ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к способам получения жидкого топлива на основе угля и воды - композиционного водоугольного топлива (ВУТ) и может быть использовано в топливной промышленности, энергетике, жилищно-коммунальном хозяйстве и других отраслях промышленности.
Известен технологический комплекс по приготовлению водоугольного топлива из рядового угля (см.1. Зайденварг В.К., Трубецкой К.П., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольного топлива. М. Изд. Академии горных наук, 2001, с.52-56), реализованный на опытно-промышленном углепроводе Белово-Новосибирск. На указанном комплексе оборудование для дробления и классификации представлено молотковыми дробилками крупного и мелкого дробления, вибрационными грохотами с ячейкой 6 мм. В результате предварительно дробленый до кл. 0-3 (6) мм уголь направляется в аккумулирующие бункера, из которых ленточными питателями-дозаторами дозируется в горизонтальные барабанные, шаровые и стержневые мельницы. Одновременно в мельницы дозировано подается вода и реагент-пластификатор. Полученная в мельницах водоугольная суспензия стекает в зумпфы, из которых насосами перекачивается на гомогенизацию (механическую обработку). Механическая обработка осуществляется в смесителях-гомогенизаторах, представляющих собой вращающиеся вокруг вертикальной оси емкости с размещенными внутри них мешалками. Готовое топливо насосами направляется в аккумулирующие емкости (2 шт.).
Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату является способ приготовления водоугольных суспензий для сжигания (см. патент №2178454 от 27.10.2000 г. М. кл. С 10 L 1/32). Согласно
данного способа получение водоугольного топлива осуществляют путем измельчения и классификации угля, подачи классифицированного угля, воды и реагента-пластификатора в вибрационную волновую вертикальную многокамерную вибромельницу с одно- или двухмассной колебательной системой с амплитудой рабочего органа 3-5 мм и частотой колебания 10-30 Гц. Недостатками аналога являются:
- применение энергозатратного двухстадийного измельчения угля последовательно в шаровых, а затем стержневых мельницах (удельная энергоемкость только мокрого измельчения составляет 90-110 кВт × ч/т);
- низкая эффективность гомогенизации за счет применения обычных смесительных устройств.
Недостатками прототипа являются:
- крайне низкая эффективность мокрого измельчения угля в вертикальной многокамерной мельнице (в такой мельнице невозможно «связать-удержать» воду с измельчаемым углем, в результате вода с реагентом-пластификатором, проходя через камеры и промежуточные межкамерные решетки, сливается в приемный зумпф, а уголь остается в камерах мельницы;
- отсутствие гомогенизации полученной после мокрого измельчения водоугольной суспензии;
- сложность и ненадежность вибрационной вертикальной мельницы, состоящей из 5 камер.
Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются:
- устранение недостатков, присущих аналогу и прототипу;
- повышение эффективности мокрого измельчения в вибрационной мельнице;
- повышение качества готового топлива за счет эффективной гомогенизации (механической обработки).
Поставленные задачи решаются тем, что оборудование для мокрого измельчения дробленого угля представлено вибромельницей, состоящей из двух горизонтальных барабанов, расположенных один над другим и гидравлически
связанных между собой патрубком, а зумпф дополнительно оборудован механическим активатором, состоящим из корпуса с перфорированными, имеющими относительную между собой частоту вращения дисками, зазор между которыми и боковыми стенками корпуса , где D - верхний размер крупности твердых частиц в топливе.
