СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБОГОЩЕНИЯ УГЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
COAL THERMAL BENEFICATION AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области химической промышленности к термической переработки угля, в частности к получению из угля высококалорийного твердого топлива (кокса) для металлургии, энергетики и других отраслей промышленности.
Известен целый ряд способов термической обработки углей с использованием техники псевдоожиженного (кипящего) слоя, предназначенных для получения высококалорийного твердого топлива (кокса) преимущественно из бурого угля. Характерным примером является способ термоконтактного коксования угля (способ ТККУ) в кипящем слое (Андрющенко А.К., Попов А.И. Основы проектирования энерготехнологических установок электростанций. - М.: Высшая школа, 1980). Коксование мелкозернистого угля осуществляется в аппарате с кипящим слоем при температуре 550-590°C. При этом подвод тепла в кипящий слой обеспечивается за счет промежуточного теплоносителя, роль которого выполняет образующийся в процессе кокс. Для этой цели рециркулируемая часть кокса нагревается в коксонагревателе за счет сжигания пиролизного газа, образующегося при коксовании угля. Основным продуктом данного способа является мелкозернистый кокс (размер частиц - 0-3 мм). Парогазовые продукты термического разложения угля подвергаются конденсации с выделением смолы и пиролизного газа.
Недостатки данного способа заключаются в экологической опасности технологии, обусловленной токсичностью и канцерогенной активностью ряда веществ (фенолы, полиароматические углеводороды и др.), содержащихся в продуктах термического разложения угля.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является "Способ получения металлургического среднетемпературного кокса (патент РФ №2285715, от 20.07.2005 г.). Данный способ заключается в термоокислительном коксовании бурого угля крупностью 0-15 мм в кипящем слое при температуре 800-900°C с получением высококалорийного твердого топлива - буроугольного кокса.
К основным недостаткам этого способа следует отнести повышенный унос пылевой фракции из кипящего слоя вследствие большой разницы между максимальным и минимальным размерами подаваемых в реактор частиц при расходе дутья, обеспечивающем взвешивание наиболее крупных частиц исходной фракции, и термодробления крупных частиц угля при их ударном нагреве до температуры переработки, а также производство значительного количества побочного тепла, что в совокупности приводит к снижению производительности реактора по коксу.
Известно устройство для переработки твердого топлива, представляющее собой слоевой аппарат шахтного типа, предусматривающий стадию охлаждения коксовой продукции дымовыми газами (патент РФ №2299901, от 27.07.2005 г.). Устройство представляет собой слоевой аппарат шахтного типа, выполненное комбинированным - из верхнего, среднего и нижнего поясов. Верхний пояс состоит из загрузочного люка, выпускного патрубка газа, гидрозатвора и электротермического устройства. Средней пояс состоит из цилиндрического корпуса и водяной рубашки, а нижний пояс выполнен в виде усеченного конуса и состоит из выгрузочного устройства, колосниковой решетки, устройства подвода воздуха и/или охлаждающего газа и термоэлектрических датчиков.
Его недостатками являются периодичность действия и низкая удельная производительность ввиду продолжительного нахождения угля в аппарате (несколько часов), что в совокупности обусловливает высокие удельные капитальные затраты на единицу продукции.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является двухкамерный газогенератор с кипящим слоем для паровоздушной газификации угля (Мерц Р.Х., Боксер В.Б., Латышев В.П., Шабутдинова Ф.В., Иванова Л.А. Двухкамерная паровоздушная газификация иршабородинского угля. - Химия твердого топлива. - №1, 1995. - С.39-42). Однако он предназначен в первую очередь для получения генераторного газа. Его недостатками являются низкая производительность по коксовому продукту, значительный унос и высокая зольность кокса.
Задача изобретения состоит в повышении эффективности и упрощении способа переработки угля, а также повышение экологической безопасности.
Техническим результатом изобретения является: получение из угля высококалорийного (удельная теплота сгорания - 6500-7200 ккал/кг) твердого топлива, кокса.
