способ и установка активирования фракционированных по размеру частиц порошкообразного угля

Формула изобретения

1. Способ активирования фракционированных по размеру частиц порошкообразного угля путем их ввода вертикально-щелевыми потоками в смеси с продуктами сгорания и нагрева спутными вертикально-щелевыми газовыми факелами в горизонтальных камерно-факельных нагревателях, выделения и сжигания легких и тяжелых фракций летучих веществ при взаимодействии с газообразными продуктами сгорания, воздухом и паром в инверторных реакторах, охлаждения воздухом в кипящем слое с одновременным отводом теплоты поверхностному теплообменнику, отличающийся тем, что факельный нагрев осуществляют при недостатке кислорода с выделением влаги и легких фракций летучих веществ, а продукты неполного сгорания и нагретые частицы угля вводят в вертикальные инверторные кольцевые реакторы, в которых вначале организуют воспламенение и сжигание легких фракций летучих веществ в кольцевых опускных потоках с воздушной подпиткой факелов радиальными струями из вертикально-приосевых участков, затем выводят и сжигают тяжелые фракции летучих веществ в опускных потоках с продувкой факелов тангенциальными струями пара при одновременном отводе теплоты встроенным поверхностным охладителям.

2. Установка активирования фракционированных по размеру частиц порошкообразного угля, содержащая горизонтальные камерно-факельные нагреватели с вертикально-щелевыми проходными сечениями, имеющие потолочные и подовые перекрытия, вертикальные боковые стены, торцевые стены с установленными газовыми горелками, имеющими вертикально-щелевые каналы для ввода окислителя и вертикальные насадки с газовыми соплами, направленными в сторону горизонтальных камерно-факельных нагревателей, и вертикально-щелевыми каналами для ввода смеси исходных частиц и продуктов сгорания, а также вертикально-щелевые окна для вывода нагретых угольных частиц и продуктов неполного сгорания, вертикальные инверторные кольцевые реакторы с вертикальными осями симметрии, вертикальные боковые цилиндрические стены которых имеют окна для ввода нагретых угольных частиц и продуктов неполного сгорания, совмещенные с окнами для вывода угольных частиц и продуктов неполного горения из горизонтальных камерно-факельных нагревателей, потолочные перекрытия, размещенные в одной горизонтальной плоскости с потолочными перекрытиями горизонтальных камерно-факельных нагревателей, примыкающие к ним полые вертикальные цилиндрические насадки, оси симметрии которых совмещены с вертикальными осями симметрии вертикальных инверторных кольцевых реакторов, имеющих размещенные на боковых стенах сопла для ввода пара и сопла для ввода воздуха, выполненные в виде пережимов подовые перекрытия с окнами вывода частиц и газообразных продуктов вертикальных инверторных кольцевых реакторов, вертикальный призматический реактор, имеющий вертикальные фронтовую, заднюю и боковые стены, потолочное перекрытие с окнами для ввода частиц и газообразных продуктов вертикальных инверторных кольцевых реакторов, совмещенными с окнами вывода частиц и газообразных продуктов из вертикальных инверторных кольцевых реакторов, а также подовое перекрытие с окном вывода частиц и газообразных продуктов из вертикального призматического реактора на охлаждение, совмещенное с окном их ввода в охладитель кипящего слоя со встроенным водонагревателем, отличающаяся тем, что одна из двух боковых стен каждого горизонтального камерно-факельного нагревателя установлена тангенциально к боковой вертикальной стене подключенного вертикального инверторного кольцевого реактора, а другая установлена к первой под острым углом и образует односторонний вертикальный конфузор с минимальным расстоянием между боковыми стенами в выходном окне, в вертикальных насадках размещены радиально и равномерно по высоте и периметру воздушные сопла, паровые сопла вынесены на боковые стены вертикальных инверторных кольцевых реакторов и установлены тангенциально вдоль поверхностей подовых пережимов, а в вертикальном призматическом реакторе размещены теплоотводящие поверхности парогенератора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области промышленной теплоэнергетики и может быть использовано в производстве активного угля.