Действительно, осуществление мокрого измельчения дробленого угля в присутствии реагента-пластификатора в вибрационной мельнице, состоящей из двух горизонтальных барабанов, расположенных один над другим и гидравлически связанных между собой патрубком, позволяет обеспечить необходимое время для контактирования измельченного угля, воды и реагента-пластификатора с целью эффективного смешивания и измельчения угля в присутствии реагента-пластификатора. При этом обеспечивается достижение верхнего предела измельчения частиц (D) за счет регулирования производительности мельницы. Смесь измельчаемого угля, воды и реагента-пластификатора проходит один горизонтальный барабан вибрационной мельницы, наполненный измельчаемой средой (преимущественно стержнями), затем перетекает в нижний барабан, наполненный преимущественно шаровой измельчаемой загрузкой, где доизмельчается до требуемого размера. В результате обеспечивается высокая эффективность мокрого измельчения угля в присутствии реагента-пластификатора. При этом достигается низкая энергоемкость измельчения угля в горизонтальной вибромельнице, не превышающей 25 кВт ч/т.
Получение в мельнице водоугольной суспензии с требуемым верхним размером D до механической обработки в специальном аппарате обеспечивает:
- надежную работу аппарата механической обработки суспензии -(гомогенизатора) за счет снижения абразивного износа его рабочих поверхностей вследствие отсутствия крупных частиц угля и породы в водоугольной
суспензии (при необходимости перед механической обработкой суспензии может быть установлен фильтр грубой очистки по размеру D);
- в дальнейшем надежную работу форсунок для распыления и сжигания водоугольного топлива за счет исключения их забивания крупными частицами.
Механическая обработка водоугольной суспензии путем гидромеханического воздействия в аппарате, оборудованном перфорированными, имеющими относительную между собой частоту вращения дисками, за счет подачи суспензии через торцовый зазор между корпусом аппарата и дисками, величина которого H≥2D, и полости, образованные в дисках перфорацией, обеспечивают:
- эффективную гомогенизацию водоугольной суспензии с получением стабильного с необходимыми реологическими свойствами водоугольного топлива. Подача суспензии через относительно небольшой торцевой зазор между корпусом и относительно вращающимися перфорированными дисками (один или два из которых могут быть неподвижными, или вращаться в противоположную сторону относительно остальных) и полости, образованные в дисках перфорацией, обеспечивают высокую интенсивность гидромеханической обработки в высокоградиентном щелевом потоке (что достигается высокой относительной частотой вращения близко расположенных дисков), и за счет эффектов кавитации, возникающих в суспензии при ее прохождении полостей перфорации дисков, где происходит резкая смена поля давлений (разрежение - сжатие);
- необходимую надежность аппарата механической обработки суспензии вследствие того, что размер торцевого зазора между корпусом аппарата и дисками Н≥2D, где D - верхний размер частиц угля после мокрого измельчения или грубой классификации и при течении суспензии не пронеходит интенсивного изнашивания рабочих поверхностей при непосредственном взаимодействии потока с корпусом и рабочими поверхностями двух относительно вращающихся дисков.
Технологический комплекс для получения композиционного водоугольного топлива состоит из следующих элементов (фиг.1): склада исходного угля, конвейера 1, дробилки 2, грохота 3, элеватора 4, аккумулирующего бункера дробленого угля 5, питателя-дозатора 6, вибромельницы 7, состоящей из двух горизонтальных расположенных один над другим барабанов 8, гидравлически связанных между собой патрубком 9, баков реагента 10 и технологической воды 11, зумпфа 12 для приема водоугольпой суспензии из мельницы. Зумпф оборудован аппаратом для механической обработки суспензии 13. Аппарат для механической обработки может быть установлен вне зумпфа (на рисунке не показано). Готовое топливо хранится в аккумулирующей емкости 14.
Аппарат для механической обработки водоугольной суспензии (фиг.2) состоит из корпуса 1 и перфорированных дисков 2, вращающихся друг относительно друга. Часть дисков может быть неподвижна, или вращаться в противоположную сторону, как показано на фиг.2. Величина зазора 3 между вращающимися дисками и стенками корпуса составляет Н, где . В дисках выполнены перфорации 4, через которые проходит водоугольная суспензия.
