Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к металлургической газификации твердого топлива и может быть использовано в энергетике, металлургии, переработке промышленных и твердых бытовых отходов.

Изобретение может быть использовано для получения горючего газа для получения тепла, пара или электроэнергии, а также в качестве технологического топлива в производстве.

В качестве твердого топлива используются угли, в том числе и низкосортные, отходы обогащения углей, промышленные и твердые бытовые отходы, торф и другие материалы, содержащие углерод, а также водород в составе углеводородов.

Под газификацией твердого топлива понимается окисление содержащегося в нем углерода и водорода, причем в продуктах окисления могут содержаться СО, СО₂, Н₂ и H₂O в любых соотношениях.

Известен способ сжигания твердого топлива в расплаве, включающий подачу топлива в ванну расплава, барботирование ванны расплава газообразным окислителем, с подачей кислорода в количестве 40-95% от необходимого для окисления топлива в расплав и остального над расплавом до его избытка по сравнению с теоретически необходимым в 1,1-1,8 раза, отвод жидкого железосиликатного шлака, отвод и охлаждение газообразных продуктов плавки с их очисткой от пыли (а.с. СССР №1612685).

Этот способ непригоден для газификации твердого топлива поскольку при его реализации получаются газообразные продукты, содержащие конечные продукты его сгорания - CO₂ и H₂O, непригодные к использованию в качестве топлива.

Известен способ сжигания твердого топлива в расплаве, включающий подачу топлива в ванну расплава, подачу в ванну расплава сбоку газообразного окислителя струями, расслаивание расплава на шлаковую и металлическую фазы, отвод жидких продуктов плавки, отвод и охлаждение газообразных продуктов плавки с их очисткой от пыли (В.В. Иванов, И.В. Иванов. Энергосберегающая экологически чистая технология сжигания твердого топлива и переработки золошлаковых отходов электростанций, Рязань, НП «Голос губернии», 2009, 476 с.).

Этот способ характеризуется необходимостью разделения расплава на металлическую и шлаковую части, причем высота зоны расслаивания достаточно велика - расстояние от места ввода дутья в расплав (плоскость фурм) до лещади печи (нижний уровень металлического расплава) определено в 0,9 м. В условиях переработки твердого малозольнистого топлива, а в особенности с низким содержанием оксидов железа в составе золы, реализация такого способа связана с большими потерями тепла в глубокой зоне расслаивания. Количество образующегося металлического расплава, а вместе с ним и приход тепла оказываются недостаточным для поддержания металлического расплава в жидком состоянии, происходит его застывание в нижней части печи. Количество шлакового расплава также невелико. Для сохранения его жидкотекучести и возможности вывода из газификатора необходимо поддерживать перегрев шлакового расплава выше температуры плавления, что в этом способе не контролируется. Кроме того, не определена возможность и способ управления тепловым режимом процесса газификации для подержания жидкотекучести шлакового расплава.

Наиболее близким к предлагаемому является способ металлургической газификации твердого топлива, включающий подачу топлива и газообразного окислителя в ванну оксидного расплава, отвод газообразных и конденсированных реакционных продуктов (Патент РФ №2422538).

Этот способ принят за прототип.

Недостатком способа-прототипа является отсутствие регулирования количества кислорода, подаваемого в ванну оксидного расплава, по степени окисления топлива, что не позволяет достоверно контролировать тепловой баланс и состав газообразных продуктов плавки-газификации. Не определена высота зоны расслаивания расплавов и высота металлического расплава.

Наличие глубокой зоны расслаивания расплавов в условиях низкого содержания шлакообразующих в топливе, в особенности оксидов железа, затрудняет отстаивание расплавов из-за недостаточного прихода тепла со шлаком и металлом в эту зону. Не установлен критерий и не определен способ регулирования температурного режима газификатора, что не позволяет надежно управлять процессом плавки и стабилизировать ход процесса газификации.

