Спосіб експлуатації системи шлюзів сипкого матеріалу, його застосування та пристрій для його здійснення

Реферат: Спосіб експлуатації системи шлюзів сипкого матеріалу, які використовують для завантаження під надлишковим тиском технологічного пристрою, що містить технологічний газ, причому під час скидання тиску в шлюзах газ і енергію тиску частково зберігають за допомогою компенсації тиску з одним або декількома напірними резервуарами і знову використовують під час нагнітання тиску. UA 112464 C2 (12) UA 112464 C2 UA 112464 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь винаходу Даний винахід належить до способу експлуатації системи шлюзів сипкого матеріалу, кожен з яких використовують для завантаження під надлишковим тиском технологічного пристрою, що містить технологічний газ, такий як резервуар або реактор, причому перед завантаженням сипкого матеріалу в шлюзах скидають тиск до атмосферного тиску, а газ, який випаровується збирають в один або кілька резервуарів і зберігають для подальшого використання, і причому перед вивантаженням такого, що знаходиться в них сипкого матеріалу в резервуар або реактор в шлюзах нагнітають тиск до його робочого тиску за допомогою технологічного газу. Таку систему шлюзів сипкого матеріалу утворюють шлюзи промислових установок, що включають в себе декілька, по суті, ідентичних технологічних пристроїв. Рівень техніки Способи експлуатації шлюзів сипкого матеріалу, які використовуються для завантаження перебувають під надлишковим тиском технологічних пристроїв, вже відомі. Добре відомим прикладом такого способу експлуатації є завантаження доменних печей в сталеливарній промисловості, при скиданні тиску в шлюзі виконують уловлювання газу з подачею на газоочистку і зберігання в газгольдері, звідки газ відбирають для використання за призначенням, як правило, в якості паливного газу. Для повторного нагнітання тиску в шлюзі здійснюють забір технологічного газу безпосередньо з доменної печі або на виході газоочистки. При цьому немає необхідності повторно використовувати вловлений газ як такий для нагнітання тиску в шлюзі, оскільки доменний процес забезпечує одержання достатньої кількості доменних газів, які можна відбирати в необхідному обсязі для нагнітання тиску в шлюзі сипкого матеріалу не порушуючи ведення доменного процесу, див. енциклопедію промислової хімії Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (6-е видання, том 18: "Чугун", глава 2.5). Менш сприятливою виявляється ситуація на установках газогенераторів на вугільній сировині в тому вигляді, в якому їх принциповий опис наведений в енциклопедії промислової хімії Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (6-e видання, том 15: "Виробництво газу", глава 4.4). Типовий приклад цієї технології описаний у публікації викладеної германської патентної заявки DE 10 2007 017 402 Α1. Ці газогенератори на вугільній сировині, також позначаються як напірні газогенератори, є установками шахтного типу. У цих газогенераторах тверде паливо, таке як торф, буре вугілля, антрацит, кокс, біомаса і т. п. перетворюють в горючий генераторний газ, основними компонентами якого є монооксид вуглецю і водень. Паливо в напірний газогенератор шахтного типу завантажують зверху. В шахті паливо утворює нерухому паливну колошу, через яку за принципом протитоку пропускають газову суміш, що складається, по суті, з кисню або повітря і пари. Генераторний газ, температура якого зазвичай становить до 800 °С, відводять в верхню зону напірного газогенератора і направляють на газоочистку, а потім на утилізацію. Золу, одержану в результаті згоряння палива, вивантажують з напірного газогенератора на рівні днища, наприклад, через колосникові грати, які обертаються. Процес газифікації під тиском зазвичай здійснюють на тисках в діапазоні від 15 до 50 бар. Це призводить до необхідності завантаження палива в шахту через шлюз сипкого матеріалу. Для сходу сипкого матеріалу або палива (в шахту) в шлюзі нагнітають тиск генераторним газом до технологічного тиску, що забезпечується в шахті напірного газогенератора, а для забору нової партії шихти виконують скидання тиску до тиску навколишнього середовища. На відміну від доменних печей в сталеливарній промисловості, газ в даному випадку є технологічним продуктом для процесу газифікації під тиском. Отже, щонайменше, на великих установках, що включають в себе кілька газогенераторів, доцільно здійснювати уловлювання газу, що відходить від шлюзів по ходу скидання тиску, для виконання його повторного стискання до робочого тиску процесу газифікації за допомогою компресорної установки і зворотної подачі в потік генераторного газу. При цьому нагнітання тиску в шлюзах за допомогою цієї