Технологический комплекс работает следующим образом. Исходный уголь по конвейеру 1 подается в молотковую дробилку 2, где дробится до кл. 0-3 (13) мм. Дробленый уголь из приемного бункера 3 ковшовым элеватором 4 направляется в аккумулирующий бункер 5, из которого ленточным питателем-дозатором 6 направляется в горизонтальную вибрационную мельницу 7, состоящую из двух барабанов 8, расположенных один над другим и гидравлически связанных между собой патрубком 9. В питающую воронку верхнего барабана вибромельницы одновременно дозировано подается вода 11 с реагентом-пластификатором 10. Проходя через вибрирующий верхний барабан с измельчающей загрузкой, как правило, состоящей из набора стержней, дробленый уголь смешивается с водой и реагентом-пластификатором и предварительно измельчается. Полученная смесь по патрубку перетекает в нижний барабан, как правило, загруженный шаровой загрузкой или стержнями, диаметр которых меньше диаметра стержней верхнего барабана. Проходя второй барабан и вибрирующую мелющую загрузку, смесь доизмельчается и через разгрузочный патрубок вытекает из мельницы в зумпф 12.
Таким образом, горизонтальные измельчительные барабаны со стержнями или шарами вибромельницы обеспечивают необходимое время для эффективного перемешивания угля с водой и реагентом-пластификатором и получения требуемой крупности (D) суспензии на выходе из мельницы. При этом указанное время зависит от производительности по исходному сырью, массовой доли твердой фазы и исходной крупности материала. Наличие реагента-пластификатора при мокром измельчении обеспечивает эффективное его использование за счет адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) на свежераскрытых поверхностях угольных частиц при их разрушении. При необходимости водоугольную суспензию дополнительно классифицируют (фильтруют) по требуемому верхнему размеру D (как правило, D=200-500 мкм) (на рисунке не показано). Для классификации может использоваться вибрационный грохот с ячейкой, равной D. Верхний продукт классификации
возвращают на склад исходного сырья или в аккумулирующий бункер, а нижний продукт насосом или самотеком направляют в аппарат для механической обработки.
Поступая в аппарат для механической обработки 13 (фиг.1), водоугольная суспензия проходит через торцевой зазор 3 (фиг.2) между корпусом и дисками и полости 5 (фиг.2), образованные перфорацией. При этом водо-угольная суспензия подвергается мощному гидромеханическому воздействию за счет высокоградиентного потока между внутренними поверхностями корпуса и дисками и кавитации в зонах, образующихся в полостях перфорации дисков) при резкой смене поля давлений в них (от разрежения до повышения давления) за счет высокой относительной частоты вращения.
Вследствие указанного гидромеханического воздействия водоугольная суспензия приобретает необходимую стабильность и реологические характеристики.
Размер щели Н≥2D обеспечивает необходимую механическую надежность аппарата для механической обработки водоугольной суспензии, так как минимизирует непосредственный контакт угольных частиц с внутренней поверхностью корпуса и рабочими поверхностями вращающихся с высокой относительной частотой перфорированных дисков. Полученное водоугольное топливо направляется в аккумулирующую емкость 14 (фиг.1) и далее сжигается без дополнительной обработки в топках котлов. При этом используемые для распыления форсунки работают надежно без засорения крупными частицами, отсутствие которых обеспечено настроенной технологией измельчения на верхнюю крупность частиц (D) или используемыми фильтрами-классификаторами грубой и тонкой очистки.
Ниже приведены примеры реализации комплекса для получения композиционного водоугольного топлива в условиях стендовой демонстрационной
установки (г.Новокузнецк) и эксплуатируемой промышленной установки на шахте «Тырганская» (г.Прокопьевск).
В условиях стендовой демонстрационной установки технологический комплекс для получения композиционного водоугольного топлива реализован следующим образом.
