Способ и система непрерывной подачи твердого материала в систему высокого давления и струйный питатель (варианты)
Изобретение относится к способу и системе непрерывной подачи твердого материала в систему высокого давления. Система по существу для непрерывного повышения давления твердого материала и его подачи в реактор высокого давления, содержащая бункер, в котором под первым давлением находится материал, питатель со входом и выходом, вход которого соединен с бункером таким образом, что в него можно избирательно и непрерывно подавать из бункера часть находящегося в нем материала, первый резервуар, вход которого соединен с выходом питателя и в котором создается второе избыточное давление, при этом второе давление по меньшей мере в два раза превышает первое давление, а питатель избирательно и по существу непрерывно перемещает твердый материал из бункера в резервуар. Система содержит также емкость с используемым для приготовления суспензии агентом, которая функционально соединена с первым резервуаром и теплообменником, при этом часть находящегося в ней агента перемешивается с материалом с получением суспензии, которую насос высокого давления прокачивает через теплообменник, в котором часть агента определенным образом предварительно охлаждается, а суспензия нагревается. Система содержит сепаратор суспензии, в котором из прошедшей через теплообменник суспензии удаляется излишек используемого для ее приготовления агента, и обратный трубопровод, по которому излишек агента возвращается обратно в первый резервуар, при этом при обработке суспензии в сепараторе давление суспензии существенно не уменьшается. Система содержит также соединенный с питателем обратный трубопровод, по которому часть излишка, используемого для приготовления суспензии агента, возвращается в питатель, в котором этот агент используется для перемещения части материала через питатель от входа в питатель к выходу из питателя, а также функционально соединенный с обратным трубопроводом испаритель, в котором агент для приготовления суспензии до его попадания в первый резервуар конденсируется и превращается в жидкость. Система содержит второй резервуар, который соединен с первым резервуаром, насос высокого давления, который по трубопроводу перекачивает материал из первого резервуара во второй резервуар, и установленный на этом трубопроводе теплообменник для нагревания перекачиваемого материала, который подходит ко второму резервуару с давлением, существенно большим давления в первом резервуаре. Изобретение позволяет создать систему непрерывной подачи каменного угля с использованием дешевого газообразного диоксида углерода для перемещения угля в камеру сгорания при окружающей температуре и при объемной плотности, равной его объемной плотности в насыпном слое. 4 н. и 32 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение относится к системе по существу для непрерывного повышения давления твердого материала и его подачи в реактор высокого давления, к реализуемому в ней способу подачи находящейся под избыточным давлением суспензии твердого материала и жидкости в систему высокого давления, а также к используемому в ней струйному питателю для повышения давления распыленного материала и его перемещения из области низкого давления в область высокого давления. В частности, изобретение относится к перемещению каменного угля в систему высокого давления и, в особенности, к непрерывной подаче каменного угля из области низкого давления в систему высокого давления, в которой происходит его обработка.
В существующих в настоящее время энергоблоках обычно используют различное работающее при высоком давлении оборудование с соответствующей системой подачи каменного угля. К такому работающему при высоком давлении оборудованию относятся, в частности, реакторы высокого давления, в которых при сжигании каменного угля получают тепло или рафинируют содержащийся в каменном угле углерод. Высокое давление используют для практически мгновенного сжигания каменного угля и получения необходимой энергии. Даже находящийся в пылевидном состоянии уголь представляет собой по существу твердый материал, трудно сжимаемый до высокого давления, при котором его сжигают в реакторе. Поэтому для работы реактора, в котором процесс сжигания угля происходит при высоком давлении, часто используют угольную суспензию. Для подачи в реактор угольной суспензии можно использовать соответствующие насосы, которые позволяют достаточно просто увеличить давление суспензии до уровня, необходимого для сжигания угля в реакторе. Обычно избыточное давление подаваемого в реактор угля составляет не менее 1000 фунтов/кв.дюйм.
Существующие в настоящее время различные системы подачи каменного угля в работающие при высоком давлении реакторы или камеры сгорания обладают целым рядом существенных недостатков. В таких системах из каменного угля сначала приготавливают соответствующую угольную суспензию. Такая суспензия состоит из жидкости, в частности воды, в которой во взвешенном состоянии находятся частицы каменного угля. Содержащаяся в большом избытке в такой суспензии жидкость-носитель при ее попадании в реактор заметно снижает эффективность реактора.
В одной из известных в настоящее время систем используют снабженные затворами бункеры. В системе такого типа сначала в одном из бункеров создают высокое давление, после чего находящийся в этом бункере каменный уголь подают в камеру сгорания или реактор высокого давления. После опорожнения первого бункера его закрывают, и высокое давление создают во втором бункере, из которого затем находящийся в нем под высоким давлением каменный уголь подают в камеру сгорания или реактор. Очевидно, что такая система не может обеспечить непрерывной подачи в камеру сгорания или реактор угля под высоким давлением.
В других известных системах каменный уголь подают в камеру сгорания или в реактор в виде заранее приготовленной суспензии, состоящей из жидкого диоксида углерода и угля. В таких системах для первоначального повышения давления суспензии приходится использовать ненадежные, работающие в циклическом режиме бункеры с затворами. Такие работающие в циклическом режиме бункеры с затворами обычно имеют большое количество клапанов и газовых компрессоров, малоэффективных в работе и требующих практически постоянного обслуживания.
Известны также системы подачи с винтовыми питателями или насосами, которые по существу обладают теми же недостатками. Такие системы, в частности, обычно требуют использования большого количества расположенных вокруг питателя теплообменников, необходимых для поддержания определенной температуры диоксида углерода (СО2), который вместе с каменным углем подают в питатель. Надежность работы таких систем зависит от затвердевания подаваемого в питатель насосом жидкого диоксида углерода, образующего уплотнение, препятствующее обратному течению материала, который перемещается в питателе из зоны низкого давления на входе в питатель в зону высокого давления на выходе из питателя. Такие питатели с трудом создают высокое давление, необходимое для работы системы, в которую они подают каменный уголь.
С учетом сказанного выше существует необходимость в разработке системы непрерывной подачи каменного угля в систему высокого давления для его газификации или в другие системы высокого давления. Так, в частности, существует необходимость в разработке системы непрерывной подачи каменного угля с использованием дешевого газообразного диоксида углерода для перемещения угля в камеру сгорания при окружающей температуре и при объемной плотности, равной его объемной плотности в насыпном слое. Кроме того, существует необходимость в разработке системы, позволяющей использовать для приготовления угольной суспензии высокого давления не более двух резервуаров с одним расходным резервуаром высокого давления, из которого каменный уголь подается в реакторы высокого давления.
Для удовлетворения рассмотренных выше потребностей в настоящем изобретении предлагается система по существу для непрерывного повышения давления твердого материала и его подачи в реактор высокого давления. Предлагаемая система содержит бункер, в котором под первым давлением находится материал, питатель со входом и выходом, вход которого соединен с бункером таким образом, что в него можно избирательно и непрерывно подавать из бункера часть находящегося в нем материала, первый резервуар, вход которого соединен с выходом питателя и в котором создается второе избыточное давление, при этом второе давление по меньшей мере в два раза превышает первое давление, а питатель избирательно и по существу непрерывно перемещает твердый материал из бункера в резервуар. Предпочтительно, чтобы второе давление составляло по меньшей мере около 65 фунтов/кв.дюйм.
Целесообразно также, чтобы в системе была также предусмотрена емкость с используемым для приготовления суспензии агентом, которая функционально соединена с первым резервуаром и теплообменником, при этом часть находящегося в ней агента перемешивается с материалом с получением суспензии, которую насос высокого давления прокачивает через теплообменник, в котором часть агента определенным образом предварительно охлаждается, а суспензия нагревается. В качестве агента для приготовления суспензии предпочтительно использовать газ, в особенности - диоксид углерода, а в качестве подаваемого твердого материала - каменный уголь.
В этом случае целесообразно, чтобы система также содержала сепаратор суспензии, в котором из прошедшей через теплообменник суспензии удаляется излишек используемого для ее приготовления агента, и обратный трубопровод, по которому излишек агента возвращается обратно в первый резервуар, при этом при обработке суспензии в сепараторе давление суспензии существенно не уменьшается. В этом случае с питателем может быть соединен обратный трубопровод, по которому часть излишка используемого для приготовления суспензии агента возвращается в питатель, в котором этот агент используется для перемещения части материала через питатель от входа в питатель к выходу из питателя. С обратным трубопроводом может быть функционально соединен испаритель, в котором агент для приготовления суспензии до его попадания в первый резервуар конденсируется и превращается в жидкость.
На практике целесообразно, чтобы в бункере поддерживалось атмосферное давление. В этом случае в питателе может быть расположено дополнительное устройство, способствующее перемещению материала к выходу из питателя. Давление в первом резервуаре может превышать атмосферное давление в бункере по меньшей мере в пять раз.
