CN102132098B - 将煤炭输送到热电厂用于燃烧的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及运输和准备作为在热电厂的固体燃料的煤炭的燃烧的方法，并可用于煤基发电中。本发明的目的是综合利用煤炭内含有的能源、减少实现该工艺的能量损耗，扩展固体燃料管线运输在煤基发电中的应用，提高煤炭的管线操作的安全性，并保护环境。在通过管线运输前，将初始煤炭流筛分成粗煤炭和细煤炭，将细煤炭压制成圆柱状整体块。通过其内充满密度超过被运输材料的密度的含水盐溶液的管线运输煤炭，粗煤炭和压制的煤炭块交替装载入所述管线中。在发电厂，将在含水盐溶液中运输的煤炭与液态载体分离，用水冲洗，干燥并在磨碎的同时捕集释放的甲烷。冲洗排出物通过电厂热动力循环的工作介质在冷凝时释放出的热蒸发。将残余脱水溶液与从煤炭分离出来的液体介质混合并返回到该工艺的起点。

Description

将煤炭输送到热电厂用于燃烧的方法

技术领域

本发明涉及运输和准备作为在热电厂用于电力生产的固体燃料的煤炭的燃烧的方法，并可用于煤基发电中。

背景技术

以煤炭-油混合物的形式使用管道运输煤炭是众所周知的(参见，例如，Kirilets O.M.的Economic evaluation of certain kinds of pipeline transportationof coal over long distances。煤炭工业领域年轻科学家的全协会研讨会关于在Kansk-Achinsk的具有3-4倍生产率的煤炭生产部分和其他东方地区的煤田和Kansk-Achinsk煤炭的处理，Krasnoyarsk，1982，53-54)。

为了达到该目的，将煤炭磨成粉，与黑油混合，并将准备好的煤炭-油混合物通过管道干线泵送到其目的地。

所述方法的特征在于能源(煤炭)浪费非常严重，因为在与黑油混合前的粉碎过程中，首先，几乎所有的甲烷和其他可燃性烃基气体不可逆转地挥发到大气中，并由于它们对地球的臭氧层的破坏性作用而导致不可挽回的环境破坏。

此外，在管道减压的情况中，例如：由于腐蚀性和侵蚀性破坏、自然灾难(比如地震)、人为导致的意外和恐怖分子的有意破坏，管道内物质泄漏到环境中可能造成生态灾难。如果这些运输管道铺设在海床或海底将是尤其危险的。

黑油中的细煤炭的悬浊液的特征还在于反常高粘度取决于固相的含量和温度。这样，这种介质在20℃和70℃的动粘度系数可以超过6.53或是小于0.19Pa/sec。这种流变学特性的显著差异对于将超高粘度的介质通过管道干线泵送远距离的能源消耗具有明显地不利的影响，其中所述流变学特性是任何液体水力运输的基本原理，因为用于在层流模式中克服所述粘性流体与所述高速干路的壁之间的摩擦力的水头损失直接与所述动粘度系数值成比例，更不用提紊流了。结果，用于泵送在70℃下的所述介质的泵的电力消耗小于泵送在20℃时的介质的6.53∶0.19＝34.4倍。但是，这需要在覆盖有热绝缘层的管道干线的同一个管束中设置备用蒸汽导管用于加热所述管道干线(或围绕管道干线盘绕特殊的加热电线)，而这通常相当昂贵，并伴随着等级能源的消耗增加。

与本发明最接近的方法是水力煤炭运输方法，其包括将要送往热电厂的原料初步磨碎，并随后在水中将生成的细粒煤炭粉混合成浆，并将制备好的悬浮液通过管道干线泵送到热电厂(参见，例如，Bonnington S.T.的Developments in the Hydraulic Transport of Coal，Coal Preparation，2，第219-223页，1966年11月/12月)。

除了在将煤炭运输到其目的地的过程(该方法的特点是浪费资源并且污染生态环境)中甲烷和其他可燃性烃基气体的不可逆的损失，输送到热电厂的固体燃料在所述细磨阶段也在其达到的地点必然导致很多技术问题。它们与这样的细分散材料的浓缩、过滤和干燥相关，因为随着细度增大，其外部表面的比表面积急剧地增大，各颗粒的重量同时减少。这导致这种悬浮液的浓缩倍率(concentration rate)显著降低，在过滤过程中形成的残留物所包含的湿气呈指数式的增长，且固相进入滤液的量增加，在这种情况下，其不仅被煤炭团污染，还被苯酚和其他有毒的有机水溶剂杂质污染，所述杂质在煤炭与水的长期接触过程中从煤炭中浸出。