Известен способ активирования порошкообразного угля путем ввода и нагрева газовым факелом, выделения и сжигания легких и тяжелых фракций летучих веществ в реакторе с пересыпающимся слоем противотоком факелу-нагревателю и газообразным продуктам сгорания, струям воздуха и пара, последующего охлаждения в вынесенных охладителях готового продукта (X.Кинле, Э.Бадер. Активные угли и их промышленное применение. Химия, Л., 1984, с.50-53).

Известна установка активирования фракционированных по размеру частиц порошкообразного угля, реализующая вышеописанный способ и содержащая реактор с пересыпающимся слоем противотоком факелу-нагревателю, газообразным продуктам сгорания, струям воздуха и пара, и вынесенный охладитель готового продукта (X.Кинле, Э.Бадер. Активные угли и их промышленное применение. Химия, Л., 1984, с.50-53).

Недостаток способа и реализующей его установки - большие расход газа на нагрев и потери теплоты в процессе активирования угля, в том числе с активируемым материалом при выгорании мелких пылевидных фракций.

Известен способ нагрева, выделения и выжигания летучих веществ порошкообразного угля в инверторных реакторах с вводом через потолочное перекрытие и боковые горизонтальные патрубки исходного материала, воздуха, струй пара и инертного газа, балластирующих зоны реагирования и замедляющих процесс горения (Ю.Л.Маршак. Топочные устройства с вертикальными циклонными предтопками. Энергия, М., 1966, 320 с.).

Известна установка нагрева, выделения и выжигания летучих веществ порошкообразного угля, реализующая этот способ и содержащая инверторные реакторы - вертикальные предтопки с узлами ввода в потолочных перекрытиях и боковых стенах исходного материала - сырых частиц порошкообразного угля, воздуха, струй пара и инертного газа, балластирующих зоны реагирования и замедляющих процесс горения (Ю.Л.Маршак. Топочные устройства с вертикальными циклонными предтопками. Энергия, М., 1966, 320 с.).

Недостаток способа и реализующей его установки - также большие расход газа и потери теплоты, в том числе с выгораемыми мелкими фракциями угля.

Известен способ нагрева порошкообразного угля с выделением из него и последующего сжигания летучих веществ в призматических реакторах путем спутного ввода исходного материала с потоками воздуха, газа, продуктов сгорания, охлаждения угольных частиц (Д.М.Хзмалян, Я.А.Каган. Теория горения и топочные устройства. Энергия, М., 1976, с.418-443).

Известна установка, реализующая этот способ и содержащая топочный реактор, обеспечивающий ввод и нагревание частиц угля с выделением из них легких и тяжелых фракций летучих веществ, а также сжигание последних при взаимодействии с кислородом вводимого в зону реагирования воздуха; установка содержит также последовательную систему теплообменных аппаратов для охлаждения продуктов сгорания и выводимых из реактора угольных частиц (Д.М.Хзмалян, Я.А.Каган. Теория горения и топочные устройства. Энергия, М., 1976, с.418-443).

Недостаток способа и реализующей его установки - большие расход газа на нагрев и потери теплоты при активировании, в том числе с выгоранием мелких фракций угольного порошка.

Известен способ активирования фракционированных по размеру частиц порошкообразного угля путем ввода в реактор исходного материала вертикально-щелевыми потоками в смеси с продуктами сгорания и его нагрева спутными вертикально-щелевыми газовыми факелами (патент РФ № 2306484; F23С 1/12 от 13.06.2006 г.; БИ № 26, 2007 г.).

