способ и установка для термической переработки высокозольных топлив

Формула изобретения

1. Способ термической переработки высокозольных топлив, например горючих сланцев, включающий сушку топлива газообразным сушильным агентом, отделение подсушенного топлива от отработанного сушильного агента, пиролиз подсушенного топлива циркулирующим твердым теплоносителем с образованием парогазовых продуктов и коксозольного остатка, сжигание последнего с образованием газовзвеси, постадийное разделение последней на циркулирующий твердый теплоноситель, возвращаемый на стадию пиролиза, газообразный сушильный агент, направляемый на стадию сушки, и золодымовую смесь, охлаждение этой смеси и разделение ее на выводимую из процесса золу и дымовые газы, отличающийся тем, что часть дымовых газов рециркулируют на стадию охлаждения золодымовой смеси и концентрацию твердых частиц в охлажденной золодымовой смеси поддерживают путем изменения расхода рециркулируемых газов, а оставшуюся часть дымовых газов сжигают совместно с отработанным сушильным агентом и температуру на стадии сушки поддерживают путем изменения расхода направляемых на сжигание дымовых газов.

2. Установка для термической переработки высокозольных твердых топлив, например горючих сланцев, содержащая последовательно установленную аэрофонтанную сушку, сепаратор отработанного сушильного агента, реактор пиролиза, снабженный патрубком отвода парогазовой смеси и соединенный входом с топливоотводящим патрубком сепаратора отработанного сушильного агента, аэрофонтанную топку, сепаратор твердого теплоносителя, пылеспускной патрубок которого подключен ко входу реактора пиролиза, сепаратор сушильного агента, газовыхлопной патрубок которого подключен к входу сушилки, охладитель и сепаратор золодымовой смеси, трубопровод дымовых газов с дымососом, соединенный с газовыхлопным патрубком сепаратора золодымовой смеси, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит котел-утилизатор, камера сжигания которого соединена с газовыхлопным патрубком сепаратора отработанного сушильного агента, а трубопровод дымовых газов выходным концом соединен с входным патрубком охладителя и до подключения дымососа по направлению движения газа подсоединен трубопроводом с регулируемым клапаном к камере сгорания котла-утилизатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области термической переработки высокозольных топлив и может быть использовано в химической, топливоперерабатывающей промышленностях при производстве искусственного жидкого и газообразного топлива или заменителя нефти.

Известен способ термической переработки высокозольного топлива, например, горючих сланцев, включающий сушку дробленного топлива газообразным сушильным агентом, пиролиз подсушенного топлива твердым теплоносителем с образованием парогазовых продуктов и коксозольного остатка, сжигание последнего в потоке подогретого воздуха с образованием газовзвеси, постадийное разделение последней на возвращаемый на стадию пиролиза зольный теплоноситель, золу, направляемую на охлаждение и далее выводимую из процесса, и дымовые газы, направляемые на досжигание и затем используемые в качестве газообразного сушильного агента.

Известна установка для осуществления указанного способа, содержащая последовательно установленные аэрофонтанную сушилку, сепаратор отработанного сушильного агента, реактор пиролиза, соединенный входом с топливоотводящим патрубком сепаратора отработанного сушильного агента, аэрофонтанную топку, сепаратор твердого теплоносителя, пылеспускной патрубок которого подключен к входу реактора, сепаратор сушильного агента, охладитель золы, подключенный к золоотводящему патрубку сепаратора сушильного агента, и котел-утилизатор, вход которого соединен с газоотводящим патрубком сепаратора сушильного агента, а выход - с аэрофонтанной сушилкой (см. Стельмах Г.Н., Тягунов Б.Н., Чикул В. и др. Энерготехнологическая установка для переработки мелкозернистого горючего сланца. Горячие сланцы, N 2/2, 1985, с. 189-196).

Недостатками известного способа и установки являются:

1. Охлаждение отделенной от дымовых газов золы является сложной, до настоящего времени технически нерешенной проблемой. Коэффициент теплоотдачи от частиц золы к теплообменным поверхностям - низкий, одновременно коэффициент теплопроводности в слое золы - также низкий. По этой причине для охлаждения золы требуются очень большие теплообменные поверхности, и зольный теплообменник характеризуется повышенной металлоемкостью и ненадежностью при эксплуатации.

