошкообразном угле 526. В результате происходит уменьшение тепловой энергии топочных газов 506. Пониженная скорость истечения топочных газов 506 также обусловливает меньшую интенсивность конвективной теплопередачи. Поэтому при использовании высушенного топлива, несмотря на увеличение температуры топочных газов на выходе из печи, меньше тепла будет передаваться рабочему теплоносителю (вода или пар) в конвективном газоходе системы парогенератора.
По экономическим причинам полное высушивание угля не требуется и не рекомендуется, поскольку удаление из топлива только части влаги является достаточным. Оптимальная величина удаляемой части влаги зависит от условий работы промышленного комплекса, в частности от типа угля и его характеристик, от конструкции парогенератора и экономических соображений (например, продажа высушенного угля другим тепловым электростанциям). Главное, чтобы оставалось достаточно влаги в угле для обеспечения достаточного массового потока для передачи тепла потокам основного и вновь нагретого пара внутри тепловой электростанции. В противном случае пара, производимого парогенератором, может быть недостаточно для вращения турбин. Отработанное тепло производственных процессов предпочтительно, но не исключительно, используется для нагрева и/или создания псевдоожиженного слоя (воздух 582 для высушивания, создания псевдоожиженного слоя) и для использования во внутреннем теплообменнике. Как было показано, это тепло может быть использовано непосредственно или опосредованно в одной или нескольких ступенях.
Как было рассмотрено выше, винтовой шнек 194, размещенный в цилиндрическом желобе 190 распределительной пластины 180 первой ступени 254 сушильной установки с псевдоожиженным слоем (см. фигуры 7-8 и 15)в общем случае транспортирует в горизонтальном направлении более плотные частицы угля, не поддающиеся псевдоожижению, которые опускаются в нижнюю часть слоя. Такой материал может быть просто оставлен для накопления на стороне псевдоожиженного слоя сушильной установки до тех пор, пока установка не будет остановлена для регулярного удаления таких отложений, в то время как все-таки происходит улучшение общего процесса транспортировки потока псевдоожиженных частиц угля к стороне разгрузки сушильной установки по сравнению с установками без такого винтового шнека. Однако предпочтительный вариант сушильной установки с псевдоожиженным слоем содержит скруббер для автоматического удаления в процессе работы указанных накапливающихся частиц угля из области псевдоожиженного слоя, для того чтобы снизить необходимость в такой чистке, которая нарушает непрерывность работы установки. Эти автоматически удаляемые частицы угля, не поддающиеся псевдоожижению, составляют отдельный поток угля, который может обрабатываться в зависимости от состава и от потребностей тепловой электростанции, в частности направляться для сжигания в печи парогенератора, или же обрабатываться с целью отделения захваченных мелких частиц, удаления вредных составляющих, таких как элементарная сера, зола или ртуть, или направляться на захоронение.
Вариант осуществления скруббера 600 в соответствии с настоящим изобретением представлен на виде с вырезом на фигурах 25а и 25b. Скруббер 600 представляет собой коробчатый корпус с боковыми стенками 602, торцевой стенкой 604, основанием 606 и верхней частью 608 (не показана), который прикреплен к боковой стенке сушильной установки 250 так, чтобы закрывать вырезанный разгрузочный проем 610, через который частично выступает винтовой шнек 194. Необходимо отметить, что вместо винтового шнека может использоваться любое подходящее устройство, которое способно транспортировать в горизонтальном направлении спустившиеся вниз частицы угля, в том числе ленточный конвейер, выталкиватель или скребковая цепь.
Винтовой шнек 194 будет перемещать частицы, лежащие в нижней части псевдоожиженного слоя, и разгружать их через разгрузочный проем 610 в скруббер 600, где они могут накапливаться отдельно от сушильной установки. В этом случае исключается необходимость в остановке сушильной установки для удаления накопленных тяжелых частиц. При достаточном накоплении частиц в скруббере или в любом ином случае может быть открыта дверца 612 в торцевой стенке 604 для разгрузки накопившихся частиц через выходное отверстие в торцевой стенке, причем накопившиеся частицы выталкиваются давлением, создаваемым винтовым шнеком 194, или с помощью любых иных известных средств. Дверца 613 может управляться таймером, чтобы она открывалась для разгрузки накопленных частиц через определенные интервалы времени.
