PL 217515 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 217515 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 392071 (51) Int.Cl. F23K 1/04 (2006.01) F26B 23/00 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 06.08.2010 (54) Sposób i układ suszenia węgla brunatnego (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 10.10.2011 BUP 21/11 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.07.2014 WUP 07/14 (72) Twórca(y) wynalazku: HALINA KRUCZEK, Wrocław, PL WOJCIECH MAZUREK, Kamieniec Wrocławski, PL JANUSZ LICHOTA, Zamość, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Regina Kozłowska
2 PL 217 515 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ suszenia węgla brunatnego przeznaczony zwłaszcza do uzyskiwania paliwa suchego dla celów energetycznych z surowca o dużej zawartości wilgoci. Sposób i urządzenie do przeróbki surowców węglowych znane są z polskiego opisu patentowego nr 173228. Sposób polega na tym, że surowiec węglowy doprowadza się do wymiennika ciepła wraz z gazem pod ciśnieniem, na przykład obojętnym lub dwutlenkiem węgla, w celu podniesienia ciśnienia, w którym ma odbywać się proces wzbogacania. Następnie ogrzewa się surowiec węglowy do odpowiedniej temperatury za pomocą czynnika wymieniającego ciepło, krążącego w obudowie zewnętrznej. Podczas tego procesu odzyskuje się wodę i inne produkty uboczne, na przykład smołę i gazy. Ogrzaną wodę można wykorzystać w roli źródła do wstępnego ogrzewania surowca w innym zbiorniku. Sposób rozdrabniania i suszenia węgla brunatnego znane z polskiego zgłoszenia patentowego nr 329156, polega na tym, że węgiel brunatny poddaje się, co najmniej dwóm etapom rozdrabniania i suszy się w ogrzewanej pośrednio suszarce fluidyzacyjnej, przy czym co najmniej pierwszy etap suszenia odbywa się przed suszeniem fluidyzacyjnym i z suszenia fluidyzacyjnego odbiera się opary poprzez odpylacz, w którym w celu ograniczenia nakładów na rozdrabnianie, opary z suszenia fluidyzacyjnego stosuje się jako parę do klasyfikacji powietrznej rozdrobnionego węgla brunatnego, a drobno zmielonego materiału z tej klasyfikacji powietrznej nie poddaje dalszemu rozdrabnianiu. Sposób i układ do suszenia i transportu węgla brunatnego do kotła pyłowego znane są polskiego opisu patentowego nr 193830. Sposób polega na tym, że węgiel podsuszony uprzednio gorącymi spalinami pobieranymi z kotła pyłowego, doprowadza się we współprądzie z czynnikiem suszącym do młyna, a po zmieleniu do średnicy poniżej 0,5 mm, odseparowuje od spalin i transportuje do paleniska kotła pyłowego przy pomocy wysuszonych recyrkulowanych spalin, stosowanych w ilości identycznej do pobieranej do suszenia. Odseparowaną mieszaninę wilgoci i spalin dostarcza się do suszarki w regulowanej od zadanej temperatury i końcowej wilgoci węgla ilości, a jej nadmiar wykorzystuje się do podgrzewu czynnika roboczego. Układ jest wyposażony w separator oparów, umieszczony za suszarką i młynem, którego wyprowadzenie suchego pyłu węglowego włączone jest pomiędzy wylot suchych spalin z wymiennika ciepła i wlot pyłu do komory kotła pyłowego, zaś wylot mieszaniny oparów z separatora włączony jest pomiędzy suszarkę i wlot oparów do wymiennika ciepła. Układ zawiera zespół wymienników ciepła, I i II stopnia podgrzewu, połączonych w sposób umożliwiający cyrkulację spalin i czynnika pobierającego ciepło. Sposób i układ przygotowania oraz podawania paliwa i