Способ переработки угля и устройство для его осуществления

011685 Изобретение относится к области переработки угля и может быть использовано в энергетике и химической промышленности для получения углеродных адсорбентов, металлургического полукокса,энергетического или технологического газа. Известен способ переработки угля, называемый процесс Wellman-Galusha, и устройство для его осуществления путм термообработки угля в автотермическом слоевом вертикальном аппарате шахтного типа при подаче в него газифицирующего агента снизу вверх через слой разожжнного угля.Verlag Clckaut, GmbH, Essen, 1981, в переводе с немецкого С.Р. Исламова: Газификация угля. Г.-Д. Шиллинг, Б. Борн, У. Краус. - М: Недра, 1986, с. 49. Этот способ предполагает засыпку исходного кускового сырья в аппарат шахтного типа, создание горящего слоя с температурой 800-1000 С при одновременной прокачке воздуха сквозь горящий слой с отбором горючего газа выше уровня горящего слоя и тврдого остатка ниже уровня горящего слоя. В зависимости от параметров процесса возможно получение на выходе из аппарата энергетического или технологического газа, а в качестве тврдого остатка углеродных адсорбентов и металлургического полукокса. Устройство для осуществления описанного способа представляет собой замкнутую теплоизолированную вертикальную камеру, оснащенную патрубком для отвода газа из верхней части аппарата, разгрузочным люком и патрубком для подвода воздуха в аппарат в нижней части аппарата. Данные способ и устройство позволяют вести переработку тврдого углесодержащего сырья при достаточно простом аппаратурном оформлении процесса. Недостатком этого способа и устройства для его осуществления является низкое качество получаемых продуктов. Из-за неравномерного распределения воздуха по поперечному сечению аппарата, получаемый газ насыщен продуктами пиролиза угля, что ограничивает его применение, а из-за большого обгара исходного углеродсодержащего сырья снижается качество твердых продуктов. Указанный недостаток преодолен в другом известном способе и устройстве для его осуществления. Известны способ переработки угля и устройство для его осуществления путм термообработки угля в автотермическом слоевом вертикальном аппарате шахтного типа, выполненном в виде полого цилиндра, переходящего в усечнный конус для подачи газифицирующего агента через слой разожжнного угля. (См. патент ЕА 008111 В 1 МПК кл.С 10 В 47/04, 2005 г.). Данные способ и устройство по технической сути и достигаемому результату наиболее близки к изобретению и поэтому приняты за прототипы. Известный способ переработки угля включает фракционирование и загрузку угля в полую вертикальную камеру, выполненную в форме цилиндра, переходящего в усечнный конус, розжиг слоя угля,измерение температуры в камере по е высоте, отбор газа с уровня, расположенного выше уровня горящего слоя, и подачу газифицирующего агента со стороны малого основания усечнного конуса. Известное устройство для осуществления способа переработки угля содержит полую вертикальную камеру, состоящую из верхней цилиндрической части и нижней части в виде усечнного конуса, патрубок для отвода газа, установленный у вершины камеры, патрубок для подвода газифицирующего агента в камеру с нижнего торца конусной части камеры, регулятор расхода газифицирующего агента и блок автоматического управления, установленные вне камеры, электротермическое устройство для розжига угля и датчики температуры угля, установленные в камере. Устройство выполнено комбинированным из верхнего, среднего и нижнего поясов, причем конструктивно каждый пояс по высоте составляет одну треть аппарата, с возможностью управления процессом подачей дутья. Верхний пояс состоит из загрузочного люка, выпускного патрубка газа, гидрозатвора и электротермического устройства, средний пояс - из цилиндрического корпуса и водяной рубашки, а нижний выполнен в виде усеченного конуса и состоит из выгрузочного устройства, колосниковой решетки, устройства подвода воздуха и/или охлаждающего газа и термоэлектрических датчиков. Процесс переработки угля в данном устройстве осуществляют следующим образом. После загрузки топлива включают электротермическое устройство розжига, а спустя некоторое время начинают подачу воздуха. В дальнейшем, получая