способ термической переработки углеродосодержащего сырья с получением углеродных сорбентов и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ термической переработки твердого углеродосодержащего сырья с получением углеродных сорбентов, включающий подачу в камеру смешения воздушного дутья, пылевидного топлива и твердого углеродосодержащего сырья, направляемого на смешение с потоком теплоносителя, полученного при сжигании пылевидного топлива, выделение твердого углеродосодержащего сырья из потока, его пиролиз с получением полукокса и парогазовой смеси и активацию полукокса, отличающийся тем, что сжигание пылевидного топлива осуществляют при коэффициенте избытка воздуха << 1 с получением в качестве теплоносителя пылегазовой смеси, выделение твердого углеродосодержащего сырья из потока производят совместно с пылевидной частью теплоносителя с последующим нагревом углеродосодержащего сырья для его пиролиза пылевидной частью теплоносителя, а полученный на стадии пиролиза полидисперсный полукокс разделяют с помощью активирующего парогазового агента на крупную фракцию, подаваемую на стадию активации, и на поток пылевидного угля, направляемого на осаждение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время смешения углеродосодержащего сырья с потоком теплоносителя и выделения твердого углеродосодержащего сырья совместно с пылевидной частью теплоносителя из потока составляет не более 0,5 с.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пылевидное топливо и твердое углеродосодержащее сырье подают в камеру смешения в массовом соотношении 2-4 : 1.

4. Установка для термической переработки углеродосодержащего сырья с получением углеродных сорбентов, содержащая камеру смешения, выполненную в виде огнеупорной трубы, снабженной средствами для ввода твердого углеродосодержащего сырья и муфелем с горелкой, выполненной в виде плазмотрона, устройство для выделения твердого углеродосодержащего сырья, пиролизер, выполненный в виде необогреваемой камеры, вход которого подключен к нижнему выходу устройства для выделения углеродосодержащего сырья и, снабженный патрубками вывода парогазовой смеси и полукокса, и активатор, снабженный муфелем с горелкой для приготовления парогазового активирующего агента, патрубками вывода газов активации и готового продукта, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит сепаратор-активатор для разделения полукокса по фракциям, входной патрубок которого соединен с патрубком вывода полукокса из пиролизера, а выходной нижний патрубок для выгрузки крупной фракции подключен к активатору, и циклон осаждения пылевидного активного угля, подключенный входом к верхнему выпускному патрубку сепаратора-активатора, средство для подачи углеродосодержащего сырья расположено по ходу потока непосредственно за муфелем камеры смешения, а устройство для выделения углеродосодержащего сырья и пылевидной части теплоносителя выполнено в виде циклона, вход которого подключен к выходу камеры смешения.

5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что входной патрубок сепаратора-активатора для разделения полукокса на фракции и активации пылевидного полукокса снабжен муфелем с горелкой для приготовления парогазового активирующего агента.

6. Установка по пп. 4 и 5, отличающаяся тем, что горелки муфелей камеры смешения, сепаратора-активатора и активатора выполнены в виде плазмотронов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам и установкам для термической переработки твердого углеродосодержащего сырья с получением углеродных сорбентов и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности.

Известен способ термического разложения твердого углеродосодержащего сырья с получением активного угля. Сырье сушат, подвергают нагреву в течение 10-120 с в потоке газообразного теплоносителя до температуры 500-650^oC, выдерживают нагретое сырье 10-40 мин в необогреваемой камере с получением полукокса и парогазовой смеси и подвергают полукокс парогазовой активации (пат. РФ N 2085570, C 10 B 49/02, C 01 B 31/08 от 27.07.97).

Недостатком известного способа является то, что при нагревании полидисперсного сырья в потоке газового теплоносителя неизбежно происходит перегрев мелких фракций и недогрев крупных, так как мелкие фракции приобретают температуру близкую к начальной температуре газового теплоносителя, превышающей заданную температуру нагрева частиц, а крупные фракции не успевают достичь заданной температуры из-за ограниченного времени контакта с газовым теплоносителем. Ограничение времени контакта нагреваемых частиц 120 секундами налагает ограничение на величину наиболее крупных частиц.

Кроме того, контакт еще не нагретых крупных частиц сырья на начальной стадии нагрева с высокотемпературным газом-теплоносителем может приводить к измельчению этих частиц из-за жестких условий нагрева и их разрушению выделяющимися из частиц парогазовыми продуктами термического разложения сырья.

Известен способ термической переработки углеродосодержащего сырья с получением активного угля, включающего сушку сырья во взвешенном слое с одновременным отделением мелких фракций с отработанными газами, пиролиз оставшихся фракций во взвешенном слое с получением полукокса и парогазовой смеси, сжигаемой совместно с мелкими фракциями и отработанными газами на стадии активации для получения газообразного теплоносителя, и последующую активацию получаемого полукокса (пат. РФ N 2051094, C 01 B 31/08, 1995).

