1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29640
(51) F26B 3/34 (2006.01)
F26B 3/347 (2006.01)
F26B 23/08 (2006.01)
F26B 3/00 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2014/0117.1
(22) 03.02.2014
(45) 16.03.2015, бюл. №3
(76) Каштанов Леонид Михайлович; Кулиненко
Евгений Юрьевич
(56) US 7666235, 23.02.2010г
(54) СПОСОБ МИКРОВОЛНОВОЙ СУШКИ
УГЛЯ
(57) Изобретение относится к технике сушки
мелкодисперсных материалов и может быть
использовано в горнодобывающей, химической,
других отраслях промышленности и при утилизации
мелких фракций угля. Техническим результатом
изобретения является создание способа
обеспечивающего утилизацию мелких фракций
угля, снижение энергозатрат и улучшение условий
труда. Способ микроволновой сушки угля включает
разделение угля по крупности, частичное
обезвоживание его центрифугированием,
дальнейшее обезвоживание с непрерывной подачей
угля в наклонный цилиндрический диэлектрический
узел микроволновой печи с генератором СВЧ,
волноводами и вытяжкой паров, с возможностью
регулирования содержания влаги в конечном
продукте датчиком и выгрузку конечного продукта.
Согласно изобретению предварительно производят
очистку от породы и других включений, а
наклонный цилиндрический узел устанавливают с
возможностью вращения, причем на внутренней его
поверхности выполняют продольные выступы.
Способ позволяет утилизировать отвальные и
мелкодисперсные фракции углей, увеличить
калорийность обрабатываемого материала, снизить
энергозатраты и улучшить санитарные условия
производства.
(19)KZ(13)A4(11)29640
2. 29640
2
Изобретение относится к технике сушки
мелкодисперсных материалов и может быть
использовано в горнодобывающей, химической и
других отраслях промышленности и при утилизации
мелких фракций угля.
Известно, что массовая доля шлама составляет
примерно 5% от добычи угля в год. Содержание
самого угля в шламе составляет 30-60%, содержание
воды 30÷60%, остальное составляют примеси
измельченной породы. В самом угле находятся
примеси, такие как сера, фосфор и др., которые
следует удалить. Из-за высокого содержания влаги в
очищенном угле его калорийность крайне низкая, а
удельные энергетические затраты на получение 1
тонны подсушенного угля до 15% от исходной
влажности 50% составляют 1150 кВт·ч/т в
электрическом эквиваленте, т.е. очень высоки,
поэтому для сокращения затрат при сушке
шламовых углей следует применять более
экономичные механические методы снижения
влажности углей до 20-25% и менее, после чего
более глубокое снижение влажности проводят в
нагревательных печах с применением угля, газа и
других видов топлива, однако их применение
пожароопасно, так как при такой сушке необходимо
создавать тепловой напор в несколько сотен
градусов. При этом все нагревательные печи имеют
низкий КПД, кроме того при высокой температуре
сушки угли окисляются и теряют теплотворную
способность, а коксующиеся угли теряют качества
металлургических углей.
Известен способ микроволновой сушки угля и
других проводящих материалов (Патент США
№4259560, опубл. 31.03.1981г.) в котором
металлургический мелкодисперсный уголь
подвергается обезвоживанию на центрифугах.
После центрифугирования частично обезвоженный
уголь, содержащий приблизительно 15%-20% влаги,
подвергается сушке в микроволновой печи, в
которой влажный уголь перемещается посредством
ленточного конвейера, а интенсивностью
микроволновой печи в режиме реального времени
можно регулировать содержание влаги в исходном
сырье.
Недостатком известного способа является
неоднородность тепловой обработки, что может
вызвать возгорание, загрязнение и залипание
оборудования перемещающимся обрабатываемым
материалом, что также усложняет процесс сушки.