компресорної установки не представляється можливим з економічних міркувань, оскільки компресія дуже великої кількості газу, необхідної всякий раз за короткий період часу, потребувала б використання занадто великих і дорогих компресорів. Тому для нагнітання тиску в шлюзах газ необхідно відбирати з процесу газифікації, причому слід мати на увазі, що кожен відбір газу для нагнітання тиску в шлюзі призводить до порушення рівномірного протікання процесу газифікації. Отже, мета винаходу полягає в забезпеченні такого способу експлуатації системи шлюзів сипкого матеріалу, який виключав би відомі недоліки, тобто щоб виходила менша кількість газу, що піддається скиданню тиску, який після компресії повинен подаватися назад у виробничий процес, і щоб з виробничого процесу відбиралося менша кількість газу на нагнітання тиску. Опис винаходу 1 UA 112464 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Мета винаходу досягнута завдяки способу з ознаками п. 1 формули винаходу. Основоположна ідея винаходу полягає в тому, що скидання тиску в кожному шлюзі здійснюють частковими стадіями допомогою компенсації тиску з напірним резервуаром так, що в одному або декількох напірних резервуарах не тільки накопичують газ, а й акумулюють частину енергії тиску, яка присутня в газі. Чим менше інтервал між вихідним тиском в шлюзі і тиском в напірному резервуарі перед компенсацією тиску і чим менше напірний резервуар, тим більше енергії тиску можна зберегти. Скільки шлюзів може бути об'єднано в подібну систему, що складається з декількох шлюзів і одного або декількох напірних резервуарів, залежить, насамперед, від періодичності і тривалості циклів спрацьовування шлюзів і від кількості і тривалості стадій компенсації тиску. При цьому під циклом спрацьовування шлюзу тут повинні матися на увазі скидання тиску в шлюзі до атмосферного тиску, завантаження шлюзу твердими матеріалами, нагнітання тиску в шлюзі до робочого тиску реактора і вивантаження твердих матеріалів із шлюзу в реактор. Спосіб згідно винаходу може бути заданий в кращому виконанні згідно з залежними пунктами 2-5 формули винаходу. Один переважаючий аспект винаходу полягає в тому, що першу стадію скидання тиску в шлюзі, яку здійснюють навіть перед стадіями, здійснюваними за п. 1 формули винаходу, здійснюють за допомогою компенсації тиску з іншим шлюзом системи, який вже пройшов через стадії в) і г) нагнітання тиску за п. 1. В результаті консервують навіть більшу кількість газу та енергії тиску, а для шлюзу, що піддається нагнітанню тиску необхідно відбирати менше газу з процесу газифікації, щоб вийти на робочий тиск у шлюзі, необхідний для сходу твердих матеріалів в реактор. Інший кращий аспект винаходу полягає в тому, що останню стадію нагнітання тиску в шлюзі до робочого тиску підключеного пристрою здійснюють таким чином, що компенсація тиску відбувається між шлюзом і пристроєм. У багатьох випадках практичного застосування ця стадія виявляється проблематичною, оскільки газ, який відбирається безпосередньо з пристрою, може бути дуже гарячим і може містити компоненти, які осідають в шлюзі і можуть викликати функціональні збої. Однак в аналізованому випадку необхідність в газі для цієї останньої стадії нагнітання тиску настільки мала, що її можна здійснювати також і при високій температурі газу і з певною концентрацією компонентів, що конденсуються в газі без погіршення функціональності шлюзу. Інший кращий аспект винаходу полягає в тому, що після здійснення стадій а) і б) скидання тиску за п. 1 виконують іншу стадію скидання тиску, тобто здійснюють компенсацію тиску між шлюзом і напірним резервуаром, який використовується в якості приймального резервуара для компресорної установки, за допомогою якої газ вводять в потік генераторного газу на установку, яка заживлюється системою шлюзів. В результаті забезпечується рециркуляція через шлюз технологічного газу, відібраного з технологічного процесу, і підвищується ефективність процесу щодо виходу продукту. Інший переважаючий аспект винаходу полягає в тому, що після здійснення скидання тиску в приймальний резервуар компресорної установки здійснюють додатковий скид тиску майже до атмосферного тиску за допомогою компенсації тиску з газгольдером. В результаті можна забезпечити уловлювання та акумулювання максимально можливої кількості газу. Завдяки акумуляції газ можна направляти для подальшого використання, наприклад, в якості паливного газу. При цьому, в якості альтернативи акумулюванню в газгольдері,економічно доцільним може виявитися також скидання газу через факельну стойку. Найбільш краще, даний винахід можна використовувати для здійснення способів газифікації під тиском твердотільних видів палива. Оскільки ці