установка для термической обработки измельченного твердого топлива

Формула изобретения

Установка для термической обработки измельченного твердого топлива в потоке газа-носителя, содержащая камеру с газораспределительной решеткой и засыпкой инертных твердых частиц, технологическую топку для сжигания коксового остатка, трубчатые реакторы, размещенные в засыпке, сепараторы и питатели топлива и коксового остатка, теплообменник для утилизации теплоты уходящих газообразных продуктов сгорания, отличающаяся тем, что дополнительно установлены трубчатый теплообменник контактного типа для закалки получаемого целевого газа и предварительного подогрева частиц топлива и теплообменник для передачи теплоты зольного остатка газу-носителю, подаваемому в трубчатые реакторы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области промышленной теплотехники, в частности термической обработки пылевидного твердого топлива, преимущественно низкосортного, например горючих сланцев. Термическая обработка твердого топлива проводится с целью получения газообразных продуктов (целевого газа), образующихся в результате реакций термодеструктивных превращений топливного вещества и используемых в качестве энергоносителя или сырья для промышленности органического синтеза.

Известны установки для термической обработки измельченного топлива в потоке газа-носителя с трубчатыми реакторами [1]. Развитая площадь контакта частиц топлива с реакционным газом-носителем и проточность трубчатых реакторов по обеим фазам потока "газ-твердое" обеспечивают высокие скорости реакций термического разложения топлива и большую удельную производительность. Недостатком установок является то, что необходимая для осуществления процесса теплота выделяется при окислении части обрабатываемого топлива в зоне его нагрева и разложения. Получаемый при этом целевой газ содержит в себе продукты сгорания топлива, что снижает его качество для дальнейшего использования как сырье в химической промышленности и как топливо в энергетике.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка для термической обработки измельченного твердого топлива с комбинированным подводом теплоты в реакционную зону, работающая в режиме газовзвеси [2] - прототип.

Установка содержит трубчатые реакторы, размещенные в засыпке инертных твердых частиц, псевдоожижаемой высокотемпературными дымовыми газами. Теплота в реакционную зону подается с газом-носителем и через стенки трубчатых реакторов от псевдоожижающих дымовых газов, которые образуются при сжигании в топке получаемого в результате термической обработки топлива твердого коксового остатка. Установка имеет теплообменник для утилизации теплоты уходящих из псевдоожиженного слоя дымовых газов, питатели и сепараторы топлива и коксового остатка. Развитие поверхности теплопередачи за счет размещения в псевдоожиженном слое многих реакторных труб позволяет обеспечить подвод через стенки труб значительного количества теплоты к потоку газовзвеси «топливо-несущий газ» для нагрева и покрытия эндотермического теплового эффекта разложения топливного вещества. Это позволяет снизить или совсем исключить содержание продуктов сгорания и греющего теплоносителя в получаемом целевом газе и тем самым повысить его качество. Возможно эффективно управлять процессом разложения топлива за счет регулирования температуры нагрева и времени пребывания топливных частиц в реакционной зоне.

Недостаток известной установки состоит в том, что в ней отсутствуют устройства для закалки получаемых целевых парогазовых продуктов, которая является одним из средств управления их компонентным составом. Быстрое охлаждение (закалка) получаемых газов исключает протекание в них реакций вторичного пиролиза (крекинга) и позволяет полнее использовать химический потенциал исходного топлива. Кроме того, в известной установке при наличии нескольких выходящих высокотемпературных материальных потоков утилизируется только теплота уходящих из псевдоожиженного слоя газообразных продуктов сгорания коксового остатка, что дает основание заключить о наличии неиспользованных возможностей по энергосбережению.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы установки за счет более полного использования вторичных энергоресурсов и улучшения качества получаемых парогазовых продуктов.

