способ получения водоугольного топлива и технологическая линия для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения водоугольного топлива, включающий измельчение угля в молотковой дробилке до фракции 0-10 мм, крупный помол полученной твёрдой составляющей в кавитационном смесителе с одновременной деминерализацией её, тонкий помол полученного твердого топливного продукта в кавитационном смесителе с водой, отличающийся тем, что в кавитационный смеситель крупного помола добавляют 0,005 мас.% щелочного реагента, до 3,5 мас.% углестабилизирующей добавки и воду с поддержанием пульпы турбиной смесителя во взвешенном состоянии, направление полученной суспензии на гидроклассификатор для отделения угольных частиц размером более 800 мкм и минеральных частиц, направление отделенных частиц минералов и угля в гидроциклон для отделения частиц угля и возврата их в смеситель, а минералов в отвал, направление суспензии после отделения крупной фракции угля и минералов в диспергатор тонкого помола с получением частиц твёрдой фазы 0-250 мкм, где еще раз компоненты суспензии подвергаются одновременному доизмельчению и перемешиванию, с последующим направлением смеси в емкость для накопления и хранения, из которой она насосом подается к горелкам котла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество твёрдой составляющей в кавитационном смесителе крупного помола равно 60-75 мас.%.

3. Технологическая линия, в основе которой находятся кавитационные измельчители крупного и тонкого помола, содержащие корпусы, роторы с кольцами роторов и кольца статоров, всасывающие трубопроводы, напорные трубопроводы, отличающаяся тем, что отверстия в роторах выполнены в виде круглоцилиндрических насадок Вентури, а отверстия в статорах - в виде внезапно расширяющихся насадок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области топливной энергетики, в частности к способам получения топлива на основе угля и воды, с добавлением других компонентов, пригодного для прямого сжигания в котлах, печах, различных энергетических установках, включая газотурбинные, пригодного для трубопроводной транспортировки и длительного хранения, предназначенного для замены угля и мазута на топливопотребляющих объектах.

Известен способ получения водоугольного топлива (патент России № 2178455, С 10 L 1/32), позволяющий получать высокодеминерализованное экологически чистое водоугольное топливо “Эковут” на основе ископаемых углей, воды и других химических ингредиентов.

Недостатками известного способа получения водоугольного топлива для массового потребления являются больше энергетические затраты на измельчение твердой составляющей до 3 мкм, а также сложность проведения ступенчатой деминерализации.

Известен способ получения водоугольного топлива (патент России № 2192449, C 10 L 1/32), позволяющий получать глубоко деминерализованное экологически чистое водоугольное топливо “Эковут” на основе ископаемых углей, воды и других химических ингредиентов.

Недостатками известного способа получения водоугольного топлива являются:

1. Необходимость проведения физико-механической и химической деминерализации угля.

2. Обезвоживание деминерализованного угля и подача воды при приготовлении водоугольной смеси.

Названные недостатки окажут серьезные помехи реальному внедрению известного способа на объектах теплоэнергетики.

Известен способ приготовления жидкого углесодержащего топлива (патент России № 2151170, C 10 L 1/32), позволяющий приготовлять водоугольные смеси пригодные к трубопроводной транспортировке и сжиганию без предварительного обезвоживания, способные длительно храниться и обладающие низкой температурой воспламенения (240-450°С).

Недостатком известного способа является невозможность приготовления подобного топлива в местах, не имеющих залежей торфа с подобными качествами.

Известен способ приготовления жидкой топливной композиции (патент России № 2183658, C 10 L 1/32), состоящий из мелкодисперсного твердого топлива, стабилизатора и воды, позволяющий утилизировать навоз, сапропель, продукты ассенизационных выгребных ям, гидролизный лигнин.

Недостатком известного способа является сложность коллоидного раздробления растительных остатков и большие энергозатраты на его осуществление.

Известен способ получения жидкого топлива и статический смеситель для его осуществления, позволяющий получить жидкое топливо путем смачивания пылевидного твердого топлива водой в кавитационном смесителе. В полученную увлажненную смесь вводят органическую жидкость. Все операции по смешиванию производят в кавитационном статическом смесителе. Недостатками известного способа являются:

1. Обязательный ввод в водотопливную смесь органической жидкости.

2. Необходимость иметь дополнительное оборудование углесос или насос для прокачки смеси или суспензии через статический кавитационный смеситель.

Наиболее близким к предложенному является способ получения водоугольного топлива (патент России № 2167189, C 10 L 1/32).

