химия
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА <6 • 2004
УДК 662.732:662.642
2004 г. Скрипченко Г.Б., Рубан В.А., Лопатин В.Л. ВЗРЫВОБЕЗОПАСНАЯ СУШКА УГЛЕЙ В ВИХРЕВЫХ КАМЕРАХ
Рассмотрен процесс скоростной взрывобезопасной сушки углей в газовом вихревом потоке. Приведены данные по изменению структуры, влажности, степени разложения бурых углей Канско-Ачинского бассейна в процессе нагрева в вихревых камерах. Даны направления применения скоростного нагрева углей.
Важное направление улучшения качества товарной продукции угольной промышленности - обеспечение оптимальной влажности как коксующихся, так и энергетических углей. В случае энергетических углей при организации их термообогащения на месте добычи значительно уменьшаются расходы на их транспортировку к местам потребления, исключается смерзание и, кроме того, уменьшение общей влажности угля на 1% повышает термический к.п.д. парогенератора на 0.1% [1].
На углеобогатительных фабриках России для сушки углей применяются газовые сушилки трех типов: пневмогазовые трубы-сушилки (~40%), барабанные газовые сушилки (~50%) и газовые сушилки кипящего слоя (~10%). Интенсификация действующих и вновь проектируемых сушильных агрегатов направлена на увеличение их производительности, повышение удельных показателей работы, улучшение герметичности аппаратов, снижение экологического загрязнения окружающей среды.
Наиболее важный аспект термической сушки углей - взрывоопасность всех работающих под разряжением сушильных агрегатов. Эта проблема в современной мировой практике решается различными методами.
Во-первых, путем изменения фракционного состава сырьевой базы обогатительных фабрик с использованием только механического обезвоживания.
Рис. 1. Принципиальная схема вихревой камеры: 1 - кожух; 2 - сопло; 3 - заслонка; 4 - труба; 5 - улитка периферийного выходящего потока; 6 - улитка центрального выходящего потока; 7 - фланец; 8 - рассекатель
Во-вторых, проводят реконструкцию сушильных установок для работы под избыточным давлением с использованием рецикла для снижения кислорода в газе-теплоносителе.
Наконец, используют бесконтактную сушку в шнековой и дисковой сушилках. Однако эти агрегаты маломощны (10-20 т/ч) и требуют специального мазутного хозяйства.
Для повышения производительности и экономичности процессов термической сушки углей используют также методы скоростного нагрева с использованием газового теплоносителя, но при этом требуются высокая начальная температура и большая относительная скорость теплоносителя. Скоростная сушка углей может быть осуществлена в восходящих или нисходящих потоках теплоносителя, в криволинейном вихревом потоке, а также в реакторах с кипящим слоем, особенно эффективно работающих под давлением [1].
В Институте горючих ископаемых в середине 50-х годов прошлого века для сушки и термической подготовки углей в различных процессах предложено использовать скоростной нагрев в криволинейном тепловом потоке газового теплоносителя в аппаратах типа "вихревая камера" [2, 3]. В развитии этих работ принимали участие различные подразделения Института [4-6].
Вихревая камера отличается простотой конструкции, небольшими размерами и невысокой металлоемкостью, высоким к.п.д. и, что особенно важно для многих процессов сушки, взрывобезопасностью за счет работы под избыточным давлением газа-теплоносителя (продуктов сгорания жидкого или твердого топлива) с низким (1-3%) содержанием кислорода.
Вихревая камера (рис. 1) представляет собой нагревательный аппарат, конструктивно выполненный из двух труб, вставленных одна в другую. В межтрубное пространство под избыточным давлением подается нагретый от
Сравнительная характеристика единичных сушильных агрегатов
Технологические параметры Барабанная сушилка Труба-сушилка Сушилка кипящего слоя Вихревая камера
Температура теплоносителя, °С 800 1200-1300 1000-1200 400-500
Время сушки, мин 30 0.08 15 0.03
Удельный расход тепла на 1 кг 4000-6300 до 4000 4000 2000-4000
испаренной влаги, кДж/кг
Удельный расход электроэнергии 20-75 35-60 - 25-30
на 1 т испаренной влаги, кВт/т
Влагонапряжение объема, кг/м3 ■ ч 160 600-800 1000-1500 до 4000
Расход теплоносителя, м3/кг угля - 1.2-3.0 1.2 1.8-2.5
Производительность, т/ч 400 250-300 600-700 50-200
источника тепла газовый теплоноситель. Благодаря газовому напору и тангенциально прорезанным щелям на передней части внутренней трубы аппарата, газовый теплоноситель с высокой скоростью проникает во внутреннюю трубу, создавая спирально закрученный поток, перемещающийся к выходу. Подаваемый одновременно с теплоносителем измельченный уголь подхватывается газовым потоком и рассредотачивается по всему объему внутренней трубы. Вследствие определенной физической инерционности угольных частиц газовый поток в вихревой камере перемещается с опережением этих частиц по скорости, благодаря чему создаются благоприятные условия для эффективного тепло- и массообмена. Высокая скорость газа (до 50-100 м/с) в сочетании с гидродинамикой потока обеспечивает высокое напряжение объема камеры по испаренной влаге (до 4000 кг/м3 ■ ч), низкий расход тепла на испарение влаги (2-4 МДж/кг) и высокую скорость нагрева частиц угля (104 °С/мин). Время пребывания частиц угля в камере в зависимости от их размера колеблется от 0.2 до 2 с.