В еще одном частном варианте конструкции предлагаемая система содержит также второй резервуар, который соединен с первым резервуаром, насос высокого давления, который по трубопроводу перекачивает материал из первого резервуара во второй резервуар, и установленный на этом трубопроводе теплообменник для нагревания перекачиваемого материала, который подходит ко второму резервуару с давлением, существенно большим давления в первом резервуаре. Соответственно, в предпочтительном варианте выполнения системы в первом резервуаре при повышенном давлении готовят суспензию твердого материала - каменного угля и жидкого диоксида углерода, и далее полученную суспензию перекачивают насосом высокого давления во второй расходный резервуар, давление в котором соответствует давлению в системе высокого давления.
При использовании второго (расходного) резервуара избыточное давление в первом резервуаре может составлять приблизительно от 65 до 160 фунтов/кв.дюйм, а избыточное давление во втором резервуаре составляет приблизительно от 1100 до 1500 фунтов/кв.дюйм.
Как указано выше, предпочтительно, чтобы емкость с используемым для приготовления суспензии агентом, представляла собой емкость с газом. В этом случае емкость с газом функционально соединена с первым резервуаром и теплообменником, при прохождении через который часть содержащегося в указанной емкости газа охлаждается и после перемешивания с материалом в первом резервуаре образует суспензию, которая насосом высокого давления прокачивается через теплообменник, в котором часть газа определенным образом предварительно охлаждается, а суспензия нагревается.
В случае, когда для приготовления суспензии используется газ, целесообразно, чтобы система также содержала испаритель, в котором охлажденный газ до попадания в первый резервуар превращается в жидкость, сепаратор суспензии, в котором из прошедшей через теплообменник суспензии удаляется излишек жидкости, а также обратный трубопровод, по которому излишек жидкости возвращается в первый резервуар. В этом случае при обработке суспензии в сепараторе давление суспензии существенно не уменьшается. Система также может содержать обратный трубопровод, соединяющий между собой питатель и сепаратор суспензии, по которому часть излишка жидкости подается в расположенное в питателе дополнительное подающее устройство, которое способствует перемещению материала к выходу из питателя.
В предпочтительном варианте применения предлагаемая система предназначена по существу для непрерывного перемещения суспензии каменного угля, находящейся под избыточным давлением (в первом резервуаре), в расходный резервуар высокого давления (второй резервуар). При этом система содержит также загрузочный бункер, в котором каменный уголь при атмосферном давлении перемещается к выходу из бункера, резервуар высокого давления и нагнетательный насос, который как минимум в четыре раза увеличивает избыточное давление суспензии и перекачивает ее из первого резервуара в резервуар высокого давления, из которого находящуюся в нем суспензию можно подавать в реактор высокого давления.
Вторым объектом настоящего изобретения является способ подачи находящейся под избыточным давлением суспензии твердого материала и жидкости в систему высокого давления. Предлагаемый способ заключается в том, что определенное количество материала, который находится под атмосферным давлением, перемещают с помощью питателя в первый резервуар, находящийся под повышенным давлением, перемешивают материал с жидкостью в первом резервуаре с получением суспензии. Приготовленную суспензию перекачивают из первого резервуара во второй резервуар, находящийся под высоким давлением, и удаляют часть жидкости из суспензии до ее попадания во второй резервуар.
В частных вариантах осуществления способа первую часть удаленной из суспензии жидкости можно подавать в питатель, а вторую часть удаленной из суспензии жидкости - в первый резервуар. В этом случае при подаче первой части удаленной из суспензии жидкости в питатель повышают давление жидкости до высокого давления, создают в питателе струю жидкости высокого давления и используют эту струю жидкости высокого давления для пополнения до исходного уровня объема заполняющего промежутки между частицами твердого материала газа, который (объем) уменьшается при сжатии материала в питателе.
При перемещении материала с помощью питателя избыточное давление в первом резервуаре может увеличиваться по сравнению с атмосферным как минимум в пять раз. При этом материал в виде твердых частиц, находящийся под атмосферным давлением, перемещают по существу в непрерывном режиме в первый резервуар и пополняют до первоначального объема содержащийся в материале газ.
При перемешивании материала в первом резервуаре с жидкостью с получением суспензии в первый резервуар может подаваться жидкость, при этом твердые частицы материала перемешиваются с жидкостью с получением суспензии и охлаждают первый резервуар, контролируя тем самым в нем повышенное давление.
При удалении из суспензии части жидкости температура суспензии может увеличиваться до температуры, большей температуры суспензии в первом резервуаре, с отделением излишка жидкости от суспензии, при этом объем суспензии увеличивается после увеличения ее температуры.
Третьим объектом настоящего изобретения является струйный питатель для повышения давления распыленного материала и его перемещения из области низкого давления в область высокого давления. Предлагаемый струйный питатель имеет два варианта выполнения. В обоих вариантах питатель содержит корпус, в котором находится загружаемый в струйный питатель материал и который имеет входное отверстие, через которое в него попадает распыленный материал, и выходное отверстие, через которое материал выходит из корпуса, а также расположенный в корпусе шнек, который перемещает материал от входного отверстия к выходному отверстию. В первом варианте предлагаемый питатель имеет сопло для формирования струи, которая способствует перемещению материала в направлении выходного отверстия корпуса, давление в котором больше, чем давление во входном отверстии корпуса. Во втором варианте шнек имеет возможность вращения в первом направлении, а в конструкции предусмотрено лабиринтное уплотнение наружного диаметра шнека, которое по существу препятствует движению материала в обратном направлении к входному отверстию, давление в котором меньше давления в выходном отверстии.
В частных случаях выполнения струйного питателя по первому варианту питатель также может содержать втулку, внутри которой находится шнек, двигатель, зубчатую передачу, соединяющую двигатель с вращающимся в первом направлении шнеком, и зубчатую передачу, соединяющую двигатель с вращающейся в другом направлении втулкой, при этом двигатель приводит во вращение шнек и втулку по существу с одной и той же скоростью. При этом втулка может иметь наружную поверхность и внутреннюю поверхность, на которой выполнена канавка, с которой в зацеплении находится шнек, который имеет возможность по существу свободного вращения в направлении, противоположном направлению вращения втулки. В этом случае шнек может по существу входить в зацепление с канавкой втулки и образовывать вместе с ней уплотнение.
Кроме того, в шнеке могут быть предусмотрены осевое отверстие и радиальное отверстие, через которое осевое отверстие соединяется с соплом для формирования струи и через которое подаваемый в осевое отверстие газ попадает в сопло, из которого он с высокой скоростью выходит наружу. Шнек может иметь резьбу, витки которой расположены в плоскости резьбы, а сопло может иметь центральную ось, которая расположена под углом приблизительно от 5° до 20° к плоскости резьбы.
В частных случаях выполнения струйного питателя по второму варианту питатель также может содержать втулку с наружной и внутренней поверхностями, внутри которой находится шнек, и выполненную на шнеке резьбу, которая вместе с канавкой, выполненной на внутренней поверхности втулки, образует лабиринтное уплотнение. В этом случае питатель также может содержать двигатель, зубчатую передачу, соединяющую двигатель с вращающимся в первом направлении шнеком, и зубчатую передачу, соединяющую двигатель с вращающейся в другом направлении втулкой. При этом двигатель приводит во вращение шнек и втулку по существу с одной и той же скоростью, а шнек имеет возможность по существу свободного вращения в направлении, противоположном направлению вращения втулки.
Кроме того, питатель также может содержать дополнительное устройство, способствующее перемещению шнеком материала внутри корпуса из входного отверстия в выходное отверстие. Это дополнительное устройство может иметь сопло, при этом шнек имеет осевое отверстие и радиальное отверстие, через которое осевое отверстие соединяется с соплом для формирования струи и через которое подаваемый в осевое отверстие газ попадает в сопло, из которого он с высокой скоростью выходит наружу. В этом случае лабиринтное уплотнение по существу препятствует течению газа и распыленного материала из выходного отверстия корпуса в его входное отверстие. Шнек может иметь резьбу, витки которой расположены в плоскости резьбы, а сопло дополнительного устройства может иметь центральную ось, которая расположена под углом приблизительно от 2° до 25° к оси резьбы.
И в первом, и во втором вариантах конструкции питателя подача газа в сопло может осуществляться в таком количестве, чтобы выходящая из соапла струя газа имела сверхзвуковую скорость.