Поставленная задача решается тем, что в установке для термической обработки измельченного твердого топлива в потоке газа-носителя, содержащей камеру с газораспределительной решеткой и засыпкой инертных твердых частиц, технологическую топку для сжигания коксового остатка, трубчатые реакторы, размещенные в засыпке, сепараторы и питатели топлива и коксового остатка, теплообменник для утилизации теплоты уходящих газообразных продуктов сгорания, дополнительно установлены трубчатый теплообменник контактного типа для закалки получаемого целевого газа и предварительного подогрева частиц топлива и теплообменник для передачи теплоты зольного остатка газу-носителю, подаваемому в трубчатые реакторы.

В отличие от известного устройства дополнительная установка закалочного трубчатого теплообменника, где охлаждение получаемых парогазовых продуктов термического разложения твердого топлива осуществляется путем смешения их с частицами исходного топлива, позволяет в условиях высокоинтенсивного теплообмена и развитой поверхности теплопередачи быстро уменьшить температуру газового потока и тем самым остановить вторичные термодеструктивные реакции в газовой фазе. При этом в составе газа сохраняются многие ценные продукты термического разложения топлива и качество целевого газа становится выше. Кроме того, полезно используется теплота газового потока для предварительного подогрева исходного твердого топлива. Это дает возможность снизить тепловую нагрузку трубчатых реакторов и выполнять их с меньшими размерами, более компактными.

Наличие дополнительного зольного теплообменника для подогрева потока газа-носителя, подаваемого в трубчатые реакторы, повышает тепловую эффективность и улучшает энерго-экономические показатели установки.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».

Известные технические решения [1] с автотермическим способом нагрева топлива энергетически и технологически несовершенны. Они не обеспечивают управляемый, высокотемпературный нагрев топлива и закалку парогазовых продуктов.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «существенные отличия».

На чертеже представлена схема предлагаемой установки для термической обработки измельченного твердого топлива.

Установка содержит прямоугольную камеру 1 с газораспределительной решеткой 2 и засыпкой 3 инертных твердых частиц, в которой размещены трубчатые реакторы 4. Трубчатые реакторы 4 оснащены питателями-дозаторами 5 топлива на входе и сепараторами 6 «газ-твердые частицы» на выходе. Вне камеры 1 расположены трубчатый теплообменник 7 контактного типа для закалки получаемого целевого газа и предварительного подогрева частиц топлива, оснащенный питателем-дозатором 8 и сепаратором 9, которых может быть по одному или несколько, а также теплообменник 10 для передачи теплоты зольного остатка газу-носителю, подаваемому в трубчатые реакторы. Установка имеет технологическую топку 11 и теплообменник 12 для утилизации теплоты уходящих газообразных продуктов сгорания.

Установка работает следующим образом. Высушенное измельченное твердое топливо питателем-дозатором 8 подается в поток горячих парогазовых продуктов и транспортируется потоком через трубчатый теплообменник 7. В процессе транспортирования газовая фаза охлаждается (идет закалка), а топливные частицы нагреваются. На выходе из теплообменника 7 в сепараторе 9 осуществляется разделение фаз потока. Целевой газ направляется по назначению, а твердое топливо опускается под действием силы тяжести по стояку 13 к питателю-дозатору 5, откуда подается в поток газа-носителя и транспортируется в потоке газовзвеси через трубчатый реактор 4. Поток газовзвеси нагревается до температуры обработки топлива, воспринимая теплоту через стенку трубчатого реактора 4 от засыпки 3 инертных твердых частиц, приведенных при работе установки в состояние высокотемпературного псевдоожиженного слоя. При необходимости часть теплоты для осуществления процесса обработки топлива может подводиться за счет окисления соответствующим газом-носителем некоторой доли органического вещества транспортируемого топлива. Выходящие из трубчатого реактора 4 продукты поступают в сепаратор 6, где осуществляется разделение газовой и твердой фаз потока. Парогазовые продукты направляются в теплообменник 7 для закалки, а твердый коксовый остаток направляется полностью или частично в технологическую топку 10, где сжигается. В качестве окислителя при сжигании кокса используется горячий воздух, который поступает в технологическую топку 11 из теплоутилизатора 12. Высокотемпературные газообразные продукты сгорания из технологической топки 11 поступают через газораспределительную решетку 2 в засыпку 3 инертных твердых частиц и придают ей состояние псевдоожиженного слоя. Отдав часть своей теплоты в псевдоожиженном слое трубчатым реакторам 4, продукты сгорания выходят из камеры 1 и поступают в теплоутилизатор 12, где за счет дальнейшего их охлаждения производится подогрев воздуха, направляемого в технологическую топку 11. Выходящий из топки 11 высокотемпературный зольный остаток поступает в теплообменник 10, где теплота золы используется для нагрева газа-носителя.

