Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АКТИВИРОВАНИЯ УГОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ В ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЕ

Изобретение относится к области промышленной теплоэнергетики и может быть использовано в производстве активного угля.

Известен способ активирования порошкообразного угля с нефракционированными по размеру частицами путем непрерывного ввода и нагрева газовым факелом, выделения и сжигания легких и тяжелых фракций летучих веществ в реакторе с пересыпающимся слоем противотоком факелу-нагревателю и газообразным продуктам сгорания, струям воздуха и пара, последующего охлаждения в вынесенных охладителях готового продукта (X. Кинле, Э. Бадер. Активные угли и их промышленное применение. Химия, Л., 1984, с.50-53).

Недостаток способа - большие расход газа на нагрев и потери теплоты в процессе активирования угля, в том числе с активируемым материалом при выгорании мелких пылевидных фракций.

Известен способ нагрева, выделения и выжигания летучих веществ порошкообразного угля в инверторных реакторах с вводом через потолочное перекрытие и боковые горизонтальные патрубки исходного материала, воздуха, струй пара и инертного газа, балластирующих зоны реагирования и замедляющих процесс горения (Ю.Л. Маршак. Топочные устройства с вертикальными циклонными предтопками. Энергия, М., 1966, с.20-130).

Недостаток способа - также большие расход газа и потери теплоты, в том числе с выгораемыми мелкими фракциями угля.

Известен способ активирования фракционированных по размеру частиц порошкообразного угля путем ввода в реактор исходного материала вертикально-щелевыми потоками в смеси с продуктами сгорания и его нагрева спутными вертикально-щелевыми газовыми факелами (патент РФ №2306484; F23C 1/12 от 13.06.2006 г.; Б.И. №26, 2007 г.).

При активировании фракционированных по размеру частиц с использованием способа в отсутствии мелочи существенно снижается обгорание коксовой основы угля. Однако сохраняется прежний недостаток - перерасход газа на нагрев и значительные потери теплоты процесса активирования.

Известен способ активирования фракционированных по размеру частиц порошкообразного угля путем их ввода вертикально-щелевыми потоками в смеси с продуктами сгорания и нагрева спутными вертикально-щелевыми газовыми факелами в горизонтальных камерно-факельных нагревателях, выделения и сжигания легких и тяжелых фракций летучих веществ при взаимодействии с газообразными продуктами сгорания, воздухом и паром в инверторных реакторах, охлаждения воздухом в кипящем слое с одновременным отводом теплоты поверхностному теплообменнику (X. Кинле, Э. Бадер. Активные угли и их промышленное применение. Химия, Л., 1984, с.177-179, рис.10.89).

Недостаток способа - значительные расход газа и потери теплоты процесса активирования.

Известен способ активирования угольных частиц в вертикальной осесимметричной кольцевой камере путем порционной загрузки надподового участка предварительно фракционированными по размеру частицами, нагрева, вывода влаги и летучих веществ, а также охлаждения при организованном подъемно-опускном кольцевом циркуляционном движении частиц нагретыми и охлажденными дымовыми газами и паром, вводимыми со стороны потолочного перекрытия осевыми вертикально-опускными потоками, отводом в процессе активирования и сбросом в топку теплопроизводящей установки газообразных продуктов активирования, порционной выгрузки активированных охлажденных частиц из надподового участка (Теплоэнергетика и теплотехника. Справочник. Книга 4. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Под общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина, М.: Энергоатомиздат, 1983, с.202-204, рис.2.89, табл.2.87-2.91).

Недостаток способа - значительные расходы газа, воздуха и потери теплоты.

Известен способ активирования угольных частиц в вертикальной осесимметричной кольцевой камере путем порционной загрузки надподового участка предварительно фракционированными по размеру частицами, нагрева, вывода влаги и летучих веществ, а также охлаждения при организованном подъемно-опускном кольцевом циркуляционном движении частиц нагретыми и охлажденными дымовыми газами и паром, вводимыми со стороны потолочного перекрытия осевыми вертикально-опускными потоками, отводом в процессе активирования и сбросом в топку теплопроизводящей установки газообразных продуктов активирования, порционной выгрузки активированных охлажденных частиц из надподового участка (Двухзонная модель аэродинамики, тепломассобменных процессов и горения в надслоевом пространстве топки и котла с циркулирующим кипящим слоем / Б.Б. Рохман // Теплоэнергетика, №9, 2005, с.35-43). К особенности способа относится циркуляция выносимых из топки угольных частиц с возвратом по внешнему трубопроводу в подъемный слой газовоздушной смеси со свежими частицами.

