СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ СУШКИ ПЫЛЕВИДНЫХ ТОПЛИВ, ПРЕЖДЕ ВСЕГО ПОДАВАЕМЫХ НА ГАЗИФИКАЦИЮ ТОПЛИВ
METHOD AND DEVICE FOR DRYING POWDERED FUELS, MOSTLY FUELS SUPPLIED FOR GASIFICATION

Настоящее изобретение относится к способу и установке для сушки пылевидных топлив, прежде всего подаваемых на газификацию топлив, таких как уголь, нефтяной кокс, биологические отходы, указанного в ограничительной части независимого пункта на "способ", соответственно в ограничительной части независимого пункта на "установку" типа.
Подобные способы, соответственно установки известны в различных вариантах их реализации. Так, например, в US 4750434 описаны нагрев и сушка пылевидных частиц, поступающих из мельницы. Способы измельчения и сушки, например, бурого угля описаны помимо прочего в EP 0203059, DE 3724960, соответственно DE 3943366.
3
3
Обычно высушенную пыль отделяют от отходящих газов пылевым фильтром, например тканевым фильтром. Часть отходящих газов сбрасывают при этом в атмосферу, однако известна также возможность смешения части отходящих газов с воздухом и инертными газами и подачи полученной смеси обратно в размольную установку. Количество подаваемых в размольную установку свежих газов обычно выбирают с таким расчетом, чтобы относительное содержание в них кислорода в зависимости от типа топлива составляло от 6 до 10 об.%, а точка росы выходящего из мельницы газа находилась ниже 65°С. Результирующее количество инертного газа составляет, например, 4000 м, а количество выделившегося влажного отходящего газа составляет около 10000 м в пересчете на 1 т испарившейся воды.
4
2
6
3
Поступающий в мельницу газ имеет температуру в пределах от 150 до 450°С, практически до которой нагревается и часть размолотых частиц. При этом уже при температуре ниже 200°С начинается дегазация угля, в процессе которой сначала выделяются CH, CH и CO. При размоле и нагреве нефтяного кокса и подвергнутых обжигу биологических топлив возможно образование целого ряда вредных веществ, например циклических углеводородов, из-за чего при переработке таких альтернативных типов топлив выбросы углеводородов и некоторых отдельных веществ могут превышать предельно допустимые. Удаление подобных вредных веществ из отходящих в исключительно больших объемах газов, например, с расходом 200000 м/ч при подаче угля с расходом 100 т/ч и влажностью 20%, потребовало бы высоких затрат и поэтому оказалось бы также неэкономичным. К недостаткам следует отнести также тот факт, что, например, при сушке бурого угля, влажность которого часто превышает 50%, горячими газами с температурой от 350 до 1000°С образуются летучие компоненты, попадание которых в атмосферу уже недопустимо.
В упомянутых выше литературных источниках отчасти содержится информация о возможности нагрева измельченного угля с использованием теплообменника, погруженного в псевдоожиженный слой, выходящую из которого часть газа, практически полностью состоящего из чистого пара, сжимают при этом до давления в пределах от 3 до 5 бар с целью повышения температуры этого газа, который тем самым можно подавать обратно в теплообменник, погруженный в псевдоожиженный слой. Этот пар конденсируется в теплообменнике, температура теплообменных поверхностей которого при этом должна быть ниже 150°С во избежание выделения продуктов дегазации, и отдает свою теплоту конденсации псевдоожиженному слою. Однако перед подачей в газогенератор с кипящим слоем уголь необходимо вновь подвергать размолу, в связи с чем необходимо использовать в общей сложности две мельницы со сложной и дорогостоящей системой сушки измельченного угля, из-за чего подобные установки для размола и сушки бурого угля гораздо дороже соответствующих установок для аналогичной переработки каменного угля.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача не только устранить рассмотренные выше недостатки, но и прежде всего предложить экономичный способ размола и сушки пылевидных топлив, а также разработать соответствующую установку, уменьшив при этом выбросы вредных веществ и снизив потребность в инертных газах.