Другие аспекты и возможные области применения настоящего изобретения более подробно рассмотрены в приведенном ниже описании. При этом следует отметить, что в этом описании рассмотрены конкретные примеры предпочтительных вариантов возможного осуществления изобретения, которые лишь иллюстрируют, но не ограничивают объем изобретения.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схема предпочтительного варианта выполнения предлагаемой в настоящем изобретении системы непрерывной подачи находящегося под избыточным давлением распыленного каменного угля в расходный резервуар высокого давления;
на фиг.2А - продольный разрез показанного в упрощенном виде предлагаемого в настоящем изобретении струйного питателя, выполненного по второму варианту изобретения;
на фиг.2Б - продольный разрез изображенного в более крупном масштабе шнека шнекового струйного питателя, показанного на фиг.2А;
на фиг.3 - изображение в более крупном масштабе расположенного внутри показанной на фиг.2А окружности участка предлагаемого в изобретении струйного питателя и
на фиг.4 - поперечное сечение струйного питателя плоскостью 4-4 по фиг.3.
В приведенном ниже описании рассмотрены некоторые примеры возможного осуществления изобретения, которые не ограничивают не только объем изобретения, но и способы его практического осуществления или области его возможного использования.
На фиг.1 схематично показана выполненная по предпочтительному варианту предлагаемая в изобретении система 10 непрерывной подачи распыленного твердого материала, а именно каменного угля. В этой системе имеется бункер 12, в котором при первом давлении, равном атмосферному, находится определенное количество распыленного каменного угля 11. Бункер 12 закрыт соответствующей крышкой 14, через которую в него по трубе 16 загружается уголь. На загрузочной трубе 16 можно установить подающее устройство 16а, например вибропитатель, направляющий поток каменного угля в бункер 12. Загруженный в бункер уголь продувают подаваемым в бункер по трубопроводу 17 диоксидом углерода (СО2), который удаляет из загруженной в бункер массы угля 11 находящийся между его отдельными частицами воздух. Бункер 12 имеет также разгрузочную полость 18 или трубу, предназначенную для его опорожнения. Для выгрузки каменного угля 11 из бункера 12 через разгрузочную трубу 18 используется установленный на выходе из бункера вибратор или перемешивающее устройство 20. Под действием такого вибратора уголь, находящийся в бункере 12, а именно, в его нижней части рядом с разгрузочной трубой 18, непрерывно и избирательно ссыпается из бункера в питатель, который выполнен в виде нагнетательного угольного насоса 22.
Избыточное давление, создаваемое используемым в качестве питателя нагнетательным угольным насосом 22, должно составлять как минимум около 60 фунтов на квадратный дюйм (около 5,1 атмосферы). В некоторых случаях может возникнуть необходимость в использовании для перемещения из бункера 12 находящегося в нем твердого каменного угля нагнетательного угольного насоса 22 с избыточным давлением на выходе, равным как минимум около 150 фунтов/кв.дюйм (около 11,2 атмосферы). Для повышения давления угольного насоса 22 к нему можно подвести трубопровод 24 с запорным клапаном 26, регулирующим расход газа, поступающего в насос по трубопроводу 24. На входе перекачивающий твердый каменный уголь нагнетательный угольный насос 22, используемый в предлагаемой системе в качестве питателя, имеет входную полость 28 низкого давления, которое равно атмосферному или внешнему давлению, а на выходе - выходную полость 30 высокого давления.
Перекачивающий твердый каменный уголь нагнетательный угольный насос 22 приводится в действие двигателем 32, соединенным с ним через соответствующий зубчатый редуктор 34. Ссыпающийся из бункера 12 в насос 22 каменный уголь попадает в его входную полость 28 низкого давления. Попадающий в насос 22 каменный уголь 11 перемещается внутри насоса в его выходную полость 30. При перемещении каменного угля 11 внутри насоса 22 его давление постепенно увеличивается и достигает на выходе из насоса необходимой величины.
Перемещаемый угольным насосом каменный уголь 11 собирается в соединенном с его выходной полостью 30 сборнике 36. Для регулирования количества каменного угля, поступающего из сборника 36 на вход первого резервуара 40, в котором приготавливают суспензию каменного угля, предназначен клапан 38, установленный на трубопроводе 37, соединяющем сборник с этим резервуаром. Первый резервуар 40 имеет теплоизолирующую рубашку 42, позволяющую поддерживать внутри первого резервуара 40 постоянную температуру. Внутри рубашки 42 можно разместить соответствующие нагревательные или охлаждающие элементы, с помощью которых можно регулировать температуру находящейся в первом резервуаре 40 суспензии. Внутри первого резервуара 40 расположена мешалка 44 роторного или лопастного типа. Мешалка 44, которая приводится в действие расположенным внутри или вне резервуара двигателем 46, предназначена для непрерывного перемешивания каменного угля, находящегося во взвешенном состоянии в приготавливаемой в первом резервуаре 40 суспензии.
Приготавливаемая в первом резервуаре 40 суспензия содержит твердую или по существу твердую фракцию, представляющую собой твердый каменный уголь 11, который подается в первый резервуар 40 из бункера 12 угольным насосом. Твердая фракция суспензии взвешена в жидкой фракции, в качестве которой в принципе можно использовать любую жидкость, но обычно используют жидкий диоксид углерода, который подают в первый резервуар 40 по трубопроводу 48. Подаваемый в первый резервуар 40 по трубопроводу 48 жидкий диоксид углерода перемешивают мешалкой 44 с каменным углем 11, получая суспензию с находящимся во взвешенном состоянии в жидком диоксиде углерода каменным углем 11. Для поддержания подаваемого в резервуар диоксида углерода в жидком состоянии в резервуаре необходимо постоянно поддерживать определенное избыточное давление, которое не должно опускаться ниже приблизительно 60 фунтов/кв.дюйм. При этом температура первого резервуара 40 должна составлять от приблизительно -36°С до приблизительно -55°С (или от приблизительно - 33°F до приблизительно -67°F).
Приготовленную в первом резервуаре 40 суспензию по трубопроводу 50 подают в нагнетательный насос 52 высокого давления, предназначенный для перекачивания жидких суспензий. В качестве такого насоса можно использовать любой известный насос для перекачивания суспензий, например насос фирмы Moyno Inc., Спрингфилд, шт. Огайо, США. В насосе 52 высокого давления для перекачивания жидкой суспензии имеется рабочий блок 54, который соединен с приводным двигателем 56. Насос 52 высокого давления для перекачивания жидкой суспензии имеет также входную полость 58 низкого давления и выходную полость 60 высокого давления. Выходная полость 60 высокого давления перекачивающего жидкую суспензию насоса 52 соединена с трубой 62, в которую из этого насоса под высоким давлением поступает суспензия. Труба 62 соединяет перекачивающий жидкую суспензию насос 52 высокого давления с сепаратором 64 суспензии, в котором происходит частичное разделение суспензии на жидкую и твердую фракции. Перекачивающий жидкую суспензию насос 52 высокого давления увеличивает избыточное давление суспензии от давления, равного давлению в первом резервуаре 40, до приблизительно 1300 фунтов/кв.дюйм. Очевидно, что давление, создаваемое перекачивающим жидкую суспензию насосом, зависит от давления во всей системе и поэтому может отличаться от указанного выше давления в ту или в другую сторону. Кроме того, для повышения давления жидкой суспензии можно использовать и несколько перекачивающих суспензию и последовательно работающих насосов 52.
В качестве сепаратора 64 суспензии можно использовать разные сепараторы, например сепаратор циклонного типа. Сепаратор 64 суспензии, в котором имеется устройство для удаления из суспензии избыточного количества жидкости, соединен трубопроводом 66 со вторым резервуаром, который выполнен в виде расходного резервуара 68, находящегося под высоким давлением, и в котором собирается обработанная в сепараторе суспензия. Давление в сепараторе 64 суспензии, равное давлению в расходном резервуаре 68 высокого давления, создается перекачивающим суспензию насосом 52 высокого давления. Обычно избыточное давление в расходном резервуаре 68 существенно больше давления в первом резервуаре 40 и составляет как минимум около 1100 фунтов/кв.дюйм. Находящийся под таким высоким давлением в расходном резервуаре 68 материал можно затем подавать с помощью системы 70 питания в соответствующий реактор 72 высокого давления. Система 70 питания, которую можно использовать для этой цели, описана в выданном на имя Oberg и др. и переуступленном фирме Rockwell International Corporation патенте US 4191500, который озаглавлен "Dense-Phase Feeder Method" и описание к которому в полном объеме включено в качестве ссылки в настоящее описание. Использование такой системы питания позволяет достаточно эффективно и просто подавать находящийся в расходном резервуаре 68 под высоким давлением материал в реактор 72 высокого давления.
