научная статья по теме СКОРОСТНАЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНАЯ СУШКА УГЛЕЙ В ВИХРЕВОМ ПОТОКЕ ГАЗОВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «СКОРОСТНАЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНАЯ СУШКА УГЛЕЙ В ВИХРЕВОМ ПОТОКЕ ГАЗОВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2011, № 2, с. 14-22

УДК 662.732:662

СКОРОСТНАЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНАЯ СУШКА УГЛЕЙ В ВИХРЕВОМ ПОТОКЕ ГАЗОВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ © 2011 г. Г. Б. Скрипченко, М. Я. Шпирт

ФГУП«Институт горючих ископаемых — научно-технический центр по комплексной переработке твердых горючих ископаемых», Москва E-mail: skripchenkogb@mail.ru; shpirt@yandex.ru Поступила в редакцию 19.08.2010 г.

Рассмотрен процесс скоростной взрывобезопасной сушки углей в аппаратах типа "вихревая камера". Приведены принципы расчета вихревой камеры, характеристики термообработанного угля и основные перспективные направления метода вихревой сушки углей.

Термическая сушка углей — это необходимый, но энергоемкий и взрывоопасный (для углей с выходом летучих веществ более 35% и пылевидных фракций) технологический процесс, улучшающий технологические качества угольных продуктов и одновременно оказывающий негативное влияние на окружающую природную среду. На углеобогатительных фабриках России для сушки углей применяются газовые сушилки трех типов в соотношении: пневмогазовые трубы-сушилки (40%), барабанные газовые сушилки (50%) и газовые сушилки кипящего слоя (10%) [1].

В случае энергетических углей при организации их сушки на месте добычи значительно уменьшаются расходы на их транспортировку к местам потребления, исключается смерзание. Уменьшение общей влажности сжигаемого угля на 1% повышает термический КПД парогенератора на 0.1%. При производстве из углей термобрикетов без связующего предварительные нагрев и сушка — это необходимая стадия, в значительной степени определяющая качество получаемого продукта. В процессах полукоксования в многозонной шахтной печи каждая зона имеет камеру сушки. Особенно необходима сушка при гидрогенизации углей, где при приготовлении пасты используется уголь с влажностью не более 1—3% [2].

Для каждого процесса устанавливается определенный режим сушки: допустимая интенсивность сушки, температура угля, температура и относительная влажность сушильного агента, скорость его движения и изменение указанных параметров в различные периоды процесса сушки.

Наиболее важный аспект термической сушки углей — взрывобезопасность всех работающих под разряжением термических агрегатов. Повышение взрывобезопасности достигается за счет реконструкции сушильных установок для работы

под избыточным давлением, повышения герметичности аппаратов и использования рецикла для снижения содержания кислорода в газе-теплоносителе.

Для увеличения производительности и экономичности процессов термической сушки углей используют методы скоростного нагрева с применением газового теплоносителя, но при этом требуются высокая начальная температура и большая относительная скорость теплоносителя. Скоростная сушка может быть осуществлена в восходящем или нисходящем потоках теплоносителя, в криволинейном вихревом потоке, а также в работающих под давлением реакторах с кипящим слоем [1].

Пример нагрева углей в восходящем потоке теплоносителя — это сушка в трубах-сушилках. Режим их работы близок к режиму идеального вытеснения газа, время контакта твердых дисперсных материалов с газом не превышает нескольких секунд. Сушка угля протекает за счет конвективного теплообмена при прямоточном движении газов и материалов. Производительность агрегатов зависит от скорости газового потока, температуры газа-теплоносителя и размеров агрегата. Недостаток таких сушилок — неконтролируемые подсосы воздуха, высокая температура газа-теплоносителя, достаточно большие размеры и большие капитальные затраты на строительство. Вопросы размеров и капитальных затрат частично снимаются при использовании противоточно-прямоточных пневмо-сопловых агрегатов типа трубы Вентури, но в них также сохраняется высокая температура газа-теплоносителя (порядка 1000—1200°С).

За рубежом (США, Германия) для интенсификации процесса термической сушки при обогащении углей и решения экологических проблем наиболее перспективными считаются процессы вакуумной сушки и модифицированной сушки в

1 2 3 4 8 7 5 6

Рис. 1. Принципиальная схема вихревой камеры: 1 — кожух; 2 — сопло; 3 — заслонка; 4 — труба; 5, 6 — улитки периферийного и центрального выходящих потоков, 7 — фланец, 8 — рассекатель.

кипящем слое с применением рецикла и особой системы подачи теплоносителя. При производительности 10—20 т/ч разработаны контактные сушилки — шнековые и дисковые. Перспективными считаются также микроволновая скоростная сушка лигнитов и суббитуминозных углей, а в будущем и использование энергии мощных электронных пучков [3].

В Институте горючих ископаемых (ФГУП ИГИ) с середины 50-х годов прошлого столетия для сушки и термической подготовки углей предложено использовать скоростной нагрев в криволинейном вихревом потоке газового теплоносителя с низким содержанием кислорода в аппаратах типа "вихревая камера" [4, 5]. Впервые вихревая камера как аппарат нагрева и сушки сыпучих материалов была предложена для нагрева слабоспекающихся каменных углей при производстве окускованного топлива [6].

