УСТАНОВКА ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОГО КОКСОВАНИЯ
THERMAL-OXIDATIVE CARBONISATION UNIT

Изобретение относится к области энерготехнологической переработки угля, в частности к получению из угля тепловой энергии и кокса для металлургии и других отраслей промышленности. Оно может использоваться в котлах коммунальной и промышленной энергетики, и направлено на рациональное использование твердого топлива.
Известна установка термоокислительного коксования (УТК) Аксуского завода ферросплавов (Страхов В.М. и др. Промышленные исследования процесса термоокислительного коксования на цепных колосниковых решетках. Кокс и химия. №5, 2008, стр.22-28). УТК выполнена на основе типового водогрейного котла КВ-ТС-20 тепловой мощностью 20 Гкал/ч с топкой прямого хода. При этом топочный объём является камерой термоокислительного коксования, причем охлаждаемой, так как она образована экранами котла. Кроме основной продукции – кокса, извлекается тепловая энергия в виде горячей сетевой воды, которая нагревается в экранах и в конвективных поверхностях нагрева котла. Термоокислительное коксование осуществляется в слое угля на движущейся колосниковой решетке прямого хода теплом сжигания летучих веществ и части коксуемой массы угля в потоке воздуха, подаваемого снизу, из зон первичного дутья из-под колосниковой решеткой.
Недостатком этого устройства является низкое качество кокса и низкая эффективность, так как тепловая энергия расходуется не только на прогрев и коксование угля, но и сопровождается передачей заметной части тепла к экранам котла, особенно в режиме запуска УТК. Соответственно имеется заметный пережог коксуемой массы угля для поддержания необходимой в процессе коксования высокой температуры. Эта снижает выход и качество кокса из-за повышения его зольности по мере выгорания углерода. Кроме того, необходимость выработки заданной тепловой мощности в котле КВ-ТС-20 влияет на производство кокса, дополнительно уменьшая качество и производство кокса, если необходим останов котла или минимальная нагрузка, например, в летний период ночью. Для решетки прямого хода также важно организовать стабильное положение границы зажигания слоя, так как в переходных режимах она может сместиться и уйти с погасанием слоя.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, которое выбрано прототипом, является УТК по патенту РФ № 2697472. УТК содержит последовательно установленные бункер угля, камеру зажигания с каналом отвода продуктов сгорания и камеру термоокислительного коксования, которые выполнены из обмуровки, разделены разделительным экраном с завихрительным изгибом и расположены над колосниковой решеткой прямого хода, имеющей на входе регулятор высоты слоя и снизу колосниковой решетки зоны первичного дутья, камеру и транспортер выгрузки и охлаждения кокса. Этот транспортер предназначен для мокрого тушения кокса и выполнен также в виде дорогой и громоздкой колосниковой решетки прямого хода с расположенными над ней форсунками дисперсной подачи воды. Разделительный экран с завихрительным изгибом дает вихревые потоки, интенсивное горение, зажигание слоя угля в камере термоокислительного коксования с поддержанием стабильного положения границы зажигания слоя.
Обе колосниковые решетки в средней части имеют подрезающие планки, которые ворошат движущийся слой кокса. Канал отвода продуктов сгорания открыт в атмосферу. Камеры термоокислительного коксования, зажигания и выдержки кокса и канал отвода продуктов сгорания выполнены из обмуровки, неохлаждаемые. Это снижает выгорание и повышает качество кокса.
Недостатками прототипа являются:
- Низкое качество кокса, так как быстрый разогрев при зажигании угля, а также при мокром тушении кокса уголь и кокс испытывают термические удары, интенсивно и дробятся, и это понижает качество кокса.
- Низкая эффективность, так как нет выработки тепла или пара, и всё выделяющееся тепло, причем без рекуперации сбрасывается в атмосферу.
- Низкая надежность и эффективность, так как неохлаждаемые, выполненные из тяжелой обмуровки камеры термоокислительного коксования, зажигания и выдержки кокса требуют медленного охлаждения и разогрева с пережогом топлива при старте, иначе тяжелая обмуровка лопнет из-за термоударов, а собственная масса обмуровки и фундаментов велики.