В табл. 1 представлены сравнительные характеристики различных сушильных агрегатов, откуда видны преимущества вихревой камеры по сравнению с существующими аналогами.
На основе анализа кругового и продольного движения частиц угля в вихревой камере проведено моделирование ее работы (с использованием критерия Фруда) и определены верхние границы по размерам частиц (до 20 мм) и производительности камер (до 200 т/ч), что позволяет рекомендовать их для крупномасштабных производств.
Вихревая камера с циклонами представляет одну ступень нагрева. В зависимости от требований, предъявляемых к продукту сушки и термообработки угля, могут быть выбраны одно-, двух- или трехступенчатые схемы, что обеспечивает высокую гибкость процесса. В многоступенчатой системе газ-теплоноситель движется противотоком к углю, проходя последовательно вихревые камеры и циклоны третьей, второй и первой ступеней нагрева. Для уменьшения вредных выбросов и повышения к.п.д. установки предусмотрен рецикл газа-теплоносителя.
В 70-90-е годы в Институте были изучены особенности сушки, нагрева и термической деструкции бурых углей Канско-Ачинского бассейна в вихре-
" I >
25 г
15 -
Ту, °С 5001-
300 -
100 -
0.3 0.2 0.1 0
100
300
Рис. 2. Зависимость влажности (Ш(), температуры угля (Гу) и степени разложения (а) от температуры газа-теплоносителя (Гг т) в последней ступени; 1 - одноступенчатый нагрев; 2 - двуступенчатый нагрев; 3 -
трехступенчатый нагрев; класс крупности угля (мм): а - 3; <
■ 10; в - 13
вых камерах производительностью 1 т/ч (при одной, двух и трех ступенях процесса) [6-11].
На рис. 2 приведены данные по влажности , температуре нагрева Гу и степени разложения а различных классов бурого угля Березовского месторождения с исходной влажностью 30%. В качестве независимого параметра принята температура газового теплоносителя Ггт на входе в вихревые камеры соответствующей ступени [6]. Средняя влажность угля крупностью -3 мм при одностадийном нагреве уменьшается до 1-3% при росте температуры газового теплоносителя до ~600-650°С, при этом содержание влаги быстро уменьшается до ~12% (Ггт ~ 350°С), затем скорость сушки уменьшается (рис. 2, зависимость 1а). Для угля крупностью -10 мм уровень влажности 1-2% достигается при ~700-750°С и также наблюдается перегиб в области ~10% вла-
500 Тгт, °С
Степень разложения бурого угля
Нагрев
Т °С одноступенчатый трехступенчатый
без термо- термо- без термо- термо-
выдержки выдержка 45 с выдержки выдержка 300 с
500 - - 0.12 0.22
550 - - 0.14 0.28
580 0.12 0.18 - -
595 - - 0.22 0.41
605 - - 0.30 0.43
620 0.12 0.20 - -
660 0.14 0.21 - -
ги (рис. 2, зависимость 16). Для угля большей крупности (-13 мм): с подъемом температуры газового теплоносителя до 450°С его влажность уменьшается до ~12%, при 750°С - до ~5% (рис. 2, зависимость 1в). Наблюдаемый во всех случаях перегиб связан, по-видимому, с удалением внешней и внутренней влаги.
Если использовать систему из двух вихревых камер, то полная сушка угля достигается при температуре теплоносителя на входе во вторую ступень ~450-500°С (в первую - соответственно 300-350°С) (рис. 2, зависимость 2а).
Анализ температуры угля показывает, что при одностадийном нагреве она увеличивается лишь на 100-150°С, пока влажность не уменьшится до 812% (Тгт = 400-450°С). Но при дальнейшем увеличении температуры теплоносителя до 750°С температура угля может составить 350-400°С. При дву-стадийной системе нагревания температура угля возрастает быстрее и достигает ~300°С при температуре газового теплоносителя ~500°С. В трехступенчатой схеме нагрева в третью ступень поступает сухой и нагретый до 200-300°С уголь и его температура может быть поднята до ~500°С.
Разогрев угля сопровождается его активацией и термической деструкцией. Если ее оценивать по остаточному выходу летучих веществ и степени разложения а (степень разложения а = У /У0, где У - выход летучих веществ из бурого угля при заданных условиях, У0 - максимальный выход летучих веществ из бурого угля), то очевидно следующее: вихревой нагрев позволяет осуществить как сушку угля практически без его термической деструкции (а < 0.05 ), так и достаточно управляемую термическую деструкцию, особенно при двух- и трехстадийной схеме (а = 0.1-0.35). Если необходима более глубокая деструкция, то систему вихревых камер можно дополнить аппаратом термической выдержки, который позволяет увеличить степень разложения.
В табл. 2 приведена степень разложения бурого угля Березовского месторождения крупностью -3 мм для одно- и трехступенчатого нагрева с дополнительной термовыдержкой [6].
Исследование скоростного (2000-10000°С/мин) нагрева бурых углей Бородинского месторождения в падающем потоке перегретым инертным теплоносителем показало, что для воздушно-сухого угля термическая деструк-
ция
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.