Технической задачей изобретения является стабилизация теплового режима процесса газификации, снижение простоев оборудования, а за счет этого повышение качества получаемого газового топлива и повышение производительности оборудования.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе металлургической газификации твердого топлива, включающем подачу топлива и газообразного окислителя в ванну оксидного расплава, отвод газообразных и конденсированных реакционных продуктов, в соответствии с предлагаемым изобретением, газообразным окислителем с содержанием 45-95 процентов кислорода по объему обрабатывают весь объем ванны оксидного расплава с отношением количества кислорода в нем к теоретически необходимому количеству кислорода для окисления углерода и водорода твердого топлива до диоксида углерода и воды 0,4-0,7, температуру оксидного расплава поддерживают выше температуры его плавления на 50-350°C изменением отношения количества кислорода к количеству твердого топлива, для повышения температуры оксидного расплава увеличивают это отношение, для снижения - уменьшают.

По варианту способа изменение отношения количества кислорода в газообразном окислителе к теоретически необходимому количеству кислорода для окисления углерода и водорода твердого топлива до диоксида углерода и воды проводят изменением количества кислорода в газообразном окислителе: для его повышения увеличивают количество кислорода, для снижения - уменьшают.

По другому варианту способа изменение отношения количества кислорода в газообразном окислителе к теоретически необходимому количеству кислорода для окисления углерода и водорода твердого топлива до диоксида углерода и воды проводят изменением количества подаваемого твердого топлива, для его повышения уменьшают количество твердого топлива, для снижения - увеличивают количество твердого топлива.

В качестве газообразного окислителя, подаваемого в расплав, используется смесь технологического кислорода и воздуха или технологический кислород.

Интервал содержания кислорода в газообразном окислителе, подаваемом в оксидный расплав, 40-95 объемных процентов выбран таким, чтобы теплотворная способность получаемых газообразных продуктов была достаточно высокой и не снижалась из-за избыточного содержания азота, приводящего также к росту потерь тепла с отходящими газами и возможности застывания расплава (нижний предел), но чтобы не было избыточного тепло-выделения, а также снижения интенсивности перемешивания расплава при сокращении объема подаваемого в него газообразного окислителя (верхний предел).

При перемешивании всего объема ванны оксидного расплава газообразным окислителем удается осуществлять прогрев всего объема расплава за счет тепла экзотермических реакций окисления компонентов твердого топлива.

При этом за счет турбулентного перемешивания и конвекционных потоков прогревается весь объем оксидного расплава. Выделение металлического расплава в отдельный слой в случае его образования (при наличии достаточного количества оксидов железа в твердом топливе) происходит под слоем перемешиваемого оксидного расплава, благодаря высокой разности плотностей шлаковой и металлической фаз. Окончательное отделение капель металла от шлака происходит при непрерывном выпуске шлака, осуществляемом при его вертикальном подъеме без перемешивания в специальном устройстве - шлаковом сифоне газификатора. Возможен также совместный выпуск жидких продуктов плавки с последующим отстаиванием и разделением шлака и металлической фракции.

Такое техническое решение обеспечивает стабильный тепловой режим газификации, а после остановки, например, для профилактического осмотра оборудования, позволяет быстро вывести газификатор на стабильный режим работы.

Задаваемое отношение количества кислорода в газообразном окислителе, подаваемом в расплав, к теоретически необходимому для окисления углерода топлива и водорода, содержащегося в углеводородах топлива, до диоксида углерода и воды, составляющее 0,4-0,7 позволяет при нижнем его пределе обеспечить достаточное тепловыделение для поддержания теплового режима газификации в жидком расплаве, но не приводит к избыточному окислению компонентов твердого топлива и снижению теплотворной способности получаемых газообразных продуктов (верхний предел).

Интервал перегрева над температурой плавления шлака в 50-350°C выбран таким, чтобы обеспечивалась достаточная для перемешивания ванны оксидного расплава газообразным окислителем жидкотекучесть (нижний предел), но перегрев расплава не приводил бы к избыточному повышению жидкотекучести шлака и его проникающей способности по отношению к конструктивным узлам газификатора, приводящих к выходу его из строя.