Известна установка активирования фракционированных по размеру частиц порошкообразного угля, реализующая этот способ и содержащая призматический реактор с боковыми, фронтовой и задней стенами, размещенные на фронтовой стене вертикально-щелевые каналы для ввода исходных угольных частиц в смеси с газообразными продуктами сгорания и установленные параллельно газовые горелки с вертикально-щелевыми каналами для ввода окислителя и вертикальными насадками с газовыми соплами, направленными в рабочую зону реактора (патент РФ № 2306484; F23С 1/12 от 13.06.2006 г.; БИ № 26, 2007 г.).

При активировании фракционированных по размеру частиц с использованием этих способа и установки в отсутствии мелочи существенно снижается прогорание коксовой основы угля. Однако сохраняется прежний недостаток - перерасход газа на нагрев и значительные потери теплоты процесса активирования.

Известен наиболее близкий способ активирования фракционированных по размеру частиц порошкообразного угля путем их ввода вертикально-щелевыми потоками в смеси с продуктами сгорания и нагрева спутными вертикально-щелевыми газовыми факелами в горизонтальных камерно-факельных нагревателях, выделения и сжигания легких и тяжелых фракций летучих веществ при взаимодействии с газообразными продуктами сгорания, воздухом и паром в инверторных реакторах, охлаждения воздухом в кипящем слое с одновременным отводом теплоты поверхностному теплообменнику (X.Кинле, Э.Бадер. Активные угли и их промышленное применение. Химия, Л., 1984, с.177-179, рис.10.89).

Известна установка, реализующая данный способ и содержащая горизонтальные камерно-факельные нагреватели с вертикально-щелевыми проходными сечениями, имеющие потолочные и подовые перекрытия, вертикальные боковые стены, торцевые стены с установленными газовыми горелками, имеющими вертикально-щелевые каналы для ввода окислителя и вертикальные насадки с газовыми соплами, направленными в сторону горизонтальных камерно-факельных нагревателей, и вертикально-щелевыми каналами для ввода смеси исходных частиц и продуктов сгорания, а также вертикально-щелевые окна для вывода нагретых угольных частиц и продуктов неполного сгорания, вертикальные инверторные кольцевые реакторы с вертикальными осями симметрии, вертикальные боковые цилиндрические стены которых имеют окна для ввода нагретых угольных частиц и продуктов неполного сгорания, совмещенные с окнами для вывода угольных частиц и продуктов неполного горения из горизонтальных камерно-факельных нагревателей, потолочные перекрытия, размещенные в одной горизонтальной плоскости с потолочными перекрытиями горизонтальных камерно-факельных нагревателей, примыкающие к ним полые вертикальные цилиндрические насадки, оси симметрии которых совмещены с вертикальными осями симметрии вертикальных инверторных кольцевых реакторов, имеющих размещенные на боковых стенах сопла для ввода пара и сопла для ввода воздуха, выполненные в виде пережимов подовые перекрытия с окнами вывода частиц и газообразных продуктов вертикальных инверторных кольцевых реакторов, вертикальный призматический реактор, имеющий вертикальные фронтовую, заднюю и боковые стены, потолочное перекрытие с окнами для ввода частиц и газообразных продуктов вертикальных инверторных кольцевых реакторов, совмещенными с окнами вывода частиц и газообразных продуктов из вертикальных инверторных кольцевых реакторов, а также подовое перекрытие с окном вывода частиц и газообразных продуктов из вертикального призматического реактора на охлаждение, совмещенное с окном их ввода в охладитель кипящего слоя со встроенным водонагревателем (X.Кинле, Э.Бадер. Активные угли и их промышленное применение. Химия, Л., 1984, с.177-179, рис.10.89).

Недостаток этих способа и установки - значительные расход газа и потери теплоты процесса активирования.

Техническая задача изобретения направлена на снижение расхода газа на нагрев и потерь теплоты процесса активирования.