Указанный технический результат достигается тем, что способ предусматривает в качестве сырья использование угля с влажностью от нулевой до естественной с размером частиц до 40 мм, переработку угля в псевдоожиженном (кипящем) слое последовательно в две стадии, на первой из которых осуществляют подсушивание и, по мере необходимости, обогащение угля путем гравитационной сепарации и удаления пустой породы с использованием воздушного дутья с температурой не более 400°C и добавлением дымовых газов до 100%, а на второй - с использованием воздушного дутья с температурой не более 400°C осуществляют карбонизацию угля при температуре 600÷1000°C, по мере необходимости - с дополнительным гравитационным обогащением.
Устройство для термического обогащения угля выполнено в виде аппарата с кипящим слоем, состоящего из двух сообщающихся камер, первая из которых предназначена для подсушивания и, по мере необходимости, обогащения угля путем гравитационной сепарации и удаления пустой породы и оснащена питателем для подачи угля, колосниковой решеткой с возможностью удаления сепарированной породы, устройством подачи дутья для поддержания псевдоожиженного слоя, системой удаления отработанных газов и приспособлением для транспорта угля во вторую камеру, а вторая предназначена для карбонизации и, по мере необходимости, дополнительного обогащения угля путем гравитационной сепарации и удаления пустой породы и оснащена, помимо колосниковой решетки с возможностью удаления сепарированной породы, устройствами подачи первичного дутья для поддержания псевдоожиженного слоя и вторичного дутья для дожигания горючих компонентов термического разложения угля и газификации кокса, системой утилизации тепловой энергии, системой для удаления дымовых газов и сливным патрубком для выгрузки кокса.
На чертеже схематично изображено устройство для достижения технического результата. Оно содержит две камеры, в первой из которых находятся: питатель - 1, колосниковая решетка - 2, устройство подачи дутья - 3, система удаления отработанных газов - 4 и патрубок для перелива слоя угля - 5. А во второй камере - устройство подачи дутья - 6, устройство подачи вторичного дутья - 7, система утилизации тепловой энергии - 8, система удаления дымовых газов - 9 и выгрузочный патрубок для удаления кокса - 10.
Способ термического обогащения угля и устройство для осуществления способа работают следующим образом.
Подача в первую камеру предварительно измельченного угля с влажностью от нулевой до естественной и размером частиц до 40 мм осуществляется непрерывно с помощью питателя 1. Для псевдоожижения угля в первую камеру через колосниковую решетку 2, конструктивное исполнение которой предусматривает возможность удаления с нее выпадающей при гравитационном обогащении угля пустой породы, с помощью устройства подачи дутья 3 подается подогретый воздух с добавкой дымовых газов. Режим обработки угля в первой камере определяется отношением расхода дутья к расходу угля, температурой дутья (не более 400°C) и соотношением в дутье воздуха и дымовых газов (добавка последних может составлять до 100%). Режим обработки угля в первой камере устанавливается таким образом, чтобы на выходе из нее уголь имел влажность, обеспечивающую минимальное термодробление при поступлении его во вторую камеру с температурой 600-1000°C, а также обеспечивалась гравитационная сепарация пустой породы (по мере необходимости). Отработанный сушильный агент удаляется из первой камеры с помощью системы удаления отработанных газов 4.
Для транспорта угля из первой камеры во вторую применяется любое подходящее для этого приспособление, известное из уровня техники: например, патрубок для перелива слоя (см. 5 на чертеже) или разделительный барьер между камерами.
Во второй камере уголь подвергают термоокислительной обработке при температуре 600÷1000°C за счет частичного его окисления воздухом, а дожигание горючих компонентов термического разложения угля и газификации кокса, а также незначительного количества мелкодисперсного уноса, осуществляют в надслоевой зоне за счет подачи в нее вторичного воздушного дутья. Для этого через колосниковую решетку 2 второй камеры с помощью устройства подачи дутья 6 подают воздушное дутье с температурой не более 400°C, а воздушное дутье в надслоевую зону подают с помощью устройства подачи вторичного дутья 7. По мере необходимости во второй камере также осуществляется дополнительное обогащение угля за счет гравитационной сепарации пустой породы, удаление которой обеспечивается соответствующим конструктивным исполнением колосниковой решетки 2 второй камеры. Тепло от продуктов сгорания и от излучающей поверхности кипящего слоя утилизируется с помощью системы утилизации тепловой энергии 8.