Регулирование отношения количества кислорода в газообразном окислителе к теоретически необходимому количеству кислорода для окисления углерода и водорода твердого топлива до диоксида углерода и воды проводят изменением количества кислорода в газообразном окислителе - для его повышения увеличивают количество кислорода, для снижения - уменьшают. При этом возможно как физическое изменение объема подаваемого в расплав газообразного окислителя, так и изменение концентрации кислорода в газообразном окислителе.

Кроме того, регулирование отношения количества кислорода в газообразном окислителе к теоретически необходимому количеству кислорода для окисления углерода и водорода твердого топлива до диоксида углерода и воды можно проводить изменением количества подаваемого твердого топлива, для его повышения снижают количество твердого топлива, для понижения - увеличивают количество твердого топлива.

Способ может быть реализован в газификаторе типа печи Ванюкова. Твердое топливо, а также флюсы при необходимости загружаются через загрузочные устройства в ванну расплава, газообразный окислитель подается в ванну жидкого шлакового расплава струями через боковые дутьевые устройства - фурмы. За счет расположения фурм на небольшом расстоянии от подины печи Ванюкова осуществляют перемешивание всего объема оксидного расплава. В расплаве протекают реакции частичного окисления углерода и водорода твердого топлива до монооксида углерода и воды. Одновременно происходит формирование шлаковой и металлической фаз. Газы выводят из газификатора через газоход, очищают от пыли и направляют на производство тепловой и электрической энергии или технологическому потребителю. Жидкий шлаковый расплав непрерывно через сифон печи или через шпур выводят на разливку или грануляцию. Металлический расплав осаждается в сифоне печи или, при небольшом количестве шлака и металла их выпускают совместно для последующего внепечного отстаивания.

Пример осуществления 1

В ванну оксидного расплава подавали газообразный окислитель, представляющий собой технологический кислород с концентрацией O₂ 93 процента по объему. Газообразный окислитель подавали струями диаметром 35 мм. Расстояние от места ввода струй до нижней границы оксидного расплава составляло 300 мм. Расстояние над местом ввода дутья до верхней границы спокойной ванны расплава (уровень сифонного выпуска шлака) составляло 600 мм. Расход газообразного окислителя составлял 10700 м³/ч.

Длина ванны оксидного расплава составляла 6,0 м, ширина - 2,4 м.

На поверхность ванны оксидного расплава подавали бурый уголь с влажностью 41,5%, зольностью 13,7%, содержанием в сухой горючей массе

С - 66,2%, Н - 6,1%, O - 26,6%, N - 0,9% и низшей теплотой сгорания влажного беззольного топлива 12,69 мДж/кг. Расход угля составлял 19,0 т/ч. В качестве флюса подавали известняк в количестве 1,5 т/ч.

В этих условиях отношение количества кислорода в газообразном окислителе к теоретически необходимому количеству кислорода для окисления углерода и водорода твердого топлива до диоксида углерода и воды составляло 0,54.

Температура шлакового расплава и отходящих из ванны газов составляла 1400°C, что на 70°C превышало температуру плавления образующегося шлака.

В результате газификации образовывался газ с теплотворной способностью 3,125 мДж/м³, который имел состав, объемных процентов: 23,9 CO₂, 48,4 H₂O, 15,4 СО, 9,24 Н₂. Количество газа - 27,1 тыс. м³/ч.

Регулирование превышение температуры шлакового расплава над температурой его плавления в диапазоне 50-350°C осуществляли изменением количества газообразного окислителя и бурого угля, подаваемых в расплав.

При отношении количества кислорода в газообразном окислителе к теоретически необходимому количеству кислорода для окисления углерода и водорода твердого топлива до диоксида углерода, равному 0,4, что соответствовало расходу окислителя 8000 м³/час при той же производительности по загрузке угля, температура расплава превышала температуру плавления шлака на 50°C, а газ имел большую теплотворную способность - 5,85 мДж/м³, однако дальнейшее снижение количества кислорода в дутье приводит к снижению температуры расплава и повышению его вязкости, что вызывает расстройство технологического процесса.