Известна установка для осуществления указанного способа, содержащая последовательно соединенные сушильный аппарат, снабженный шнеком для ввода сырья, патрубком для ввода газообразного теплоносителя, выполненного в виде вертикальной трубы, установленной в крышке аппарата, патрубком для отвода мелких фракций и отработанного газа, соединенного с горелкой активатора; пиролизер со взвешенным слоем, снабженный патрубком для вывода парогазовой смеси; активатор, снабженный камерой сжигания и патрубками для подачи активирующих агентов, вывода готового продукта и патрубком для вывода газов активации, соединенным с пиролизером, и котел-утилизатор (пат. РФ N 2051094, C 01 B 31/08, 1995).

Недостатками известных способа и установки является то, что замкнутая циркуляция всех газовых потоков - отходящих газов сушки, пиролиза и активации - создает жесткую однозначную взаимозависимость режимов работы аппаратов, чувствительность работы системы к изменению свойств сырья и к нарушениям расчетного режима работы любого из аппаратов, сложность переналадки системы при изменении свойств исходного сырья.

Наиболее близким техническим решением является способ термической переработки твердого углеродосодержащего сырья с получением активного угля, содержащий подачу сырья в потоке несущего газа противотоком к горизонтальному потоку газообразного теплоносителя, нагрев его до температуры пиролиза с одновременным отделением мелких фракций с отработанными газами, подаваемыми на сжигание в котел-утилизатор, выдерживание осажденных фракций в необогреваемом пиролизере с получением полукокса и активацию последнего с получением готового продукта (пат. РФ N 2100401; C 10 B 49/02, C 01 B 31/08, 1997).

Известна установка для осуществления указанного способа, содержащая: камеру нагрева, выполненную в виде горизонтальной огнеупорной трубы и снабженную средством для ввода сырья, горелкой, выходное сопло которой установлено на оси трубы напротив выходных отверстий для ввода сырья, и инерционным сепаратором; пиролизер, выполненный в виде необогреваемой камеры, соединенной входом с выходом осажденных фракций инерционного аппарата, и снабженный патрубком для вывода парогазовой смеси; активатор, соединенный с пиролизером и снабженный патрубками для подачи активирующего агента и вывода газов активации; котел-утилизатор, соединенный с выходом камеры нагревания и с патрубком вывода газов активации (пат. РФ N 2100401; C 10 B 49/02, C 01 B 31/08, 1997).

Недостатками известных способа и установки является то, что подача сырья в потоке несущего газа осуществляется со значительной скоростью навстречу потоку газового теплоносителя, что приводит к дополнительному измельчению частиц сырья; контакт еще не нагретых крупных частиц сырья на начальной стадии нагрева с высокотемпературным газом-теплоносителем может приводить к термическому измельчению частиц из-за жестких условий их нагрева и их разрушения выделяющимися из них парогазовыми продуктами термического разложения; не обеспечивается одинаковый нагрев частиц различного размера до заданной конечной температуры, накладываются ограничения по максимальной крупности нагреваемых частиц из-за малого времени их контакта с греющим газом-теплоносителем; необходимость подачи перерабатываемого сырья с заданной начальной скоростью во встречный поток газа-теплоносителя требует применения специального многосоплового устройства сложной конструкции, обеспечивающего равномерное распределение частиц вводимого в поток сырья по сечению потока.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение равномерного изотермического нагрева и изотермического пиролиза всех частиц полидисперсного сырья, обеспечение мягкого нагрева частиц сырья всех размеров и предотвращение их термического измельчения, создание условий для переработки крупнозернистого сырья с получением крупнозернистых сорбентов с размером частиц до 6-8 мм, создание технологических условий для раздельной активации мелких (порошкообразных) и крупных (зернистых) фракций сырья в оптимальных условиях, расширение ассортимента получаемых сорбентов путем получения сорбентов разного фракционного состава.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в камеру смешения подают воздушное дутье, пылевидное топливо и твердое углеродосодержащее сырье, направляемое на смешение с потоком теплоносителя, полученного сжиганием пылевидного топлива при коэффициенте избытка воздуха << 1 и состоящего из пылегазовой смеси, выделяют из потока углеродосодержащее сырье совместно с пылевидной частью теплоносителя, нагревают его пылевидной частью теплоносителя и подвергают пиролизу с получением парогазовой смеси и полидисперсного полукокса, разделяют полукокс с помощью активирующего парогазового агента на крупную фракцию, подаваемую на стадию активации, и на поток пылевидного активного угля, направляемого на осаждение.

При этом суммарное время смешения углеродосодержащего сырья с потоком теплоносителя и выделения углеродосодержащего сырья совместно с пылевидной частью теплоносителя из потока составляет не более 0,5 с.