Недостаток способа - большие потери материала и теплоты с непрерывно вдуваемыми и обгораемыми мелкими частицами, выносимыми из слоя горячими газами.

Известен наиболее близкий способ активирования угольных частиц в вертикальной осесимметричной кольцевой камере путем порционной загрузки надподового участка предварительно фракционированными по размеру частицами, нагрева, вывода влаги и летучих веществ, а также охлаждения при организованном подъемно-опускном движении частиц нагретыми и охлажденными дымовыми газами и паром, вводимыми со стороны потолочного перекрытия осевыми вертикально-опускными потоками, отводом в процессе активирования и сбросом в топку теплопроизводящей установки газообразных продуктов активирования, порционной выгрузки активированных охлажденных частиц из надподового участка (Б.А. Кондорф. Техника высоких давлений в химии. ГосНТИ химической литературы, М-Л., 1952, с.83-102).

Способ, реализуемый в аппаратах периодического действия, в частности, в камерах автоклавного типа с привязкой к действующему теплопроизводящему оборудованию более экономичен в сравнении со способами, осуществляемыми в аппаратах непрерывного действия. Недостаток данного способа - невысокое качество готового активированного продукта, пониженная сорбционная активность.

Техническая задача изобретения - добиться максимального удаления летучих веществ из частиц угля при минимальном обгорании коксового остатка, обеспечивающих максимальную сорбционную активность выпускаемого продукта.

Для решения поставленной задачи при осуществлении способа активирования угольных частиц в вертикальной осесимметричной кольцевой камере путем порционной загрузки надподового участка предварительно фракционированными по размеру частицами, нагрева, вывода влаги и летучих веществ, а также охлаждения при организованном подъемно-опускном кольцевом циркуляционном движении частиц нагретыми и охлажденными дымовыми газами и паром, вводимыми со стороны потолочного перекрытия осевыми вертикально-опускными потоками отводом в процессе активирования и сбросом в топку теплопроизводящей установки газообразных продуктов активирования, порционной выгрузки активированных охлажденных частиц из надподового участка, согласно изобретению, циркуляцию частиц в подъемно-опускном кольцевом потоке организуют вводимыми в кольцевую камеру осевыми вертикально-опускными потоками вначале нагретых дымовых газов, затем смеси нагретых дымовых газов и пара, по окончании охлажденных дымовых газов, при этом объем загружаемых порций угольных частиц составляет V_у=(0,1-0,7)V_к объема кольцевой камеры, м³, скорость среды в подъемной ветви циркулирующего кольцевого потока равна w_п=(0,1-0,6)w₀ скорости осевого вертикально-опускного потока дымовых газов и пара, м/с, а долю кислорода во вводимых осевых вертикально-опускных потоках поддерживают на уровне О₂=(0,04-0,16).

Нагрев частиц, вывод из них влаги и летучих веществ в циркулирующем подъемно-опускном кольцевом потоке, организуемом вначале нагретыми дымовыми газами, а затем смесью нагретых дымовых газов и пара, а также последующее охлаждение частиц также в циркулирующем подъемно-опускном кольцевом потоке, организуемом дымовыми газами с поддержанием обозначенных диапазонов V_у=(0,1-0,7)V_к; w_п=(0,1-0,6)w₀; О₂=(0,04-0,16) обеспечивают наиболее благоприятные условия активирования с минимизацией остаточного содержания летучих веществ и обгара коксового остатка, что повышает качество активируемого продукта, его сорбционную активность и решают поставленную задачу изобретения. Исключение одного из перечисленных условий или отклонение любого из параметров V_у, w_п, О₂ хотя бы на 1% в большую или меньшую сторону влечет резкий скачкообразный прирост остаточного содержания летучих веществ в конечном продукте, либо доли обгара коксового остатка с увеличением потребляемого расхода теплоносителя и собственных нужд на ведение процесса активирования, в связи с чем заявляемые диапазоны параметров V_у=(0,1-0,7)V_к; w_п=(0,1-0,6)w₀; О₂=(0,04-0,16) являются оптимальными.