2. Приготовление газообразного сушильного агента путем дожига дымовых газов аэрофонтанной топки в котле-утилизаторе приводит к тому, что для полного окисления продуктов неполного сгорания, полученных в аэрофонтанной топке, необходимо в горелке котла-утилизатора поддерживать избыток воздуха (=1,1-1,2). По этой причине в сушильном агенте присутствует свободный кислород. Это приводит к тому, что во время сушки топлива происходит частичное окисление его органической массы и, как следствие, резкое сокращение выхода целевого продукта переработки - суммарной смолы.

Дожиг дымовых газов в котле-утилизаторе при <1 приводит к неполному окислению содержащихся в них горючих компонентов и, как следствие этого, к загрязнению окружающей среды сероводородом, канцерогенными веществами и другими продуктами неполного сгорания органических топлив.

3. Во время сушки в аэрофонтанной сушилке некоторая доля частиц топлива перегревается. В результате перегрева в отработанный сушильный агент переходят продукты бертинирования: окись углерода, сероводород, канцерогенные вещества и т.д., и ими загрязняется окружающая среда.

4. С неохлажденной или недостаточно охлажденной золой и продуктами неполного сгорания топлива в аэрофонтанной топке и котле-утилизаторе теряется потенциальное тепло перерабатываемого топлива, снижается эффективность процесса переработки, падает коэффициент полезного действия установки по термической переработке высокозольных топлив.

5. В известном процессе требуемая температура стадии сушки поддерживается изменением температуры сушильного агента за котлом-утилизатором, а последняя зависит от количества тепла, которое дымовые газы в теплообменных поверхностях котла-утилизатора передают там генерируемому энергетическому или технологическому пару. Такой способ регулирования температуры сушки сложный и очень инерционный. По этой причине в известном способе регулирование температуры сушки осуществляют впрыскиванием воды в сушилку, т.е. часть физического тепла сушильного агента теряется на испарение впрыскиваемой воды.

6. При дожиге дымовых газов с температурой около 800^oC в камере сгорания котла-утилизатора температура продуктов горения резко возрастает и достигает температуры плавления золы (1150-1250^oC). Вследствие этого содержащиеся в очищенных дымовых газах зольные частицы налипают на поверхность нагрева и нарушают тепловой и гидравлический режим работы котла-утилизатора.

Известен способ термической переработки высокозольных топлив, например, горючих сланцев, включающий сушку топлива газообразным сушильным агентом, отделение топлива от отработанного сушильного агента, пиролиз подсушенного топлива циркулирующим твердым теплоносителем с образованием парогазовых продуктов и коксозольного остатка, сжигание последнего с образованием газовзвеси, постадийное разделение последней на циркулирующий твердый теплоноситель, возвращаемый на стадию пиролиза, газообразный сушильный агент, направляемый на стадию сушки, и золодымовую смесь, охлаждение этой смеси и разделение ее на выводимую из процесса золу и дымовые газы, которые направляют на стадию сушки.

Также известна установка для осуществления упомянутого способа, содержащая последовательно установленные аэрофонтанную сушилку, сепаратор отработанного сушильного агента, реактор пиролиза, соединенный входом с топливоотводящим патрубком сепаратора отработанного сушильного агента, аэрофонтанную топку, сепаратор твердого теплоносителя, пылеспускной патрубок которого подключен к входу реактора, сепаратор сушильного агента, газовыхлопной патрубок которого подключен к входу сушилки, охладитель золодымовой смеси и сепаратор золы, газовыхлопной патрубок которого трубопроводом соединен с дымососом и далее с аэрофонтанной сушилкой (См. описание к патенту РФ N 1766940 от 04.06.90 по кл. C 10 B 53/06).

Недостатками известного способа и установки являются:

1. Отсутствие технологического регулирования температуры на стадии сушки топлива. Ее можно регулировать только впрыском воды в сушилку.

2. Не предусмотрен дожиг дымовых газов аэрофонтанной топки, что приводит к загрязнению окружающей среды продуктами неполного сгорания.