Пылевидное топливо и твердое углеродосодержащее сырье подают в камеру смешения в массовом соотношении 2-4:1.

Для достижения поставленной задачи установка для термической переработки углеродосодержащего сырья с получением углеродных сорбентов содержит: камеру смешения, выполненную в виде огнеупорной трубы, снабженной муфелем с выполненной в виде плазмотрона горелкой и расположенным по ходу потока непосредственно за муфелем средством для ввода углеродосодержащего сырья; устройство для выделения из потока углеродосодержащего сырья совместно с пылевидной частью теплоносителя, выполненное в виде циклона, вход которого подключен к выходу камеры смешения; пиролизер, выполненный в виде необогреваемой камеры, вход которого подключен к нижнему выходу устройства для выделения из потока углеродосодержащего сырья и пылевидной части теплоносителя, и снабженный патрубками вывода парогазовой смеси и полукокса; сепаратор-активатор для разделения полукокса по фракциям и активации пылевидного полукокса, входной патрубок которого соединен с патрубком вывода полукокса из пиролизера; активатор, снабженный муфелем с горелкой для приготовления парогазового активирующего агента, патрубками вывода газов активации и готового продукта и подключенный входом к выходному нижнему патрубку сепаратора-активатора, отводящему осажденную в нем крупную фракцию полукокса; циклон осаждения пылевидного активного угля, подключенный входом к верхнему выпускному патрубку сепаратора, входной патрубок которого снабжен муфелем с горелкой для приготовления высокотемпературного активирующего парогазового агента.

При этом горелки муфелей активатора и сепаратора выполнены в виде плазмотронов.

Схема установки для термической переработки углеродосодержащего сырья с получением углеродных сорбентов представлена на чертеже.

Установка содержит камеру смешения 1, выполненную в виде огнеупорной трубы, снабженной муфелем 2, патрубком 3 для ввода вторичного воздушного дутья и плазмотроном 4, к которому присоединено устройство 5 для ввода топлива с первичным воздушным дутьем. Непосредственно за муфелем 2 по ходу потока расположено средство 6 для ввода углеродосодержащего сырья. Установка также включает: устройство 7 для выделения из газа углеродсодержащего сырья и пылевидной части теплоносителя, выполненное в виде циклона, входной патрубок 8 которого подключен к выходу из камеры смешения 1, а выпускной газовый патрубок 9 к топке котла-утилизатора; пиролизер 10, выполненный в виде необогреваемой камеры, входной патрубок 11 которой присоединен к выпускному патрубку циклона 7 и снабженный патрубком 12 для вывода парогазовой смеси и патрубком 13 для вывода полукокса; сепаратор-активатор 14 для разделения полукокса по фракциям, входной патрубок 15 которого соединен с патрубком 13 вывода полукокса из пиролизера 10 и снабжен муфелем 16 с плазмотроном 17, служащими для получения и нагревания парогазового активирующего агента, подаваемого в сепаратор-активатор 14; циклон 18, служащий для осаждения порошкообразного активного угля, полученного в сепараторе-активаторе 14 из пылевидного полукокса, соединенный входным патрубком 19 с выпускным газовым патрубком 20 сепаратора-активатора 14, выпускным газовым патрубком 21 с топкой котла-утилизатора и пылеотводящим патрубком 22 с охладителем 23; активатор 24, соединенный с патрубком 25, по которому в активатор 24 из сепаратора-активатора 14 поступает осажденный в нем зернистый полукокс и соединенный с муфелем 26 с плазмотроном 27, патрубком 28 - для ввода топлива с первичным воздушным дутьем и патрубком 29 - для подачи вторичного воздушного дутья, патрубками 30 и 31 - соответственно для отвода отходящих газов активации в топку котла-утилизатора и для выгрузки готового зернистого активного угля в охладитель 32 и далее - в грохот 33 для разделения активного угля на фракции.

Способ осуществляется следующим образом.

Дробленое и подсушенное сырье, состоящее из угля фракции ~ 0-8 мм подается в камеру смешения 1, снабженную муфелем в зоне сжигания 2 и плазмотроном 4.

В муфель подают аэросмесь пылевидного угля и воздуха, поджиг и стабилизация горения которой обеспечиваются с помощью плазмотрона. Возможно также использование в муфеле в качестве топлива пиролизного газа.

Для получения заданной температуры нагрева пылевидного теплоносителя - порядка ~ 800-900^oC сжигание в муфеле пылеугольной аэросмеси производится при малых значениях коэффициента избытка воздуха ( << 1,0). Таким образом, горение осуществляется при многократном избытке угля, который играет в процессе роль хладоагента.

