УДК 662.74
ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ТЕРМООБРАБОТКА БУРЫХ УГЛЕЙ И ПРОДУКТОВ ОБОГАЩЕНИЯ КАМЕННЫХ УГЛЕЙ ПЕРЕД ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ1
© 2013 г. В. А. Моисеев, В. Г. Андриенко, Е. Г. Горлов, Г. Б. Скрипченко, В. А. Рубан,
М. Я. Шпирт
ЗАО "КОМПОМАШ-ТЭК", Москва E-mail: andriernko38@mail.ru ; shpirt@yandex.ru Поступила в редакцию 01.11.2011 г.
Показаны принципы расчета вихревых камер, в которых может осуществляться высокоскоростная термообработка бурых углей или продуктов с зольностью 25—40%, образующихся при обогащении каменных углей. Подобная высокоскоростная термообработка позволяет снизить исходную влажность бурых углей с 35—40 до 2—12%, а продуктов обогащения каменных углей — с 20—25 до 10—12%. По основным показателям (расходы топлива, металлоемкость и др.) подобный метод снижения влажности превосходит традиционные способы сушки углей и продуктов их обогащения (в аппаратах барабанных, трубных, кипящего слоя или пневмогазовых). После снижения влаги бурых углей до величин <3% осуществляется также их бертинирование, т.е. получение продукта по свойствам близкого к углям марки Д.
DOI: 10.7868/S0023117712060072
Россия занимает одно из первых мест в мире по потенциальным и подготовленным к промышленному использованию запасов углей, среди которых более 50% относится к бурым.
Добываемые каменные угли обычно отличаются высокой зольностью, что обусловливает необходимость их обогащения перед непосредственным использованием, например в качестве энергетического топлива или исходного сырья для коксования.
После обогащения заметное количество органических веществ исходного угля сосредоточивается в так называемых органоминеральных отходах (ООУ), и реализация наиболее энергоэффективных процессов переработки углей должно включать также их использование. Среди органоминеральных отходов наиболее высоким содержанием органических веществ (топливных компонентов) отличаются так называемые флотохво-сты (ООУФ), образующиеся после обогащения углей крупностью менее 1 мм, главным образом получаемые после производства низкозольных концентратов методами флотации. На многих предприятиях содержания углерода (С^) в ООУФ превышает 50—60%. Энергетическое использование бурых углей, ООУФ и других отходов добычи
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект № 16.526.11.6005 от 08.08.2011 г.).
или обогащения углей с показателями С > 60% обычно наиболее перспективно, так как отличается наименьшими расходами на исходное топливо.
Однако при энергетическом использовании в качестве твердого топлива целесообразна стадия термообработки (сушки) бурых углей или ООУ, особенно ООУФ, необходимым требованием к которой является взрывобезопасность.
Метод сушки, осуществляемый в вихревом потоке газового теплоносителя, разработан в Институте горючих ископаемых в середине XX века и весьма перспективен по сравнению с другими способами сушки твердых топлив (барабанных, пневмогазовых, трубных, кипящего слоя и др.). Положительные результаты его использования достигнуты на опытных и полупромышленных установках при производстве окускованного каменного угля, производстве термобрикетов из бурых углей или синтетических жидких топлив методом прямой гидрогенизации [1—4].
Этот способ позволяет осуществить с высокой скоростью удаление влаги за счет скоростного нагрева частиц с исходной крупностью 2—5 мм в криволинейном вихревом потоке газового теплоносителя с содержанием кислорода <3%.
Высокие скорости газа (до 50—100 м/с и особенности вихревого потока способствуют благоприятным условиям теплообмена между газом и частицами высушиваемого материала: высокое
теплонапряжение в рабочей зоне аппарата по испаренной влаге (до 4 т/м3-ч), низкий расход тепла на испарение влаги (около 4 МДж/кг воды), а также короткое время пребывания частиц в рабочей камере (от 0.2 до 2 с в зависимости от ее размера). Повышенное (по сравнению с атмосферным) давление газа-теплоносителя с низким содержанием в нем кислорода вследствие получения его сжиганием топлива (твердого, жидкого или газообразного), при а < 1.05—1.1 обеспечивают взры-вобезопасность процесса [4, 5].
Разработанная для скоростной сушки вихревая камера характеризуется простотой конструкции и представляет собой две трубы, вставленные одна в другую, и наружный кожух. Внутренняя труба снабжена соплами, прорезанными тангенциально в два или три ряда. К передней части камеры присоединен питатель, обычно шнековый, для подачи высушиваемого материала, например бурого угля, снабженный буферной заслонкой, которая исключает осаждение угля и обеспечивает его захват потоком газа-теплоносителя. Средняя часть камеры не имеет сопел, что увеличивает время пребывания частиц и приводит к более равномерному их нагреву. В межтрубное пространство подается газ-теплоноситель, который через сопла проходит в пространство внутренней трубы, захватывает частицы высушиваемого материала, создавая закрученный поток газа с высушиваемыми частицами (угля или другого материала). Под действием центробежной силы основное количество частиц сосредоточивается в периферии потока. Высушенные до определенной влажности частицы из периферийной и центральных частей потока выводятся из камеры [6, 7].