Наиболее близким к заявляемому изобретению
является способ микроволновой сушки (Патент
США №7666235, опубл. 23.02.2010г.) в котором
после промывки коксующий уголь подвергается
классификации по крупности, при этом самая
крупная фракция содержит ~ 8% воды, средняя
содержит около 14% воды, а самая мелкая содержит
около 25%. Сушку в электромагнитных полях
начинают с мелкой фракции, размещая на
ленточном конвейере слоем фиксированной
глубины в электромагнитных полях СВЧ на
движущемся ленточном конвейере до достаточного
уровня совокупной влажности. Затем на
подсушенный первый слой мелкой фракции
загружается уголь средней крупности, который
предварительно разогревается в нагревательной
печи до температуры немного ниже температуры
кипения воды и оба слоя продолжают двигаться и
сушиться в микроволновой печи до достижения
нового уровня совокупной влажности, далее
загружают следующую фракцию. Паровая фаза
существует во всех слоях коксующегося угля и она
способствует сохранению температуры углей во
всех слоях на уровне ~+90°С, что сохраняет
способность углей к коксованию и не допускает
подняться до температуры окисления углей.
Процесс сушки сопровождается контролем
температуры углей и их влажности и в зависимости
от их величины управляющий контроллер
(компьютер) изменяет скорость конвейера на время
пребывания углей в микроволновой камере.
Недостатком вышеописанного способа является
энергоемкость, многостадийность и длительность
процесса тепловой обработки связанный с
классификацией подвергаемого сушке
коксующегося угля по классам крупности и
необходимостью его послойной сушки, что также
ухудшает условия труда в связи с загрязнением
оборудования и высокой запыленностью
помещения.
В основу изобретения положена задача создания
способа микроволновой сушки угля, который бы
обеспечивал утилизацию мелких фракций угля, при
снижении энергозатрат и улучшения условий труда.
Поставленная задача достигается тем, что в
известном способе микроволновой сушки угля,
включающем разделение угля по крупности,
частичное обезвоживание его центрифугированием,
дальнейшее обезвоживание с непрерывной подачей
угля в наклонный цилиндрический диэлектрический
узел микроволновой печи с генератором СВЧ,
волноводами и вытяжкой паров, с возможностью
регулирования содержания влаги в конечном
продукте датчиком и выгрузку конечного продукта,
согласно изобретению предварительно производят
очистку от породы и других включений, а
наклонный цилиндрический узел устанавливают с
возможностью вращения, причем на внутренней его
поверхности выполняют продольные выступы.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1
показано схематично устройство для обезвоживания
угля, а на фиг.2 - разрез по А-А.
На фиг.1, 2 показано: отвальный угольный шлам,
2 - склад, 3- участок очистки, 4 - центрифуга, 5 -
накопитель, 6 - приемный бункер, 7 - питатель
винтовой, 8 - источник СВЧ - энергии, 9 - скруббер
очистки паров и рекуперации тепла паров, 10 -
наклонный цилиндрический узел, 11 - продольные
выступы наклонного цилиндрического узела, 12 -
пресс-агрегат.
Заявленный способ микроволновой сушки угля
осуществляется следующим образом.
Шлам обогатительных фабрик 1 после отмывки и
фильтрации добытых углей или отвальный шлам из
прудов-накопителей доставляется на склад 2 участка
по подготовке шлама к сушке в СВЧ -печи, где он
подвергается очистке 3, например, на виброситах от
3. 29640
3
мусора, крупных (свыше 10 мм) кусков породы,
кусков металлической проволоки и при
необходимости разрыхляется и частично
обезвоживается до состояния пасты с влажностью
20-25% на центрифугах непрерывного действия 4,
накапливается в накопительном бункере 5 для
бесперебойной подачи в приемный бункер 6
двушнекового самоочищающегося питателя 7, затем
поступает в наклонный цилиндрический узел с
источником СВЧ энергии 8, действующей на
обрабатываемый материал, поступающий слоем
цилиндрической формы в наклонный
цилиндрический узел 10, выполненный из
радиопрозрачного диэлектрического материала, на
внутренней поверхности которой имеются
продольные ребра (выступы) 11 для обеспечения
пересыпания обрабатываемого материала при
вращении наклонного цилиндрического узла и
возможности совершать винтообразные движения,
что обеспечивает однородное качество сушки всего
обрабатываемого материала при прохождении
электромагнитных полей различной интенсивности.
Обрабатываемый материал поступающий в
наклонный цилиндрический узел быстро
разогревается благодаря проникновению
электромагнитных волн большой интенсивности на
большую глубину и воздействию на заряды
дипольных молекул воды знакопеременного поля
сверхвысокой частоты и ориентированию их по
полю, при этом расходуется энергия поля,
приобретается дополнительная энергия каждой
молекулы, поэтому и разогрев и испарение
происходит в короткое время и отсутствуют потери
на теплопередачу.