Для решения поставленной задачи при осуществлении способа активирования фракционированных по размеру частиц порошкообразного угля путем их ввода вертикально-щелевыми потоками в смеси с продуктами сгорания и нагрева спутными вертикально-щелевыми газовыми факелами в горизонтальных камерно-факельных нагревателях, выделения и сжигания легких и тяжелых фракций летучих веществ при взаимодействии с газообразными продуктами сгорания, воздухом и паром в инверторных реакторах, охлаждения воздухом в кипящем слое с одновременным отводом теплоты поверхностному теплообменнику, согласно изобретению, факельный нагрев осуществляют при недостатке кислорода с выделением влаги и легких фракций летучих веществ, а продукты неполного сгорания и нагретые частицы угля вводят в вертикальные инверторные кольцевые реакторы, в которых вначале организуют воспламенение и сжигание легких фракций летучих веществ в кольцевых опускных потоках с воздушной подпиткой факелов радиальными струями из вертикально-приосевых участков, затем выводят и сжигают тяжелые фракции летучих веществ в опускных потоках с продувкой факелов тангенциальными струями пара при одновременном отводе теплоты встроенным поверхностным охладителям.

В установке, реализующей предлагаемый способ и содержащей горизонтальные камерно-факельные нагреватели с вертикально-щелевыми проходными сечениями, имеющие потолочные и подовые перекрытия, вертикальные боковые стены, торцевые стены с установленными газовыми горелками, имеющими вертикально-щелевые каналы для ввода окислителя и вертикальные насадки с газовыми соплами, направленными в сторону горизонтальных камерно-факельных нагревателей, и вертикально-щелевыми каналами для ввода смеси исходных частиц и продуктов сгорания, а также вертикально-щелевые окна для вывода нагретых угольных частиц и продуктов неполного сгорания, вертикальные инверторные кольцевые реакторы с вертикальными осями симметрии, вертикальные боковые цилиндрические стены которых имеют окна для ввода нагретых угольных частиц и продуктов неполного сгорания, совмещенные с окнами для вывода угольных частиц и продуктов неполного горения из горизонтальных камерно-факельных нагревателей, потолочные перекрытия, размещенные в одной горизонтальной плоскости с потолочными перекрытиями горизонтальных камерно-факельных нагревателей, примыкающие к ним полые вертикальные цилиндрические насадки, оси симметрии которых совмещены с вертикальными осями симметрии вертикальных инверторных кольцевых реакторов, имеющих размещенные на боковых стенах сопла для ввода пара и сопла для ввода воздуха, выполненные в виде пережимов подовые перекрытия с окнами вывода частиц и газообразных продуктов вертикальных инверторных кольцевых реакторов, вертикальный призматический реактор, имеющий вертикальные фронтовую, заднюю и боковые стены, потолочное перекрытие с окнами для ввода частиц и газообразных продуктов вертикальных инверторных кольцевых реакторов, совмещенными с окнами вывода частиц и газообразных продуктов из вертикальных инверторных кольцевых реакторов, а также подовое перекрытие с окном вывода частиц и газообразных продуктов из вертикального призматического реактора на охлаждение, совмещенное с окном их ввода в охладитель кипящего слоя со встроенным водонагревателем, согласно изобретению, одна из двух боковых стен каждого горизонтального камерно-факельного нагревателя установлена тангенциально к боковой вертикальной стене подключенного вертикального инверторного кольцевого реактора, а другая установлена к первой под острым углом и образует односторонний вертикальный конфузор с минимальным расстоянием между боковыми стенами в выходном окне, в вертикальных насадках размещены радиально и равномерно по высоте и периметру воздушные сопла, паровые сопла вынесены на боковые стены вертикальных инверторных кольцевых реакторов и установлены тангенциально вдоль поверхностей подовых пережимов, а в вертикальном призматическом реакторе размещены теплоотводящие поверхности парогенератора.