В приведенном выше описании была рассмотрена только одна часть предлагаемой в изобретении системы 10, касающаяся подачи твердого каменного угля из бункера 12 в первый резервуар 40 для приготовления суспензии и перемещения приготовленной суспензии насосом высокого давления в расходный резервуар 68 высокого давления. Другая часть системы предназначена для подачи в перемещающий твердый каменный уголь нагнетательный угольный насос 22 и предназначенный для приготовления суспензии первый резервуар 40 еще одного необходимого для их работы материала. В этой связи следует отметить также, что в предлагаемой в изобретении системе 10 в качестве нагнетательного угольного насоса 22 для перемещения твердого каменного угля можно использовать не только описанный ниже подробно насос, в который дополнительно подают газ, но и любой другой нагнетательный насос, который может без всякого дополнительно подаваемого в него газа перемещать находящийся в бункере 12 под атмосферным давлением каменный уголь в первый резервуар 40, в котором при повышенном давлении приготавливают жидкую суспензию каменного угля. Тем не менее, для перемещения твердого каменного угля в нагнетательный угольный насос 22 дополнительно подают предпочтительно газообразный диоксид углерода, который в жидком состоянии используют в первом резервуаре 40 для приготовления суспензии.
Свежий диоксид углерода подается в систему из емкости 76, в которой находится определенное количество СО2. Во время работы системы 10 основная часть диоксида углерода циркулирует в системе по замкнутому контуру и используется многократно. При этом емкость 76 с запасом диоксида углерода используется только для подпитки системы и подачи в нее сравнительно небольшого количества свежего диоксида углерода. Диоксид углерода в емкости 76 находится в газообразном состоянии и хранится в ней при обычных условиях, т.е. при атмосферном давлении и температуре около 21°С (70°F). Свежий диоксид углерода по трубопроводу 78 подается из емкости в первый компрессор 80. Первый компрессор 80 повышает давление СО2 от атмосферного давления в емкости 76 до избыточного давления, равного приблизительно 60 фунтов/кв.дюйм. Одновременно с ростом давления в первом компрессоре 80 повышается и температура СО2, которая меняется от температуры в емкости 76 приблизительно до 150°С (300°F).
Выходящий по трубопроводу 78 из емкости 76 свежий СО2 после сжатия в первом компрессоре поступает в теплообменник 82. В теплообменнике 82 часть тепловой энергии СО2, который проходит через него по трубопроводу 78, передается суспензии, которая поступает в теплообменник по трубопроводу 62. Температура суспензии в трубопроводе 62 составляет приблизительно -29°С (около -20°F). Находящуюся в трубопроводе суспензию до ее попадания в сепаратор 64 суспензии необходимо нагреть приблизительно до 21°С. Повышение температуры суспензии, протекающей по трубопроводу 62, происходит в теплообменнике 82, в котором она нагревается приблизительно до 21°С. С повышением температуры суспензии одновременно приблизительно до 21°С падает температура проходящего через теплообменник по трубопроводу 78 СО2, который с этой температурой подается во второй компрессор 84. Во втором компрессоре 84 избыточное давление СО2 увеличивается приблизительно до 150 (фунтов/кв.дюйм, а его температура повышается приблизительно до 150°С (300°F).
Сжатый вторым компрессором СО2 затем снова проходит по трубопроводу 78 через теплообменник 82 и после охлаждения до 21°С подается в испаритель 86. Поступающий в испаритель из емкости 76 свежий СО2 после охлаждения и конденсации превращается в жидкость. Давление СО2 на выходе из второго компрессора 84 больше давления в первом резервуаре 40 с суспензией. При охлаждении в испарителе до приблизительно -40°С (-40°F) СО2 превращается в жидкость. Жидкий СО2 с определенной температурой и давлением подается в первый резервуар 40 для приготовления суспензии вместе с твердым каменным углем 11, который подается в первый резервуар 40 нагнетательным угольным насосом 22.
Избыток СО2, который удаляют из суспензии в сепараторе 64 суспензии, возвращается обратно в систему 10 по обратному трубопроводу 90. От этого обратного трубопровода 90 отходит трубопровод 24, по которому сжатый диоксид углерода под высоким давлением подается в нагнетательный угольный насос 22. Отделяемый от суспензии в сепараторе 64 СО2 имеет повышенное давление, равное давлению суспензии на выходе из перекачивающего жидкую суспензию насоса 52 высокого давления. Нагреваемый в теплообменнике 82 СО2 поступает по трубопроводу 24 в угольный насос с температурой около 21°С.
Остальная часть СО2, которая не используется в перемещающем твердый каменный уголь нагнетательном угольном насосе 22, с давлением, равным давлению в обратном трубопроводе 90, проходит через расширительный клапан 92, в котором его давление падает. Выходящий из расширительного клапана с низким избыточным давлением, равным приблизительно от 70 до 180 фунтов/кв.дюйм, СО2 попадает в обратный трубопровод 94 низкого давления. Одновременно с резким падением давления СО2 в расширительном клапане происходит существенное снижение его температуры, которая в обратном трубопроводе 94 низкого давления составляет приблизительно от -40°С до -57°С (приблизительно от -40°F до -70°F). При прохождении через расширительный клапан СО2 разделяется на газообразную и жидкую фазу. Находящийся в таком двухфазном состоянии СО2 по обратному трубопроводу 94 низкого давления подается в сепаратор 96 для отделения жидкого СО2 от газообразного.
Жидкий СО2, отделяемый от газа в сепараторе 96, в качестве которого можно использовать обычный циклонный сепаратор, попадает в обратный трубопровод 98. Трубопровод 98 соединяет сепаратор с идущим к первому резервуару 40 для приготовления суспензии трубопроводом 48, по которому в нее подается жидкий компонент приготавливаемой в ней суспензии. Отделенный от жидкости в сепараторе газообразный СО2 попадает в соединяющий сепаратор с испарителем 86 трубопровод 100, в котором он смешивается с поступающим в систему из емкости 76 свежим СО2. Конденсат, образующийся в испарителе в результате охлаждения отделенного в сепараторе 96 от жидкости газообразного СО2 и свежего СО2, подаваемого в систему из емкости 76, смешивается в трубопроводе 48 с жидким СО2, поступающим в него из сепаратора 96, и подается в первый резервуар 40 для приготовления угольной суспензии.
Ниже рассмотрено, каким образом в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа работает описанная выше система 10. Обычно загружаемый в бункер 12 каменный уголь 11 предварительно сушат, предпочтительно до влажности, составляющей от 2 до 6 мас.%. Сухой уголь 11 затем загружают в бункер 12. Предварительная сушка угля позволяет уменьшить количество содержащейся в нем влаги и паров воды до минимального уровня и обеспечивает надежную работу системы 10 и эффективную работу реактора 72 высокого давления. Кроме того, загружаемый в бункер 12 каменный уголь 11 обычно предварительно измельчают до состояния пыли, состоящей из очень мелких частиц каменного угля. В измельченном каменном угле 11 обычно содержится приблизительно от 70 до 90 процентов частиц, которые проходят через сито размером 200 меш. Измельченный до такой степени каменный уголь не только обеспечивает надежную работу перемещающего твердый уголь нагнетательного угольного насоса 22 и перекачивающего жидкую суспензию насоса 52 высокого давления, но и может после увеличения его давления в системе 10 быстро вступать в реакцию в реакторе 72 высокого давления. Из загруженного в бункер 12 по существу твердого мелкоизмельченного угля 11 или угольной пыли в системе 10 непрерывной подачи приготавливают суспензию, которую под избыточным давлением собирают в расходном резервуаре 68 высокого давления. Обычно предварительно измельченный каменный уголь хранят в бункере 12 при нормальных или атмосферных условиях. Иными словами, обычно давление в загруженном каменном углем бункере 12 составляет около одной атмосферы, а температура составляет около 18-25°С (в зависимости от окружающей температуры). Загруженный в бункер 12 каменный уголь обычно перемешивают и одновременно продувают подаваемым в бункер по трубопроводу 17 диоксидом углерода. Продувка через перемешиваемый в бункере 12 уголь диоксида углерода позволяет уменьшить количество содержащейся в нем влаги, которая попадает в бункер вместе с частицами угля 11.
Из бункера 12 каменный уголь 11 под действием силы тяжести попадает в нагнетательный угольный насос 22, предназначенный для перемещения твердого угля. Для подачи угля в насос можно использовать соответствующее перемешивающее устройство 20, однако обычно каменный уголь просто ссыпается вниз из разгрузочной полости (трубы) 18 бункера во входную полость 28 низкого давления перемещающего твердый каменный уголь нагнетательного угольного насоса 22. Внутри насоса 22 попадающий в него уголь 11 перемещается из входной полости низкого давления в выходную полость 30 высокого давления, и его давление при этом постепенно увеличивается.
Нагнетательный угольный насос 22 увеличивает избыточное давление угля 11 от первого атмосферного давления, равного приблизительно 0,0 фунта/кв.дюйм, до второго давления находящейся в первом резервуаре 40 суспензии, которое обычно составляет приблизительно от 60 до 180 фунтов/кв.дюйм. При таком повышении давления происходит сжатие газообразного CO2 и других газов, которые находятся в промежутках между твердыми частицами каменного угля 11. Сжатие газа сопровождается уменьшением приблизительно в 7-10 раз объема газа, в котором нагнетательным угольным насосом 22 перемещаются твердые частицы каменного угля 11. Связанное с повышением давления уменьшение объема газа компенсируется подпиткой насоса газообразным СО3, который поступает в него по трубопроводу 24 и позволяет свести к минимуму усилия, с которыми отдельные частицы каменного угля прижимаются друг к другу.