сигналы от термоэлектрических датчиков, расход воздуха поддерживают на номинальном уровне, который определяется свойствами топлива, сечением аппарата и целевым назначением процесса переработки топлива. В момент приближения фронта реагирования к колосниковой решетке от термоэлектрических датчиков поступает сигнал, на основе которого прекращают подачу воздуха. Недостатком данного способа и устройства является низкая производительность процесса. Технической задачей, на достижение которой направлено данное изобретение, является повышение производительности процесса за счет оптимизации параметров способа переработки угля и разработка новой конструкции устройства для осуществления этого процесса. Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе переработки угля, включающем сортировку, фракционирование и загрузку угля в полую вертикальную камеру, выполненную в форме цилиндра, переходящего в усечнный конус, розжиг слоя угля, измерение температуры в камере-1 011685 по е высоте, отбор газа с уровня, расположенного выше уровня горящего слоя, и подачу газифицирующего агента со стороны малого основания усечнного конуса, после загрузки угля в камеру ведут его переработку, постоянно измеряя температуру газа в точке его выхода из камеры и поддерживая в процессе переработки угля в цилиндрической части камеры разницу между максимальной температурой горящего слоя и температурой газа в точке его выхода из камеры, рассчитываемую по формулеTh=T(1-k1)h/k3L,а в процессе переработки угля в конической части камеры - поддерживая разницу между максимальной температурой горящего слоя и температурой газа в точке его выхода из камеры, рассчитываемую по формулеTh= T(1-k2)L(k4-2(1-k3)tg)/(k4L-2(h-k3L)tg)2h/L,где ТС - максимальная температура горящего слоя,L - расстояние между уровнями входа газифицирующего агента в камеру и выхода газа из камеры;h - расстояние между уровнями с максимальной температурой горящего слоя и выхода газа из камеры,=30-35 - половинный угол раствора усечнного конуса,k1=0,25-0,35;k4=0,4-0,6. Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что устройство для осуществления способа переработки угля, содержащее полую вертикальную камеру, состоящую из верхней цилиндрической части и нижней части в виде усечнного конуса, патрубок для отвода газа, установленный у вершины камеры, патрубок для подвода газифицирующего агента в камеру с нижнего торца конусной части камеры, регулятор расхода газифицирующего агента и блок автоматического управления, установленные вне камеры, электротермическое устройство для розжига угля и датчики температуры угля, установленные в камере, дополнительно содержит датчик температуры газа, установленный на уровне патрубка для отвода газа, датчики температуры угля установлены в камере вдоль е высоты на фиксированных расстояниях от датчика температуры газа вплоть до нижнего торца конусной части камеры, все датчики температуры электрически соединены с блоком управления с возможностью автоматического регулирования расхода воздуха в зависимости от разницы между регистрируемыми датчиками значениями максимальной температуры горящего угольного слоя и температуры газа на выходе из камеры, причм конусная часть камеры выполнена с углом раствора конуса, равным 60-70, при отношении высоты цилиндрической части к полной высоте камеры 0,7-0,8 и диаметра цилиндрической части камеры к полной высоте камеры 0,4-0,6. Желательно вести процесс, поддерживая максимальную температуру в горящем слое угля 6501100 С. Предпочтительно для получения в результате переработки металлургического полукокса отбирать неспекающиеся сорта углей класса 3-50 мм, для получения углеродных адсорбентов - класса 5-15 мм, для получения технологического газа - класса 3-30 мм. Целесообразно розжиг угля осуществлять со стороны верхнего торца цилиндрической части камеры. Возможно также розжиг угля осуществлять со стороны нижнего торца конусной части камеры. Желательно в качестве газифицирующего агента использовать атмосферный воздух. Предпочтительно в качестве газифицирующего агента использовать смесь атмосферного воздуха с водяным паром. Увеличение производительности процесса переработки угля с использованием данных способа и устройства становиться возможным благодаря