Сжигание газа в горизонтальных камерно-факельных нагревателях при недостатке кислорода в забалластированной продуктами сгорания среде обеспечивает нагрев частиц угля с безвоспламенительным выходом влаги и летучих веществ; последующий вывод частиц из горизонтальных камерно-факельных реакторов и ввод в вертикальные инверторные кольцевые реакторы в смеси с продуктами неполного сгорания с организацией первоначального воспламенения и сжигания легких фракций летучих веществ в кольцевых опускных потоках с воздушной подпиткой факелов радиальными струями из вертикально-приосевых участков, последующего выделения и сжигания тяжелых фракций летучих веществ в опускных потоках с продувкой факела тангенциальными струями пара при одновременном отводе теплоты встроенным поверхностным охладителям обеспечивает снижение потерь теплоты процесса активирования и расхода газа на нагрев, то есть решает поставленную задачу изобретения.

Предлагаемые способ и реализующая его установка поясняются чертежами.

На фиг.1 представлена схема двухпоточной установки активирования фракционированных частиц порошкообразного угля, продольный разрез; на фиг.2 - та же схема двухпоточной установки, разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - схема двухпоточной установки, разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - узлы ввода угольных частиц, газа и продуктов его сгорания, вид В на фиг.3.

Установка активирования фракционированных по размеру частиц порошкообразного угля на фиг.1, 2, 3, 4 содержит горизонтальные камерно-факельные нагреватели 1 (далее нагреватели), выполненные в виде односторонних вертикальных конфузоров с вертикально-щелевым проходным сечением, имеющие потолочные и подовые перекрытия 2, 3 соответственно, боковые прямые стены 4 и боковые конфузорообразующие стены 5, фронтовые торцевые стены 6 с установленными со стороны стен 5 вертикально-щелевыми узлами ввода 7 смеси фракционированных по размеру частиц 8 порошкообразного угля и газообразных продуктов сгорания 9, а также размещенными со стороны стен 4 узлами ввода 10 газообразных продуктов сгорания 9 с газовыми соплами 11. Выходные окна 12 нагревателей 1 подключены к окнам 13 в боковых стенах 14 вертикальных инверторных кольцевых реакторов 15 (далее реакторы первой ступени) с вертикальными осями симметрии k, а окна 12 и 13 совмещены между собой. Реакторы первой ступени 15 оснащены потолочными перекрытиями 16, размещенными в одной горизонтальной плоскости у с потолочными перекрытиями 2 нагревателей 1, встроенными вдоль вертикальных осей k осесимметричными насадками 17 с радиальными воздушными соплами 18, размещенными равномерно по периметру и высоте насадков 17. Вертикальные оси m насадков 17 совмещены с осями k реакторов первой ступени 15. Насадки 17 ограничены высотой Н, соответствующей высоте участков 19 протекания первичных реакций с выделением и выгоранием легких фракций летучих веществ. Под участками 19 на боковых стенах 14 реакторов первой ступени 15 размещены паровые сопла 20. Под соплами 20 размещены подовые перекрытия 21, выполненные в виде пережимов с окнами 22 вывода частиц 8 угля и газообразных продуктов сгорания 9 из реакторов первой ступени 15, подключенных к окнам потолочного перекрытия 24 вертикального призматического реактора 25 (далее реактор второй ступени) с теплоотводящими парогенерирующими трубными поверхностями 26 (далее поверхности нагрева); в реакторе второй ступени 25 выделяют и сжигают тяжелые фракции летучих веществ; окна 22 реакторов первой ступени 15 совмещены с окнами 23 реактора второй ступени 25. Подовый участок 27 реактора второй ступени 25 подключен к потолочному окну 28 охладителя 29 активированного угля кипящего слоя. В охладитель 29 встроены поверхности нагрева 26 и дутьевые сопла 30, узел вывода 31 охлажденного материала 32, потолочное окно 33 для отвода газообразных продуктов сгорания с установленными в нем фильтром 34 и системой продувки 35 фильтра 34. Фильтр 34 подключен к сбросному газоходу (дымовой трубе) 36. К газоходу 36 подключен газоход рециркуляции 37 продуктов сгорания и охлаждения с вентилятором 38.