На выходе из камеры смешения производится разделение твердой и газовой фазы путем осаждения частиц в циклоне 7. Отходящие газы нагревателя сбрасываются в топку котла.

Общее время пребывания частиц твердой фазы в смесителе 1 и циклоне 7 должно быть таким, чтобы в нем успевали нагреваться до конечной температуры ~ 800-900^oC только мелкие пылевидные частицы теплоносителя, размеры которых лежат в пределах 0-0,5 мм.

Осажденная в циклоне 7 полидисперсная смесь поступает в пиролизер 10, в котором за счет нагретых мелких частиц вся масса угля догревается до заданной температуры пиролиза ~ 600^oC и происходит разложение угля с образованием полукокса и парогазовой смеси.

В пиролизере 10 перерабатываемый материал выдерживается заданное время, после чего он поступает в сепаратор-активатор 14, в котором полученный в пиролизере полидисперсный полукокс обеспыливается путем продувки высокотемпературной парогазовой смесью специального состава, благодаря чему пылевидные фракции не только отделяются от зернистого материала, но одновременно подвергаются активированию. Полученный порошкообразный активный уголь осаждают из несущего газа в циклоне 18 и передают на охлаждение, а обеспыленный газ сбрасывают в топку котла-утилизатора.

Осажденный в сепараторе-активаторе 14 зернистый обеспыленный полукокс передают в активатор 24, который снабжен муфелем 16 и плазмотроном 17, предназначенными для получения активирующего парогазового агента, состоящего из продуктов сгорания топлива и водяного пара. В качестве топлива в муфеле активатора 24 могут использоваться природный газ или жидкое углеводородное топливо, а также парогазовая смесь, образующаяся в пиролизере при разложении угля.

Газы активации, подобно отходящим газам камеры смешения 1, избыточным газам пиролизера 10 и газам сепаратора-активатора 14, сбрасываются в топку котла.

С целью снижения затрат на переработку угля наиболее целесообразно использовать в муфелях камеры смешения 1, сепаратора-активатора 14 и активатора 10 в качестве топлива парогазовую смесь из пиролизера.

Полученный в активаторе зернистый активный уголь охлаждают в охладителе 23, после чего он рассеивается на несколько фракций.

Сброс и дожиг в топке котла всех отходящих технологических газов вместе с содержащимися в них частицами угля и полукокса обеспечивает высокий тепловой КПД процесса переработки угля в сорбенты и существенно снижает удельный расход угля на производство сорбентов. Кроме того, этим путем обеспечивается практическая безотходность производства.

Пример осуществления способа.

Исходное сырье - каменный длиннопламенный тугнуйский уголь Гусиноозерского месторождения со следующими характеристиками, %: W^a - 2,0; A^d - 15,7; V^daf - 49,5; элементарный состав, %: C^daf - 75,8; H^daf - 5,93; S^daf - 0,3; (O+N)^daf - 17,47; Q_н ^daf - 30 МДж; _нас - 0,766 г/см³.

Дробленый и подсушенный уголь фракции 0-8,0 мм подают в камеру смешения, в которую через плазмотрон и муфель подают также аэросмесь пылевидного угля - для приготовления теплоносителя. Пройдя через камеру смешения, твердую фазу, состоящую из смеси дробленого угля и пылевидного теплоносителя, отделяют в циклоне от несущего газа и передают в пиролизер. При этом в пиролизер поступают пылевидные частицы теплоносителя, нагретые до заданной температуры ~ 850^oC, и частицы дробленого угля, нагретые до средней температуры ~ 100^oC. При заданной оптимальной температуре пиролиза 600^oC уголь в пиролизере должен быть нагрет на ~ 500^oC при охлаждении твердого теплоносителя на ~ 250^oC. Для этого, при приблизительно равных значениях теплоемкости сухого угля и теплоносителя, должно быть обеспечено соотношение масс пылевидного теплоносителя и угля 2:1.

При изменении заданных температурных показателей, например при температуре пиролиза 550^oC и температуре твердого теплоносителя 700^oC, указанное соотношение масс возрастает до значения 550-100/700-550 = 3:1.

После выдержки полукокса в пиролизере в течение ~ 20-40 мин его передают на активацию при t = 800-850^oC и времени выдержки = 50 мин, затем его обеспыливают в сепараторе и получают активный уголь со следующими характеристиками: сорбционная активность по иоду F = 28,0-48,0%; суммарный объем пор по влагоемкости q = 0,42-0,57 см³/г, удельная поверхность S = 320-450 м²/ч; насыпной вес = 0,34-0,52 г/см³, истираемость - 0,18%, измельчаемость - 0,55%. Соответствующие характеристики порошкообразного активного угля, получаемого в сепараторе при активации пылевидного полукокса: F = 52,0-65,0%, q = 0,49-0,85 см³/г, S = 560-760 м²/г.