Предпочтительный вариант осуществления скруббера 600 представлен на фигуре 26, где вместо сплошной панели основания 606 (см. фигуру 25) используется распределительная пластина 620. В этом случае ответвляющаяся часть потока воздуха 206, создающего псевдоожиженный слой, проходит вверх через отверстия 622 в распределительной пластине 620 для псевдоожижения частиц, находящихся в скруббере. Конечно основная масса частиц будет оставаться в нижней части псевдоожиженного слоя из-за их повышенного удельного веса, однако некоторые вынесенные мелкие частицы поднимутся в верхнюю часть слоя и будут втянуты в сушильную установку 250 через впускное отверстие 624 (через это отверстие на фигуре 26 видны трубки теплообменника 280). Таким образом, поток частиц, выгруженных в скруббер, показанный на фигуре 26, проходит дополнительную обработку с целью отделения вынесенных мелких частиц и может быть направлен на дальнейшую обработку, продуктивное использование или на захоронение.
Еще один вариант 630 скруббера, представленный на фигурах 27-29, содержит две секции 632 и 634 для обработки большего количества частиц, не поддающихся псевдоожижению, выгруженных из сушильной установки 250. На фигуре 28 отчетливо видно, что винтовой шнек 194 проходит через переднюю камеру 636. Опустившиеся вниз частицы угля подаются винтовым шнеком в эту переднюю камеру 636 и затем в накопительные камеры 638 и 640, закрытые затворами 642 и 644, соответственно, или другими подходящими средствами управления потоком. Как только в накопительных камерах 638 и 640 накапливается заданный объем тяжелых частиц или пройдет заданный интервал времени, затворы 642 и 644 открываются для выгрузки накопленного угля в разгрузочные каналы 646 и 648, соответственно. Частицы угля под действием силы тяжести падают через выходные части 650 и 652 в нижние части разгрузочных каналов 646 и 648 и далее в какой-либо накопительный резервуар или на средства транспортировки для дальнейшей обработки или для захоронения.
Как было указано выше, внутри накопительных камер 638 и 640 могут быть размещены распределительные пластины 654 таким образом, чтобы поток воздуха, предназначенный для псевдоожижения, проходил через отверстия и 660 в распределительных пластинах для отделения мелких частиц угля, захваченных потоком более плотных частиц. Как только затворы 642 и 644 открываются, вынесенные мелкие частицы поднимаются в верхние части разгрузочных каналов 646 и 648 для подачи с помощью подходящих механических средств обратно в сушильную установку 250 с псевдоожиженным слоем. Более тяжелые частицы угля падают вниз через нижние части разгрузочных каналов 646 и 648, как описано выше.
Затворы 642 и 644 могут быть соединены с накопительными камерами 638 и 640 с возможностью поворота, хотя они могут быть также выполнены открывающимися со скольжением, поворачивающимися вверх, поворачивающимися вниз или вбок, или иметь любую другую подходящую конструкцию соединения. Кроме того, с накопительными камерами может быть соединено несколько затворов для увеличения скорости разгрузки из камер тяжелых частиц угля.
Использование тяжелых частиц, выделенных из сушильной установки 250 с помощью скруббера 600, будет зависеть от их состава. Если они содержат приемлемые уровни серы, золы, ртути и других вредных компонентов, то их можно направить в печь парогенератора для сжигания, так как они обладают нужной теплотворной способностью. Если же уровни содержания в тяжелых частицах вредных составляющих неприемлемо высоки, то эти частицы могут подвергаться дальнейшей обработке для удаления этих вредных составляющих частично или полностью, как это описано более подробно в патентных заявках США № 11/107,152 и № 11/107,153, поданных 15.04.2005, в которых указан тот же соавтор и совладелец, что и в настоящей заявке, и которые вводятся ссылкой в настоящую заявку. Только если уровни вредных составляющих, содержащихся в тяжелых частицах, настолько высоки, что экономически нецелесообразно проводить их дальнейшую обработку для снижения этих уровней, то этот материал направляется на захоронение. Таким образом, скруббер 600 в соответствии с настоящим изобретением не только обеспечивает автоматическое удаление из псевдоожиженного слоя сушильной установки частиц, не поддающихся псевдоожижению, для повышения эффективности ее работы, но также обеспечивает возможность дальнейшей обработки этих частиц и их продуктивного использования на тепловой электростанции или другом промышленном предприятии.