Сущностью изобретения является получение водоугольного топлива сухим измельчением предварительно дробленого до размеров частиц угля менее 3 мм исходного угля в роторно-вихревой мельнице до частиц менее 20 мкм.

В процессе измельчения происходит сепарация угля от минеральных компонентов и гидрофобизация частиц угля. Последующее смешивание частиц угля с водой производится в гидравлическом диспергаторе с получением коллоидной гидросмеси.

Недостатками известного способа являются:

1. Наличие сухого размола угля в роторно-вихревой мельнице, для устойчивой работы которой требуется предварительное обезвоживание угля.

2. Сухое измельчение угля до частиц менее 20 мкм в мельницах-вентиляторах требует наличия пылеулавливающих устройств, а взрывоопасность сухой угольной пыли - наличия особых мер безопасности.

3. Сухая гравитационная деминерализация измельченного угля на выходе из мельницы-вентилятора требует значительных герметичных помещений для его осуществления.

4. Сложность смешения сухой гидрофобной угольной пыли с водой, которая может быть осуществлена в технологической паре смеситель - диспергатор, путем многократной обработки, что связано с большими энергозатратами.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание эффективного и энергоэкономного способа получения водоугольного топлива, обладающего высоким энергетическим потенциалом, экологической чистотой, низкой себестоимостью, широкой сферой применения и достаточно простой технологической линией для его осуществления.

Поставленная задача достигается тем, что в заявленном способе получения водоугольного топлива, включающем измельчение доставленного со склада угля в молотковой дробилке до фракции 0-10 мм, согласно изобретению проводят перемешивание твердой топливной составляющей (60-75%) фракции 0-10 мм в смесителе с водой, щелочным реагентом (0,005%), углестабилизирующей добавкой (до 3,5%) и поддерживание пульпы турбиной 12 (фиг.4) во взвешенном состоянии, направляют полученную пульпу 11 (фиг.4) в кавитационный диспергатор крупного помола (0-800 мкм).

После обработки в диспергаторе крупного помола водоугольная суспензия направляется по трубопроводу 10 (фиг.4) на гидроклассификатор, который отделяет угольные частицы размером более 800 мкм и направляет их в гидроциклон для отделения минеральных частиц от угля. Из гидроциклона минералы, состоящие из горных пород, кварцитов и т.д., направляются в отвал, а крупная угольная фракция, размером более 800 мкм возвращается в смеситель, где смешивается со свежей порцией и поступает на повторное измельчение в диспергатор крупного помола.

Основная масса суспензии после отделения крупной фракции угля и минералов направляется в диспергатор тонкого помола (0-250 мкм). После обработки в диспергаторе тонкого помола водоугольная суспензия направляется в емкость для ее хранения. По мере необходимости насосом №1 водоугольная суспензия перемешивается в емкости для исключения расслоения и восстановления ее реологических свойств.

Водоугольная пульпа или водоугольная суспензия, направляемая в диспергатор крупного или тонкого помола, через всасывающий трубопровод 13 (фиг.4) закачивается ротором и лопатками 3 (фиг.3) отбрасывается к кольцу 5. В момент совмещения отверстий ротора 5 и статора 2 пульпа или суспензия, проходя через цилиндрические каналы в кольце ротора 5, на внезапно расширяющиеся отверстия статора 2, образует зоны пониженного давления 8 (фиг.3), в которых пульпа или суспензия насыщается кавитационными пузырьками.

В момент перекрытия отверстий ротора боковыми стенками статора происходит резкое повышение давления по всей длине цилиндрических отверстий ротора (прямой гидравлический удар), обеспечивающее схлопывание кавитационных пузырьков в отверстиях ротора.

Во внезапно расширяющихся отверстиях кольца статора 2 “схлопывание” кавитационных пузырьков обеспечивается постоянным избыточным давлением, поддерживаемым регулятором давления 9.

Известно, что в жизни кавитационного пузырька различают две фазы - расширение и схлопывание, которые вместе образуют гидродинамический цикл. Расширение - это когда в данной точке давление уменьшается, жидкость расширяется и в отдельных местах как бы рвется. Образуются микроскопические пузырьки, живущие очень не долго. На их стенках с внутренней стороны - ионы, обрывки молекул, гидроксильные группы, мощные электрические поля. При смене цикла разрежения на цикл сжатия пузырек начинает схлопываться. Стенки его, стремительно надвигаясь друг на друга, сталкиваются. В точке исчезновения пузырька возникают мгновенные перепады давления от 4000 до 25000 кг/см² , мгновенные значения температуры 2000-3400 К, электрические заряды на поверхности пузырька напряженностью до 10¹¹ В/м.