- Низкая надежность, подрезающие планки быстро изнашиваются, так как они неохлаждаемые и не имеют шипов (как зубы на ковшах экскаваторов), предварительно ворошащих надвигающийся слой угля или кокса.
Целью изобретения и решаемой технической задачей являются: повышение: выхода кокса, качества кокса, эффективности и надежности УТК.
Технический результат, обеспечивающий решение этой задачи, заключается в том, что в УТК, содержащей последовательно установленные бункер угля, камеру зажигания с соплами вторичного дутья и каналом отвода продуктов сгорания и камеру термоокислительного коксования, которые разделены разделительным экраном и расположены над колосниковой решеткой прямого хода, имеющей на входе регулятор высоты слоя и снизу колосниковой решетки зоны первичного дутья, камеру выдержки кокса и транспортер выгрузки и охлаждения кокса, предлагается стены, контактирующие с топочной средой выполнить охлаждаемыми, в виде экранов, закрытых с наружной стороны теплоизоляцией, а со стороны топочной среды закрытых обмуровкой, но только в зонах поддержания высоких температур: в камере термоокислительного коксования и в верхней части камеры выдержки кокса.
Предлагаемая конструкция стен УТК, контактирующих с топочной средой позволяет решить многие проблемы. Во-первых, экраны охлаждаются и воспринимают нагрузку от веса обмуровки и теплоизоляции, причем они минимизируют их толщину и вес за счет собственного отвода тепла и поэтому создают легкую, надежную конструкцию стен и потолков. Обмуровка и теплоизоляция тонкие, легкие, поэтому габариты и вес УТК и её фундаментов резко снижаются, что повышает надежность и эффективность УТК.
Во-вторых, там, где необходима высокая топочная температура (камера термоокислительного коксования и верхняя часть камеры выдержки кокса) экраны закрыты обмуровкой, их тепловосприятие минимально, поэтому не требуется дополнительного сжигания коксуемой массы для поддержания нужной температуры, этим повышается выход и качества кокса, а также эффективность работы УТК.
В-третьих, в нижней части камеры выдержки кокса и в канале отвода продуктов сгорания, где требуется охлаждение экраны открыты, что обеспечивает теплосъем, повышая эффективность УТК за счет утилизации тепла.
В дополнительном п.2 предлагается в УТК под бункером угля и питателем топлива до камеры зажигания установить камеру сушки, которая подключена снизу к тракту подачи горячего дутья, а сверху к тракту удаления паров влаги топлива, соединенному через дымосос с соплами вторичного дутья камеры зажигания. Такое техническое решение позволяет организовать управляемый за счет работы дымососа процесс нагрева и сушки угля. Это процесс постепенного, без термоудара, нагрева потока угля горячими дутьем и подсасываемыми из камеры зажигания газами, протекающий без термического растрескивания частиц угля и без затрат на эти процессы тепла сгорания коксующейся массы, что повышает и качество и выход кокса.
В дополнительном п.3 предлагается в разделительном экране установить каналы коксового газа, которые, как и сопла вторичного дутья, направлены в камеру зажигания, причем с наклоном на слой угля и тангенциально к условным осям формируемых в камере зажигания вертикальных вихрей, по меньшей мере, одного. При этом за счет направленных тангенциально (не радиально) к условным осям формируемых вертикальных вихрей каналов коксового газа и сопл вторичного дутья создаются вертикальные горящие вихри, один, два и более. В совокупности с наклоном струй на слой угля и охлаждением камеры зажигания открытыми экранами вихри обеспечивают, во-первых, проникание горения в слой и интенсивное воспламенение слоя угля, а во-вторых, также и дожигание выходящих продуктов неполного сгорания в факелах. При этом дожигание за счет охлаждения экранами без высокой температуры, с низкой эмиссией оксидов азота и без шлакования стен, экологически эффективно, с устойчивым зажиганием от вихревых факелов входящего слоя угля.