Нижеприведенные примеры являются иллюстрациями низкотемпературной сушильной установки, которая является частью настоящего изобретения.
ПРИМЕР I - ВЛИЯНИЕ СНИЖЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НА ПОВЫШЕНИЕ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ БУРОГО УГЛЯ
Испытательное сжигание угля проводилось на энергетическом блоке 2 электростанции Coal Creek компании Great River Energy в штате Северная Дакота для определения влияния влажности на работу блока. Бурый уголь высушивался для этих испытаний в системе сушки угля на открытом воздухе. Полученные результаты приведены на фигуре 30.
Как можно видеть, в среднем влажность угля снижалась на 6,1%: от 37,5% до 31,4%. График, представленный на фигуре 30, показывает, что полученные результаты достаточно близки с теоретическими расчетами. Что более важно, снижение уровня влажности бурого угля на 6% привело к улучшению удельного расхода тепла энергетического блока примерно на 2,8%, а снижение влажности на 8% улучшило эту величину примерно на 3,6%. Эти результаты подтверждают, что высушивание угля действительно приводит к увеличению его теплотворной способности.
ПРИМЕР II - ВЛИЯНИЕ СНИЖЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НА СОСТАВ УГЛЯ
Образцы бурого угля (лигнита) и угля бассейна Паудер Ривер (Powder River Basin) подвергались химическому анализу, и определялось содержание в них влаги. Полученные результаты приведены ниже в Таблице 1. Как можно видеть, образцы бурого угля содержали в среднем 34,03 вес.% углерода, 10,97 вес.% кислорода, 12,30 вес.% зольной пыли, 0,51 вес.% серы и 38,50 вес.% влаги. Образцы полубитуминозного угля PRB содержали в среднем 49,22 вес.% углерода, 10,91 вес % кислорода, 5,28 вес.% зольной пыли, 0,35 вес.% серы и 30,00 вес.% влаги.
"Окончательный анализ" проводился с использованием полученных значений для этих образцов бурого угля и угля PRB путем вычисления содержания этих составляющих компонентов для влажности 0% и золы 0%, и для уровня влажности 20%, как также показано в Таблице 1. Как видно из Таблицы 1, химический состав и уровни влажности образцов угля существенно изменяются. Более конкретно, для влажности 20% образцы бурого угля и угля PRB демонстрируют большое увеличение содержания углерода, а именно до 44,27 вес.% и 56,25 вес.%, соответственно, при этом увеличение содержания кислорода было меньше, а именно до 14,27 вес.% и 12,47 вес.%, соответственно. Содержание серы и зольной пыли также слегка увеличилось (увеличения абсолютного содержания не происходило). Важно, что высшая теплотворность (HHV) для бурого угля увеличилось с 6,406 БТЕ/фунт до 8,333 БТЕ/фунт, в то время как величина HHV для угля PBR увеличилась с 8,348 БТЕ/фунт до 9,541 БТЕ/фунт.