В отношении способа указанного в начале описания типа эта задача решается согласно изобретению благодаря тому, что температуру потока транспортирующего/сушильного газа до входа в мельницу повышают путем нагревания пламенем горелки и часть потока транспортирующего/сушильного газа охлаждают и осушают в газоохладителе, первую часть выходящего из которого осушенного газа выбрасывают в атмосферу и/или подают на сжигание, а вторую часть возвращают в поток транспортирующего/сушильного газа.
Отличительная особенность предлагаемого в изобретении способа состоит, таким образом, в том, что часть возвращаемого в процесс газа для снижения его влажности и придания рециркулируемому газу способности к повторному насыщению содержащейся в угле влагой охлаждают в газоохладителе, в качестве которого предпочтительно используют скруббер. При этом часть выходящего из скруббера газа после его очистки, например, сорбентом можно выбрасывать в атмосферу или же направлять на сжигание, соответственно в реактор с катализатором для сжигания выделившихся из топлива углеводородов и других продуктов дегазации и для удаления образовавшихся при сжигании оксидов азота.
Различные варианты осуществления предлагаемого в изобретении способа представлены в относящихся к нему зависимых пунктах формулы изобретения, а также вытекают из пунктов формулы изобретения, в которых заявлена "установка".
Так, например, для компенсации возникающей при очистке/сжигании газа потери давления на выходе из системы можно повышать давление в контуре циркуляции транспортирующего/сушильного газа, однако вместо этого согласно одному из вариантов осуществления изобретения для повышения давления можно также использовать соответствующую газодувку. В соответствии с изобретением оно позволяет экономичным путем полностью удалять вредные вещества из отходящего в небольших объемах газа. Помимо этого к топливу можно безо всяких дополнительных затрат примешивать и подвергать газификации использованный твердый сорбент, например активированный уголь. При этом при высоких температурах, преобладающих в газогенераторах с кипящим слоем, все вредные вещества полностью разлагаются.
В еще одном варианте часть рециркулируемого газа можно нагревать, например, в первом теплообменнике, температуру в котором следует выбирать с таким расчетом, чтобы температура газового потока в контуре циркуляции транспортирующего/сушильного газа после смешения с частью газового потока из скруббера превышала точку росы и чтобы тем самым захваченные в скруббере капли успели испариться, а влажные пылевидные частицы успели высушиться до входа в последующий теплообменник.
В случае возможного прекращения подачи угля горячий газ в мельнице практически не охлаждается. В результате этого по истечении кратчайшего периода времени могло бы произойти разрушение или сгорание рукавных (тканевых) фильтров. Согласно изобретению эту проблему можно устранить, предусмотрев байпас в обход последующего теплообменника. Связанное с этим преимущество состоит в том, что перенаправление подобных газовых потоков обеспечивается гораздо быстрее, чем их охлаждение в теплообменнике, и поэтому тканевые фильтры оказываются эффективно защищены от воздействия высоких температур.
Количество возвращаемого в цикл транспортирующего/сушильного газа согласно изобретению можно дополнительно увеличить, сжигая топливо, поскольку в данном случае из-за отсутствия выбросов в атмосферу продуктов дегазации достижимы гораздо более высокие температуры, чем в обычных размольных установках. Благодаря такому повышению температуры удается уменьшить необходимый объем рециркулируемого газа и тем самым сократить капитальные затраты на установку в части ее аппаратуры, относящейся к контуру циркуляции транспортирующего/сушильного газа.
В качестве среды, в которой происходит процесс горения, согласно изобретению предпочтительно использовать богатый водородом горючий газ и кислород, что, в свою очередь, также приводит к снижению количества отходящего газа.
2
2
В еще одном варианте согласно изобретению можно перед пуском размольной установки при отключенной горелке снижать содержание кислорода в контуре циркуляции транспортирующего/сушильного газа добавлением инертного газа, под которым в данном случае подразумеваются N, благородные газы, CO, но не водяной пар. Расход потребного на эти цели инертного газа при этом согласно изобретению крайне мал даже в том случае, когда при измельчении и сушке обладающего высокой реакционной способностью бурого угля, который способен возгораться уже при температурах выше 40°С, стремятся использовать газ, не содержащий кислород.