如果不在煤炭到达热电厂的地方将煤炭浓缩、脱水和干燥，而将水-煤炭悬浮液直接送到锅炉中用于燃烧，那么这些固体燃料的燃烧热的有效利用系数急剧降低是不可避免的。这是基于这样一个事实，即其热值的相当部分仅是用于从这些流体中蒸发所有水分，并且所述水的特征在于，与非-水液体不同，其具有相当高的蒸发潜热，并且不用于在锅炉内产生高压工作蒸汽，所述高压工作蒸汽作为将所述固体燃料的化学潜能转化为电能的热动力循环介质。此外，该技术工艺不可逆转地消耗了大量水，这些水与泵送煤炭的体积相当。

与此同时，无论所泵送悬浮液的固相是多么细，在电源供应突然停止和泵站紧急关断的事件中，产生在所述管线中的悬浮液不可逆转的层化并且水从煤炭中澄清，并相应产生沉积物的实际威胁，这将在许多情况中导致在重新开始电力供应时发生数公里的输送堵塞。

在这种情况下，应该注意到，煤炭以这种悬浮液的形式通过管道干线泵送实际上不可能是层流形式，而流体应该仅是在相当高的紊流以防止固相沉淀出。但是，因为水流加速到希望的速度而需要的能量损失与其流速的平方成正比，因此在这种情况下由泵产生的水动力压头的增长伴随着它们能量消耗的不适当的增加。还应当注意到，伴随着泵送这种悬浮液的流速的增加，在管道材料上的所述摩擦介质的强力磨损影响的作用下，管道侵蚀磨损急剧激强化。

当由于腐蚀、侵蚀或其他损坏或是恐怖行为而导致的管线破坏，其内物质的泄露将对自然环境造成严重的生态危害是不可避免的，自然环境被煤泥(coal slush)污染。

还应当注意，水的冰点温度相对高(对于世界上大多数的主要产煤国的气候环境来说)使得所述方法在冬天实际上无法使用，特别是在具有极端寒冷的冬季温度的地区和永久冻土区。这将这种应用的使用区域限制在位于南方地区和赤道的永久夏季的纬度的区域。

技术方案

本发明的目的包括煤炭内含有的能源的综合利用、减少实现该工艺的动力损耗，扩大固体燃料管道运输在煤基发电中的应用，防止破坏臭氧层的气体泄露从而保护环境，提高运输系统的操作安全水平，并减小由于意外事故和恐怖袭击而造成的破坏。

这些发明目的通过以下方法实现，将煤炭的初始流(在其通过管线运输之前)分成粗材料和细材料，并将其压成活塞状的整体块(piston-shapedmonolithic blocks)，然后将其装载进入管道中(其内充满密度大于所述运输材料的密度的水溶液)以使得粗煤炭与压成块的煤炭交替，并且在水性液体流中输送到其目的地的的煤炭分离后，用水冲洗所述煤炭，干燥并在磨碎的同时捕集释放出的甲烷和其他可燃性气体，随后将所述甲烷和其他可燃性气体直接送往燃烧，其中冲洗后剩余的废流体使用热电厂热动力循环的工作介质的冷凝时释放出来的热量蒸发，而将该工艺的产物与从煤炭中分离出来的液体介质混合并返回到该工艺的起点。

各矿物盐溶液具有高水溶性，并因此具有低冻结温度，并且它们的众多多组分混合物，例如：钙、锌、锡、锑或者三价铁氯化物，相同金属的溴化物，钙和锌的硝酸盐，碳酸钾等，可以作为密度大于煤炭的密度的水性液体来实现本发明的方法。

通过管线输送到热电厂的固体燃料仅以块状的形式运输，随后在其目的地磨碎运送的材料，使得不仅可以防止将煤炭粉搅拌在水中运输而导致很多问题，并且还可以通过使用粗块煤炭、结块煤炭和整体块煤炭作为特殊容器将甲烷和其他烃基气体以封闭的形式包含在煤炭内用于自由地将其内包含燃烧气体的煤炭和其载体介质一起运输到它们的燃烧位置。