Таблица 1
Единицы
Результаты анализа
Влаги и золы нет
Влажность топлива 20%
Лигнит
PRB
Лигнит
PRB
Лигнит
PRB
Углерод
вес, %
34,03
49,22
69,17
76,05
44,27
56,25
Водород
вес, %
2,97
3,49
6,04
5,39
3,87
3,99
Сера
вес, %
0,51
0.35
1,04
0,54
0,67
0,40
Кислород
вес, %
10,97
10,91
22,29
16,86
14,27
12,47
Азот
вес, %
0,72
0,75
1,46
1,16
0,92
0,86
Влажность
вес, %
38,50
30,00
0,00
0,00
20,00
20.00
Зола
вес, %
12,30
5,28
0,00
0,00
16,00
6,30
ВСЕГО
вес, %
100,00
100.00
100,00
100,00
100,00
100,00
HHV
БТЕ/фунт
6,406
8,348
13,021
12,899
8,333
9,541
H
БТЕ/фунт
-2,879
2,807
-1,664
-2,217
ПРИМЕР III - ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ВЛАЖНОСТИ НА ТЕПЛОТВОРНОСТЬ УГЛЯ
Используя значения по составу, приведенные в таблице 1, и принимая мощность электростанции, равной 570 МВт с температурой выходящих топочных газов 825°F, выполняли расчет теплотворности для этих образцов угля при различных уровнях содержания влаги: от 5% до 40%. Полученные результаты приведены на фигуре 31. Как можно видеть, между величиной HHV и уровнем влажности существует линейная зависимость, причем меньшим уровням влажности соответствуют более высокие значения теплотворности. Более конкретно, для образцов угля PRB были получены следующие значения HHV: 11,300 БТЕ/фунт при влажности 5%, 9,541 БТЕ/фунт при влажности 20% и только 8,400 БТЕ/фунт при влажности 30%. Что касается образцов бурого угля, то для них были получены следующие значения HHV: 9,400 БТЕ/фунт при влажности 10%, 8,333 БТЕ/фунт при влажности 20% и только 6,200 БТЕ/фунт при влажности 40%. Это означает, что эффективность работы парогенератора может быть повышена за счет высушивания угля перед его сжиганием в печи парогенератора. Кроме того, для получения одного и того же количества тепла требуется меньше угля.
ПРИМЕР IV - РЕЗУЛЬТАТЫ СУШКИ УГЛЯ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ
Осенью 2003 г. и летом 2004 г. более 200 тонн бурого угля было высушено на экспериментальной сушильной установке с псевдоожиженным слоем, изготовленной компанией Great River Energy в г.Андервуд, штат Северная Дакота. Сушильная установка, мощность которой составляла 2 т/час, была разработана для оценки рентабельности сушки бурого угля Северной Дакоты с использованием низкотемпературного отработанного тепла и определения эффективности концентрирования таких примесей, как ртуть, зола и сера, с использованием возможности псевдоожиженного слоя по гравитационному разделению компонентов.
В сушильной установке различались следующие потоки угля: поток исходного загружаемого угля, поток обработанного угля, поток выносимых мелких частиц и поток тяжелых частиц, оседающих в нижней части слоя. В процессе испытаний из этих потоков брались пробы для анализа на содержание влаги, серы, золы и ртути и на теплотворность. Некоторые из проб подвергались сортировке и последующий анализ проводился в отношении разных фракций частиц с одинаковыми размерами.
Экспериментальная сушильная установка была оснащена контрольно-измерительной аппаратурой для определения характеристик сушки для различных рабочих режимов. Система сбора информации позволяла регистрировать данные измерений в сушильной установке с интервалом 1 минута. Установленная контрольно-измерительная аппаратура обеспечивала возможность вычисления баланса массы и энергии в системе.
1
4
Основными компонентами экспериментальной сушильной установки были: оборудование подачи угля, загрузочный угольный бункер, сушильная установка с псевдоожиженным слоем, система подачи и подогрева воздуха, внутренний теплообменник, очистные устройства (пылеулавливатель), контрольно-измерительная аппаратура и система управления и сбора данных (см. фигуру 32). Для загрузки исходного угля в сушильную установку и для выгрузки из нее продуктов использовались винтовые шнеки. Для регулирования скорости подачи и обеспечения воздушного шлюза в системе подачи и выгрузки угля использовались лопаточные устройства. Дозаторы угольного бункера обеспечивали необходимую интенсивность и общее количество угля, подаваемого в сушильную установку. Тяжелые частицы и выносимая пыль накапливались в сборниках, которые взвешивались перед испытаниями и после них. Поток выходного продукта выгружался под действием силы тяжести в контейнер, снабженный весами. Система загрузки угля обеспечивала подачу до 8000 фунт/час угля в сушильную установку, причем размер частиц угля не превышал / дюйма. Система подачи воздуха обеспечивала подачу 6000 станд. куб. футов в минуту при давлении 40 дюймов водяного столба. Тепловая мощность теплообменника подогрева воздуха составляла 438000 БТЕ/час, а тепловая мощность внутреннего теплообменника составляла 250000 БТЕ/час. Это тепло и количество подаваемого воздуха были достаточны для удаления около 655 фунтов воды в час.