Предлагаемая установка дает возможность эффективно управлять процессом термической обработки твердого топлива и получать продукты требуемого качества. Для этого используются высокоскоростные режимы нагрева топливной газовзвеси в трубчатых реакторах и охлаждения получаемых парогазовых целевых продуктов в закалочном теплообменнике. Изменяя температурный уровень и время пребывания того и другого потока в зоне тепловой обработки, можно влиять на состав получаемых продуктов. Принятая тепловая схема установки позволяет наилучшим образом использовать вторичные энергоресурсы и обеспечивает высокий тепловой к.п.д. обработки топлива.

При термической обработке, например, волжских горючих сланцев (Саратовская область) с целью их пирогазификации при температуре 800-850°С и следующих исходных данных - расход сланцев через один трубчатый реактор 100 кг/ч, их влажность не более 8%, размер частиц от 0 до 300 мкм, низшая теплота сгорания рабочей массы 6360 кДж/кг, в качестве газа-носителя используется воздух - потребуется выполнять трубчатый реактор внутренним диаметром 20 мм и рабочей длиной 3 м. Расход газа-носителя составит 18 кг/ч, дутьевого воздуха для сжигания кокса - 158 кг/ч, выход газообразных продуктов сгорания с температурой 1000°С из топки - 162 кг/ч, золы из топки - 57 кг/ч. Из трубчатого реактора выходит 57 кг/ч парогазовых продуктов и 60,5 кг/ч кокса, который весь направляется в технологическую топку для сжигания. В состав сухого пиролизпого газа входят сероводород - 0,4% (объемн.), оксид углерода - 9,5%, диоксид углерода - 17,9%, водород - 19%, метан - 8,2%, азот - 39,8%, непредельные углеводороды - 5,2%.

Низшая теплота сгорания рабочей массы получаемого пиролизного газа составляет 8,39 МДж/м³ . Получаемый кокс имеет размер частиц от 0 до 250 мкм и следующий элементарный состав аналитической массы: углерод 12-13%, водород 0,8-1,04%, сера общая 3,23-3,65%, сера сульфидная 1,06-1,65%, двуокись углерода карбонатов 12,37-12,2%. Кокс представляет собой хорошо сыпучий порошок, который плохо поглощает воду.

Тепловой к.п.д. установки для пирогазификации горючих сланцев, определенный как отношение химической теплоты, которая может выделиться при сжигании получаемого целевого газа, к введенной химической теплоте исходного топлива составляет 88%.

Использование предлагаемой установки для термической обработки измельченного твердого топлива обеспечивает по сравнению с существующими устройствами следующие преимущества:

- наличие трубчатого теплообменника контактного типа для закалки целевого газа исключает протекание вторичных реакций в получаемых парогазовых продуктах и обеспечивает более высокое их качество; использование в теплообменнике в качестве холодного теплоносителя частиц исходного твердого топлива решает задачу возврата теплоты процесса закалки в трубчатый реактор и, кроме того, обеспечивает высокую скорость закалки, так как теплообмен при контакте газа с твердыми частицами имеет большую интенсивность;

- наличие теплообменника для утилизации теплоты зольного остатка позволяет возвратить в основной процесс обработки топлива данный вторичный теплоэнергоресурс и тем самым повышает эффективность работы установки.

Источники информации

1. Шиллинг Г.-Д., Бонн Б., Краус У. Газификация угля. Пер с нем. -М.: Недра, 1986, с. 99,114,115,124.

2. Печенегов Ю.Я. Теплообмен и теплоносители в процессах термической обработки измельченного твердого топлива. Изд-во Саратовского гос. университета, 1983, с.24.