3. Отвод небольшого количества дымовых газов (1-10%) совместно с золой улучшает не только КПД сепаратора золы, но и условия теплообмена в зольном теплообменнике, но не позволяет создать оптимальную концентрацию частиц золы в дымовых газах, при которой резко сокращается теплообменная поверхность в зольном теплообменнике.

Задачей предлагаемого изобретения является поддержание оптимальных режимных параметров на стадии сушки и охлаждения при одновременном сокращении загрязнения окружающей среды газообразными выбросами, увеличении степени использования потенциального тепла перерабатываемого топлива и увеличении КПД всей установки.

Поставленная техническая задача достигается тем, что топливо сушат газообразным сушильным агентом, отделяют отработанный сушильный агент, подсушенное топливо подвергают пиролизу циркулирующим твердым теплоносителем с образованием парогазовых продуктов и коксозольного остатка, последний сжигают с образованием газовзвеси, которую постадийно разделяют на циркулирующий твердый теплоноситель, возвращаемый на стадию пиролиза, газообразный сушильный агент, направляемый на стадию сушки и золодымовую смесь, последнюю охлаждают и разделяют на выводимую из процесса золу и дымовые газы. Часть дымовых газов рециркулирует на стадию охлаждения золодымовой смеси, концентрацию твердых частиц которой поддерживают изменением расхода рециркулирующих газов, а оставшуюся часть дымовых газов сжигают совместно с отработанным сушильным агентом, и температуру на стадии сушки поддерживают путем изменения расхода направляемых на сжигание дымовых газов.

Для достижения поставленной задачи установка содержит последовательно установленные аэрофонтанную сушилку, сепаратор отработанного сушильного агента, реактор пиролиза, снабженный патрубком вывода парогазовой смеси и соединенный входом с топливоотводящим патрубком сепаратора отработанного сушильного агента, аэрофонтанную топку, сепаратор твердого теплоносителя, пылеспускной патрубок которого подключен к входу реактора, сепаратор сушильного агента, газовыхлопной патрубок которого подключен к входу сушилки, охладитель и сепаратор золодымовой смеси, трубопровод дымовых газов с дымососом, соединенный с газовыхлопным патрубком сепаратора золодымовой смеси, и котел-утилизатор, камера сжигания которого соединена газовыхлопным патрубком сепаратора отработанного сушильного агента. Трубопровод дымовых газов выходным концом соединен с входным патрубком охладителя, и до подключения дымососа по направлению движения газа подсоединен трубопроводом с регулирующим клапаном к камере сгорания котла-утилизатора.

Сжигание охлажденных дымовых газов совместно с отработавшим сушильным агентом обеспечивает: возможность проводить сжигание при требуемом избытке воздуха (=1,1-1,2), т. к. продукты горения в дальнейшем не контактируют с топливом, а после утилизации содержащегося в них физического тепла и санитарный очистки сбрасываются в дымовую трубу. Такая последовательность операций резко сокращает загрязнения окружающей среды продуктами неполного сгорания и бертинирования. Кроме того, сжигание охлажденных газов с температурой 150-250^oC позволяет избежать повышения температуры в камере сгорания выше температуры плавления золы и, тем самым, загрязнения золошлаковыми отложениями теплообменных поверхностей в котле-утилизаторе; поддержание температуры на стадии сушки путем изменения объема направляемых на сжигание охлажденных дымовых газов позволяет в качестве газообразного сушильного агента использовать кислороднесодержащие газы аэрофонтанной топки и, тем самым, на стадии сушки не допустить окисления органического вещества перерабатываемого топлива, т. е. увеличивать выход целевого продукта переработка - смолы и газа полукоксования; регулирование температуры на стадии сушки изменением объема направляемого в сушилку газообразного сушильного агента осуществляется оперативно, и не требуется параллельного впрыска воды в сушилку или использования других малоинерционных средств для поддержания температуры в заданном интервале; рециркуляция части охлажденных дымовых газов на стадию охлаждения золодымовой смеси позволяет поддержать в заданных пределах концентрацию твердых частиц в охлаждаемой смеси и, тем самым, резко сократить площадь теплообменных поверхностей охладителя золы и снизить металлоемкость и габариты самого охладителя; отвод повышенного объема дымовых газов через пылеспусковой патрубок сепаратора сушильного агента увеличивает КПД самого сепаратора и позволяет получить наиболее чистый (без частиц золы) газообразный сушильный агент, т.е. высушенный сланец меньше загрязняется пылевидными частицами золы.