Давления, возникающие в точках исчезновения кавитационных пузырьков, порождают в пульпе ударные волны. Ударная волна быстро затухает по мере удаления от схлопывающегося пузырька. Однако если рядом с пузырьком находится поверхность твердого тела, достигающая ее ударная волна имеет достаточную интенсивность, чтобы деформировать эту поверхность.

В зоне кавитации возникает и захлопывается бесчисленное количество пузырьков. Поэтому одна и та же поверхность или частица твердого тела испытывает многократно повторяющиеся импульсы механического напряжения, которые приводят к усталости и последующему разрушению этих частиц.

Угольные частицы, имеющие меньшую механическую прочность по сравнению с породой и минералами, содержащимися в угле, разрушаются более интенсивно, чем минералы. Отсутствие в кавитационных диспергаторах зазоров, в которые прокачивается пульпа, как в валковых мельницах или в шаровых мельницах, шары которых не могут измельчать селективно, позволяет кавитации более избирательно в первую очередь диспергировать менее прочные угольные частицы и обеспечить деминерализацию пульпы путем обработки ее в гидроклассификаторе, а затем в гидроциклоне.

Деминерализация водоугольной суспензии повышает ее теплотворную способность, резко снижает зольность и обеспечивает стабильный режим горения суспензии.

Кроме того, кавитация приводит к возникновению в жидкости большого количества высокореакционноспособных радикальных частиц. В случае воды такими радикальными частицами являются атомы водорода и гидроксильные радикалы по схеме Н ₂О·Н+·ОН+е.

Жидкость насыщается молекулами перекиси водорода (Н ₂О₂), ионами гидроксония (Н₃О ⁺), которые как известно являются мощнейшими окислителями и могут существовать только в воде, обеспечивая инициирование и протекание многих химических реакций, в том числе окисление всех органических соединений. Каменный уголь, являясь углеводородным сырьем, содержит в своем составе соединения от C₁₈ H₃₈ (октадекон) до C₄₀H₈₂ (тетраконтон).

В процессе кавитационного диспергирования в воде, в режимах близких к критическим, идет деструкция длинных молекул алканов с образованием газообразной (от метана СН₄ до н-бутана С₄Н₁₀) и жидкой (от н-пентана С₅ Н₁₂ до н-гептадекана С₁₇Н₃₆) фаз. Заполнение оборванных углеродных связей и замещение атомов водорода на гидроксильные группы ОН приводит к образованию многоатомных спиртов и т.д. Гидрокрекинг тяжелых углеводородов в более легкие улучшает реологические характеристики водоугольного топлива и приводит к снижению температуры вспышки (250-300°С).

Вышеперечисленные преобразования углеводородов при кавитационном воздействии с водной средой экспериментально подтверждают идею, выдвинутую в 30-х годах Я.И. Френкелем, что “жидкость - это разупорядоченное твердое тело, в котором продолжает существовать ближний порядок”.

Кавитация в водоугольной суспензии кроме гидрокрекинга приводит к насыщению суспензии различными газами, которые в процессе хранения водоугольной суспензии постепенно выделяются через свободные поверхности. Содержание газов, определенное хронометром МХМ-80, показало наличие метана СН₄ в количестве 9% от объема - хромотограмма с пиками метана, азота воздуха и кислорода приведена на фиг.5.

Технологическая линия для осуществления заявляемого способа получения водоугольного топлива работает следующим образом.

Уголь со склада хранения автомобильным или иным видом транспорта подается в бункер, а затем в молотковую дробилку необходимой производительности, где измельчается до фракции 0-10 мм. Более предпочтительно использовать для приготовления водоугольного топлива угольный шлам после гидродобычи, коксовую мелочь, сажу и т.д. Раздробленный уголь подается в смеситель, в который одновременно с углем в необходимой пропорции подаются: вода, щелочные реагенты, стабилизирующие добавки, органические углеводородные вещества и т.д.

Пульпа, приготовленная из названных компонентов, подается в диспергатор крупного помола (0-800 мкм). Проходя через всасывающий трубопровод 13 (фиг.4) и отбрасываемая лопатками ротора 3 (фиг.3) пульпа направляется в отверстия ротора 5, а при совмещении отверстий, в отверстия кольца статора 2. Форма отверстий ротора и статора подобрана таким образом, что при совмещении отверстий в них возникают водоворотные зоны пониженного давления 8 (фиг.3), в которых пульпа насыщается кавитационными пузырьками.