При работе установки на фиг.1, 2, 3, 4 реализуется способ активирования фракционированных по размеру частиц 8 порошкообразного угля путем ввода вертикально-щелевыми потоками в смеси с продуктами сгорания 9 и нагрева спутными вертикально-щелевыми газовыми факелами, образованными струями газа 39 и продуктами сгорания 9, в нагревателях 1, выделения и сжигания легких и тяжелых фракций летучих веществ при взаимодействии с газообразными продуктами сгорания 9, воздухом 40, паром 41 в реакторах первой и второй ступеней 15, 25, охлаждения воздухом 42 в кипящем слое с одновременным отводом теплоты поверхностям нагрева 26. При реализации способа факельный нагрев частиц 8 в нагревателях 1 осуществляют при недостатке кислорода с выделением влаги и легких фракций летучих веществ, а из нагревателей 1 выводят продукты неполного сгорания 43 и нагретые частицы 8 угля, в реакторах первой ступени 15 на участках 19 организуют воспламенение и сжигание легких фракций летучих веществ в кольцевых опускных потоках 44 с воздушной подпиткой факелов радиальными струями 45 из вертикально-приосевых участков с насадками 17, затем выводят и сжигают тяжелые фракции летучих веществ в опускных потоках 46 с продувкой факела тангенциальными струями 47 пара 41 вдоль поверхностей пережимов 21 при одновременном отводе теплоты поверхностям нагрева 26. Охлажденные частицы 32 активированного угля выводят через газоплотный питатель - узел вывода 31. Отвод продуктов сгорания 48 в атмосферу осуществляют через фильтр 34. Из отводимых в атмосферу газообразных продуктов сгорания 48 отбирают часть 9 их расхода. Продукты 9 направляют в узлы 7, 10, а в реакторе второй ступени 25 и охладителе 29 утилизируют теплоту активирования угля благодаря встроенным поверхностям нагрева 26 и вырабатывают собственный пар 41 из исходной воды 49.

Сжигание газа 39 в нагревателях 1 при недостатке кислорода в забалластированной продуктами сгорания 9 среде обеспечивает нагрев частиц 8 угля с безвоспламенительным выходом влаги и летучих веществ; последующий вывод частиц 8 из реакторов 1 и ввод в реакторы первой и второй ступени 15, 25 в смеси с продуктами неполного сгорания 43 с организацией первоначального воспламенения и сжигания легких фракций летучих веществ в кольцевых опускных потоках 44 с воздушной подпиткой факелов радиальными струями 45 из вертикально-приосевых участков, последующего выделения и сжигания тяжелых фракций летучих веществ в опускных потоках 46 с продувкой факела тангенциальными струями 47 пара 41 при одновременном отводе теплоты встроенным поверхностям нагрева 26 обеспечивает снижение потерь теплоты процесса активирования и расхода газа 39 на нагрев, то есть решает поставленную задачу изобретения.

До ввода частиц в установку на фиг.1, 2, 3, 4 их фракционируют по размерам 0,2-1,0 мм, 1,0-2,0 мм, 2,0-3,0 мм. Подобное фракционирование исключает излишний обгар коксовой основы мелких частиц (<0,2 мм, <1,0 мм, <2,0 мм соответственно).

Предлагаемый способ может быть реализован также в установках с однопоточным и многопоточным (более двух) вводом и активированием угольных частиц.

Практическое использование способа связано с установкой на фиг.1, 2, 3, 4, привязанной, в частности, к промышленным печам коксохимического производства, вырабатывающим коксовый газ, другим производствам, вырабатывающим промышленный газ, более дешевый, чем природный. При необходимости установку на фиг.1, 2, 3, 4 переводят в режим выработки только одного пара для собственных нужд производства и возобновляют производство активированного угля при его спросе.