sorbentu do cyrkulacyjnego kotła fluidalnego znane są z polskiego opisu patentowego nr 194135. Sposób polega na tym, że węgiel podgrzewa się wstępnie popiołem dennym, a następnie suszy materiałem złoża kotła fluidalnego w co najmniej jednym cyklonie cyrkulacyjnym i separacyjnym oraz podaje się do kotła fluidalnego w stanie wysuszonym po uprzednim odseparowaniu od oparów. Sorbent wapniowy, przed wprowadzeniem do kotła fluidalnego, poddawany jest kalcynacji w objętości cyklonu cyrkulacyjnego i separacyjnego. Główny strumień oparów z suszenia paliwa wykorzystuje się do wstępnego ogrzewania wody zasilającej albo powietrza do spalania, a druga część zawracanych oparów, uzupełnionych wysokociśnieniowym powietrzem służy do podawania wysuszonego węgla. Układ ma pod kotłem fluidalnym umieszczony co najmniej jeden wymiennik ciepła połączony z kotłem przewodami doprowadzającymi popiół denny i połączony z co najmniej jednym cyklonem cyrkulacyjnym rurociągiem dozowania węgla roboczego, ponadto cyklon cyrkulacyjny połączony jest z cyklonowym separatorem oparów, wyposażonym w syfon. Rurociąg wyprowadzający opary z górnej części separatora oparów połączony jest z wymiennikiem ciepła i rurociągiem, który rozgałęzia się na rurociągi. Sposób suszenia węgla brunatnego oraz urządzenie do jego realizacji znane są z polskiego zgłoszenia patentowego nr 380832. Sposób polega na tym, że po zasypaniu węgla brunatnego do kolumny suszarniczej, przez węgiel przetłaczane jest ogrzane powietrze do momentu osiągnięcia przez surowiec zadanej wilgotności, przy czym cyrkulacja powietrza w komorze suszarni powoduje, że przechodzi ono wielokrotnie przez warstwy węgla brunatnego, zaś porcja powietrza cyrkuluje w komorze tak długo, dopóki nie osiągnie maksymalnego nasycenia parą wodną, po czym jest usuwana na zewnątrz komory lub osuszana przez schłodzenie na wymienniku ciepła i ponownie ogrzewana do temperatury roboczej. Kierunek cyrkulacji powietrza w komorze suszarniczej może być w czasie cyklu suszenia odwracany, a proces suszenia kolejnych partii węgla brunatnego przebiega w sposób cykliczny lub ciągły. Urządzenie zawiera co najmniej jeden moduł komory suszarniczej, składający się
PL 217 515 B1 3 z izolowanej termicznie obudowy z oknami wymiany powietrza, kolumny suszarniczej, umieszczonej w centralnej części i na całej szerokości komory oraz zamontowanych na części wysokości strefy roboczej kolumny, po jednej lub obu jej stronach, wymienników ciepła i wentylatorów osiowych, których charakterystyka pracy dzieli komorę na obieg powietrza górny i dolny. Sposób suszenia i domielenia materiałów, zwłaszcza węgli brunatnych i kamiennych oraz urządzenie do suszenia i domielenia materiałów, zwłaszcza węgli brunatnych i kamiennych znane są z polskiego zgłoszenia patentowego nr 385827. Sposób polega tym, że wilgotną nadawę doprowadza się do komory roboczej objętej, działaniem pola elektromagnetycznego, w której zachodzi proces suszenia, domielenia i aktywacji oraz modyfikacji wody, a po usunięciu wyparów produkt dosusza się i odbiera się grawitacyjnie lub za pomocą podajnika. Urządzenie posiada komorę roboczą zaopatrzoną w otwór wlotowy dla czynnika podsuszającego oraz w otwór odbioru wyparów, a wewnątrz ma przysłonę, zabezpieczającą przed wypadnięciem mielników z komory roboczej. Wokół komory roboczej zamocowane są bieguny wzbudnika, a na wyjściu komory roboczej zamocowany jest kolanowy