Подпитка угольного насоса по трубопроводу 24 соответствующим количеством газообразного СО3 способствует прохождению каменного угля 11 через насос 22 и препятствует его забиванию. Благодаря подпитке насоса 22 газообразным СО2 насыпная плотность перемещаемого насосом каменного угля 11 обычно возрастает не более чем приблизительно на 5%. При насыпной плотности измельченного до состоянии пыли каменного угля на входе в насос 22, составляющей примерно 40 фунтов/куб.фут, фактическая плотность состоящего из твердых частиц угля составляет около 87 фунтов/куб.фут. Иными словами, перемещаемые нагнетательным угольным насосом 22 частицы измельченного каменного угля 11 не сжимаются в нем существенным образом и могут свободно проходить через насос. Подаваемый в насос 22 по трубопроводу 24 СО2 способствует непрерывной работе насоса и препятствует чрезмерному уплотнению каменного угля, подаваемого насосом в расходный резервуар 68 высокого давления.
Выходящий из полости 30 высокого давления угольного насоса каменный уголь 11 под действием собственного веса ссыпается или перекачивается непосредственно в трубу 37, соединенную с резервуаром, в котором приготавливают угольную суспензию. В предназначенном для приготовления суспензии первом резервуаре 40 находится твердый каменный уголь, который подается в него нагнетательным угольным насосом 22, и жидкий диоксид углерода, который подается в резервуар по трубе 48. Обычно температура в первом резервуаре 40 составляет приблизительно от -34°С до -50°С (приблизительно от -30°F до -60°F). Для поддержания в первом резервуаре 40 такой температуры предназначена теплоизолирующая рубашка 42. При повышении температуры СО2 давление в первом резервуаре 40 с суспензией должно быть соответствующим образом увеличено до величины, при которой СО2 остается жидким. Так, например, при температуре около -30°С избыточное давление в резервуаре должно быть близким к 180 фунтам/кв.дюйм. При такой сравнительно высокой температуре в первом резервуаре 40 перемещающий твердый каменный уголь нагнетательный угольный насос 22 должен, как очевидно, преодолевать достаточно большое давление. В этой связи, однако, необходимо отметить, что увеличение температуры СО2 повышает эффективность системы 10, поскольку при этом снижается расход энергии, необходимой для нагрева суспензии. При этом также отпадает необходимость в использовании для охлаждения СО2 дополнительных холодильников или испарителей (конденсаторов), работа которых, как очевидно, также требует дополнительного расхода энергии. Подробно конструкция насоса, который можно использовать в предлагаемой в изобретении системе в качестве нагнетательного угольного насоса 22 для подачи твердого каменного угля в резервуар высокого давления, более подробно описана ниже.
Приготовленная в первом резервуаре 40 суспензия по трубопроводу 50 подается в насос 52 высокого давления, предназначенный для перекачивания жидкой суспензии. Перекачивающий жидкую суспензию насос 52 высокого давления увеличивает ее давление предпочтительно приблизительно до 11 СО-1400 фунтов/кв.дюйм. Очевидно, что давление на выходе из перекачивающего суспензию насоса может быть и другим в зависимости от характеристик конкретного насоса и рабочего давления в реакторе 72 высокого давления.
Перекачиваемая насосом 52 высокого давления жидкая суспензия попадает в теплообменник 82. Поступающая в теплообменник 82 по трубопроводу 62 суспензия нагревается приблизительно до 20°С за счет тепловой энергии газообразного СО3, который подается в теплообменник из емкости 76. Теплообменник 82 используется по существу не только для нагрева суспензии, прокачиваемой через него по трубопроводу 62, но и для промежуточного охлаждения сжатого на выходе из емкости 76 СО2, который затем подается в первый резервуар 40 для приготовления суспензии.
После нагрева в теплообменнике 82 объем суспензии, перекачиваемой по трубопроводу 62, увеличивается. Обычно объем СО2 после нагрева суспензии увеличивается в 1,3 раза (объем угля при этом остается постоянным). Нагретая в теплообменнике суспензия подается в сепаратор 64 суспензии, в котором из нее удаляется излишек СО2. Удаление из суспензии в сепараторе 64 части СО2 повышает эффективность реактора 72 высокого давления. Кроме того, наличие сепаратора 64 суспензии позволяет использовать достаточно большую часть СО2 для повторного приготовления суспензии в замкнутом контуре системы 10. Обычно из всего количества перекачиваемого насосом 52 высокого давления СО2 в сепараторе 64 удаляют около 20 или более процентов, которые затем опять используют для приготовления суспензии. Состоящая из каменного угля 11 и оставшегося в ней жидкого носителя (СО2) суспензия собирается при высоком давлении в расходном резервуаре 68, из которого она подается в реактор 72 высокого давления.
Жидкий СО2, удаленный из суспензии в сепараторе 64, попадает из сепаратора в обратный трубопровод 90. Как уже было указано выше, часть сжатого СО2 из обратного трубопровода попадает в трубопровод 24, соединенный с перемещающим твердый каменный уголь нагнетательным угольным насосом, и используется для перемещения твердого каменного угля из бункера 12 в первый резервуар 40 для приготовления суспензии. Остальная часть СО2 проходит через расширительный клапан 92, в котором давление СО2 падает до давления в первом резервуаре 40 для приготовления суспензии. В расширительном клапане давление СО2 падает очень быстро от избыточного давления, создаваемого перекачивающим суспензию насосом высокого давления и равного приблизительно от 1100 до 1500 фунтов/кв.дюйм, до избыточного давления в первом резервуаре 40, обычно равного приблизительно от 70 до 180 фунтов/кв.дюйм. При резком падении давления от 50 до 60 мас.% СО2 переходит из жидкого состоянии в газообразное. Образующаяся в расширительном клапане смесь жидкого и газообразного диоксида углерода по трубопроводу 94 подается в сепаратор 96, в котором после разделения смеси на газ и жидкость получают жидкий СО2, который повторно используется в первом резервуаре 40 для приготовления суспензии. Газообразный СО2 из сепаратора подается в испаритель 86, в котором он охлаждается и превращается в конденсат.
Подаваемый в систему из емкости 76 свежий СО2 также охлаждается в испарителе 86 до температуры, равной температуре первого резервуара 40 для приготовления суспензии. Имеющиеся в системе первый и второй компрессоры 80 и 84 повышают давление СО2 от давления в емкости 76 до давления в первом резервуаре 40 для приготовления суспензии. Сжатый СО2 затем охлаждается в испарителе до температуры первого резервуара 40 для приготовления суспензии. Таким образом, для приготовления в первом резервуаре 40 суспензии каменного угля 11 в предлагаемой в изобретении системе используют жидкий СО2, который получают после соответствующего охлаждения и конденсации в испарителе свежего газообразного СО2, подаваемого в систему из емкости 76, и газообразного СО2, получаемого в сепараторе из СО2, многократно используемого в замкнутом контуре системы для приготовления суспензии.
Непрерывную подачу в систему 10 твердого каменного угля насосом 22 можно в зависимости от конкретных требований регулировать с помощью различных установленных в системе 10 клапанов. Так, например, для регулирования количества угля, подаваемого в реактор 72 высокого давления, можно использовать расширительный клапан 92. С помощью расширительного клапана 92 можно быстро снижать или повышать давление в расходном резервуаре 68, изменяя при этом соответствующим образом расход угольной суспензии, находящейся под высоким давлением в расходном резервуаре 68. Кроме того, на трубопроводе, который соединяет расходный резервуар 68 с реактором 72 высокого давления, можно установить запорную шаровую задвижку 69. Наличие такой задвижки позволяет мгновенно прекратить или мгновенно начать подачу в реактор находящейся в резервуаре 68 угольной суспензии. Клапан 26, установленный на трубопроводе, по которому к подающему твердый каменный уголь нагнетательному насосу 22 подают СО2, позволяет мгновенно регулировать количество подаваемого в насос СО2, а клапан 38 позволяет мгновенно регулировать количество каменного угля, подаваемого в первый резервуар 40 для приготовления суспензии.
Таким образом, предлагаемая в изобретении система 10 обеспечивает возможность непрерывной подачи находящегося под высоким избыточным давлением каменного угля в реактор 72 высокого давления и исключает необходимость в периодическом повышении давления и использовании каменного угля из обычных систем с воронками-затворами и насосами для перекачивания сухого материала. Использование в предлагаемой в изобретении системе суспензии обеспечивает возможность простого повышения давления и перемещения находящегося при атмосферном давлении каменного угля 11 из бункера 12 в расходный резервуар 68 высокого давления.