Дополнительный п.4 конкретизирует схему повышения эффективности УТК за счет утилизации тепла при использовании котла, парового или водогрейного, с включением экранов и конвективных поверхностей нагрева в его контуры циркуляции, причем канал отвода продуктов сгорания имеет также параллельно подключенный к атмосфере через откидной клапан и байпас. Применение котла с воздухоподогревателем и калориферами повышает качество кокса, и эффективность УТК за счет рекуперации, возврата тепла с горячим дутьем на сушку угля и коксование с соответствующим уменьшением выгорания кокса. Включение калориферов в контуры циркуляции котла со сбросом тепла на подогрев избыточного воздуха повышает выход кокса в режиме снижения потребляемой нагрузки котла. Подключение к атмосфере канала отвода продуктов сгорания через откидной клапан и байпас, минуя конвективные поверхности нагрева, дополнительно обеспечивает:
- растопку и вывод в режим УТК с повышением качества кокса;
- вывод энергии взрыва горючих газов в нерасчетных режимах работы повышает надежность работы УТК;
- вывод избыточного тепла с горячими продуктами сгорания через откидной клапан и байпас в атмосферу помимо конвективных поверхностей нагрева котла, что позволяет сохранить производства кокса при снижении потребления энергии. УТК может работать и со сбросом всего неиспользуемого тепла в атмосферу, но более эффективно, чем прототип, так как часть тепла используется при сушке угля и производстве кокса.
В дополнительном п.5 предлагается канал отвода продуктов сгорания выполнить вертикальным, заканчивающимся дымовой трубой, что позволяет повысить эффективность УТК за счет использования самотяги для удаления продуктов сгорания из котла, причем в соответствии с п.4, возможно и через откидной клапан и байпас, минуя конвективные поверхности нагрева котла.
В дополнительном п.6 предлагается поперек колосниковой решетки, в её конце и/или над камерой выдержки кокса расположить загрузчик порций измельченного коксующегося угля, камеру выдержки кокса предлагается оформить в виде зигзагообразного канала, причем её нижнюю выполнить экранами котла и включить в тракт рециркуляции коксовых газов через пылеуловитель, дымосос рециркуляции и калориферы. При попадании порций частиц коксующегося угля между раскаленными кусками отожженного угля, они будут выделять смолы, склеивать горячие частицы угля, в том числе недефицитного неспекающегося и/или слабоспекающегося. При дальнейшем прогреве смолы застывают, образуя куски более качественного кокса, что повышает эффективность УТК. При этом кокс выдерживается при высокой температуре в верхней части, набирая прочность, пересыпается с перемешиванием и разрушением наиболее крупных кусков при движении вниз в зигзагообразном канале. Далее, причем только в нижней части камеры выдержки кокса, кокс охлаждается экранами и рециркуляцией коксовых газов перед выгрузкой, обеспечивая высокое качество кокса и полезное использования тепла с повышением эффективности УТК.
В дополнительном п.7 предлагается применить мокрое тушение кокса на более простом и дешевом в сравнении с прототипом пластинчатом транспортере выгрузки и охлаждения кокса с расположенной сверху системой дисперсной подачи воды и надежно работающими охлаждаемыми подрезающими планками, которые оснащены направленными встречно движению транспортера шипами и перемешивают смоченный слой кокса. Это повышает равномерность охлаждения кокса по толщине слоя и надежность УТК.
В дополнительном п.8, в отличии от п.7, предлагается применить сухое тушение кокса в закрытом транспортере скребкового типа с охлаждаемой водой рубашкой. Кондуктивное охлаждение кокса не сопровождается увлажнением и термоударом. Это не только повышает качество кокса, но и эффективность УТК, так как тепло кокса используется для подогрева воды.
В дополнительном п.9 (как и в п.7) предлагается установить в камере термоокислительного коксования с зазором 10-15 мм от поверхности решетки подрезающие планки. Эти планки, в отличии от прототипа, охлаждаемые, оснащены, направленными против движения слоя шипами. Поэтому они меньше изнашиваются, более надежны, подрезают и перемешивают слой, обеспечивая равномерное пропекание (охлаждение, п.7) слоя, что повышает качество кокса.