В момент перекрытия боковыми стенками кольца статора отверстий ротора в отверстиях ротора происходит повышение давления по всей длине отверстий (прямой гидравлический удар), обеспечивающее “схлопывание” каитационных пузырьков.

В это же время во внезапно расширяющихся отверстиях кольца статора 2 “схлопывание” кавитационных пузырьков обеспечивается постоянным избыточным давлением, поддерживаемым регулятором давления 9.

Ударные волны, образующиеся в местах исчезновения кавитационных пузырьков, деформируют и разрушают угольные и другие частицы, оказавшиеся вблизи них, так как возникает бесчисленное количество пузырьков, то одна и та же частица подвергается многочисленным импульсам механического напряжения, которые приводят к усталости и последующему разрушению этих частиц, в первую очередь менее прочных и хрупких угольных частиц.

Полученная в диспергаторе суспензия направляется в гидроклассификатор, в котором происходит разделение суспензии по размеру частиц. Основной поток суспензии с содержанием твердых частиц менее 800 мкм направляется в диспергатор тонкого помола 0-250 мкм, а крупная фракция с содержанием частиц более 800 мкм направляется в гидроциклон для деминерализации.

Определенные в гидроциклоне частицы горных пород, минералов, кварцитов и т.д. направляются в отвал, а крупная (более 800 мкм, не более 3-5% от объема) угольная фракция возвращается для смешивания со свежей порцией угля и повторного измельчения в диспергаторе крупного помола.

Суспензия, прошедшая дополнительное кавитационное измельчение угольных частиц в диспергаторе тонкого помола, направляется в накопительную емкость для хранения и выдачи, посредством насоса № 2, к горелкам котла.

Хранящаяся суспензия периодически перекачивается насосом № 1, обладающим небольшим кавитационным воздействием, из емкости для хранения суспензии с возвратом в эту же емкость. Прокачивание и небольшое кавитационное воздействие на суспензию приводит к сохранению реологических характеристик суспензии, предотвращению расслаивания и доизмельчения крупных (200-250 мкм) частиц угля, а также для ее подогрева.

На фиг.1 изображена схема приготовления водоугольного топлива, состоящая из следующих основных механизмов и блоков:

- склад угля (0-250 мм);

- молотковая дробилка для первичного измельчения угля (0-10 мм);

- смеситель;

- диспергатор крупного помола (0-800 мкм);

- гидроклассификатор для разделения потока суспензии на фракции более 800 мкм м менее 800 мкм;

- гидроциклон для деминерализации угольной суспензии от породы, минералов, кварцитов и т.д. и отделения крупных (более 800 мкм) частиц угля;

- диспергатор тонкого помола (0-250 мм) со средним содержанием частиц (50 мкм);

- емкость для накопления и хранения суспензии;

- насос № 1 для перемешивания суспензии в емкости;

- насос № 2 для подачи суспензии к горелкам котла.

На фиг.2 изображен продольный разрез диспергаторов крупного и тонкого помола, отличающихся размером, формой и количеством отверстий, состоящих из следующих основных оригинальных деталей:

- кольца статора 2 с отверстиями;

- ротора с лопатками 3;

- кольца ротора с отверстиями 5.

На фиг.3 изображен поперечный разрез роторного кавитационного диспергатора, на котором дополнительно изображены:

- водоворотные зоны пониженного давления в кольцах ротора и статора 8;

- регулятор давления 9.

На фиг.4 изображена схема соединения смесителя и диспергатора крупного помола, на которой дополнительно изображены:

- пульпа в смесителе 11;

- турбина для перемешивания пульпы и предотвращения оседания угля с последующим расслоением 12;

- всасывающий трубопровод (направляющий пульпу из смесителя в диспергатор) 13;

- трубопровод для направления суспензии из диспергатора в гидроклассификатор либо обратно в смеситель 10.

На фиг.5 приведена хромотограмма с пиками метана, азота воздуха и кислорода воздуха, выделяющихся из суспензии после кавитационного диспергирования.

Список использованной литературы:

1. Патент России № 2178455.

2. Патент России № 2192449.

3. Патент России № 2167189.

4. Патент России № 2151170.

5. Патент России № 2183658.

6. Патент России № 2097408.

7. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. - М.: Машиностроение, 1971 г. (стр.44-49, 118, 349, 375, 379-381).

8. Богомолов Л.И., Михайлов К.А. Гидравлика. - М.: Стройиздат, 1972 г. (стр.87, 92, 142-150, 398-405).