На фиг.2А и 2Б показана конструкция нагнетательного или струйного шнекового питателя 120, который можно использовать в предлагаемой в изобретении системе в качестве предназначенного для перемещения твердого каменного угля нагнетательного угольного насоса 22. Шнековый струйный питатель 120 соединяет между собой или сжимает хранящиеся в загрузочном бункере 122 частицы каменного угля. Необходимо отметить, что предлагаемый в изобретении шнековый струйный питатель 120 можно использовать для нагнетания под избыточным давлением не только каменного угля, но и другого твердого материала. В загрузочном бункере 122 обычно содержится по существу измельченный каменный уголь, который приблизительно на 70-90% состоит из частиц, которые проходят через сито размером 200 меш. Кроме того, загруженный в бункер каменный уголь находится в нем в обычных условиях, т.е. по существу при давлении около одной атмосферы и температуре около 21°С.
Каменный уголь из бункера 122 обычно под действием собственного веса ссыпается в полость 124 низкого давления цилиндра 126 шнека. Полость 124 низкого давления цилиндра 126 шнека частично образована подающей втулкой 128 загрузочного бункера 122. Остальная часть полости 124 низкого давления цилиндра 126 шнека образована неподвижной втулкой 130, которая герметично уплотняет ее и служит ее наружной стенкой. Внутри цилиндра 126 расположен шнек 132, который состоит из центрального вала 134 и наружной резьбы или винтовой лопасти 136. Между каждым витком резьбы 136 расположена винтовая полость 137, в которой находится перемещаемый шнеком материал. Ссыпающийся из бункера 122 в шнек уголь перемещается из полости 124 низкого давления в полость 138 высокого давления, из которой он по каналу 140 падает вниз в резервуар 142 высокого давления. Давление в резервуаре 142 высокого давления больше давления в полости низкого давления 124 шнека или давления в загрузочном бункере 122.
Движение загруженного в шнековый питатель каменного угля из полости 124 низкого давления в полость 138 высокого давления происходит за счет вращения шнека. Перемещение материала шнековым транспортером при давлении, равном давлению окружающего воздуха (атмосферному), хорошо известно и поэтому не требует подробного пояснения. Предлагаемый в изобретении шнековый струйный питатель 120 в отличие от известных шнековых транспортеров может сравнительно просто перемещать каменный уголь из загрузочного бункера 122, в котором он находится под атмосферным давлением, в резервуар 142 высокого давления.
Шнек 132 приводится во вращение закрепленной на нем шестерней 144, которая входит в зацепление с ведущей шестерней 146. Ведущая шестерня 146 приводится во вращение приводным двигателем 148. В качестве такого приводного двигателя 148 можно использовать любой приемлемый двигатель, приводимый в действие от электричества или иного источника энергии. За счет наличия промежуточной шестерни 150 установленная на шнеке шестерня 144 вращается в том же направлении, что и ведущая шестерня 146. Приводной двигатель 148 приводит также во вращение вторую ведущую шестерню 152, которая входит в зацепление с зубчатым венцом, выполненным на внешней поверхности вращающейся втулки 154. Приводной двигатель 148, таким образом, соединен со шнеком 132 через промежуточную шестерню 150, а с вращающейся втулкой 154 - напрямую. Поэтому при вращении двигателя шнек 132 вращается в направлении, противоположном направлению вращения вращающейся втулки 154. Такая конструкция при соответствующим образом подобранных числах зубьев обеспечивает возможность по существу свободного вращения шнека 132 относительно вращающейся втулки 154, которая при этом остается, как подробно указано ниже, механически связанной со шнеком.
Рядом с полостью 124 низкого давления расположено устройство 156, предназначенное для подачи в питатель газообразного СО2. Это устройство 156 соединено трубкой 158 с емкостью 160, в которой находится газ. В принципе питатель может работать с любым находящимся в емкости 160 газом, однако при использовании шнекового струйного питателя 120 для перемещения каменного угля в качестве подаваемого в него газа предпочтительно использовать газообразный СО2. Трубка 158 герметично соединена с корпусом 162 штуцером 164. Внутри корпуса находится герметичная полость 166 с уплотнением 168. Поступающий в полость 166 газ проходит в отверстие 170, выполненное в вале 134 шнека 132. Отверстие 170 можно выполнить на оси вала 134 или же с некоторым смещением от оси в радиальном направлении. Через такое отверстие находящийся в емкости 160 газ можно подавать в любое место шнека 132. Отверстие 170 можно выполнить на всей длине вала 134 или только на некотором участке его длины до точки 174, уменьшив тем самым объем газа, необходимого для заполнения отверстия 170.
В корпусе 162 расположен первый подшипник 176, который обеспечивает возможность по существу свободного вращения вала 134. Вал 134 проходит через уплотнение 168 заполняемой газом герметичной полости 166.
Между корпусом 162 и закрепленной на шнеке шестерней 144 уплотнение отсутствует. При достаточно высокой точности изготовления, которая необходима для плавной работы шнекового струйного питателя 120, можно полностью избежать утечек каменного угля из бункера 122 или газа из корпуса 162 через щель между корпусом и расположенной на валу шнека шестерней 144. При этом, однако, необходимо принять соответствующие меры по уплотнению нижнего конца загрузочного бункера 122, который входит в приемное отверстие цилиндра 126 шнека шнекового струйного питателя 120. Решается эта задача либо за счет жестких допусков на изготовление бункера и питателя, либо за счет применения уплотнения 176, расположенного в соответствующем месте между бункером 122 и цилиндром шнека 126 питателя. Необходимо отметить, что загрузочный бункер 122 не обязательно должен, как это показано на чертежах, касаться вращающейся втулки 154 и шестерни 144 шнека. В этой связи необходимо также отметить, что предлагаемый в изобретении шнековый струйный питатель может иметь различное конструктивное исполнение, обеспечивающее при соответствующем уплотнении непосредственный контакт загрузочного бункера 122 с неподвижным корпусом или неподвижными деталями шнекового струйного питателя 120. Кроме того, для уплотнения стыка между неподвижной втулкой 130 и шестерней 144 шнека и вращающейся втулкой 154 можно использовать соответствующие уплотнительные прокладки 178. При таком конструктивном исполнении шнекового струйного питателя 120 перемещаемый им материал (уголь), который ссыпается из загрузочного бункера в полость 124 низкого давления цилиндра 126 питателя, не проходит через цилиндр 126 шнека и не вытекает наружу в направлении оси шнека и поэтому не препятствует нормальной работе питателя 120. Более того, в предлагаемом в изобретении питателе загружаемый в него и перемещаемый им материал постоянно находится внутри цилиндра 126 шнека.
Полость высокого давления и вращающаяся втулка 154 расположены в корпусе 180. Корпус 180 в отличие от вращающейся втулки 154 выполнен неподвижным. В корпусе расположены первый и второй подшипники 182 и 184, в которых втулка 154 может свободно вращаться относительно неподвижного корпуса. Между сообщающимся с полостью высокого давления выходным каналом 140 питателя и вращающейся втулкой 154 расположено уплотнение 186. Необходимость в таком уплотнении связана с тем, что давление в канале 140 высокого давления больше давления в герметичной или сообщающейся с атмосферой полости, расположенной между вращающейся втулкой 154 и корпусом. Уплотнение 186 ограничивает или полностью исключает возможность движения материала из полости высокого давления в обратном направлении и его попадания в другие места шнекового струйного питателя 120. При этом уплотнение 186 не создает заметного трения и не препятствует свободному вращению вращающейся втулки 154. В корпусе питателя расположен также второй подшипник 188 шнека, который служит опорой второго конца вала 134 шнека. Второй подшипник 188 вместе с первым подшипником 176 удерживают вал 134 шнека в определенном положении во время его по существу свободного вращения приводным двигателем 148.
Перемещение каменного угля из полости 124 низкого давления, в которую он ссыпается из бункера 122 в полость 138 высокого давления, осуществляется под действием резьбы 136 шнека 132. При вращении шнека 132 его резьба 136 перемещает уголь из полости 124 низкого давления в полость 138 высокого давления благодаря тому, что во время вращения шнек 132 остается в одном и том же в осевом направлении положении. При перемещении угля из полости 124 низкого давления в полость 138 высокого давления усилия, с которыми соседние частицы угля прижимаются друг к другу, возрастают, и одновременно увеличивается плотность газа, заполняющего свободные промежутки между частицами каменного угля. Без дополнительной подачи газа через сопла 200 в межвитковое пространство 137 шнекового питателя 120 увеличение плотности газа будет сопровождаться обратным течением газа в межвитковое пространство 137 шнека под действием высокого давления в соединенном с полостью высокого давления канале 140. Движение газа в обратном направлении приводит к еще большему увеличению усилий, с которыми прижимаются друг к другу соприкасающиеся частицы каменного угля. В конечном итоге из-за подобного увеличения возникающих между соседними частицами усилий сжатия обычно происходит полная остановка находящихся в питателе 120 частиц каменного угля. При забивании питателя его шнек 132 и находящаяся в нем плотная масса каменного угла начинают просто вращаться как одно целое, и уголь остается неподвижным внутри цилиндра шнека и не перемещается из полости 124 низкого давления в полость 138 высокого давления, а из нее - наружу в выходной канал питателя.