Исходный уголь кл. 0-25(100) мм дробится в молотковой дробилке до кл. 0-3 (13) мм. Дробленый уголь засыпается в аккумулирующий бункер, из которого шнековым питателем-дозатором дозировано подается в приемную воронку верхнего горизонтального барабана вибромельницы BMP-60 (фото 1 приложения). Одновременно в воронку направляется через расходомер с регулирующим краном водный раствор реагента-пластификатора. Проходя верхний барабан, получаемая водоугольная суспензия через патрубок поступает в нижний горизонтальный барабан вибромельницы, где доизмельчается. При этом верхний барабан вибромельницы загружается стержнями, а нижний - шарами. Выходящая из нижнего барабана водоугольная суспензия стекает в зумпф, из которого насосом подается на вибросито с ячейкой 0,5×0,5 мм. Нижний продукт классификации собирается в емкость, из которой поступает во входной патрубок аппарата механической обработки (фото 2 приложения). Аппарат механической обработки состоит из корпуса, внутри которого находятся два перфорированных диска, один из которых вращается со скоростью 6000 об/мин, а другой неподвижен. Величина зазора между корпусом и дисками составляет 1 мм. Пропускаемая через аппарат водоугольная суспензия подвергается мощному гидродинамическому воздействию в зазоре между корпусом и дисками и в полостях дисков, образованных перфорацией. В результате из аппарата выходит водоугольное топливо с необходимыми реологическими характеристиками, готовое для длительного хранения, трубопроводного транспортирования и прямого сжигания. В условиях демонстрационной установки полученное водоугольное топливо без дополнительной подготовки непосредственно сжигается в специально оборудованной топочной камере (фото 3 приложения).
В условиях эксплуатируемой промышленной установки на шахте «Тырганская» (г.Прокопьеьск) комплекс для получения композиционного водоугольного топлива реализован следующим образом.
В качестве исходного сырья для приготовления водоугольного топлива используется угольный шлам гидродобычи крупностью 0-0,5 (13) мм, поэтому на установке отсутствует узел предварительного дробления угля. Угольный шлам со склада автотранспортом доставляется на склад установки, где грейфером подается на решетку, расположенную над заглубленным приемным бункером (фото 4 приложения). Из бункера шлам поступает на скребковый конвейер, который подает шлам в ковшовый элеватор. Элеватором шлам загружается в аккумулирующий бункер (фото 5 приложения), из которого он ленточным питателем-дозатором подается на скребковый конвейер (фото 6 приложения), транспортирующий шлам в загрузочную воронку верхнего горизонтального барабана вибромельницы ВМ-400 (фото 7 приложения). Одновременно в загрузочную воронку через расходомер с регулирующим краном дозировано подается водный раствор реагента-пластификатора. Из верхнего барабана водоугольная суспензия через патрубок поступает в нижний горизонтальный барабан вибромельницы, где доизмельчается. Из нижнего барабана водоугольная суспензия сливается в зумпф. Измельчающая среда верхнего барабана вибромельницы - стержни, нижнего - шары. Из зумпфа суспензия насосом подается на через самоочищающийся фильтр в аппарат механической обработки, конструкция которого аналогична используемому на демонстрационной установке. Ширина щели самоочищающегося фильтра - 0,5 мм. Из аппарата механической обработки готовое водоугольное топливо сливается в аккумулирующую емкость.
Таким образом осуществленная практическая реализация предлагаемого технологического комплекса подтверждает высокую эффективность заявленного технического решения.
Результаты работы демонстрационной и промышленной установок представлены в таблице.
Таблица - Результаты работы демонстрационной и промышленной установок
Наименование параметра
Числовое значение
Демонстрационная установка
Промышленная установка
Производительность, т/ч
0,5
2,5
Исходный уголь (марка)
Д, Г, СС и др.
СС<sub>ш</sub>
Крупность исходного угля, мм
0-25(100)
0-0,5(13)
Зольность угля, %
5-40
15-35
Массовая доля твердой фазы, %
58-68
60-68
Крупность частиц в готовом ВУТ, мм
0-0,25
0-0,25
Эффективная вязкость при скорости сдвига 81 с<sup>-1</sup>, мПа × с
200-800
400-800
Стабильность, сут., не менее
10
30