1
4
В типовых испытаниях в бункер загружалось 18000 фунтов угля, размеры частиц которого не превышали / дюйма. Перед проведением испытания сборники разгружались, и показания весов контейнера записывались. Образцы угля, подаваемого в сушильную установку, брались либо при загрузке бункера, либо в процессе испытания одновременно с образцами пыли из пылеулавливателя, выгружаемых тяжелых частиц и продукта из контейнера (обычно каждые 30 минут после выхода установки на устойчивый режим). Затем включался пылеулавливатель, шнеки и воздушные шлюзы для всех потоков угля. Запускался вентилятор подачи воздуха, и его производительность устанавливалась на уровне 5000 станд. куб. футов в минуту. Затем на полную скорость включалась система подачи угля для загрузки сушильной установки. После установления в сушильной установке псевдоожиженного слоя повышалась температура воздуха, причем подогрев соответствовал температуре внутреннего теплообменника, и величина воздушного потока устанавливалась на необходимом уровне. Затем испытания продолжались в течение 2-3 часов. Одно испытание проводилось в течение восьми часов. По окончании испытания взвешивались сборники, и записывались показания весов контейнера. Результаты измерений переносились в таблицу формата Excel, а взятые образцы угля передавались для анализа в лабораторию. Затем сборники и контейнер разгружались для подготовки к следующему испытанию.
2
В течение осени 2003 г. в одноступенчатой экспериментальной сушильной установке с площадью поверхности распределения материала, равной 23,5 фут, было обработано 150 тонн бурого угля. Скорость подачи угля в псевдоожиженный слой составляла от 3000 фунт/час до 5000 фунт/час. Скорость подачи воздуха варьировалась в диапазоне 4400-5400 станд. куб. футов в минуту (3,1-3,8 фут/сек). Степень снижения уровня влажности угля является функцией скорости подачи и количества тепла, подаваемого в сушильную установку. Первый экспериментальный модуль обеспечивал удаление порядка 655 фунтов воды в час при расчетной температуре воды порядка 200°F. При скорости подачи угля, равной 83,3 фунт/мин, можно определить, что степень удаления воды составляет 0,13 фунт воды/фунт угля.
2
В течение лета 2004 г. сушильная установка была переоборудована, так что она содержала две ступени и внутренний теплообменник большей тепловой мощности. В результате переоборудования модуля его тепловая мощность выросла примерно до 750000 БТЕ/час, и скорость удаления воды составила 1100 фунт/час. В новом модуле было высушено еще 50 тонн угля. В модифицированном модуле также обеспечивался сбор потока тяжелых частиц из первой ступени. Тяжелые частицы - это материал, не поддающийся псевдоожижению, который удалялся из нижней части первой ступени. Он состоял прежде всего из частиц более крупных размеров и повышенной плотности и отделялся в первой ступени под действием силы тяжести. Материалы, температура и балансы тепла для разных входных и выходных потоков приведены в Таблицах 2-4. Общая площадь распределительной пластины составляла 22,5 фут.
Таблица 2 Схема работы экспериментальной установки, испытание 44
Таблица 3
Экспериментальная установка, результаты испытания 44
Испытание 44
Результаты
ARA
14,22
Точка
Параметр
HHV
7175
4672,082
А
#/час
6524
ARS
0,55
ТМ
31,48
2053,8
AR, ртуть
55,35
ARA
15,21
Темп, °С
46,22
воды, FB
HHV
5830
F
выход
ARS
0,53
Поток/час
79182
AR, ртуть
68,8
Темп, °С
77,78
Тепло в
Темп, °F
80
БТЕ/час
11085480
В
Вода, FB, на
G
DC
входе
фунт/час
363,7
5,6%
Поток фунт/час
79182
ТМ
21,22
77,2
Темп, °F
179,4
ARA
30,26
Тепло в
11671143
HHV
5434
302,9223
БТЕ/час
ARS
0,5
С
Воздух, FB,
AR, ртуть
117,6
на входе
Темп, °С
38,89
Поток фунт/час
20619
Темп, F
152,7
Н
Воздух, FB,
Тепло в
679287
на выходе
БТЕ/час
Поток фунт/час
20619
HW
Темп, °С
41,06
#Н20/#Dвозд,
0,0137
Тепло в
D
UC
БТЕ/час
427101
#/час, %
856,6
13,13%
HW
#Н20/
0,05606
ТМ
26,46
226,6
#Dвозд.