输送材料的粗尺寸确保了管线运输操作的安全性高得多，特别是当其放置在海底或海床上时，因为在其局部损坏的情况下(甚至在恶意破坏的情况下)，排除了所述运输材料突然泄露到环境中的危险。只可能发生运输液体泄露到土壤或是进入海水的情况。此外，该液体不是煤泥，而是绝对生态安全的水溶液，例如：氯化钙，其为溶于海水中的矿物盐的组分并且是用于静脉注射的药品，或者硝酸钙，其在农业中用作高效矿物质肥料。客观上不需要泵送紊流使得可以通过管线以输送液体的纯层流形式运输煤炭。这根本上减少了该运输工艺的电力消耗，此外，防止了管道的侵蚀磨损。此外，事实上管道容积的大部分都由煤炭有效地填充，而不是由运输液体填充，同时利用热动力循环的工作介质的自然冷凝的热量再生密度大于所述煤炭的密度的水性液体，所述再生含在完全封闭的循环中，以上两点的组合使得节约能量成为本发明方法的主要区别特征。

从电能经济性的观点出发，有效使用天然地形也是重要的。即，在起始点和目的地之间的测地线标记(geodesic marks)的天然区别的情况下，在开发山区煤炭床中会发生这种情况，存在组织无压煤炭的水力输送的可能，这使得可以通过管道干线将固体燃料重力运输到位于平坦地带的热电站。这个工艺与通过河流漂浮原木的过程相似。

从维护的观点出发，本发明的方法也具有与原型不同的优点，因为在电力供应突然中断的紧急情况下，不管空闲时间多长均不会在高速干管上发生阻塞，因为不管其移动还是不动，煤炭仍然在该液体中漂浮。

同时，使用的矿物盐水溶液的低冰点温度确保了这种运输系统不仅可以在南部纬度可靠运行，还确保了在极端北部的区域中、在永久冻土的情况下，在低至-40℃～-50℃的温度下的可靠运行。

这样，本发明的所有特征紧密地相互联系，并且这些特征的组合确保了本发明目的的实现。在检索专利并分析科技文献中公开的材料的过程中没有发现在本领域中存在与本发明的技术构思和有益效果类似的技术方案。

因此，本发明具备新颖性，并且其特征性技术特征使其具备创造性。

有益效果

附图说明

本发明的方法通过以下顺序的操作步骤实现：

-将原始材料区分为块状煤炭和细煤炭；

-将细煤炭压成块状整体活塞状块(bulky monolithic piston-shapedblocks)中；

-将成批的块状煤炭和压成整体块的活塞状的煤炭交替装载入充满重的水-盐介质的运输管道中，并且在管道水平部分，同时形成具有大于煤炭的密度的含水液体的流；

-将装载到所述运输管线中的煤炭在其液体介质流中输送到其目的地；

-通过排水装置将运输到热电厂的煤炭与载体液体液压机械分离(hydromechanical separation)；

-用水冲洗脱水煤炭，除去煤炭块、大块煤炭体和煤炭团表面上的矿物盐水溶液的残渣；

-将用水冲洗过的煤炭干燥，除去载体介质；

-在粉碎干煤炭的同时，捕集释放出的甲烷和其他烃基气体，并将其直接引导到热电厂的锅炉熔炉中用于燃烧；

-使用热电厂热动力循环的工作介质的冷凝时释放的热量将煤炭冲洗后留下的水蒸发，并将其密度减小到水-盐溶液的初始浓度；

-将得到的冲洗水与先前从运输到热电厂的煤炭中分离出的液体载体混合，并将这样再生的密度大于煤炭的密度的含水液体返回到运输工艺的起点。

实施例

本发明的方法的精髓通过附图所示的管线运输的操作流程图来说明，所述附图图示了将煤炭从煤矿直接运输到热电厂的技术，如果生产出的煤炭无需选矿而可以直接在炉中燃烧。在这种情况下，不再需要构造井筒和在明显的循环模式中操作的料斗升降机。

(如果生产出的煤炭需要选矿，用于将煤炭从煤炭清洁厂运输到热电厂的运输系统看起来是相似的)。

从采矿面输送到井底的煤炭流在分离器1中分成块煤炭和包括细的煤炭颗粒和其所有尘分的细煤炭(coal fines)。

将从煤炭块和大颗粒中分离出的细煤炭通过装有热交换夹套的螺杆送料机2向用于压制的压制模具3给料。将适当量的沥青引入到螺杆送料机2中作为粘结添加剂，其用于加强用煤炭细粒制成的圆柱状块体，其形状类似于水力设施的活塞。在压制之前，将用于加热煤炭和沥青的混合物的蒸汽送入其热交换夹套中。

成批的块状煤炭和煤炭块交替放置在运输管线5的装载系统的装载室中，使得煤炭“活塞(pistons)”与成批的可倾倒的煤炭块交替。逆向地交替地清空装载室4，用液体填充它们，所述液体构成整个运输工艺的工作介质，是密度为1.42g/cm³的硝酸钙的水溶液(煤炭的密度是1.39g/cm³)。