Обрабатываемый материал движется навстречу
падающей на него СВЧ энергии, а пары уносятся в
противоток с движением продукта. Распространение
СВЧ энергии от генератора к водяной нагрузке
происходит в режиме бегущей волны с
коэффициентом стоячей волны напряжения
КСВН ≤ 1.5, это означает, что лишь 4% от
максимальной энергии отражается от
высушиваемого продукта. Это достигается
благодаря определенному соотношению площадей
сечения продукта к площади поперечного сечения
технологического волновода, согласованию
волновых сопротивлений элементов СВЧ тракта, и
СВЧ энергия полностью поглощается либо
проточной оборотной водой водяной нагрузки, либо
в начальный период заполнения реторты продуктом,
либо в период окончания работы по сушке и полной
выгрузке продукта из реторты. Температура
оборотной охлаждающей воды поддерживается в
пределах заданного интервала температур
специальным чиллером. По остатку не поглощенной
продуктом энергии, но поглощенной водяной
нагрузкой, а также величине мощности рассеяния на
аноде, по величине потребляемой мощности
контроллер вычисляет текущие значения
параметров процесса сушки параметры текущих
волновых режимов в ходе сушки и архивирует их.
Благодаря измеренным значениям анодного тока
генераторной лампы, ее напряжение на аноде
потребляемой мощности от источника питания,
мощности генерации, мощности рассеяния на аноде
лампы, мощности поглощенной продуктом,
поглощенной водяной нагрузкой мощности
излучения контроллер АСУ по известным
соотношениям (формулам) значения КПД процесса
сушки продукта, коэффициента отражения,
коэффициента стоячей волны напряжения,
коэффициента диэлектрических потерь и других
параметров продукта и процесса по которым
контроллер управляет работой всех приводов,
механизмов, СВЧ генератора защищая их от
перегрузок и обеспечивая заданные параметры
производительности и качества продукта по
влажности в ходе процесса сушки, а не после нее,
несмотря на значительные колебания влажности и
состава продукта на загрузке СВЧ печи. Затем
обрабатываемый материал поступает в пресс-
агрегат 12. Прессованные угли после СВЧ сушки не
разрушаются в присутствии воды.
Сведения, подтверждающие возможность
осуществления способа микроволновой сушки угля
Пример конкретного выполнения.
Отвальный угольный шлам из пруда-накопителя
доставлялся на склад по подготовке шлама к сушке
в СВЧ - печи. На участке подготовки
обрабатываемый материал направлялся на операцию
предварительной очистки на высокочастотный
грохот производительностью до 5 т/час, где он
очищался от мусора, не габаритных (свыше 10 мм)
кусков породы, кусков металлической проволоки и
других включений. Затем, подготовленный
подрешетный продукт (фракции 0-13 мм),
влажностью до 50% при помощи ленточного
конвейера направлялся для дальнейшего
обезвоживания на центрифугу, ее
производительность по осадку - 3-5 т/ч.
Обезвоженный до 20-25% материал выгружался в
накопительный бункер (объем 10 м3
) из которого по
ленточному конвейеру поступал в приемный бункер
двухшнекового самоочищающегося питателя, с
помощью которого обрабатываемый шламовый
уголь загружался в наклонный цилиндрический узел
СВЧ - печи (производительность СВЧ печи
определяется мощностью источника
электромагнитного излучения. В конкретном
примере, в опытно-промышленной печи,
изготовленной авторами, применялась
микроволновая печь с мощностью 75 кВт/час, при
этом при выходной 12%-ной влажности
обрабатываемого материала производительность
печи составляла в среднем 1,5 т/час).
Обрабатываемый материал - угольный шлам,
поступающий в наклонный цилиндрический узел
непрерывно перемещался в зоне печи. Скорость
вращения печи регулировалась при помощи
управляемого контроллером электропривода,
установленный угол наклона печи 5÷10 градусов,
позволял обрабатываемому материалу
перемещаться равномерно, а продольные ребра,
установленные внутри цилиндрического узла
препятствовали его залипанию на стенках узла
нагрева. Обрабатываемый материал, поступающий в
4. 29640
4
наклонный цилиндрический узел разогревался в
течение 1-2 минут в результате действия
электромагнитного излучения большой
интенсивности, которое создавалось установкой
высокочастотного генератора, обеспечивающей
равномерный нагрев материала по всему объёму.