FB
ARA
15,4
влажность
I
выход
Нw<sub>выход</sub>-
HHV
6858
900,406
Hw<sub>выход</sub>·м
873,4
13,39%
ARS
0.76
баланс
AR, ртуть
117,6
массы
97,21%
баланс
Темп, °F
115,2
угля, HHV
100,8%
баланс
Е
GT
воды
108,0%
#/час
4248,2
65,1%
ТМ
24,5
1040,8
Как можно видеть, влажность снизилась с 31,5% на входе до 24,5% в потоке выходного продукта (GT). Таким образом, экспериментальная установка для сушки угля продемонстрировала, что бурый уголь штата Северная Дакота может быть надежно и экономично высушен с использованием низкотемпературного отработанного тепла тепловой электростанции.
2
В Таблице 4 приведены характеристики угля для подаваемого потока, потоков выносимых частиц, тяжелых частиц и выходного продукта. Как можно видеть, поток выносимых частиц характеризуется высоким содержанием ртути и золы, в потоке тяжелых частиц много ртути и серы, а характеристики выходного потока в отношении теплосодержания и содержания ртути, золы и SO/МБТЕ существенно улучшились.
Поток выносимых частиц содержал в основном частицы, проходящие через сито 40, а поток тяжелых частиц содержал частицы, не проходящие сито 8.
Таблица 4
Характеристики угля в разных потоках, испытание 44
Уголь
Фунты
Ртуть ppb
Зола, %
HHV в БТЕ/фунт
Сера, %
#SO<sub>2</sub>/MBTE
Подача
14902
91,20
18,05
5830,00
0,53
1,82
Тяжелые частицы
2714
100,61
15,41
6877,00
0,76
2,20
Выносимые частицы
789
136,58
30,26
5433,75
0,50
1,86
Выходной продукт
7695
65,83
14,22
7175,25
0,55
1,54
Таким образом, содержание ртути и серы в выходном продукте в испытании 44 снизилось на 40% и 15%, соответственно.
Изменения во времени температуры псевдоожиженного слоя, измеренной в шести точках внутри слоя, и температуры воздуха на выходе, представлены на графиках фигуры 34. Эта информация использовалась вместе с данными о содержании влаги в угле (получено из образцов угля) для сведения баланса массы и энергии для сушильной установки и определения количества влаги, извлеченной из угля.
2
2
Содержание влаги в псевдоожиженном слое и в потоке выходного продукта определялось из образцов угля и указывалось в фунтах воды, содержащейся в угле, на фунт сухого угля, как указано на фигуре 35. Результаты показывают, что влажность угля на входе изменялась в диапазоне 0,40-0,60 фунтов НО/фунт сухого угля (28,5-37,5% от веса влажного угля), в то время как влажность выходного продукта изменялась в диапазоне 0,20-0,40 фунт HO/фунт сухого угля (16,5-28,5% от веса влажного угля). Иначе говоря, процесс сушки угля с помощью низкотемпературного псевдоожиженного слоя обеспечивал снижение уровня влажности примерно на 10% при времени нахождения частиц угля в псевдоожиженном слое порядка 30 минут. Повышение температуры воздуха, создающего псевдоожиженный слой, или увеличение подачи тепла во внутренний теплообменник приводили к увеличению скорости удаления влаги. Величины теплотворности для нулевой влажности, полученные для потока загружаемого угля и для потока выходного продукта, показали, что при проведении процесса сушки не происходило заметного окисления углерода и выхода летучих соединений.