способи здійснюють під тиском, що перевищує атмосферний тиск, то завантаження палива в напірний газогенератор повинно проводитися через шлюз, щоб порушення процесу газифікації виявилося мінімальним, наскільки це можливо. Враховуючи, що відповідно до рівня техніки генераторний газ, необхідний для нагнітання тиску в шлюзах, відбирають виключно з процесу газифікації під тиском, даний винахід економічним способом, тобто без установки компресорів великої продуктивності, пропонує здійснення нагнітання тиску в шлюзах частково за допомогою газу, відведеного з шлюзів при скиданні тиску. В результаті з напірного газогенератора повинна відбиратися менша кількість газу для нагнітання тиску, а його технологічний процес порушується меншою мірою. Крім того, предметом винаходу є пристрій для здійснення способу за п. п. 1-5, що включає в себе систему шлюзів сипкого матеріалу з яких щонайменше один шлюз використовують для завантаження такого, що знаходиться під надлишковим тиском технологічного устрою, причому 2 UA 112464 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 система включає в себе щонайменше один напірний резервуар і, факультативно, інший напірний резервуар з підключеною газокомпресорною установкою, (а також) газгольдер і факельну трубу, і причому шлюзи, резервуари і факельну трубу з'єднані трубопроводом таким чином, що кожен компонент може виконувати газообмін з будь-яким іншим компонентом. Краще, компоненти з'єднуються з розподільним колектором. В складі більших систем кращим може бути також рішення з використанням декількох розподільних колекторів, наприклад по одному для напірного(их) резервуара(ів), газокомпресорної установки, газгольдера та/або факельної труби. Приклади конструктивного виконання Допрацьовані варіанти, переваги та можливі випадки застосування винаходу можна також оцінити на основі наведеного опису прикладів конструктивного виконання і креслень. Всі описані та/або проілюстровані відмітні особливості визначають суть винаходу як самі по собі, так і в будь-якій їх комбінації, незалежно від того, чи включені вони в пункти формули винаходу чи вказані в перехресних посиланнях. Креслення на фіг. 1 як приклад демонструє частковий вид системи шлюзів сипкого матеріалу згідно винаходу, укомплектованої двома напірними резервуарами і газгольдером. Креслення на фіг. 2 в якості прикладу демонструє частковий вигляд системи шлюзів сипкого матеріалу згідно винаходу, укомплектованої двома напірними резервуарами, газгольдером і компресорною установкою, зі складу якої тут показані приймальний резервуар для газу і компресор. Далі для наочності наведено опис порядку функціонування способу згідно винаходу з посиланням на два приклади конструктивного виконання. Приклад 1 Подача сипкого матеріалу, що завантажується в шлюзи або вивантажується із шлюзів в реактор, показана стрілками або трубопроводами 4, 5, 6 і 7. Шлюзи А і В сипкого матеріалу, а 3 також напірні резервуари С і D мають об'єм в 12,1 м кожен. Газгольдер Ε призначений для зберігання тиску газу, що піддається скиданню, на майже атмосферному тиску. Газодувка F призначена для подачі газу через трубопровід 7 для його подальшого використання, наприклад, в якості паливного газу або на утилізацію, наприклад, через факельну стойку. Шлюзи, напірні резервуари та газгольдер з'єднані між собою для забезпечення газообміну за допомогою трубопроводів 8, 9, 10, 11, 12 і розподільного колектора 3. Трубопроводи 1 і 2 призначені для компенсації тиску в шлюзах з відповідним завантажуваним резервуаром або реактором (тут не показані). Вихідна ситуація - Шлюз А заповнений твердими матеріалами на 54 % (об'ємн.) і газом на 46 % (об'ємн.). Шлюз знаходиться під атмосферним тиском і готовий до нагнітання тиску до робочого тиску в 50 бар (над.) В (тут не показаному) резервуарі або реакторі, завантажуваному через шлюз, для забезпечення подальшого сходження в них таких, що знаходяться в ньому, твердих матеріалів. Із шлюзу В виконане вивантаження таких, що знаходилися в ньому твердих матеріалів в (тут не показаний) реактор, що завантажується через цей шлюз, шлюз знаходиться під робочим тиском цього реактора в 50 бар (над.) і готовий до скиду тиску до атмосферного тиску в розрахунку на повторне завантаження твердими матеріалами. - Напірний резервуар С знаходиться під тиском в 29,5 бар (над.). - Напірний резервуар D знаходиться під тиском в 38,8 бар (над.). - Газгольдер Ε постійно знаходиться під робочим тиском, що номінально дорівнює атмосферному. 1 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом А і напірним резервуаром С до 20,2 бар (над.)· 2 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом А і напірним резервуаром D до 32,9 бар (над.)