segment odbiorczy. Istota sposobu, według wynalazku polega tym, że rozdrobniony w rozdrabniaczu z dozownikiem węgla, wilgotny węgiel brunatny dozuje się do suszarki węgla w przeciwprądzie do gazowego czynnika suszącego podgrzanego do temperatury co najmniej 70 C, w której węgiel brunatny suszy się do wilgotności od 60% do 20%, przy czym gazowy czynnik suszący wymiennikiem rekuperacyjnym wejściowym podgrzewa się wstępnie ciepłem wylotowego gazowego czynnika suszącego odebranego wymiennikiem rekuperacyjnym wyjściowym, po czym gazowy czynnik suszący spręża się wentylatorem i dogrzewa niskotemperaturowym ciepłem odpadowym w skraplaczu połączonym poprzez zespół pomp ciepła z parownikiem, przy czym wilgotny gazowy czynnik suszący odpyla się z drobin węgla brunatnego, filtrem cząstek stałych i ochładza w wymienniku rekuperacyjnym wyjściowym, natomiast wysuszony węgiel brunatny z suszarki węgla i filtra cząstek stałych kieruje się na wylot węgla suchego. Korzystnie, wilgotny węgiel brunatny w suszarce węgla podgrzewa się dodatkowym olejowym wymiennikiem ciepła ciepłem, które pobiera się z chłodnic popiołów dennych. Korzystnie, jako gazowy czynnik suszący dozuje się do suszarki węgla powietrze, albo azot, albo spaliny. Istota układu według wynalazku polega na tym, że na wejściu ma rozdrabniacz z dozownikiem węgla połączony jest przewodami rurowymi doprowadzającymi rozdrobniony wilgotny węgiel z suszarką węgla, która połączona jest przewodami rurowymi doprowadzającymi gazowy czynnik suszący z rekuperatora wejściowego poprzez wentylator i skraplacz, jednocześnie suszarka węgla połączona jest przewodami rurowymi odprowadzającymi gazowy czynnik suszący poprzez filtr cząstek stałych do rekuperatora wyjściowego. Filtr cząstek stałych i suszarka węgla połączone są przewodami rurowymi odprowadzającymi rozdrobniony suchy węgiel z wylotem węgla suchego, ponadto rekuperator wejściowy i rekuperator wyjściowy wyposażone są w układ wymienników ciepła transportującego czynnikiem pośrednim ciepło w układzie zamkniętym. W obieg czynnika pośredniego w układzie wymienników ciepła usytuowanych w rekuperatorze wejściowym i wyjściowym włączona jest pompa. Korzystnie, układ wymienników ciepła usytuowanych w rekuperatorze wejściowym i wyjściowym stanowi rurka wykorzystująca parowanie i skraplanie cieczy do transportu ciepła. Korzystnie, skraplacz połączony jest poprzez zespół pomp ciepła z parownikiem. Korzystnie, filtr cząstek stałych jest filtrem cyklonowym, workowym. Korzystnym jest również to, że suszarka węgla wyposażona jest w dodatkowy wymiennik ciepła, który najkorzystniej jest wymiennikiem olejowym i jest połączony z chłodnicami popiołów dennych. Podstawową zaletą sposobu i układu suszenia węgla brunatnego jest wykorzystanie pomp ciepła do podgrzewania gazowego czynnika suszącego z wykorzystaniem niskotemperaturowego źródła ciepła np. wody chłodzącej kondensator. Ponadto wykorzystanie ciepła odpadowego z chłodnic popiołów dennych do podgrzewania gazowego czynnika suszącego pozwala na skuteczne suszenie węgla brunatnego. Do suszenia węgla brunatnego, jako gazowy czynnik suszący może być zarówno powietrze zewnętrzne, jak również azot z separacji powietrza, czy też spaliny. Układ jest kompaktowy i może być zintegrowany z układem bloku energetycznego Przedmioty wynalazku objaśnione są w przykładzie realizacji i na rysunku, który przedstawia układ suszenia węgla brunatnego.