Предлагаемый способ реализуется в установке, поясняемой чертежами.

На фиг.1 представлена схема камеры активирования угольных частиц периодического действия, продольный разрез в период загрузки исходного материала; на фиг.2 - та же камера в период активирования угольных частиц; фиг.3 - та же камера при разгрузке готового активированного продукта; на фиг.4 - схема энергокотла, вырабатывающего пар, в частности, для паротурбоэлектрогенератора, со всомогательным оборудованием и камерой активирования угольных частиц периодического действия; на фиг.5 - разрез А-А на фиг.4; на фиг.6 - вид Б на фиг.4.

Камера активирования 1 угольных частиц 2 с вертикальной осью симметрии k на фиг.1, 2, 3 содержит вертикальную цилиндрическую стену 3, потолочное и подовое перекрытия 4 и 5 соответственно, встроенный со стороны потолочного перекрытия 4 вдоль оси k цилиндрический патрубок 6 для ввода дымовых газов 7 и пара 8, патрубок 9 для порционной засыпки (подачи) угольных частиц 2 исходного физико-химического состава, патрубок 10 для вывода газообразных продуктов 11 активирования с фильтром 12 и системой его продувки 13; патрубки 6, 9, 10 оснащены газоплотными клапанами 14, 15, 16 соответственно; камера 1 имеет внешнюю рубашку охлаждения 17, повторяющую профили вертикальной стены 3, потолочного и подового перекрытий 4, 5; рубашка 17 оснащена патрубками 18, 19 с газоплотными клапанами 20, 21 для ввода и сброса охлаждающего агента 22 соответственно; между рубашкой 17 и элементами 3, 4, 5 камеры 1 выполнен зазор 23 для циркуляции охлаждающего агента 22; внешняя нижняя часть рубашки 17 оснащена системой герметизации 24 и выгрузки активированного материала, в частности, в виде подооткидного устройства 25. Для ведения ремонтных работ предусмотрена также верхняя разъемная система герметизации 26. Пространство между вертикальной цилиндрической стеной 3 и цилиндрическим патрубком 6 образует кольцевую полость 27 объемом V_к, загружаемую на фиг.1 исходным материалом объемом V_у, выступающей в качестве рабочей в процессе активирования на фиг.2.

При работе камеры 1 реализуется заявленный способ активирования угольных частиц 2. Перед началом активирования согласно фиг.1, 4 камеру 1 герметизируют уплотняющими системами 24, 26. По патрубку 9 вводят исходную порцию предварительно фракционированных по размеру частиц 2, после чего патрубок 9 перекрывают газоплотным отсекателем 15; далее согласно фиг.2, 4, 5, 6 открывают газоплотный клапан 14 и по патрубку 6 в камеру 1 подают нагретые дымовые газы 7 и пар 8; по патрубку 18 в зазор 23 между рубашкой 17 и элементами 3, 4, 5 камеры 1 после открытия клапана 20 подают охлажденные дымовые газы 22; для вывода газообразных продуктов 11 из камеры 1 открывают клапан 16 на патрубке 10, а для отвода дымовых газов 22 из зазора 23 открывают клапан 21 на патрубке 19. Осевой вертикально-опускной поток 28 нагретых дымовых газов 7 формирует в кольцевом пространстве камеры 1 подъемно-опускное циркуляционное движение многофазной среды из газа 7, пара 8, частиц активируемых 29 с образованием подъемной и опускной ветвей 30 и 31 циркулирующего кольцевого потока 32; избыток газообразных продуктов 11 выводится через патрубок 10 с фильтром 12 и клапаном 16; при забивании фильтра 12 осуществляют его продувку, выполняемую при работе или останове камеры 1; сброс отводимых газообразных продуктов 11 осуществляют в топку 33 теплопроизводящей установки, в частности, согласно фиг.4, 5, 6 котла 34; туда же через патрубок 19 с клапаном 21 выводят отработанные дымовые пазы из зазора 23 между рубашкой 17 и элементами 3, 4, 5 камеры 1. По окончании активирования перекрывают клапаны 14, 16, 20 на патрубках 6, 10, 18, 19 и, согласно фиг.3, 4, производят разгерметизацию камеры 1 с помощью узлов 24 и с опрокидыванием подового перекрытия 5 при помощи механизма 25.