Поддержание необходимой температуры
(95÷1100°С) в рабочей зоне печи (узел нагрева СВЧ-
печи) осуществлялось изменением мощности СВЧ
источника электромагнитных волн (СВЧ
генератора) и скоростью вращения реторты печи.
Образующиеся во время процесса сушки пары
удалялись вытяжной системой и направлялись в
систему очистки воздуха.
Для сравнения в Таблице представлены
показатели по заявляемому способу и способу-
прототипу.
Таблица
Показатели по заявляемому способу и способу-прототипу
Температура
материала на
выходе печи, °С
Влажность
материала до
СВЧ сушки, %
Влажность
материала после
СВЧ сушки, %
Агрегатное состояние
обрабатываемого материала
(угольный шлам)
95-105 20-25 12-14 Материал легко прессуется, не имеет
смолистую структуру, имеет
одинаковую температуру в любой его
точке
80-90 20-25 18-20 Плохо выгружается из печи, не
прессуется, загрязняет узел нагрева
Заявляемый
способ
110-130 20-25 4-6 Материал не прессуется, окисляется,
снижается его теплотворная
способность
Прототип 95-105 20-25 12-14 Материал плохо прессуется,
загрязняет внутреннюю поверхность
нагревательной печи и конвейера,
возникают вредные производственные
факторы - промышленная пыль
Из данных таблицы следует, что при
осуществлении заявляемого способа происходит
равномерная сушка обрабатываемого материала с
получением заданной влажности.
Таким образом, заявляемый способ в сравнении
со способом- прототипом позволяет эффективно
проводить процесс СВЧ сушки, при этом,
исключено образование залипания и настылей на
внутренних стенках наклонного цилиндрического
узла, и также значительно улучшены условия труда.
Предлагаемый способ позволяет получать угольные
порошки и прессованные изделия, обладающие
высокими значениями калорийности отвальных
углей, как каменных, коксующихся, антрацитовых,
металлургических, бурых, торфов и др., что
повышает их потребительские качества.
Кроме того, качество прессованных изделий еще
более повышается и удовлетворяет требованиям
каминного топлива, так как сопутствующие в
отвальных углях примеси, такие как сера, фосфор и
подобные им вещества начинают возгоняться при
низких температурах благодаря их способности
сублимировать, т.е. испаряться без расплавления и
избирательно, так как имеют иные диэлектрические
характеристики проницаемости и тангенса угла
диэлектрических потерь в ЭМП СВЧ.
Благодаря предлагаемому способу,
включающему очистку отвальных углей,
частичному обезвоживанию на центрифугах удается
в 2÷3 раза снизить их начальную влажность
(с 50÷70% до 20÷25%), а благодаря
диэлектрическому нагреву уменьшить влажность
еще в 2÷3 раза. Это позволяет увеличить
калорийность обрабатываемого материала в 3÷4
раза, а удельные затраты электроэнергии снизить в
шесть раз, так например, КПД СВЧ нагрева
минимум в три раза превосходит КПД
электрической печи нагревания, что резко понижает
удельные затраты энергии на сушку отвальных
углей.
Применение СВЧ нагрева для сушки отвальных
углей, локализация пылящих операций, повышает
привлекательность переработки отвальных углей,
культуру технологии и чистоту рабочих помещений.
Улучшает санитарные условия для обслуживающего
персонала, способствует уменьшению нагрузки на
окружающую среду, а в перспективе, и коренное
улучшение экологии угледобывающих регионов.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ микроволновой сушки угля,
включающий разделение угля по крупности,
частичное обезвоживание его центрифугированием,
дальнейшее обезвоживание с непрерывной подачей
угля в наклонный цилиндрический
диэлектрический узел микроволновой печи с
генератором СВЧ, волноводами и вытяжкой паров, с
возможностью регулирования содержания влаги в
конечном продукте датчиком и выгрузку конечного
продукта, отличающийся тем, что предварительно
производят очистку от породы и других включений,
а наклонный цилиндрический узел
устанавливают с возможностью вращения, причем
на внутренней его поверхности выполняют
продольные выступы.