Во избежание чрезмерного уплотнения каменного угля под действием сжимающих соседние частицы усилий и образования в питателе пробки из твердых частиц каменного угля используют газ, который прокачивают через выполненное в вале 134 шнека отверстие 170. Газ в центральное отверстие 170 шнека подают из емкости 160. Как показано на фиг.3 и 4, газ, который подается в отверстие 170, выходит из шнека наружу через сопла 200, выполненные в соседних витках 136 резьбы шнека 132. Показанный на фиг.3 виток 136 расположен в плоскости А. Выполненное в этом витке сопло 200 имеет центральную ось В, которая расположена под углом 6 к плоскости А витка 136. Величина угла 9 может быть любой, обеспечивающей возможность движения угля вдоль вращающейся втулки 154, однако обычно она составляет приблизительно от 15° до 30°. По отношению к направлению вращения шнека 132 угол 9 обычно является острым. Газ через отверстие 170 проходит при высоком давлении. При использовании шнекового струйного питателя 120 в системе 10 непрерывной подачи каменного угля избыточное давление газа в центральном отверстии шнека можно соответствующим образом регулировать, поддерживая его предпочтительно на уровне около 1300 фунтов/кв.дюйм. При таком давлении проходящий через отверстие 170 в отверстие 202 сопла газ выходит из сопла 200 со скоростью, близкой к скорости звука или даже превышающей ее, обычно с числом Маха, составляющим от примерно 1,0 до примерно 1,5.
На внутренней поверхности вращающейся втулки 154 выполнена канавка 204, в которую входит виток 136 резьбы шнека 132. Канавку 204 во вращающейся втулке 154 можно выполнить по форме в виде спирали, аналогичной спиральной форме витка 136. В этом случае при вращении вращающейся втулки 154 в одном направлении, а витка 136 резьбы шнека 132 в другом направлении шнек 132 может свободно вращаться внутри вращающейся втулки 154. При таком вращении между шнеком 132 и втулкой 154 образуется лабиринтное уплотнение. При наличии такого лабиринтного уплотнения материал, находящийся в межвитковом пространстве 137 шнека, и газ, с большой скоростью выходящий из сопла 200, будут перемещаться не в направлении полости 124 низкого давления цилиндра 126 шнека, а в направлении полости 138 высокого давления под действием шнека 132.
Наклон оси сопла к плоскости А резьбы 136 под углом 6 обеспечивает по существу непрерывное направленное перемещение материала в межвитковом пространстве 137 шнека. Обычно направление сопла 200 совпадает с направлением вращения витков 136 резьбы шнека. В этом случае выходящая из сопла 200 со сверхзвуковой скоростью струя газа будет воздействовать на находящийся в межвитковом пространстве 137 шнека уголь с усилием, направленным в сторону полости 138 высокого давления. Выходящий из сопла газ не только увеличивает количество движения находящегося в межвитковом пространстве 137 угля, но и препятствует его чрезмерному сжатию. По мере движения угля в расположенную на выходе из питателя полость 138 высокого давления заполняющие промежутки между отдельными частицами распыленного угля газы постепенно сжимаются. Подача через сопла 200 в перемещаемый шнеком каменный уголь свежего газа компенсирует обусловленное сжатием уменьшение объема находящегося в нем изначально газа. Инжектируемый с большой скоростью через сопла 200 в движущийся в направлении полости высокого давления уголь газ не препятствует сжатию газов, заполняющих промежутки между отдельными частицами загружаемого в питатель из бункера распыленного угля.
Шнек 132, скорость вращения которого может зависеть от материала, из которого он выполнен, обычно изготавливают из закаленной стали. Кроме стали для изготовления шнека можно использовать и другие материалы, например сплавы на основе стали или титановые сплавы. Частота вращения шнека, изготовленного из закаленной стали, обычно составляет приблизительно от 3500 до 9500 об/мин. При такой частоте вращения шнека окружная скорость вершин витков выполненной на шнеке резьбы не превышает 200 футов/с. Перемещение материала шнеком 132, вращающимся с подобной частотой, при которой окружная скорость вершин витков выполненной на шнеке резьбы не превышает примерно 61 м/с (примерно 200 футов/с), не сопровождается заметной эрозией или коррозией шнека 132. Шнек 132 может иметь любой диаметр, однако обычно в шнековых струйных питателях используют шнеки с диаметром приблизительно от одного до пяти дюймов. Шнек такого диаметра может перемещать в полость 138 высокого давления как минимум около 50 кг материала в секунду.
Диоксид углерода выходит под высоким давлением из сопел 200 со скоростью, равной скорости звука или даже превышающей ее с числом Маха, достигающим примерно 2,0 или более. Выходящий с такой скоростью из сопла газ создает достаточно большую силу, при наличии которой перемещаемый шнеком уголь не остается неподвижным в определенном положении в межвитковом пространстве 137 шнека. При вращении шнека 132 нагруженный струями выходящего из сопел с большой скоростью газа уголь свободно перемещается вдоль оси питателя в направлении полости 138 высокого давления. Инжектируемый в уголь под высоким давлением газ обычно имеет температуру, составляющую от примерно 10°С до примерно 21°С (от примерно 50°F до примерно 70°F), и при расширении на выходе из сопел 200 предварительно охлаждает находящийся в шнеке 132 уголь. В принципе в шнековых струйных питателях можно использовать и другие газы, которые предварительно не охлаждают перемещаемый питателем материал. Однако при использовании в питателях СО2 перемещаемый шнеком материал предварительно охлаждается внутри самого питателя. Работающий на диоксиде углерода шнековый струйный питатель 120 можно поэтому успешно использовать в предлагаемой в изобретении системе 10 подачи каменного угля. При температуре в предназначенном для приготовления суспензии первом резервуаре 40, составляющей от примерно -40°С до примерно -57°С (от примерно -40°F до примерно -70°F), предварительное охлаждение угля позволяет уменьшить количество энергии, необходимой для подержания в первом резервуаре 40 необходимой температуры.
Таким образом, предлагаемая в настоящем изобретении система 10 позволяет непрерывно подавать каменный уголь в расходный резервуар 68 высокого давления. Тем самым исключается необходимость в использовании менее эффективных систем повышения давления и подачи каменного угля в реактор 72 высокого давления. Предлагаемый в изобретении шнековый струйный питатель 120 представляет собой эффективное устройство, предназначенное для перемещения находящегося при атмосферном давлении каменного угля в первый резервуар 40 для приготовления суспензии.
Приведенное выше описание лишь иллюстрирует изобретение и не исключает возможность внесения в рассмотренные варианты различных изменений, не выходящих за объем изобретения. Все изменения такого рода не должны рассматриваться как выходящие за объем изобретения и противоречащие его сущности и основной идее.
1. Система по существу для непрерывного повышения давления твердого материала и его подачи в реактор высокого давления, содержащая бункер, в котором под первым давлением находится материал, питатель со входом и выходом, вход которого соединен с бункером таким образом, что в него можно избирательно и непрерывно подавать из бункера часть находящегося в нем материала, первый резервуар, вход которого соединен с выходом питателя и в котором создается второе избыточное давление, при этом второе давление по меньшей мере в два раза превышает первое давление, а питатель избирательно и по существу непрерывно перемещает твердый материал из бункера в резервуар.
2. Система по п.1, в которой второе давление составляет по меньшей мере около 65 фунтов/кв. дюйм.
3. Система по п.2, содержащая также емкость с используемым для приготовления суспензии агентом, которая функционально соединена с первым резервуаром и теплообменником, при этом часть находящегося в ней агента перемешивается с материалом с получением суспензии, которую насос высокого давления прокачивает через теплообменник, в котором часть агента определенным образом предварительно охлаждается, а суспензия нагревается.
4. Система по п.3, содержащая также сепаратор суспензии, в котором из прошедшей через теплообменник суспензии удаляется излишек используемого для ее приготовления агента, и обратный трубопровод, по которому излишек агента возвращается обратно в первый резервуар, при этом при обработке суспензии в сепараторе давление суспензии существенно не уменьшается.
5. Система по п.4, содержащая также соединенный с питателем обратный трубопровод, по которому часть излишка используемого для приготовления суспензии агента, возвращается в питатель, в котором этот агент используется для перемещения части материала через питатель от входа в питатель к выходу из питателя.
6. Система по п.4, содержащая также функционально соединенный с обратным трубопроводом испаритель, в котором агент для приготовления суспензии до его попадания в первый резервуар конденсируется и превращается в жидкость.