более равномерному распределению подаваемого в камеру воздуха через сопло, выполненное в виде усечнного конуса, с оптимизированным диапазоном величины угла раствора конуса, а также оптимизации параметров процесса переработки угля и параметров рабочей камеры в е цилиндрической и конической частях в зависимости от физических характеристик сырья и требований к конечному продукту переработки. Процесс переработки угля происходит в полой замкнутой камере высотой L, состоящей из цилиндрической части диаметром D и высотой Н, переходящей в сопло, выполненное в форме усеченного конуса с углом раствора . В реальных условиях внутри камеры при перемещении горящего слоя угля в направлении встречном потоку газифицирующего агента с одновременным протеканием экзо- и эндотермических реакций,идут нестационарные тепло-массообменнные процессы. В соответствии с принятой в теплопередаче практикой расчта таких процессов необходимо принять следующие допущения: прохождение газа сквозь тврдую среду происходит в режиме полной рекуперации тепла: в горящем слое газ нагревается до температуры Т, а при температуре Th выходит из камеры; теплопередача происходит между горячей поверхностью, находящейся на уровне горящего слоя-2 011685 угля с температурой Т, и холодной поверхностью, находящейся на уровне выхода газа из камеры с температурой Th, расстояние между которыми равняется h; при перемещении горящего слоя угля в часть камеры, выполненную в виде усечнного конуса, теплообмен происходит между холодной и горячей поверхностями с равными усредннными площадями. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен. Учебное пособие 2-е изд.; Издательский дом МЭИ; М; 2006 г., с. 530. При таких допущениях процесс в камере можно представить в виде ряда стационарных тепловых процессов, происходящих с увеличением значения h от 0 до L. Согласно уравнению Фурье при стационарном потоке тепла от одной поверхности к другой мощность тепловых потерь Р = S T/h, где S - площадь поверхности теплообмена, h - текущее значение расстояния между горячей и холодной поверхностями,- коэффициент теплопроводности, T=T-Th - перепад температур между горячей и холодной поверхностями. При h=H TH=k1T, где k1 - коэффициент охлаждения газа в цилиндрической части камеры. При h=L TL=k2T, где k2 - коэффициент охлаждения газа в камере. При перемещении горящего слоя угля в цилиндрической части камеры объем отжига над слоем горящего угля можно представить в виде цилиндра высотой h с площадью основания S. По мере опускания горящего слоя высота h будет увеличиваться. Полный перепад температур между гранью с температурой горящего угля и верхней гранью (температурой горючего газа на выходе из камеры) в цилиндре высотой Н рассчитывается по формулеT=HP/S, а перепад температур в неком произвольном цилиндре этой камеры высотой h рассчитывается по формуле Th = hP/S. Отсюда Th/T=h/H или Th=T(1-k1)h/H. При перемещении горящего слоя угля в конической части камеры объем отжига над слоем горящего угля можно представить в виде усечнного конуса высотой h с площадью большего торца S и площадью меньшего торца s. В соответствии с принятыми допущениями при движении горячей поверхности вниз значение h будет увеличиваться при уменьшающейся средней площади поверхности теплообменаSh=(S+s)/2. Высота конусной части камеры L-H=(D-dL)/2tg, где =/2, dL-диаметр малого торца конусной части камеры. Следовательно dL = D-2(L-H)tg и, как частный случай этого равенства, dh = D-2(h-H)tg, где dh диаметр конусной части камеры на высоте h. Полный перепад температур в камере высотой L рассчитывается по формуле TL=LP/SL, а перепад температур между холодной и горячей поверхностью, находящейся в конической части камеры на глубине h, рассчитывается по формуле Th = hP/Sh. Отсюда Th = TLhSh=L/LSh = T(1-k2)hSh=L/LSh = T(1-k2)hd2L/Ld2h = T(1-k2)(D-2(L-H)tg)/(D-2(hH)tg)2h/L = T(1-k2)(D-2L(1-k3)tg)/(D-2(h-k3L)tg)2h/LTh = T(1-k2)L(k4-2(l-k3)tg)/(k4L-2(h-k3L)tg)2h/L,где Н = k3L, D = k4L. На фиг. 1 приведена схема устройства для переработки угля. Устройство содержит вертикальную рабочую камеру 1 высотой L в виде цилиндра 2, переходящего в усечнный конус 3 с углом раствора конуса , загрузочный люк 4, электротермическое устройство 5, датчики температуры 6, один из которых