Области использования термообработанных бурого угля или ООУ определяются главным образом их конечной влажностью, которая зависит от температуры их выхода из установки высокоскоростной термообработки (вихревой сушки). Подобные установки могут быть одно-, двух- или трехступенчатые, т.е. комплектуемые соответственно из одной, двух, или трех камер: высушиваемый материал поступает в первую камеру, а готовый продукт выгружается из последней. Газ-теплоноситель движется противотоком термооб-рабатываемому сырью.
Принципы расчета камеры вихревой высокоскоростной термообработки и компоновки технологической схемы процесса. Обобщением результатов экспериментальных исследований выведено соотношение [3] для расчета радиуса вихревой камеры (Я):
Я = {0(1 + р0360яц ^Н(1+ р0/у]°-5}0-5, (1)
где 0 — часовой расход газа-теплоносителя, нм3/ч; в — тепловой коэффициент расширения газов; ? —
температура газа-теплоносителя на входе в вихревую камеру, °С; g = 9.81 м/с2 — ускорение силы тяжести, Н — избыточное (по отношению к атмосферному) давление газа в соплах, мм вод. ст.; у — плотность газа-теплоносителя при нормальных условиях, кг/м3; ц — безразмерный коэффициент расхода, принимаемый по эмпирическим данным (для соответствующих значений отношения площади сопел к площади трубы) в зависимости от требуемого времени пребывания частиц в трубе (т) и аксиальной скорости их движения в ней (Жа).
Эмпирические формулы, учитывающие отношение площадей сопел к площади трубы вихревой камеры, применяют для расчета количества и площади сопел ввода газа-теплоносителя. Сопла группируют в несколько секций по длине трубы с уменьшением их числа в каждой секции по направлению движения частиц высушиваемого материала.
Анализ кругового и продольного движения частиц в вихревой камере показал, что ее работа может моделироваться по коэффициенту Фруга ^г), позволяющему рассчитать расход термооб-рабатываемого сырья. Например, при термообработке бурого угля
Fr = Оу/Ру^Б^, (2)
где 0у — расход угля, кг/с; ру — плотность угля, кг/м3; g = 9.81 м/с2; Б = 2Я — диаметр трубы камеры, м.
Критерий Фруга позволяет рассчитать производительности вихревых камер при различных размерах термообрабатываемых частиц. Согласно расчетам, возможна эффективная термообработка в вихревых камерах диаметром 1.5 и 2 м с производительностью 100 и 200 т/ч при крупности частиц угля соответственно до 15 или 20 мм.
Для получения газа-теплоносителя можно использовать газообразное, жидкое или твердое топливо, например термообработанный уголь, выбор которого определяется технико-экономическим расчетом. Однако во избежание повышения зольности высушенного бурого угля или ООУ при использовании твердого топлива необходимо предусмотреть очистку газа-теплоносителя от твердых частиц перед его вводом в вихревую камеру. При термообработке бурого угля в двух- или трехступенчатой установке (см. далее) для снижения экологически опасных выбросов целесообразно использовать рецикл газа-теплоносителя, а для повышения теплового КПД установки — его применение для подогрева воздуха, направляемого на сжигание топлива.
Топочное устройство должно работать под избыточным давлением (до 0.01 МПа) и производить газ с температурой 720—800°С, концентрацией кислорода <1.9% и (после очистки) содер-
жанием твердых частиц <2 г/кг получаемого газа-теплоносителя.
Особенности высокоскоростной термообработки бурых углей. Как известно, рабочая влажность бурых углей марок Б1; Б2 и Б3 составляет (мас. %) выше 40, 40-25 и 25-20.
Оптимальная влажность высушенного продукта, зависящая от предполагаемого направления его дальнейшего использования, определяется температурой выхода из установки.
Подробное экспериментальное изучение сушки этим методом проведено на образцах бурых углей Б2 месторождений Канско-Ачинского бассейна (Бородинского разрез № 1; Итатского участки № 2 и 6; и Березовского) с исходной влажностью (№") от 31 до 39% на установках с производительностью 0.6-1 т/ч. В вихревых камерах первой, второй и третьей ступеней уголь нагревался соответственно до 90-100; 115-215 и 290-480°С при температурах газа-теплоносителя от 300 до 750°С [3-6].
На первой и второй ступени осуществляют соответственно сушку и термообработку угля. Его конечная влажность зависит главным образом от исходной крупности и начальной температуры газа-теплоносителя. С наибольшей скоростью термообработка происходит до = 12%. Уголь с подобной влажностью целесообразно применять в качестве твердого топлива для его прямого сжигания в энергетических установках.
Энергохимическое использование угля (для производства жидкого топлива, термобрикетов, газификации в виде водоугольных суспензий) перспективно при его влажности <2%, которая достигается обработкой при температурах 290-480°С в двух- или трехступенчатых установках, в которых протекает так называемый процесс "бер
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.