Общая характеристика процесса сушки в скоростном вихревом потоке теплоносителя

При относительно низкой температуре теплоносителя (до 600°С) высокая скорость газа (до 50—100 м/с) в сочетании с гидродинамикой потока обеспечивает существенное участие аэродинамического фактора в удалении влаги, что определяет высокое напряжение объема камеры по испаренной влаге (до 4000 кг/м3 • ч), низкий расход тепла на испарение влаги (до 4 МДж/кг воды) и высокую скорость нагрева частиц (до 104 град./мин). Время пребывания частиц в камере в зависимости от размера составляет от 0.2 до 2 с.

Вихревая камера отличается простотой конструкции, небольшими размерами и невысокой металлоемкостью, высоким КПД и, что особенно важно, взрывобезопасностью за счет работы под

избыточным давлением газа-теплоносителя с низким содержанием кислорода (1—3%).

Конструктивно вихревая камера (рис. 1) выполнена из двух труб, вставленных одна в другую: наружной (кожуха) (1) и внутренней трубы с тангенциально прорезанными по длине соплами (2) (в два или три ряда). В передней (по ходу угля) части камеры установлен питатель для подачи угля (обычно шнековый), заканчивающийся буферной заслонкой (3), которая предотвращает "заваливание" угля возле входа и обеспечивает "подхват" его газом-теплоносителем. Глухая (без сопел) часть камеры (4) несколько увеличивает время пребывания угля в камере с целью более равномерного прогрева угля и перераспределения тепла в нагреваемой массе. В межтрубное пространство под избыточным давлением подается нагретый от источника тепла газовый теплоноситель. Благодаря газовому напору и тангенциально прорезанным соплам в передней части внутренней трубы аппарата, газовый теплоноситель с высокой скоростью попадает во внутреннюю трубу. Уголь с размерами частиц до 2—5 мм подхватывается газовым потоком, что создает закрученный вихревой газоугольный поток, причем за счет центробежных сил основная его часть концентрируется в периферийной зоне. С помощью улиток (5) и (6) периферийный и центральный потоки выводятся из камеры.

Вследствие определенной инерционности угольных частиц газовый поток перемещается с опережением этих частиц по скорости, благодаря чему создаются благоприятные условия для эффективного тепло- и массообмена. Вихревые камеры по металлоемкости и размерам выгодно отличаются от барабанных сушилок и сопоставимы с трубами-сушилками и сушилками кипящего слоя как по скорости движения материала, так и по скорости газов. Однако по сравнению с двумя последними типами сушилок вихревые камеры

более компактны. Тангенциальный подвод газа в вихревую камеру удобен для создания аппаратов больших мощностей с легко управляемыми условиями нагрева угля. Высокие относительные скорости угля и газа, а также значительная турбулентность газового потока позволяют получить в камерах такие удельные тепловые нагрузки, которые недостижимы в аппаратах других типов [6, 7]. Особенности движения газоугольного потока при рассредоточенной подаче газа создают наиболее благоприятные условия для равномерного и быстрого нагрева угольных частиц различных классов, дают возможность сократить до минимума разность температур между нагретым углем и отходящим теплоносителем.

Работа камеры под избыточным давлением и низкое содержание кислорода в теплоносителе обеспечивают взрывобезопасность процесса и возможность проведения термообработки углей как с сохранением их технологических характеристик, так и с получением продукта с заданной реакционной способностью [3—5, 7]. Но сам принцип работы вихревой камеры предусматривает сыпучесть подаваемого в нее материала.

Основные режимные параметры, определяющие работу вихревой камеры: размер частиц угля, температура и давление газа-теплоносителя на входе в камеру. Расчет основных конструктивных параметров вихревой камеры базируется на данных по расходу газа-теплоносителя и времени пребывания частиц угля в трубе [8].

Принципиальная схема расчета основных параметров вихревой камеры

Радиус трубы вихревой камеры определяется по формуле:

Я = {0(1 + р0/3600яц[2£#(1 + РО/у]0'5}0'5, (1)

где Я — радиус трубы вихревой камеры, м; О — часовой расход газа-теплоносителя , нм3/ч; в — коэффициент теплового расширения газов; ? — температура газа-теплоносителя на входе в камеру, °С; ц — коэффициент расхода камеры, принимаемый на основании эмпирических данных (для соответствующих значений отношения площади сопел к площади трубы); g — ускорение силы тяжести , м/с2; Н — полный напор газа в соплах, мм вод. ст; у — плотность газа-теплоносителя при нормальных условиях, кг/м3.

Длина трубы камеры рассчитывается по времени пребывания частиц угля в трубе (т) и аксиальной скорости движения угольных частиц по ней (^ау).

Величина и площадь сопел для ввода газа-теплоносителя, расположенных по длине трубы, рассчитывается по эмпирической формуле, учитывающей отношение площадей сопел к площади

трубы вихревой камеры. Сопла располагаются по длине трубы несколькими секциями с уменьшением количества сопел в секции по ходу угля.

На основе анализа кругового и продольного движения частиц у

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.

Показать целиком