Установка для термической переработки высокозольных топлив приведена на чертеже. Она содержит последовательно установленные аэрофонтанную сушилку 1, сепаратор отработанного сушильного агента 2, реактор пиролиза 3, снабженный патрубком 4 вывода парогазовой смеси и соединенный с топливоотводящим патрубком сепаратора отработанного сушильного агента 2, аэрофонтанную топку 5, сепаратор твердого теплоносителя 6, пылеспускной патрубок которого подключен к входу реактора 3, сепаратор сушильного агента 7, газовыхлопной патрубок которого подключен к входу сушилки 1, охладитель 8 и сепаратор 9 золодымовой смеси, трубопровод дымовых газов 10 с дымососом 11, подключенный к газовыхлопному патрубку сепаратора 9 золодымовой смеси и котел-утилизатор 12, камера сгорания которого соединена с газовыхлопным патрубком сепаратора 2 отработанного сушильного агента. Трубопровод дымовых газов 10 выходным концом соединен с входным патрубком охладителя 8, а камера сгорания котла-утилизатора 12 подключена трубопроводом с регулирующим клапаном 13 к трубопроводу дымовых газов 10 до подключения дымососа 11 по направлению движения газа.

Установка работает следующим образом:

Измельченное топливо с размером частиц 0-25 мм подают в аэрофонтанную сушилку 1 и в потоке газообразного сушильного агента высушивают. Полученную газовзвесь направляют в сепаратор отработанного сушильного агента 2, в котором частицы топлива отделяют от потока отработанного сушильного агента. Далее подсушенное мелкозернистое топливо перемешивают с горячим циркулирующим зольным теплоносителем и полученную газовыделяющую смесь подают в реактор 3. В последнем протекают процессы тепло- и массообмена и термодеструкции с образованием коксозольного остатка и парогазовых продуктов. Последние через патрубок 4 направляют в отделение очистки конденсации (не показано). Там парогазовые продукты постадийно охлаждают, конденсируют содержащиеся в них пары смолы и воды и выделяют целевой продукт - смолу и газ полукоксования.

Из реактора коксозольный остаток передают в аэрофонтанную топку 5. В ней в потоке подогретого воздушного дутья сжигают оставшуюся в коксозольном остатке горючую массу и выделенное тепло расходуют на нагрев циркулирующего теплоносителя: золы перерабатываемого топлива и дымовых газов. Газовзвесь из аэрофонтанной топки 5 направляют в сепаратор теплоносителя 6. В последнем из газовзвеси отделяют теплоноситель и направляют в реактор 3, а оставшуюся золодымовую смесь подают в сепаратор 7. В последнем от золодымовой смеси отделяют дымовые газы и в качестве сушильного агента направляют в аэрофонтанную сушилку. Оставшуюся часть золодымовой смеси через пылеспускной патрубок сепаратора 7 направляют в охладитель золодымовой смеси 8. В этом аппарате утилизируют физическое тепло золодымовой смеси и ее температура на выходе из охладителя составляет 120-200^oC. Наиболее крупные частицы золы из потока золодымовой смеси задерживаются в золоосадительной камере охладителя и далее выводятся из процесса, а пылевидные - с потоком охлажденных дымовых газов поступают в сепаратор золы 9. В нем дымовые газы освобождаются от частиц золы. Пылевидная зола выводится из процесса, а очищенные дымовые газы по трубопроводу 10 через регулирующий клапан 13 направляются в камеру горения котла-утилизатора 12. Часть очищенных дымовых газов из трубопровода 10 при помощи дымососа 11 рециркулируют в охладитель 8. Изменением расхода рециркулирующих дымовых газов поддерживают оптимальную для процесса теплообмена концентрацию твердых частиц в охлаждаемой золодымовой смеси.