предназначен для измерения температуры выходящего из камеры газа и установлен в камере рядом с патрубком 7 для выхода газа, а остальные для измерения температуры угля на фиксированных от этого датчика расстояниях h, патрубок 8 для подвода воздуха в камеру, колосниковую рештку 9, выгрузочное устройство 10, регулятор расхода воздуха 11, блок управления 12, электрически соединнный с датчиками температуры и регулятором расхода воздуха, насос для подачи газифицирующего агента 13, насос для перекачки газа 14, теплообменник 15. Устройство работает следующим образом. Подготовленное для переработки сырь через люк 4 загружают в камеру 1, где оно постепенно заполняет сначала конусную часть 3, а затем цилиндр 2, после чего камеру герметизируют. Начальный разогрев слоя угля осуществляют электротермическим устройством 5. Через патрубок 8 и колосниковую рештку 9 в камеру посредством насоса 13 подают газифицирующий агент. Одновременно с помощью датчиков 6 измеряют температуру внутри камеры. Сигнал от датчиков поступает в блок управления 12. При поступлении сигнала о достижении в верхнем слое требуемой максимальной температуры Т электротермическое устройство отключают от электрической сети и продолжают вести процесс, поддерживая с помощью блока управления на каждом уровне h установки датчиков в камере фиксированную разницу температур Th между регистрируемыми датчиками значениями максимальной температуры горящего угольного слоя и температуры газа на выходе из камеры. Когда фронт горения движется вниз, значение h увеличивается. Для получения оптимальных показателей процесса при достижении фронтом горения нижней плоскости цилиндра блок автоматического управления должен обеспечить температуру выходящего из камеры газа ТH = k1T, а при достижении фронтом горения колосниковой рештки - температуру выходящего из камеры газа TL=k2T, где k1, k2 -3 011685 экспериментально установленные коэффициенты. Для этого блок управления программируют на поддержание зависимости между Th и h на каждом уровне внутри цилиндрической части камеры по формуле Th = T(1-k1)h/k3L. При поступлении от датчиков температуры сигнала о переходе фронта горения в конусную часть камеры зависимость Th от h будет описываться как Th = T(1-k2)L(k4-2(1-k3)tg)/(k4L2(h-k3L)tg)2h/L, где k3 = H/L, k4 = D/L - экспериментально установленные соотношения между геометрическими параметрами камеры. При поступлении от нижнего датчика температуры сигнала о достижении фронтом горения колосниковой рештки, подача воздуха автоматически прекращается. После окончания рабочего режима для снижения остаточной температуры тврдого продукта аппарат переводится в режим охлаждения. В состав системы охлаждения входит набор запорной арматуры, водяной теплообменник 15 и насос 14, с помощью которого газ пускают на циркуляцию по замкнутому контуру, где он последовательно, проходя через слой продукта, нагревается, а затем охлаждается в теплообменнике до температуры охлаждающей воды. По окончании охлаждения продукт выгружается самотеком через выгрузное устройство 10. Возможен вариант камеры, когда электротермическое устройство 5 установлено внизу, что не меняет программу блока управления. Согласно предложенному способу используют угли различных сортов из различных месторождений: марки Б 2 (разрез "Березовский" Канско-Ачинского угольного бассейна), имеющий следующие параметры: влажность Wtr=33,5%, зольность Ad=5,0%, выход летучих Vdaf=48%, Cdaf=71,7%, Hdaf=4,9%,Ndaf=0,8%, Odaf=22,3%, Sdaf=0,5%, калорийность Qir=3800 ккал/кг; марки Д (Шубаркольский, Казахстан),имеющий следующие параметры: Wtr=12,2%, Ad=2,4%, Vdaf=40%, Cdaf=77,9%, Hdaf=5,3%, Ndaf=1,2%,Odaf=15%, Sdaf=0,44%, Qir=2570 ккал/кг; марки Б 2 (Бородинский), имеющий следующие параметры: Wtf = 31,3%, Ad=10,3%, Vdaf=47,6%, Cdaf=71%, Hdaf=5%, Ndaf=1%, Odaf=22,5%, Sdaf=0,5%, Qir=3760 ккал/кг. Согласно предложенному способу используют ряд устройств с высотой L рабочей камеры, с различными внутренними диаметрами D цилиндрической части камеры и различными конусообразными частями камеры высотой Н с углом раствора конуса , параметры которых приведены в табл. 1. Изобретение поясняется примерами. Параметры способа и устройства по примерам приведены в табл. 1. Таблица 1 Пример 1. При сортировке отбирают