В дополнительном п.10 предлагается камеру термоокислительного коксования подключить трактом горючих газов через пылеуловитель к конденсатору жидкой фазы и далее к сбросным соплам, которые установлены в камере зажигания с наклоном на слой угля и направлены тангенциально к условным осям формируемых в камере зажигания зажигающих вихрей. При охлаждении выделяющегося в камере термоокислительного коксования парогазового потока летучих, его значительная часть выделяется в конденсаторе, в виде горючей жидкости и сжигается только их часть, неконденсирующиеся горючие газы. Это позволяет увеличить производительность УТК по коксу за счет снижения выработки тепла, так как значительная часть теплоты сгорания не выделяется в котле. Горючая жидкость может использоваться как печное топливо или товарный продукт, что дополнительно усиливает независимость выработки кокса и тепловой энергии с соответствующим повышением эффективности УТК.
Изобретение иллюстрируется общей технологической схемой, приведенной на фиг.1 и горизонтальным сечением, на фиг.2, на котором поясняются схемы организации вихревой аэродинамики в камере зажигания, конденсации горючих газов и предварительной сушки и нагрева угля.
УТК содержит, установленные последовательно по ходу угля и кокса, бункер угля 1, питатель угля 2, камеру сушки 3, которая заканчивается на колосниковой решетке 4, прямого хода, имеющей регулятор высоты слоя5, слой 6 и зоны первичного дутья 7, расположенные под колосниковой решеткой 4 и слоем 6. Над колосниковой решеткой 4 расположены камера зажигания 8 с соплами 9 вторичного дутья, переходящая в канал 10 отвода продуктов сгорания с конвективными поверхностями нагрева 11, включая воздухоподогреватель 12 котла 13, и камера термоокислительного коксования 14 с загрузчиком 15 измельченного коксующегося угля. При этом камеры зажигания 8 и термоокислительного коксования 14 отделены разделительным экраном 16. Далее расположены камера выдержки кокса 17, которая может быть выполнена в виде зигзагообразного канала и простой транспортер 18 пластинчатого типа. Над транспортером 18 находятся система дисперсной подачи воды 19 и установленная с зазором 10-15 мм от поверхности полотна охлаждаемая подрезающая планка 20, оснащенная, направленными встречно движению транспортера шипами, причем такая же подрезающая планка 20, или две, установлены и над колосниковой решеткой 4. Для выгрузки и охлаждения кокса предлагается применить и более эффективный транспортер скребкового типа с охлаждаемой водой рубашкой, с сухим охлаждением (не показан).
Работа УТК связана с высокой температурой, выделением и утилизацией больших потоков тепловой энергии. Поэтому здесь предлагается надежная, мало подверженная тепловым расширениям, конструкция, выполненная охлаждаемыми разделительным 16 экраном и внешними экранами 21 с наружной теплоизоляцией 22. Экраны 16 и 21 вместе с конвективными поверхностями нагрева 11 и калориферами 23, 24 и 25 включены в контуры циркуляции котла 13, парового или водогрейного. При этом экраны 16 и 21, расположенные в высокотемпературной зоне, закрыты плитами обмуровки 26, которые закрепленными шпильками 27 на экранах. Соответственно, где требуется охлаждение: в камере зажигания 8, в канале отвода продуктов сгорания 10 и в нижней части камеры выдержки кокса 17 экраны 16 и 21 открыты для восприятия тепла со стороны топочной среды.