该液体的排放部分收集在废液容器6中，在装载完煤炭后，装载室4交替地装满管线5的内容物，使用阀7和可控关断闸门8的系统。这样，煤炭从矿井漂浮出来达到地面，并随后在运输水介质流中漂浮到其目的地。在管线5水平部分中所述液体载体流由使用从废液容器6中通过泵8喷射的给料液体产生。

(但是，在开发山区煤炭床的情况下，使用基于重力操作的所述水力运输的能源优势高得多，其无需在所述运输管线中产生载体液体的人工流)。

运输到热电厂的煤炭在分离器10中与输送液体液压机械分离，并且随后在分离器11上用淡水冲洗，并过载入带式真空过滤器12，其中进一步以反向流模式用水来冲洗，最后挤出残留冲洗水，并使用热空气或其他热传输介质在开始磨碎前者之前将其干燥以生产粉状燃料。

煤炭的粉碎在密闭球磨机13内进行。在这个过程中释放的甲烷和其他可燃气体进入管线14并同煤炭一起输送到热电厂的锅炉中。

留在振动筛(shaker)10上的煤炭的残余废弃物聚集在收集器15中，而煤炭冲洗后在振动筛11上留下的冲洗水，以及来自带式真空过滤器12的最终滤液直接引入收集器16中，使用泵17将这些工艺流体从该处引导到蒸发系统18中进行蒸发。

这些冲洗水的蒸发是通过使用离开热电厂的涡轮机的废蒸气的冷凝热量来实现，所述蒸汽是将煤炭燃烧热转换成电能的热动力循环的工作介质。因此，在蒸发系统18的蒸汽生成管的管间空间形成冷凝液向下流到收集器19中，并使用泵20重新引导到热电厂的蒸汽锅炉中，在所述蒸汽锅炉中冷凝液再次被处理为高压工作蒸汽，并引导到蒸汽涡轮机用于膨胀，通过这种方式闭合，在转化循环中工作介质将热能转换为电能。

在蒸发系统18中冲洗水蒸发后留下的juice水蒸汽在冷凝器21中冷凝并以热冲洗水的形式返回到振动筛11和带式真空过滤器12中以冲洗煤炭。

在蒸发系统18内蒸发的含水盐溶液的密度在升到它的初始密度1.42g/cm³与在振动筛10上的煤炭脱水后留下的废液流在收集器15中混合。获得的混合物是完全再生的密度超过煤炭的密度的含水液体，并通过泵22返回到容器6中，到供应煤炭的起始装载位置。

本发明方法的应用首先确保了使用所述方法运输的能源载体中含有的能源潜能更充分的利用，因为在本发明中不仅固态燃料被运输到热电厂，而且还将甲烷和其他烃基气体带入燃烧，这即增加了其能源值又保护了地球平流层的臭氧层不受臭氧破坏性气体的有害影响。考虑到从根本上减小了该运输系统的能源消耗并且实际上对与所述管线运输操作相关的气候条件没有限制，这种连续不断地将煤炭从煤炭生产企业直接运输到其目的地的优势变得更为明显。在运输管线的突然减压或恐怖活动的情况下，可以预料到所述运输系统运行的安全性增强也是非常重要的，排除了煤炭污染环境的潜在危险，因为煤炭是非消散形式的(non-dissipated form)。

Claims (2)

1.将煤炭输送到热电厂用于燃烧的方法，其包括将煤炭装载到填充有含水介质的管线中，在其流体中运输到目的地，从液相中液压机械分离并在燃烧前干燥，其中，为了实现煤炭能源的多目的利用，减小运输过程的能源消耗，保护环境不受气态烃对地球臭氧层的破坏，提高安全水平并扩展固体燃料管线运输的应用领域，在装载前，将初始供应的煤炭分成粗煤炭和细煤炭，将所述细煤炭压制成整体活塞状块，将它们装载到其内充满密度超过煤炭的密度的含水液体的管线，将它们与成批的漂浮在所述液体介质中的可倾倒的粗煤炭交替通过管线送到其目的地，将输送到热电厂的煤炭与液相液压机械分离后，用水冲洗煤炭，干燥并在磨碎的同时捕集释放出的气态烃用于燃烧，其中使用热电厂热动力循环的工作介质冷凝时释放出的热量蒸发并返回煤炭冲洗后的残留冲洗水，并与煤炭液压机械分离的排水一起返回到装载位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中使用硝酸钙的水溶液作为所述密度超过煤炭的密度的含水液体。

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