4 PL 217 515 B1 P r z y k ł a d 1 Sposób suszenia węgla brunatnego polega na tym, że węgiel brunatny rozdrabnia się w rozdrabniaczu z dozownikiem węgla 7, skąd wilgotny węgiel brunatny dozuje się do suszarki węgla 4 w przeciwprądzie do gazowego czynnika suszącego w postaci powietrza podgrzanego do temperatury 120 C, w której węgiel brunatny suszy się do wilgotności 20%, przy czym gazowy czynnik suszący w wymienniku rekuperacyjnym wejściowym 8a podgrzewa się wstępnie ciepłem wylotowego gazowego czynnika suszącego odebranego w wymienniku rekuperacyjnym wyjściowym 8b. Następnie gazowy czynnik suszący spręża się wentylatorem 10 i dogrzewa niskotemperaturowym ciepłem odpadowym w skraplaczu 3 połączonym poprzez zespół pomp ciepła 2 z parownikiem 1. Wilgotny gazowy czynnik suszący odpyla się z drobin węgla brunatnego, filtrem cząstek stałych 6 i ochładza w wymienniku rekuperacyjnym wyjściowym 8b, natomiast wysuszony węgiel brunatny z suszarki węgla 4 i filtra cząstek stałych 6 kieruje się na wylot węgla suchego. P r z y k ł a d 2 Sposób suszenia węgla brunatnego przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą że gazowy czynnik suszący podgrzewa się do temperatury 70 C, w której węgiel brunatny suszy się do wilgotności 20%, ponadto wilgotny węgiel brunatny w suszarce węgla 4 podgrzewa się dodatkowym olejowym wymiennikiem ciepła 5 ciepłem, które pobiera się z chłodnic popiołów dennych, a jako gazowy czynnik suszący do suszarki węgla 4 dozuje się powietrze. P r z y k ł a d 3 Sposób suszenia węgla brunatnego przebiega jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą, że gazowy czynnik suszący jest azotem, który podgrzewa się do temperatury 100 C. P r z y k ł a d 4 Sposób suszenia węgla brunatnego przebiega jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą, że gazowym czynnikiem suszącym są spaliny o temperaturze 150 C. P r z y k ł a d 5 Układ suszenia węgla brunatnego ma na wejściu rozdrabniacz 7 z dozownikiem węgla połączony jest przewodami rurowymi doprowadzającymi rozdrobniony wilgotny węgiel z suszarką węgla 4, która połączona jest przewodami rurowymi doprowadzającymi gazowy czynnik suszący z rekuperatora wejściowego 8a poprzez wentylator 10 i skraplacz 3. Skraplacz 3 połączony jest poprzez zespół pomp ciepła 2 z parownikiem 1. Suszarka węgla 4 połączona jest przewodami rurowymi odprowadzającymi gazowy czynnik suszący poprzez filtr cząstek stałych 6 do rekuperatora wyjściowego 8b, przy czym filtr cząstek stałych 6 i suszarka węgla 4 połączone są przewodami rurowymi odprowadzającymi rozdrobniony suchy węgiel z wylotem węgla suchego. Ponadto rekuperator wejściowy 8a i rekuperator wyjściowy 8b wyposażone są w układ wymienników ciepła transportującego czynnikiem pośrednim ciepło w układzie zamkniętym. P r z y k ł a d 6 Układ suszenia węgla brunatnego wykonany jak w przykładzie piątym z tą różnicą, że w obieg czynnika pośredniego w układzie wymienników ciepła usytuowanych w rekuperatorze wejściowym 8a i wyjściowym 8b włączona jest pompa 9, a układ wymienników ciepła stanowi rurka wykorzystująca parowanie i skraplanie cieczy do transportu ciepła, ponadto filtr cząstek stałych 6 jest filtrem cyklonowym, workowym. P r z y k ł a d 7 Układ suszenia węgla brunatnego wykonany jak w przykładzie piątym albo szóstym z tą różnicą, że suszarka węgla 4 wyposażona jest w