Другие отличительные особенности и преимущества изобретения более подробно рассмотрены ниже со ссылкой на прилагаемый к описанию единственный чертеж. На этом чертеже показана схема предлагаемой в изобретении установки.
В показанной на чертеже установке в систему в обозначенном стрелкой 1 направлении подают перерабатываемое топливо, например бурый уголь, который соответствующим транспортером подается в мельницу 2. Мельница 2 одновременно служит для измельчения, сушки и классификации, при этом образующаяся в процессе измельчения высокодисперсная пыль, размер частиц которой составляет менее 0,5 мм, при температуре в пределах от 60 до 120°С пневматически выносится из мельницы и по трубопроводу 21 подается в фильтр 3, отделенное в котором твердое вещество подается в емкость 4, откуда измельченное и высушенное топливо можно тем самым подавать на последующее использование.
Для перемещения транспортирующего/сушильного газа в циркуляционном контуре предусмотрена газодувка 5, которой в последующие части установки подается очищенный газ, часть потока которого при этом по обозначенному позицией 12 трубопроводу подается для охлаждения в скруббер 6, а другая его часть пропускается через теплообменник 11 для нагрева и подается далее по трубопроводу 12а. При этом в теплообменник 11 подается по меньшей мере 15% от всего количества газа, выходящего из газодувки 5.
2
2
Количество газа, подаваемого в теплообменник 11, зависит преимущественно от температуры газа перед его входом в мельницу. При нагреве газа пламенем горелки 17 до высокой температуры в циркуляционном контуре требуется малое количество газа, и поэтому необходимость в отводе газового потока по трубопроводу 12а отсутствует (т.е. из газодувки газ в количестве 100% поступает в скруббер 6). Если же в системе сушки других видов топлив горелка 17 не предусмотрена, а температура в теплообменнике 15 достигает лишь низкого уровня (например, 200°С), то преобладающая часть выходящего из газодувки газа отводится по трубопроводу 12а, и лишь небольшая его часть, например 15%, подается на осушку в скруббер 6. Достигаемое при этом преимущество состоит в отсутствии образования CO в результате горения и в малом количестве CO в трубопроводе 9, благодаря чему для удаления вредных веществ, например хлорированных углеводородов, возможно использование, например, активированного угля.
Образующийся в скруббере конденсат в преобладающем количестве также рециркулируют, а именно: через охлаждающий теплообменник 7, а оставшуюся - избыточную - часть конденсата отбирают из системы по трубопроводу 8.
Необходимо отметить, что теплообменник 7 может быть выполнен в виде составной части скруббера 6. Часть охлажденного в скруббере 6 потока транспортирующего/сушильного газа можно удалять из системы по трубопроводу 9, в котором при необходимости может быть предусмотрена газодувка 21, и, например, как в показанном на чертеже варианте выбрасывать в атмосферу после очистки 10 газа, например, сорбентом, либо подавать в топку для сжигания все еще содержащихся в газе вредных веществ. Существенная часть газа вновь подается по трубопроводу 13 в циркуляционный контур и используется для сушки.
Рециркулируемая часть газового потока, пропускаемая через нагревающий теплообменник 11 в трубопроводе 12а, объединяется с другой частью газового потока, охлажденной в скруббере и отбираемой из него по трубопроводу 13, и после объединения совместно подаются по трубопроводу 14 в следующий, используемый для нагрева теплообменник 15. Из него общий газовый поток подается по трубопроводу 22 на нагрев пламенем горелки 17 и затем в нагретом состоянии поступает в мельницу 2. Трубопроводы для подвода к горелке 17 горючего и кислорода обозначены позициями 18 и 19, а стрелкой 20 обозначен трубопровод для подачи инертного газа в мельницу 2.
Как показано далее на схеме установки, весь объем возвращаемого в цикл газа можно, прежде всего для регулирования его температуры, пропускать в обход теплообменника 15 по байпасу 16, который может также представлять собой конструктивную составляющую часть теплообменника 15.
Ниже принцип действия предлагаемой в настоящем изобретении установки, на которой реализуется предлагаемый в изобретении способ, рассмотрен на примере.