Шубаркольский уголь марки Д, Казахстан. Для получения в результате переработки металлургического полукокса сырь дробят и при фракционировании отбирают уголь класса 3-50 мм. Уголь загружают в камеру, имеющую следующие параметры: L=1,0 м, k3=H/L=0,7, k4=D/L=0,4,=60. После загрузки угля и розжига верхнего слоя в камеру через колосниковую рештку подают воздух. Процесс ведут при значениях Т=650 С, k1=TH/T=0,25, k2=TL/T=0,05. С помощью датчиков измеряют температуру газа на выходе из камеры и температуру горящего слоя угля на каждом фиксированном расстоянии h между датчиком температуры газа и датчиком температуры угля. При этом с помощью блока управления регулятора расхода воздуха обеспечивают значения разницы температур Th выходящего из камеры газа и горящего на уровне h слоя угля по формулам Th = T(1-k1)h/k3L - в цилиндрической части камеры и Th = T(1-k2)L(k4-2(1-k3)tg)/(k4L-2(h-k3L)tg)2h/L - в конической части. После окончания рабочего режима подачу воздуха в камеру автоматически прекращают, газ пускают на циркуляцию по замкнутому контуру, где он последовательно, проходя через слой продукта, нагревается, а затем охлаждается в теплообменнике. После охлаждения ниже 70 С, продукт выгружают из камеры. Параметры готового продукта: зольность Ad - 5,4%, структурная прочность - 74,8%, кажущаяся плотность - 0,68 г/см 3, выход твердого продукта - 48,6%. Пример 2. Для получения в результате переработки адсорбированного угля при сортировке отби-4 011685 рают уголь марки Б 2 (Бородинский). Сырь дробят и при фракционировании отбирают уголь класса 5-15 мм. Процесс ведут по технологии, описанной в примере 1. Параметры готового продукта: зольность Ad 25%, структурная прочность - 86%, кажущаяся плотность - 0,45 г/см 3, удельная поверхность пор - 850 м 2/г, адсорбционная активность по йоду (ГОСТ 6217-74) - 68,6%, выход твердого продукта - 27,4%. Пример 3. Для получения в результате переработки технологического газа при сортировке отбирают уголь марки Б 2 (разрез "Березовский" Канско-Ачинского угольного бассейна). Сырь дробят и при фракционировании отбирают уголь класса 3-30 мм. На первой стадии частичной газификации угля процесс ведут по технологии, описанной в примере 1. На стадии полной газификации угля к дутью добавляют водяной пар в количестве, необходимом для поддержания температуры во фронте газификации 1100 С и фронт газификации продвигается в сторону первичного розжига слоя. При этом процесс регулируется блоком управления регулятора расхода воздуха в соответствии с формулами, приведнными в примере 1. После окончания процесса производится выгрузка шлака. Состав газа (об.%): СО = 13,8; H2 = 15,6; СО 2 = 16,0; CH4 = 2,4; N2 = 46,5; H2O = 5,92. Удельная теплота сгорания газа составляет 1000-1200 ккал/нм 3. Содержание углерода в твердом остатке - 1,9%. Пример 4. Для получения в результате переработки металлургического полукокса при сортировке отбирают Шубаркольский уголь марки Д, Казахстан. Сырь дробят и при фракционировании отбирают уголь класса 3-50 мм. Процесс ведут по технологии, описанной в примере 1. Пример 5. Для получения в результате переработки технологического газа при сортировке отбирают уголь марки Б 2 (разрез "Березовский" Канско-Ачинского угольного бассейна). Сырь дробят и при фракционировании отбирают уголь класса 3-50 мм. Процесс ведут по технологии, описанной в примере 3. Одновременно для сравнения проводят переработку угля с теми же характеристиками, как в примерах 1-5, по способу-прототипу: примеры 1 с-5 с (сравнительные). Процесс ведут таким образом, чтобы в результате переработки были получены продукты с теми же параметрами и того же состава, как в примерах 1-5. В качестве показателя производительности процесса переработки угля, принимали время получения продукта переработки от момента включения термоэлектрического устройства до начала выгрузки тврдого остатка из камеры. Результаты измерений представлены в табл. 2. Таблица 2 Как видно из представленных в табл. 2 данных, длительность предложенного процесса по примерам 1-3, при оптимальных значениях параметров способа и устройства на 25-30% меньше по сравнению с известным по примерам 1 с-3 с. Длительность процессов по примерам 4, 5 при значениях параметров способа и устройства выше или ниже оптимальных соизмерима с временем переработки угля известным способом по примерам 4 с, 5 с. Использование предложенного способа переработки угля и устройства для его осуществления дат возможность на 25-30% увеличить производительность процесса без ухудшения параметров и состава продуктов переработки, позволяет на одном и том же оборудовании получать различные продукты переработки: металлургический кокс, адсорбированный уголь или технологический газ, что значительно расширяет потенциал промышленного применения переработки угля для нужд металлургии, химии и теплоэнергетики. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ переработки угля, включающий сортировку, фракционирование и загрузку угля в полую вертикальную камеру, выполненную в форме цилиндра, переходящего в усечнный конус, розжиг слоя угля, измерение температуры в камере по е высоте, отбор газа с уровня, расположенного выше уровня горящего слоя, и подачу газифицирующего агента со стороны малого основания усечнного конуса, отличающийся тем, что после загрузки угля в камеру ведут его переработку, постоянно измеряя температуру газа в точке его выхода из камеры и поддерживая в процессе переработки угля в цилиндрической части камеры разницу между максимальной температурой горящего слоя и температурой газа в точке его выхода из камеры, рассчитываемую по формулеTh=T(1-k1)h/k3L,а в процессе переработки угля в конической части камеры - поддерживая разницу между максимальной температурой горящего слоя и температурой газа в точке его выхода из камеры, рассчитываемую по формулеTh = T(1-k2)L(k4-2(1-k3)tg)/(k4L-2(h-k3L)tg)2h/L,-5 011685 где ТС - максимальная температура горящего слоя,L - расстояние между уровнями входа газифицирующего агента в камеру и выхода газа из камеры;h - расстояние между уровнями с максимальной температурой горящего слоя и выхода газа из камеры, = 30-35 - половинный угол раствора усечнного конуса,k1 = 0,25-0,35;k4 = 0,4-0,6. 2. Способ переработки угля по п.1, отличающийся тем, что процесс ведут, поддерживая максимальную температуру в горящем слое угля 650-1100 С. 3. Способ переработки угля по п.1, отличающийся тем, что при сортировке и фракционировании для получения металлургического полукокса отбирают неспекающиеся марки углей класса 3-50 мм, для получения углеродных адсорбентов - класса 5-15 мм, для получения технологического газа - класса 3-30 мм. 4. Способ переработки угля по п.1, отличающийся тем, что розжиг угля осуществляют со стороны верхнего торца цилиндрической части камеры. 5. Способ переработки угля по п.1, отличающийся тем, что розжиг угля осуществляют со стороны нижнего торца конусной части камеры. 6. Способ переработки угля по п.1, отличающийся тем, что в качестве газифицирующего агента используют атмосферный воздух. 7. Способ переработки угля по п.1, отличающийся тем, что в качестве газифицирующего агента используют смесь атмосферного воздуха с водяным паром. 8. Устройство для осуществления способа переработки угля, содержащее полую вертикальную камеру, состоящую из верхней цилиндрической части и нижней части в виде усечнного конуса, патрубок для отвода газа, установленный у вершины камеры, патрубок для подвода газифицирующего агента в камеру с нижнего торца конусной части камеры, регулятор расхода газифицирующего агента и блок автоматического управления, установленные вне камеры, электротермическое устройство для розжига угля и датчики температуры угля, установленные в камере, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик температуры газа, установленный на уровне патрубка для отвода газа, датчики температуры угля установлены в камере вдоль е высоты на фиксированных расстояниях от датчика температуры газа вплоть до нижнего торца конусной части камеры, все датчики температуры электрически соединены с блоком управления с возможностью автоматического регулирования расхода воздуха в зависимости от разницы между регистрируемыми датчиками значениями максимальной температуры горящего угольного слоя и температуры газа на выходе из камеры, причм конусная часть камеры выполнена с углом раствора конуса, равным 60-70, при отношении высоты цилиндрической части к полной высоте камеры 0,70,8 и диаметра цилиндрической части камеры к полной высоте камеры 0,4-0,6.