dodatkowy wymiennik ciepła 5, który jest wymiennikiem olejowym i jest połączony z chłodnicami popiołów dennych. Układ składa się z dwóch podstawowych obiegów obiegu pompy ciepła PC i obiegu gazowego czynnika suszącego CS. W obiegu pompy ciepła PC ciepło odbierane jest w parowniku 1 od wody o temperaturze ok. 25 C. W parowniku 1 panuje niskie ciśnienie i dzięki temu czynnik roboczy może odparować, pobierając ciepło. Następnie czynnik roboczy podgrzewany jest i sprężany w zespole pomp ciepła 2. Czynnik roboczy o wysokim ciśnieniu i temperaturze z zespołu pomp ciepła 2 przepływa do skraplacza 3, w którym podgrzewa się gazowy czynnik suszący węgiel. Po skropleniu w skraplaczu 3 czynnik roboczy przepływa do zespołu pompy ciepła 2, w którym jest rozprężany i schładzany, a po schłodzeniu przepływa do parownika 1. Obieg gazowego czynnika suszącego CS, którym w szczególności jest powietrze, azot z separacji powietrza albo spaliny, podgrzewany jest wstępnie w wymienniku rekuperacyjnym wejściowym 8a, po czym sprężany jest wentylatorem 10 i kierowany jest do skraplacza 3, w którym podgrzewany jest do temperatury powyżej 70 C. Po podgrzaniu gorący
PL 217 515 B1 5 gazowy czynnik suszący przepływa do suszarki węgla 4, zwłaszcza fluidalnej, w której pochłania wilgoć zawartą w węglu. Następnie gazowy czynnik suszący zawierający drobiny węgla kierowany jest do filtra cząstek stałych 6, a odpylony kierowany jest do wyjściowego wymiennika rekuperacyjnego 8b, a po ochłodzeniu wyrzucany jest na zewnątrz. Ciepło oddane w wymienniku rekuperacyjnym wyjściowym 8b transportowane jest w instalacji cieczowej IC do wymiennika rekuperatora wejściowego 8a. Ciepło w instalacji cieczowej IC transportowane jest czynnikiem w układzie zamkniętym z wykorzystaniem pompy 9 wymuszającej obieg czynnika pośredniego lub rurką zawierającą parującą i skraplającą się ciecz do transportu ciepła (technologia heat pipe), umożliwiającą przekazywanie znacznych ilości ciepła przy niewielkiej różnicy temperatur. W obiegu suszonego węgla WS do suszarki 4 z rozdrabniacza z dozownikiem węgla 7 dostarczany jest mokry rozdrobniony węgiel, w której suszony jest do wilgotności od 60% do 20%. Suchy węgiel wraz z gazowym czynnikiem suszącym przepływa do filtra cząstek stałych 6, korzystnie cyklonowego. W filtrze cząstek stałych 6 zostaje oddzielony suchy węgiel od gazowego czynnika suszącego. Dodatkowo w suszarce 4 zamontowany jest dodatkowy olejowy wymiennik ciepła 5, ciepło do tego wymiennika 5 dostarczane jest z chłodnic popiołów dennych. Wykaz oznaczeń na rysunku: 1 - parownik, 2 - zespół pomp ciepła, 3 - skraplacz, 4 - suszarka węgla, 5 - dodatkowy wymiennik ciepła, 6 - filtr cząstek stałych, 7 - rozdrabniacz z dozownikiem do węgla, 8a - wymiennik rekuperacyjny wejściowy, 8b - wymiennik rekuperacyjny wyjściowy, 9 - pompa czynnika pośredniego, 10 - wentylator, PC - obieg pompy ciepła, CS - obieg gazowego czynnika suszącego, WS - obieg suszonego węgla, IC - instalacja cieczowa. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób suszenia węgla brunatnego polegający na tym, że węgiel brunatny rozdrabnia się i suszy podgrzanym gazowym czynnikiem suszącym, znamienny tym, że rozdrobniony w rozdrabniaczu z dozownikiem węgla (7), wilgotny węgiel brunatny dozuje się do suszarki węgla (4) w przeciwprądzie do gazowego czynnika suszącego podgrzanego do temperatury co najmniej 70 C, w której węgiel brunatny suszy się do wilgotności od 60% do 20%, przy czym gazowy czynnik suszący wymiennikiem rekuperacyjnym wejściowym (8a) podgrzewa się wstępnie ciepłem wylotowego gazowego czynnika suszącego odebranego wymiennikiem rekuperacyjnym wyjściowym (8b), po czym gazowy czynnik suszący spręża się wentylatorem (10) i dogrzewa niskotemperaturowym ciepłem odpadowym w skraplaczu (3) połączonym poprzez zespół pomp ciepła (2) z parownikiem (1), przy czym wilgotny gazowy czynnik suszący odpyla się z drobin węgla brunatnego, filtrem cząstek stałych (6) i ochładza w wymienniku rekuperacyjnym wyjściowym (8b), natomiast wysuszony węgiel brunatny z suszarki węgla (4) i filtra cząstek stałych (6) kieruje się na wylot węgla suchego. 2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że wilgotny węgiel brunatny w suszarce węgla (4) podgrzewa się dodatkowym olejowym wymiennikiem ciepła (5) ciepłem, które pobiera się z chłodnic popiołów dennych. 3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako gazowy czynnik suszący dozuje się do suszarki węgla (4) powietrze. 4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako gazowy czynnik suszący dozuje się do suszarki węgla (4) azot.
6 PL 217 515 B1 5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako gazowy czynnik suszący dozuje się do suszarki węgla (4) spaliny. 6. Układ suszenia węgla brunatnego, znamienny tym, że na wejściu ma rozdrabniacz (7) z dozownikiem węgla połączony jest przewodami rurowymi doprowadzającymi rozdrobniony wilgotny węgiel z suszarką węgla (4), która połączona jest przewodami rurowymi doprowadzającymi gazowy czynnik suszący z wymiennika rekuperacyjnego wejściowego ( 8a) poprzez wentylator (10) i skraplacz (3), jednocześnie suszarka węgla (4) połączona jest przewodami rurowymi odprowadzającymi gazowy czynnik suszący poprzez filtr cząstek stałych ( 6) do wymiennika rekuperacyjnego wyjściowego (8b), przy czym filtr cząstek stałych (6) i suszarka węgla (4) połączone są przewodami rurowymi odprowadzającymi rozdrobniony suchy węgiel z wylotem węgla suchego, ponadto wymiennik rekuperacyjny wejściowy (8a) i wymiennik rekuperacyjny wyjściowy (8b) wyposażone są w układ wymienników ciepła transportującego czynnikiem pośrednim ciepło w układzie zamkniętym. 7. Układ, według zastrz. 6, znamienny tym, że w obieg czynnika pośredniego w układzie wymienników ciepła usytuowanych w wymienniku rekuperacyjnym wejściowym (8a) i wyjściowym (8b) włączona jest pompa (9). 8. Układ, według zastrz. 6, znamienny tym, że układ wymienników ciepła usytuowanych w wymienniku rekuperacyjnym wejściowym (8a) i wyjściowym (8b) stanowi rurka wykorzystująca parowanie i skraplanie cieczy do transportu ciepła. 9. Układ, według zastrz. 6, znamienny tym, że skraplacz (3) połączony jest poprzez zespół pomp ciepła (2) z parownikiem (1). 10. Układ, według zastrz. 6, znamienny tym, że filtr cząstek stałych (6) jest filtrem cyklonowym, workowym. 11. Układ, według zastrz. 6, znamienny tym, że suszarka węgla (4) wyposażona jest w dodatkowy wymiennik ciepła (5). 12. Układ, według zastrz. 11, znamienny tym, że dodatkowy wymiennik ciepła (5) jest wymiennikiem olejowym i jest połączony z chłodnicami popiołów dennych.
PL 217 515 B1 7 Rysunek
8 PL 217 515 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)