В поступающем на переработку угле 1, подаваемом с расходом, например, 50 кг/с, необходимо уменьшить содержание влаги с 30 до 3 мас.%. При этом влагу необходимо испарять со скоростью 14 кг/с, на что требуется мощность, равная 36 МВт. С учетом иных теплостоков и количества подводимой энергии, затрачиваемой на размол, необходимое количество тепла составляет примерно 40 МВт. Температура рециркулируемого (возвращаемого в цикл) газа составляет 460°С перед входом в мельницу 2 и 105°С после выхода из нее. При удельной теплоемкости газа, равной 40 кДж/(кмоль-К), его для покрытия потребности в тепле необходимо подавать на вход в мельницу 2 с расходом 2,8 кмоля/с. Высушенный уголь улавливается в фильтре 3 в количестве 36 кг/с. Обеспыленный в фильтре 3 газ в количестве 80% подается в скруббер 6.
3
2
При охлаждении газа до 45°С содержание в нем влаги снижается с 35 до 10 об.%, что сопровождается выпадением водяного конденсата в количестве 14 кг/с. Часть осушенного газа в количестве 0,09 кмоля/с (2,5 м/с) направляется на очистку и выбрасывается в атмосферу. Проходящий через теплообменник 11 газ нагревается в нем до 180°С. Температура газового потока (трубопровод 14), образующегося после смешения рециркулируемого газового потока (трубопровод 12а) и поступающего из скруббера газового потока (трубопровод 13), составляет 80°С, а его точка росы составляет 60°С, и поэтому водяные капли, увлекаемые газовым потоком из скруббера 6, успевают испариться до входа в теплообменник 15. В теплообменнике 15 газ нагревается до 234°С. В горелку 17 подается смесь из газообразных CO и H в соотношении 1:1 и кислород (с чистотой 95%) (стрелки 18, 19). Для нагрева отходящего газа до температуры 460°С тепло расходуется в количестве 25 МВт (теплотворная способность).
Наряду с описанными выше согласно изобретению возможны и другие варианты выполнения предлагаемой в изобретении установки, в частности следующие:
2
- вариант, аналогичный рассмотренным выше, но без горелки 17, целесообразно использовать при испарении в мельнице малых количеств влаги и при очистке 10 газа активированным углем, деактивируемым диоксидом углерода (CO), образующимся в качестве продукта горения;
- вариант, аналогичный рассмотренным выше, но без теплообменника 11 для нагрева пропускаемого в обход скруббера газового потока, целесообразно использовать при пропускании газа по трубопроводу 12 в большем количестве, чем по трубопроводу 13, т.е. при испарении в мельнице малых количеств влаги;
- вариант без теплообменников 11 и 15 и без байпаса 16 позволяет снизить капитальные затраты, однако увеличиваются выбросы в атмосферу по трубопроводу 9 после очистки 10 газа и возрастает расход горючего, подаваемого по трубопроводу 18, но при этом не требуется пар;
- вариант со встроенным в скруббер 6 охладителем 8;
- вариант с башенным охладителем в виде теплообменника, поверхность которого орошается/смачивается циркулирующим конденсатом;
- вариант с предусмотренным после скруббера конденсатоотводчиком, оборудованным каплеотделителем;
- вариант, в котором предусмотрена газодувка 21 вместо повышения уровня давления в контуре циркуляции газа;
- вариант, в котором предусмотрено впрыскивание воды вместо байпаса 16;
- вариант с циркуляцией воды через внешний башенный охладитель, например через башенный охладитель энергетической установки, вместо охладителя 7;
- вариант с использованием тепла из теплообменника 7, например, для нагрева холодной воды;
- вариант, в котором отработанная вода в зависимости от ее состава подвергается очистке, например, биологическим способом или путем окисления, непосредственно в башенном охладителе либо подается на очистную станцию;
- вариант с несколькими последовательно установленными скрубберами для более эффективного удаления частиц, присутствующих в небольшом количестве в газе, проходящем по трубопроводу 12, и во избежание образования отложений в теплообменнике 15.