Количество влаги, извлеченной из угля при выполнении процесса высушивания, определялось с использованием четырех методов: общего баланса масс для сушильной установки, баланса влажности воздуха, баланса влажности угля и баланс полной энергии для сушильной установки. Метод баланса полной энергии основывался на сведении баланса потоков тепла на входе и на выходе сушильной установки: тепло, подаваемое внутренним теплообменником, и изменения теплоты воздуха и угля внутри сушильной установки при допущении, что разница представляет тепло, необходимое для испарения влаги из угля. Предполагалось, что утечки во внешнюю среду отсутствуют. Метод баланса влаги воздуха основался на измерении скорости воздушного потока и влажности воздуха на входе и выходе. Количество влаги, испаряемой из угля, вычислялось по разнице между влагосодержанием воздушных потоков на входе и выходе и их скорости. Аналогично, баланс влаги угля основывался на влажности, измеренной в потоках подаваемого угля и выходного продукта, и скоростях этих потоков. Метод баланса общей массы основывался на разнице масс потоков подаваемого угля и выходного продукта с учетом массы материала, оставшегося в сушильной установке, взятых образцов и одного процента на потери. Полученная разница считалась массой воды, удаленной из угля.
Результаты вычислений, приведенные на фигуре 36, показывают, что была достигнута достаточная близость значений количества влаги, удаленной из угля, которые были получены четырьмя разными методами.
На фигуре 37 приведены данные по составу потока тяжелых частиц для семи испытаний при использовании модифицированной экспериментальной сушильной установки. В испытании 41 были получены наилучшие результаты с содержанием 48% серы и ртути и только 23% БТЕ и 25% от веса. Используя результаты испытания с воздушной отсадочной машиной в модуле 4 мы могли бы ожидать удаления 37% из 48% для ртути 18%, 27% из 48% для серы 13% и 7,1% из 23% для потери БТЕ 1,6%.
Вышеприведенные характеристики и чертежи обеспечивают полное описание структуры и работы установки тепловой обработки в соответствии с настоящим изобретением. Однако изобретение может использоваться и в других сочетаниях, модификациях, вариантах и условиях работы без выхода за пределы его сущности и объема. Например, оно может быть использовано в любых сочетаниях первичных и вторичных источников тепла с использованием псевдоожиженных или других слоев, причем может использоваться как одна, так и несколько ступеней. Кроме того, принцип сушки, описанный в этом изобретении, не ограничивается улучшением качества угля, который должен сжигаться в парогенераторах энергетических установок или промышленных предприятий, но может также применяться для высушивания зернистых материалов для производства стекла, алюминия, целлюлозной массы и в других отраслях. Например, песок, используемый в производстве стекла, может быть высушен и предварительно подогрет в сушильной установке с псевдоожиженным слоем с использованием тепла топочных газов, выходящих из дымовой трубы печи, перед подачей песка в стеклоплавильную печь. Это позволит повысить тепловую эффективность процесса производства стекла. Кроме того, изобретение может быть использовано для регенерации аминовых скрубберов.
В качестве другого примера можно привести использование сушильной установки с псевдоожиженным слоем в качестве обжиговой печи для производства алюминия. Для получения алюминия из бокситовой руды ее необходимо раздробить и просеять в случае необходимости удаления крупных включений, например обломков породы. Затем раздробленный боксит перемешивается в растворе горячей каустической соды в автоклавах для выщелачивания. При этом оксид алюминия, имеющийся в руде, растворяется. После удаления красного шлама с помощью слива и фильтрации раствор каустической соды перекачивается в огромные баки-отстойники, где происходит кристаллизация оксида алюминия. Затем оксид алюминия фильтруется и направляется в обжиговые печи для высушивания и при очень высокой температуре превращается в мелкий белый порошок, глинозем. Предлагаемая в изобретении установка могла бы использоваться в качестве обжиговой печи в этом и других аналогичных процессах.
В качестве еще одного примера для целей иллюстрации можно указать использование источников отработанного тепла в теплицах, в которых выращиваются помидоры и другие сельскохозяйственные культуры. Поэтому описание не должно рассматриваться как ограничивающее изобретение определенной описанной формой.