Для ведения процесса активирования составляется режимная карта, увязывающая начальные физико-химические характеристики частиц с их размером, температурой и временем активирования, составом активируемого агента. Общим для всех видов активируемых частиц является заявленная новая особенность способа: после начальной продувки нагретыми дымовыми газами 7 производят переход к продувке смесью нагретых дымовых газов 7 и пара 8 с подачей последней по тому же патрубку 6, а по завершении определенного временного периода начинают продувку охлажденными дымовыми газами 22, подавая их по патрубку 6; при этом поддерживают постоянно открытым клапан 16 на сбросном патрубке 10. Активирование и охлаждение осуществляют с объемом загружаемых порций угольных частиц, уложенных в спокойном состоянии на под 5 камеры 1, V_у=(0,1-0,7)V_к объема кольцевой камеры 1, м³, скорость среды в подъемной ветви 30 циркулирующего кольцевого потока 32 равна w_п=(0,1-0,6)w₀ скорости осевого вертикально-опускного потока 28 дымовых газов и пара, м/с, а долю кислорода во вводимых осевых вертикально-опускных потоках 28 поддерживают на уровне О₂=(0,04-0,16). Активированные порции угольных частиц выводят из камеры 1 с использованием подооткидного устройства 26 после перекрытия клапанов 14, 16, 20, 21 на патрубках 6, 10, 18, 19. Соотношения геометрических характеристик камеры 1 и ее кольцевой полости 27 в материалах заявки не рассматриваются, являются предметом иного изобретения.

Нагрев исходных частиц 2, вывод из них влаги и летучих веществ в циркулирующем подъемно-опускном кольцевом потоке 32, организуемом вначале нагретыми дымовыми газами 7, а затем смесью нагретых дымовых газов 7 и пара 8, а также последующее охлаждение частиц также в циркулирующем подъемно-опускном кольцевом потоке 32, организуемом охлажденными дымовыми газами 22 с поддержанием обозначенных диапазонов V_у=(0,1-0,7)V_к; w_п=(0,1-0,6)w₀; O₂=(0,04-0,16) обеспечивают наиболее благоприятные условия активирования с минимизацией остаточного содержания летучих веществ и обгара коксового остатка, что повышает качество активируемого продукта 25, его сорбционную активность и решают поставленную задачу изобретения. Исключение одного из перечисленных условий или отклонение любого из параметров V_у, w_п, О₂ хотя бы на 1% в большую или меньшую сторону влечет резкий скачкообразный прирост остаточного содержания летучих веществ в конечном продукте, либо доли обгара коксового остатка с увеличением потребляемого расхода теплоносителя и собственных нужд на ведение процесса активирования, в связи с чем заявляемые диапазоны параметров V_у=(0,1-0,7)V_к; w_п=(0,1-0,6)w₀; О₂=(0,04-0,16) являются оптимальными.

Реализация предлагаемого способа возможна в камерах 1 иной конструкции, в частности, с потолочным и подовым перекрытиями 4, 5, выполненными в виде полусфер. Кроме того, камера 1 может быть выполнена водоохлаждаемой с подачей в патрубок 18 и сбросом через патрубок 19 воды. Работа таких камер аналогична работе камеры 1 на фиг.1, 2, 3 с реализацией способа по фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6 в полном объеме.