7. Система по п.3, в которой в качестве агента для приготовления суспензии используется диоксид углерода, а материал представляет собой каменный уголь.
8. Система по любому из пп.1-7, в которой в бункере поддерживается атмосферное давление, при этом в питателе расположено дополнительное устройство, которое способствует перемещению материала к выходу из питателя, а давление в первом резервуаре по меньшей мере в пять раз превышает атмосферное давление в бункере.
9. Система по любому из пп.1-8, содержащая также второй резервуар, который соединен с первым резервуаром, насос высокого давления, который по трубопроводу перекачивает материал из первого резервуара во второй резервуар, и установленный на этом трубопроводе теплообменник для нагревания перекачиваемого материала, который подходит ко второму резервуару с давлением, существенно большим давления в первом резервуаре.
10. Система по п.2 или 9, в которой избыточное давление в первом резервуаре составляет приблизительно от 65 до 160 фунтов/кв.дюйм, а избыточное давление во втором резервуаре составляет приблизительно от 1100 до 1500 фунтов/кв.дюйм.
11. Система по п.9, содержащая также емкость с используемым для приготовления суспензии агентом, которая представляет собой емкость с газом и функционально соединена с первым резервуаром и теплообменником, при прохождении через который часть содержащегося в указанной емкости газа охлаждается и после перемешивания с материалом в первом резервуаре образует суспензию, которая насосом высокого давления прокачивается через теплообменник, в котором часть газа определенным образом предварительно охлаждается, а суспензия нагревается.
12. Система по п.11, содержащая также испаритель, в котором охлажденный газ до попадания в первый резервуар превращается в жидкость, сепаратор суспензии, в котором из прошедшей через теплообменник суспензии удаляется излишек жидкости, и обратный трубопровод, по которому излишек жидкости возвращается в первый резервуар, при этом при обработке суспензии в сепараторе давление суспензии существенно не уменьшается.
13. Система по п.12, содержащая также обратный трубопровод, соединяющий между собой питатель и сепаратор суспензии, по которому часть излишка жидкости подается в расположенное в питателе дополнительное подающее устройство, которое способствует перемещению материала к выходу из питателя.
14. Система по п.11, в которой в качестве газа используется диоксид углерода, а материал представляет собой каменный уголь.
15. Система по любому из пп.1-14, предназначенная по существу для непрерывного перемещения суспензии каменного угля, находящейся под избыточным давлением, в расходный резервуар высокого давления и содержащая также загрузочный бункер, в котором каменный уголь при атмосферном давлении перемещается к выходу из бункера, резервуар высокого давления и нагнетательный насос, который как минимум в четыре раза увеличивает избыточное давление суспензии и перекачивает ее из первого резервуара в резервуар высокого давления, из которого находящуюся в нем суспензию можно подавать в реактор высокого давления.
16. Способ подачи находящейся под избыточным давлением суспензии твердого материала и жидкости в систему высокого давления, заключающийся в том, что определенное количество материала, который находится под атмосферным давлением, перемещают с помощью питателя в первый резервуар, находящийся под повышенным давлением, перемешивают материал с жидкостью в первом резервуаре с получением суспензии, перекачивают суспензию из первого резервуара во второй резервуар, находящийся под высоким давлением, и удаляют часть жидкости из суспензии до ее попадания во второй резервуар.
17. Способ по п.16, в котором также подают первую часть удаленной из суспензии жидкости в питатель и подают вторую часть удаленной из суспензии жидкости в первый резервуар.
18. Способ по п.17, в котором при подаче первой части удаленной из суспензии жидкости в питатель повышают давление жидкости до высокого давления, создают в питателе струю жидкости высокого давления и используют эту струю жидкости высокого давления для пополнения до исходного уровня объема заполняющего промежутки между частицами твердого материала газа, который (объем) уменьшается при сжатии материала в питателе.
19. Способ по п.16, в котором при перемещении материала с помощью питателя увеличивают как минимум в пять раз по сравнению с атмосферным избыточное давление в первом резервуаре, перемещают по существу в непрерывном режиме находящийся под атмосферным давлением материал в виде твердых частиц в первый резервуар и пополняют до первоначального объема содержащийся в материале газ.
20. Способ по п.16, в котором при перемешивании материала в первом резервуаре с жидкостью с получением суспензии в первый резервуар подают жидкость, перемешивают твердые частицы материала с жидкостью с получением суспензии и охлаждают первый резервуар, контролируя тем самым в нем повышенное давление.
21. Способ по п.16, в котором при удалении из суспензии части жидкости увеличивают температуру суспензии до температуры, большей температуры суспензии в первом резервуаре, и отделяют излишек жидкости от суспензии, при этом объем суспензии увеличивается после увеличения ее температуры.
22. Струйный питатель для повышения давления распыленного материала и его перемещения из области низкого давления в область высокого давления, содержащий корпус, в котором находится загружаемый в струйный питатель материал и который имеет входное отверстие, через которое в него попадает распыленный материал, и выходное отверстие, через которое материал выходит из корпуса, и расположенный в корпусе шнек, который перемещает материал от входного отверстия к выходному отверстию и имеет сопло для формирования струи, которая способствует перемещению материала в направлении выходного отверстия корпуса, давление в котором больше, чем давление во входном отверстии корпуса.
23. Струйный питатель по п.22, содержащий также втулку, внутри которой находится шнек, двигатель, зубчатую передачу, соединяющую двигатель с вращающимся в первом направлении шнеком, и зубчатую передачу, соединяющую двигатель с вращающейся в другом направлении втулкой, при этом двигатель приводит во вращение шнек и втулку по существу с одной и той же скоростью.
24. Струйный питатель по п.23, в котором втулка имеет наружную поверхность и внутреннюю поверхность, на которой выполнена канавка, с которой в зацеплении находится шнек, который имеет возможность по существу свободного вращения в направлении, противоположном направлению вращения втулки.
25. Струйный питатель по п.24, в котором шнек по существу входит в зацепление с канавкой втулки и образует вместе с ней уплотнение.
26. Струйный питатель по п.22, в котором в шнеке имеется осевое отверстие и радиальное отверстие, через которое осевое отверстие соединяется с соплом для формирования струи и через которое подаваемый в осевое отверстие газ попадает в сопло, из которого он с высокой скоростью выходит наружу.
27. Струйный питатель по п.22, в котором шнек имеет резьбу, витки которой расположены в плоскости резьбы, а сопло имеет центральную ось, которая расположена под углом приблизительно от 5 до 20° к плоскости резьбы.
28. Струйный питатель по п.22, в котором газ подается в сопло в таком количестве, что выходящая из сопла струя газа имеет сверхзвуковую скорость.
29. Струйный питатель для повышения давления распыленного материала и его перемещения из области низкого давления в область высокого давления, содержащий корпус, в котором находится загружаемый в струйный питатель материал и который имеет входное отверстие и выходное отверстие, расположенный в корпусе шнек, который перемещает материал от входного отверстия к выходному отверстию и имеет возможность вращения в первом направлении, и лабиринтное уплотнение наружного диаметра шнека, которое по существу препятствует движению материала в обратном направлении к входному отверстию, давление в котором меньше давления в выходном отверстии.
30. Струйный питатель по п.29, содержащий также втулку с наружной и внутренней поверхностями, внутри которой находится шнек, и выполненную на шнеке резьбу, которая вместе с канавкой, выполненной на внутренней поверхности втулки, образует лабиринтное уплотнение.
31. Струйный питатель по п.30, содержащий также двигатель, зубчатую передачу, соединяющую двигатель с вращающимся в первом направлении шнеком, и зубчатую передачу, соединяющую двигатель с вращающейся в другом направлении втулкой, при этом двигатель приводит во вращение шнек и втулку по существу с одной и той же скоростью, а шнек имеет возможность по существу свободного вращения в направлении, противоположном направлению вращения втулки.
32. Струйный питатель по п.29, содержащий также дополнительное устройство, способствующее перемещению шнеком материала внутри корпуса из входного отверстия в выходное отверстие.
33. Струйный питатель по п.29, в котором дополнительное устройство, способствующее перемещению шнеком материала, содержит сопло, а шнек имеет осевое отверстие и радиальное отверстие, через которое осевое отверстие соединяется с соплом для формирования струи и через которое подаваемый в осевое отверстие газ попадает в сопло, из которого он с высокой скоростью выходит наружу.
34. Струйный питатель по п.33, в котором лабиринтное уплотнение по существу препятствует течению газа и распыленного материала из выходного отверстия корпуса в его входное отверстие.
35. Струйный питатель по п.32, в котором шнек имеет резьбу, витки которой расположены в плоскости резьбы, а сопло дополнительного устройства имеет центральную ось, которая расположена под углом приблизительно от 2 до 25° к оси резьбы.
36. Струйный питатель по п.32, в котором газ подается в дополнительное устройство в таком количестве, что струя газа выходит из сопла со сверхзвуковой скоростью.