· 3 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом А і шлюзом В до 44,6 бар (над.). 4 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом А і реактором до 50 бар (над.). 5 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом В і напірним резервуаром D до 38,8 бар (над.). 6 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом В і напірним резервуаром С до 29,5 бар (над.). 7 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом В і газгольдером Ε до майже атмосферного тиску. 3 UA 112464 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відповідно до процедури, описаної в цьому прикладі, 40 % (об'ємн.) газу, вивільненого із шлюзів при скиданні тиску в них, можуть бути повторно використані для нагнітання тиску в шлюзах. Інші 60 % (об'ємн.) газу, такого, що піддається скиданню тиску, випускаються в газгольдер і направляються з нього на утилізацію через факельну стойку і/або подаються на використання в якості паливного газу. На відомих установках 100 % (об'ємн.) газу, такого, що піддається скиданню тиску, повинні оброблятися подібним чином. Стискання цього газу, який підданий скиданню тиску до атмосферного тиску, до такої міри, щоб можна було використати його для нагнітання тиску в шлюзах або підмішувати його в генераторний газ на виході реакторів-газогенераторів, не є економічно доцільним. Приклад 2 Подача сипкого матеріалу, що завантажується в шлюзи або вивантажується із шлюзів в реактор, показана стрілками або трубопроводами 4', 5', 6' і 7'. Шлюзи А' і В' сипкого матеріалу, а 3 також напірні резервуари С' і D' мають об'єм в 12,1 м кожен. Газгольдер Ε' призначений для зберігання тиску газу, що піддається скиданню, на майже атмосферному тиску. Газодувка F' призначена для подачі газу через трубопровід 7' для його подальшого використання наприклад в якості паливного газу або на утилізацію наприклад через факельну стойку. Шлюзи, напірні резервуари та газгольдер з'єднані між собою для забезпечення газообміну за допомогою трубопроводів 8', 9', 10', 11, 12' і розподільного колектора 3'. Трубопроводи 1' і 2' призначені для компенсації тиску в шлюзах з відповідним резервуаром, який завантажується, або реактором (тут не показані). Крім того, система включає в себе компресорну установку, представлену резервуаром G 3 для газу, обсяг якого становить 300 м , і компресором Н. Тиск газу на вході в приймальний резервуар G для газу підтримується в межах від 3 до 4 бар (над.). Компресор Η стискає газ до тиску генераторного газу, що існує на виході реакторів-газогенераторів (тут не показані). Заповнення резервуара G тиском, що піддається скиданню газом із шлюзів виконують через трубопровід 13. Через трубопровід 14 стиснений газ підмішують в потік генераторного газу, що виходить з реакторів-газогенераторів. Вихідна ситуація - Шлюз А' заповнений твердими матеріалами на 54 % (об'ємн.) і газом на 46 % (об'ємн.). Шлюз знаходиться під атмосферним тиском і готовий до нагнітання тиску до робочого тиску в 50 бар (над.) В (тут не показаному) резервуарі або реакторі, який завантажується через шлюз, для забезпечення подальшого сходження в них твердих матеріалів, які знаходяться в ньому. - Із шлюзу В' виконане вивантаження таких, що знаходилися в ньому твердих матеріалів в (тут не показаний) реактор, що завантажується через цей шлюз, шлюз знаходиться під робочим тиском цього реактора в 50 бар (над.) і готовий до скидання тиску до атмосферного тиску в розрахунку на повторне завантаження твердими матеріалами. - Напірний резервуар С' знаходиться під тиском в 29,5 бар (над.). - Напірний резервуар D' знаходиться під тиском в 38,8 бар (над.). - Газгольдер Ε' постійно знаходиться під робочим тиском, що номінально дорівнює атмосферному. - Тиск в приймальному резервуарі G для газу становить 3 бар (над.). 1 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом А' і напірним резервуаром С' до 20,2 бар (над.). 2 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом А' і напірним резервуаром D' до 32,9 бар (над.). 3 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом А' і шлюзом В' до 44,6 бар (над.). 4 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом В' і реактором до 50 бар (над.). 5 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом В' і напірним резервуаром D' до 38,8 бар (над.). 6 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом В' і напірним резервуаром С' до 29,5 бар (над.). 7 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом В' і прийомним резервуаром G для газу до4 бар (над.). 