При повышении расхода газообразного окислителя до 13800 м³/час с сохранением загрузки угля и отношении количества кислорода в газообразном окислителе к теоретически необходимому количеству кислорода для окисления углерода и водорода твердого топлива до диоксида углерода, равному 0,7, повышалась температура шлака, что при дальнейшем увеличении расхода окислителя, вызывающем рост температуры расплава, может приводить к протечкам расплава между конструкционными элементами печи. В этих условиях температура газов и расплава повышалась на 350°C, однако теплотворная способность газа падала до 2,10 мДж/м³.

Газ очищали от пыли и дожигали в котле-утилизаторе с использованием образующегося пара для производства электроэнергии и охлаждали до 200°C, после чего окончательно очищали от пыли в системе мокрой газоочистки и выбрасывали в атмосферу.

Шлак содержал 5,8% FeO, 39,8% SiO₂, 21,2% СаО, и прочие оксиды. Его направляли на грануляцию для дальнейшего использования в производстве строительных материалов. Количество шлака составляло 3,45 т/ч.

Металлический расплав в этих условиях не образовывался.

Коэффициент использования печи под дутьем (рабочего времени) составлял 99,2%.

Пример осуществления 2

В ванну оксидного расплава с описанными выше параметрами ванны подавали энергетический уголь, с влажностью 14%, зольностью 15,5%, содержащий в сухой горючей массе 73,3% С, 5,7% Н, 19,7% O, 0,5% S.

Количество угля составляло 19,0 т/ч. В качестве флюса использовали известняк в количестве 1,5 т/ч.

Количество газообразного окислителя с содержанием кислорода 93% по объему составляло 13,8 тыс. м³/ч.

В этих условиях отношение количества кислорода в газообразном окислителе к теоретически необходимому количеству кислорода для окисления углерода и водорода твердого топлива до диоксида углерода и воды составляло 0,46.

Температура ванны шлакового расплава и отходящих из ванны газов составляла 1450°C, что на 130°C превышало температуру плавления образующегося шлака.

Шлак содержал 4,5% FeO, 41,3% SiO₂, 21,5% СаО и прочие оксиды его направляли на грануляцию. Количество шлака составляло 3,7 т/ч.

Металлический расплав накапливался ниже шлакового расплава в специальном приямке печи, его выпускали периодически через шпур (раз в сутки по 1,5-2 т). Тем не менее застывания металлического расплава не происходило.

В результате газификации образовывался газ с теплотворной способностью 8,12 мДж/м³, который имеет состав, объемных процентов: 12,7 CO₂, 18,7% H₂O, 45,3 СО, 18,8% Н₂. Количество газа - 31,7 тыс. м³/ч.

Газ направляли в котел-утилизатор, где его охлаждали до температуры 200°C, после чего очищали от пыли в системе мокрой газоочистки и использовали в качестве топлива для нагрева сушильных печей.

Коэффициент использование печи под дутьем составлял 99,4%.

В ходе опытов изменяли расход количества кислорода в окислителе от 11160 м³/час (12000 м³/час окислителя) - соответствует отношению количества кислорода в газообразном окислителе к теоретически необходимому количеству кислорода для окисления углерода и водорода твердого топлива до диоксида углерода и воды 0,4 до 19530 м³/час (21000 м³/час окислителя) соответствует отношению количества кислорода в газообразном окислителе к теоретически необходимому количеству кислорода для окисления углерода и водорода твердого топлива до диоксида углерода и воды 0,7. Теплотворная способность газа изменялась от 9,48 мДж/м³ до 3,5 мДж/м³. При этом превышение температуры шлака над температурой его плавления колебалось от 50°C в первом случае до 350°C в последнем.

Металлический расплав в этих условиях образовывался. Коэффициент использования печи под дутьем (рабочего времени) составлял 98,9%.