УТК также имеет контуры циркуляции и тракты сброса и подачи воздушных, паровых, газовых и парогазовых потоков:
- канал 10 отвода продуктов сгорания и соответственно камера зажигания 8 через откидной клапан 28 и байпас 29 подключены к атмосфере;
- камера сушки 3 подключена снизу к тракту подачи горячего дутья 30, а сверху к тракту удаления паров влаги 31 топлива с дымососом 32 и соплами 9 вторичного дутья;
- камера выдержки кокса 17, в нижней части включена в тракт рециркуляции коксовых газов 33 через пылеуловитель 34, дымосос рециркуляции 35 и калориферы 23;
- камера термоокислительного коксования 14, фиг.2, подключена трактом горючих газов 36 через пылеуловитель 34, конденсатор 37 жидкой фазы, дымосос 32 и сбросные сопла 38 к камере зажигания 8;
- камера термоокислительного коксования 14 имеет каналы коксового газа 39, которые, как и сопла 9 вторичного дутья и сбросные сопла 38, направлены с наклоном на слой 6 угля и тангенциально к условным осям вращения 40 формируемых в камере зажигания 8 вертикальных вихрей 41;
- дутьевой вентилятор 42 котла через калорифер 25 и воздухоподогреватель 12 подключается к точки раздачи трактом подачи горячего дутья 30;
- котел 13 включен по дымовым газам через пылеуловитель 34 и основной дымосос 43 к дымовой тубе 44, а обратной 45 и прямой 46 линиям в тепловую сеть.
Работа УТК. Розжиг угля осуществляется разово дровами или переносной газовой горелкой. В УТК подается уголь и воздух и сбрасываются дымовые газы, а производятся: кокс, печное топливо и тепловая энергия. При работе УТК из бункера угля 1, питателем угля 2 через камеру сушки 3 дозируется уголь, движущийся далее на колосниковой решетке 4 в слое 6 с толщиной, устанавливаемой регулятором высоты слоя 5. Дутьевой вентилятор 42 котла 13 через зоны первичного дутья 7 под слой 6, в сопла 9 вторичного дутья и камеру сушки 3 нагнетает подогретый в калорифере 25 и в воздухоподогревателе 12 воздух по тракту подачи горячего дутья 30. Образующиеся дымовые газы, поступающие из котла 13, очищаются в пылеуловителе 34 и подаются основным дымососом 43 в дымовую тубу 44. При растопке УТК и для сброса энергии взрыва горючих газов открывается откидной клапан 28, и дымовые газы отводятся на рассеивание в атмосфере через байпас 29.
Для эффективности УТК важна максимальная независимость работы двух её технологий: технологии производства кокса и технологии генерации тепловой энергии. С этой целью через откидной клапан 28 и байпас 29 с горячими продуктами сгорания может выводиться избыточное тепло, обеспечивая производство кокса при снижении нагрузки котла вплоть до сброса всего неиспользуемого тепла в атмосферу. Кроме того в контуры циркуляции котла 13 могут быть включены калориферы 24 для сброса тепла на подогрев внешнего и дутьевого воздуха. Эти меры повышают выход кокса в режиме снижения потребления энергии. Производство кокса также можно увеличить за счет конденсации и вывода через конденсатор 37 части горючих газов в виде горючей жидкости. При этом в камере зажигания 8 сжигаются только не сконденсировавшиеся конденсаторе 37 горючие газы, которые подаются в неё через сбросные сопла 38 по тракту горючих газов 36 через пылеуловитель 34 дымососом 32, а жидкость, это печное топливо, товарный продукт. В итоге, производство кокса и тепловой энергии в предлагаемой УТК почти не зависимы и её работа эффективна.
Основной товарный продукт – кокс выгружается из камеры выдержки кокса 17 транспортером 18 пластинчатого типа с мокрым тушением кокса системой дисперсной подачи воды 19 и при активном перемешивании и охлаждении смоченного слоя охлаждаемой подрезающей планкой 20. При этом, направленные встречно движению транспортера, шипы облегчают разрушение и ворошения слоя (как зубы на ковше экскаватора), защищают подрезающую планку 20 от износа. За счет применения в схеме УТК котла 13 с разделительным 16 и внешними экранами 21, конвективными поверхностями нагрева 11 и воздухоподогревателем 12 генерируется второй товарный продукт – тепловая энергия. Она затрачивается на подогрев теплоносителя, который поступает в котел 13 по обратной 45, а отводится в горячем виде по прямой 46 линии в тепловую сеть. При этом потери тепла в котле 13 и УТК минимальны, так как внешние экраны 21 с наружной стороны закрыты наружной теплоизоляцией 22. Остальные, внутренние потоки служат для повышения выхода и качества кокса.