8 стадія способу Компенсація тиску між шлюзом В' і газгольдером Е' до майже атмосферного тиску. Відповідно до процедури, описаної в цьому прикладі, 40 % (об'ємн.) газу, вивільненого із шлюзів при скиданні тиску в них, можуть бути повторно використані для нагнітання тиску в шлюзах. Інші 50 % (об'ємн.) газу піддаються компресії за допомогою компресорної установки до 4 UA 112464 C2 5 10 15 такої міри, що можуть підмішуватися в потік генераторного газу з реакторів-газогенераторів. Тільки 10 % (об'ємн.) газу, які залишились, повинні відводитися в газгольдер і направлятися з нього або на утилізацію (через факельну стойку), або для подальшого використання у допоміжному обладнанні, наприклад, в якості паливного газу. ПЕРЕЛІК ПОСИЛАЛЬНИХ ПОЗНАЧЕНЬ А, В, А', В' шлюзи сипкого матеріалу 4, 5, 4', 5' подача сипкого матеріалу (по трубопроводам) 6, 7, 6', 7' вивантаження сипкого матеріалу в реактор (по трубопроводах) 1, 2, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 1', 2', 7', 8', 9', 10', 11', 12', 13 трубопроводи для транспортування газу 3, 3' розподільні колектори С, D, С', D' напірні резервуари Ε, Ε' газгольдери F, F' газодувки G приймальний резервуар для газу Η компресор бар (над.) надлишковий тиск, в бар 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Спосіб експлуатації системи шлюзів сипкого матеріалу, кожен з яких використовують для завантаження під надлишковим тиском технологічного пристрою, що містить технологічний газ, такого як резервуар або реактор, причому перед завантаженням сипкого матеріалу в шлюзах скидають тиск до атмосферного тиску, а газ, який випаровується, збирають в один або кілька резервуарів, такі як напірні резервуари або газгольдери, і зберігають для наступного використання, і причому перед вивантаженням сипкого матеріалу шлюзів в пристрій в шлюзах нагнітають тиск до його робочого тиску за допомогою технологічного газу, який відрізняється тим, що скидання тиску і нагнітання тиску в шлюзі включає в себе наступні стадії: а) стадія скидання тиску в шлюзі за допомогою компенсації тиску з напірним резервуаром, що містить технологічний газ, початковий тиск якого нижчий від початкового тиску шлюзу, б) одна або декілька інших стадій скидання тиску в кожному випадку за допомогою компенсації тиску з одним іншим напірним резервуаром, що містить технологічний газ кожен, причому початковий тиск одного або декількох інших напірних резервуарів в кожному випадку нижчий, ніж тиск в напірному резервуарі, використаному на стадії а), або в напірному резервуарі, використаному перед цим, в) стадії нагнітання тиску за допомогою компенсації тиску з напірними резервуарами, перерахованими на стадії б), починаючи з резервуара з найнижчим тиском і продовжуючи відповідним резервуаром з наступним більш високим тиском, г) стадія нагнітання тиску за допомогою компенсації тиску з напірним резервуаром, зазначеним на стадії а). 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що перед стадією а) за п. 1 скидання тиску здійснюють стадію скидання тиску за допомогою компенсації тиску з іншим шлюзом системи, який спочатку був підданий нагнітанню тиску згідно зі стадіями в) і г) за п. 1. 3. Спосіб за одним з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що останню стадію нагнітання тиску для установки тиску в шлюзі до величини робочого тиску підключеного пристрою здійснюють за допомогою компенсації тиску між шлюзом і пристроєм. 4. Спосіб за одним з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що при скиданні тиску в шлюзі після здійснення стадій а) і б) за п. 1 здійснюють іншу стадію скидання тиску за допомогою компенсації тиску в шлюзі з напірним резервуаром, який служить як приймальний резервуар для компресорної установки. 5. Спосіб за одним з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що при скиданні тиску в шлюзі після здійснення стадій а) і б) за п. 1 і після скидання тиску в напірний резервуар за п. 4 шлюз піддають скиданню тиску за допомогою компенсації тиску з газгольдером. 6. Застосування способу за одним з попередніх пунктів для здійснення способу газифікації під тиском твердотільних видів палива, яке відрізняється тим, що щонайменше один шлюз сипкого матеріалу використовують для завантаження напірного газогенератора шахтного типу. 7. Пристрій для здійснення способу за пп. 1-5, що включає в себе систему шлюзів сипкого матеріалу, з яких щонайменше один шлюз використовують для завантаження такого, що 5 UA 112464 C2 5 знаходиться під надлишковим тиском технологічного пристрою, причому система містить щонайменше один напірний резервуар і другий напірний резервуар з підключеною газокомпресорною установкою, газгольдер і факельну трубу, і причому шлюзи, резервуари і факельна труба з'єднані трубопроводом таким чином, що кожен компонент може виконувати газообмін з будь-яким іншим компонентом. 6 UA 112464 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7