Отработавший сушильный агент из сепаратора 2 также направляют в камеру сгорания котла-утилизатора и, совместно с очищенными дымовыми газами, дожигают содержащиеся в этих потоках горючие компоненты. Дымовые газы котла-утилизатора после утилизации содержащегося в них физического тепла и санитарной очистки сбрасывают в дымовую трубу.

Регулирование температуры на стадии сушки осуществляют путем изменения расхода направляемых через регулирующий клапан 13 дымовых газов. Увеличение расхода дымовых газов через клапан 13 приводит к понижению температуры в аэрофонтанной сушилке и, наоборот, уменьшение расхода - к повышению температуры в аэрофонтанной сушилке.

Пример.

На установку подают сланец-кукерсит Прибалтийского месторождения со следующей характеристикой: W^r = 12,0%, A^r = 43,04%, (CO2)м^r=16,72% , OM = 27,28%, Q^r_i=8,66 МДж/кг. На установке поддерживают следующий температурный режим: в реакторе t_p = 480^oC, в аэрофонтанной топке t_афт = 820^oC, в аэрофонтанной сушилке t_cc = 110^oC.

При этом на каждую тонну рабочей массы сланца получают 40,60 кг/т газа полукоксования, 137,22 кг/т суммарной смолы и 16,1 кг/т пирогенетической воды, и в котле-утилизаторе вырабатывается 380 кг/т технологического пара с параметрами t = 440^oC, P = 44 атм.

Поток газовзвеси после отделения от него циркулирующего зольного теплоносителя, состоящий из 571 кг/т золы и 605 кг/т дымовых газов, с температурой 820^oC поступает в сепаратор сушильного агента, где от этого потока отделяют 518 кг/т дымовых газов и направляют их в качестве сушильного агента в аэрофонтанную сушилку, а оставшиеся 87 кг/т дымовых газов в смеси с 571 кг/т золы направляют в охладитель. При входе в охладитель к золодымовой смеси подмешивается 223 кг/т циркулирующих дымовых газов и концентрация золодымовой смеси в охладителе поддерживается 1,75-1,85 кг золы на кг дымовых газов.

Температуру газодымовой смеси на выходе из охладителя поддерживают на уровне 130^oC. При этой температуре из потока газодымовой смеси в сепараторе золы высаживают 570 кг/т золы, которую выводят из установки, а часть очищенных дымовых газов (223 кг/т) при помощи дымососа возвращается на вход охладителя, и другую часть (87 кг/т) через регулирующий клапан направляют в камеру сгорания котла-утилизатора. Температура сухого сланца поддерживается расходом дымовых газов через регулирующий клапан. При увеличении расхода температура сухого сланца понижается, а при уменьшении - повышается.

Отработавший сушильный агент (518 кг/т) в смеси с испаренной влагой сланца (120 кг/т) при температуре около 130^oC направляют в камеру сгорания котла-утилизатора, и вместе с дымовыми газами, поступающими из сепаратора золодымовой смеси (87 кг/т), сжигают. В котел-утилизатор также попадают уносы пылевидной золы из сепаратора золодымовой смеси (около 1 кг/т) и уносы сухого сланца из сепаратора отработавшего сушильного агента (около 5 кг/т).

При окислении горючих компонентов, содержащихся в обоих потоках, в камере сгорания температура достигает 800-830^oC, т.е. она значительно ниже температуры плавления золы, что спасает теплообменные поверхности от зашлакования. Чистые поверхности обеспечивают надежную эксплуатацию котла-утилизатора.

На выходе из котла-утилизатора поддерживается температура газов на уровне 130^oC. При этой температуре проводится санитарная очистка газов котла-утилизатора и сброс их в дымовую трубу (в атмосферу или топку энергетического котла).

Приведенная совокупность отличительных признаков в предлагаемом изобретении позволяет поддержать оптимальную температуру на стадии сушки и оперативно, без впрыска воды, ее регулировать, поддерживать оптимальную концентрацию твердых частиц в золодымовой смеси на стадии охлаждения и значительно уменьшить теплообменные поверхности в этом аппарате. Одновременно уменьшается опасность загрязнения окружающей среды продуктами неполного сгорания органических топлив и увеличивается КПД процесса переработки.