Практическое применение способа связано с теплоиспользующими установками различного типа и назначения, в том числе с котлом 34 на фиг.4, 5, 6. Камера 1 согласно фиг.4, 5, 6 установлена в котельном цехе электростанции перед котлом 34 с топкой 33 для факельного сжигания газа и угольной пыли. Топка 33 оснащена горелками 35, имеющими каналы 36 и 37 для ввода газовоздушной 38 и пылевоздушной 39 смесей соответственно. Для ввода газа 40 используют сопловые насадки 41, установленные в каналах 36. Пылевоздушную смесь 39 направляют в каналы 37 из мельниц 42, куда в традиционных режимах из бункеров 43 питателями 44 подают кусковое топливо и воздух 45. Теплота сжигаемого топлива в топке 33 передается образующимся продуктам сгорания 46 и от них экранирующим трубам 47, а также водонагревателю 48, размещенном в газоходе 49 котла 34 для нагрева воды 50 и получения пара 8 в пароперегревателе 51. Последний отводят в турбоэлектрогенератор (на фиг.4, 5, 6 не показан) для выработки электроэнергии. Часть теплоты продуктов сгорания 46 передают потокам воздуха 45 от вентиляторов 52 в воздухоподогревателе 53. Продукты сгорания 46 выводят из котла 34 через газозолоочистительную установку 54 дымососами 55 в дымовую трубу (на фиг.2, 3, 4 не показана) и в атмосферу. Камеру 1 размещают в ряду мельниц 42. При работе камеры 1 бункер 43 загружают предварительно фракционированными по размеру (1-2 мм; 2-3 мм; 3-4 мм; 5-6 мм и т.д.) частицами угля 2. Это исключает излишние временные энергозатраты на ведение процесса, обгар более мелких частиц (в сравнении, например, с нефракционированным активируемым материалом размером 0-6 мм). При ведении процесса активирования котел 34 переводят в режим выработки пара 8 при сжигании газа 40. Газ 40 и воздух 45 вводят в топку 33 через каналы 36 и сопла 41. Каналы 37 свободны от загрузки пылевоздушными потоками 39. Мельницы 42 отключены. Включают в работу вентилятор 56 охлажденных дымовых газов 22 и вынесенное перед камерой 1 горелочно-смесительное устройство 57. Подробная конструкция последнего не рассматривается, является предметом иной заявки на изобретение. В устройстве 57 сжигается газ 40 в присутствии воздуха 45 от воздухоподогревателя 52, дымовых газов 22 от вентилятора 56, пара 8 из котла 34. В зависимости от заданных параметров режимной карты на выходе из устройства 57 перед клапаном 14 по патрубку 6 в камеру 1 поступают нагретые дымовые газы 7 в зависимости от вида и свойств угля с температурой 900-1300 К, смесь дымовых газов 7 и пара 8 в различных соотношениях при температуре 800-1200 К также в зависимости от вида и свойств угля, а также охлажденные дымовые газы с температурой 400-600 К. С такой же температурой 400-600 К дымовые газы 22 от вентилятора 56 поступают на охлаждение камеры 1 к патрубку 18 в рубашке 17.

Выдерживание временных периодов продувок с различными по составу и температурой газами и парогазовой смесью осуществляют согласно режимных карт, разрабатываемых для каждого вида угля и его индивидуального физико-химического состава. Для частиц размером до 6 мм из углей с высоким выходом летучих веществ (>40%) процессы нагрева и активирования занимают несколько секунд. Для таких же частиц с из углей с низким выходом летучих веществ (<20%) процессы нагрева и активирования более длительны - до нескольких десятков секунд. Охлаждение коксового остатка (активированных частиц) более длительно, до нескольких десятков минут. Разгрузку активированного продукта 58 производят порционно, в частности, в перемещаемую по цеху тележку 59. Технология с использованием аппаратов периодического действия не рассчитана на массовое производство готового продукта, как правило, замыкается на его реализацию в собственных нуждах. В котельных цехах и ТЭЦ активированный по предлагаемому способу уголь используют в системах водоподготовки и очистки промстоков со значительной экономией затрат в сравнении с вариантом его приобретения от стороннего производителя. Разумная и необременительная для персонала и основного оборудования ТЭЦ порционная разовая разгрузка исходным материалом может составлять 0,1-1,6 т при обозначенных выше фракциях частиц 1-2 мм, 2-3 мм и т.д.