Дымовые газы удаляются из второй камеры с помощью системы для удаления дымовых газов 9. В стационарном режиме работы устройства удаляемые дымовые газы используют для обеспечения необходимых температур дутья в обеих камерах аппарата, а также состава дутья в первой камере. Среднетемпературный кокс из второй камеры выгружается через патрубок 10.
В примере, иллюстрирующем способ термического обогащения угля, использованы результаты балансового испытания бурого угля на стендовой установке ООО «Сибтермо» (г.Красноярск), представляющей собой газификатор с кипящим слоем. Для поддержания кипящего слоя в нижнюю часть газификатора подается воздушное дутье, а в дожигание продуктов термического разложения угля, частичной газификации кокса и пылевидного уноса в надслоевом пространстве осуществляется за счет вторичного воздушного дутья. В газификатор питателем непрерывно подавали уголь марки 2Б разреза «Березовский-1» Канско-Ачинского угольного бассейна фракции 0-15 мм (естественная влажность - около 33%), предварительно подсушенный до влажности 7,0%. Данный уголь не содержит включений пустой породы и не требует обогащения путем гравитационной сепарации пустой породы. Кокс выгружали в заполненные инертным газом охлаждаемые емкости.
В таблице 1 приведены технические показатели работы экспериментальной установки, в таблицах 2 и 3 - характеристики использованного угля и полученного из него продукта - высококалорийного твердого топлива - кокса.
Таблица 1
Технические показатели работы стендовой установки ООО «Сибтермо» (г.Красноярск)
Общее потребление угля:
Удельный расход угля(на рабочую площадь ванны кипящего слоя)
5,6 т/(м<sup>2</sup>·ч)
Температура в зоне термоокислительной обработки
670°C
Теплосодержание угля
32,8 Гкал/(м<sup>2</sup>·ч)
Производство буроугольного кокса:
Удельный выход кокса
2,82 т/(м<sup>2</sup>·ч)
Теплосодержание производимого кокса
20,8 Гкал/(м<sup>2</sup>·ч)
Удельный расход угля, т/т кокса
1,99
Производство тепловой энергии:
Теплосодержание дымовых газов
10,7 Гкал/(м<sup>2</sup>·ч)
Удельный расход угля, т/Гкал
0,52
Всего полезной продукции (100%)
31,5 Гкал/(м<sup>2</sup>·ч)
в том числе:
теплосодержание кокса (66,0%)
23 Гкал/(м<sup>2</sup>·ч)
теплосодержание дымовых газов (34,0%)
20 Гкал/(м<sup>2</sup>·ч)
Энергетический КПД процесса в целом
96%
Таблица 2
Технический и элементный анализ исходного угля
<maths num="1"><math display="block"><mrow><mi>W</mi><msubsup><mtext></mtext><mi>t</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
A<sup>d</sup>
V<sup>daf</sup>
C<sup>daf</sup>
O<sup>daf</sup>
H<sup>daf</sup>
N<sup>daf</sup>
<maths num="2"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>t</mi><mi>d</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
<maths num="3"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000003.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
%
ккал/кг
7,0
4,9
45,0
73,8
19,6
4,9
1,2
0,41
5860
Таблица 3
Технический и элементный анализ полученного кокса
<maths num="4"><math display="block"><mrow><mi>W</mi><msubsup><mtext></mtext><mi>t</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000004.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
A<sup>d</sup>
V<sup>daf</sup>
C<sup>daf</sup>
O<sup>daf</sup>
H<sup>daf</sup>
N<sup>daf</sup>
<maths num="5"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>t</mi><mi>d</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
<maths num="6"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000003.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
%
ккал/кг
н/об
7,7
6,9
93,5
4,2
1,0
1,0
0,28
7120