В камере сушки 3 через засыпку проходящего угля снизу, из тракта подачи горячего дутья 30 подается горячий воздух, который сушит, постепенно прогревает уголь и по тракту удаления паров влаги 31 дымососом 32 подается через сопла 9 вторичного дутья в камеру зажигания 8. При этом дымосос 32 регулируемо подсасывает через слой 6 угля, находящегося на колосниковой решетке 4 и выходящего из-под регулятора высоты слоя 5 также раскаленные дымовые газы из камеры зажигания 8. Их поток окончательно разогревает и частично воспламеняет слой 6 угля. При этом большой объём камеры сушки 3 обеспечивает длительное пребывание угля в ней и соответственно медленный его прогрев до высокой температуры без термоутара и растрескивания частиц.
Затем уголь перемещается через камеру зажигания 8, в которую по каналам коксового газа 39 и сбросным соплам 38 подаются горючие газы, а через сопла 9 вторичного дутья поступает вторичное дутье и продукты сушки. При этом сопла 9, 38 и каналы 39 направлены с наклоном на слой 6 угля и тангенциально к условным осям вращения 40 формируемых в камере зажигания 8 вертикальных вихрей 41. Это обеспечивает закрутку вихрей 41 и интенсивные факелы горения коксового газа, проникающие в слой угля. Два горящих вертикальных вихря 41, фиг.2, дают устойчивое зажигание слоя угля, а также интенсивное охлаждение уходящего потока с восприятием тепла открытыми экранами 16 и 21 в камере зажигания 8 и в канале 10 отвода продуктов сгорания. Дымовые газы после охлаждения конвективными поверхностями нагрева 11 и воздухоподогревателем 12 сбрасываются через дымовую тубу 44.
Далее слой 6 угля после прохода под разделительным экраном 16 попадает, в высокотемпературную зону, в камеру термоокислительного коксования 14, теплоизолированную изнутри закрепленными шпильками 27 на экранах плитами обмуровки 26. Здесь осуществляется термоокислительная обработка угля при температуре 1000-1200°С, которую поддерживают за счет горения летучих и коксового остатка подколосниковым дутьем через зоны первичного дутья 7. При этом подрезающие планки 20 при перемещении колосниковой решетки 4 подрезают и перемешивают слой 6 угля, равномерно распределяя горение по поверхности и в объёме слоя 6, обеспечивая равномерное пропекание всего слоя сырья и получение полукокса.
После прохождения колосниковой решетки 4 полукокс ссыпается в камеру выдержки, одновременно перемешиваясь с порциями измельченного коксующегося угля, которые подаются загрузчиком 15, установленным поперек колосниковой решетки 4, в её конце или над камерой выдержки кокса 17. При попадании порций частиц коксующегося угля между раскаленными кусками угля, они будут разогреваться, выделять смолы и склеивать находящиеся рядом частицы угля, в том числе недефицитного неспекающегося и/или слабоспекающегося, образуя из них куски качественного кокса, что повышает эффективность УТК.
В камере выдержки кокса 17 осуществляется термическая выдержка кокса для окончательного вывода летучих с увеличением структурной прочности кокса при постепенном гравитационном продвижении за счет собственного веса кокса по зигзагообразному каналу с разрушением при пересыпке наиболее крупных кусков кокса на поворотах. В нижней части камеры выдержки кокса 17 кокс постепенно охлаждается открытыми экранами 21 и рециркуляцией охлажденных в калорифере 23 коксовых газов, подаваемых по тракту рециркуляции коксовых газов 33 с помощью дымососа рециркуляции 35, что обеспечивает высокое качество кокса и полезное использования тепла, повышая этим эффективность УТК. Далее кокс доохлаждается и выгружается с мокрым тушением кокса на транспортере 18, как было описано выше, или в транспортере скребкового типа с охлаждаемой водой рубашкой при более эффективном сухом тушении кокса.
Таким образом, в сравнении с прототипом, патент РФ № 2697472, предлагаемое изобретение обеспечивает заявляемые повышение выхода и качества кокса, повышение эффективности и надежности УТК за счет использования рассмотренных технических решений.