УСТАНОВКА ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ И ЭЛЕКТРОЛИЗА РАСПЛАВА ШЛАКА

Полезная модель предназначена к использованию в энергетике на тепловых электростанциях для низкотемпературной газификации и сжигания низкосортных топлив и утилизации шлака.
Известна электропечь для переработки шлаков (заявка RU №96104918/02), содержащая корпус, загрузочные устройства, электроды, объединенные в группы и подключенные к разным полюсам источника тока. Одна группа электродов установлена на подину печи и подключена к отрицательному полюсу источнику тока, другая группа электродов, расположенных подряд, погружена в шлаковый расплав и подключена к положительному полюсу источника тока.
Недостатком устройства является то, что печь предназначена только для переработки шлаков и не имеет других функций. Кроме того, в устройстве предусмотрены только две группы электродов с фиксированной разностью потенциалов, что ограничивает сферу применимости устройства.
Известно устройство, предназначенное для электролитического получения алюминия из глинозема, растворенного в расплавленном электролите, содержащем фторид (заявка RU №2001127744/02). Устройство содержит, по меньшей мере, один безуглеродный анод, изготовленный на основе металла, имеющий электропроводную металлическую структуру с электрохимически активной поверхностью анода, на которой в процессе электролиза на аноде выделяется кислород, и которая подвешена в электролите.
Недостатками устройства являются его узкая целевая направленность - установка предназначена только для получения алюминия из глинозема, а также необходимость обогащения электролита фторидом, что ведет к усложнению и удорожанию технологического процесса.
Известна установка для получения расплавов металла (заявка RU №99105748/02) содержит сосуд-металлоприемник электродуговой печи, снабженный по меньшей мере одним завалочным отверстием для расплава металла, по меньшей мере одним электродом и по меньшей мере одним устройством для выпуска шлака, кислородный конвертерный сосуд, снабженный по меньшей мере одним устройством для выпуска металла, при этом кислородный конвертерный сосуд образует с сосудом-металлоприемником электродуговой печи единый блок, соединенный сливным порогом, кислородный конвертерный сосуд и сосуд-металлоприемник электродуговой печи имеют общую реакционную зону, расположенную над зеркалом ванны этих сосудов.
Недостатками установки являются необходимость в обезуглероживании и наличие кислородного конвертерного сосуда, что делает процесс производства более сложным, дорогим и взрывоопасным. Тепло, выделяющееся при окислении углерода, не утилизируется, расходуется на нужды самой установки.
Прототипом предлагаемой полезной модели является установка, разработанная в докторской диссертации Ефимова Н.Н. [Ефимов Н.Н. Повышение эффективности и экологичности ТЭС, работающих на твердых низкореакционных топливах, при переменных режимах. - Автореферат диссертации доктора технических наук: 05.14.01 - Москва, 2002. - 40 с.] В диссертации разработаны конструкции камер-газификаторов с конической и наклонной распределительными решетками и конструктивная схема установки их на паровых котлах и вспомогательного оборудования. Камера газификатора состоит из двух корпусов встроенных один в другой с поперечными перегородками в рубашке охлаждения. Внутренний корпус может свободно перемещаться относительно внешнего, что позволяет решить проблему взаимных термических перемещений. Воздух на газификацию поступает через рубашку охлаждения, где он, с одной стороны, нагревается, а с другой охлаждает внутренний корпус. В нижней части газификатора располагаются устройства для отвода шлака. Температура в газификаторе не превышает 1100°С.
Предпосылками создания предлагаемой полезной модели являются, в первую очередь, потребность в модернизации технологического процесса на тепловых электрических станциях и других предприятиях, использующих теплопроизводящие установки, работающие на твердом топливе. Прогрессивные технологии низкотемпературной газификации и ступенчатого сжигания твердого топлива ведут к существенному снижению выбросов вредных оксидов азота и серы, но при этом сопровождаются значительным недожегом угля. Еще одной важной и достаточно самостоятельной задачей при эксплуатации теплопроизводящих установок является необходимость утилизации твердых отходов сжигания твердых топлив. В настоящее время сжигаются с целью получения тепловой энергии топлива с высокой зольностью. При этом минеральная составляющая твердых топлив рассматривается исключительно как балласт, в то время как она содержит практически все химические элементы, и ряд из них - в промышленных количествах (алюминий, железо).
Задачей, решаемой в предлагаемой модели, является совмещение процессов низкотемпературной газификации и сжигания угля с процессами глубокой дифференциации расплава образующегося при сжигании шлака. Газификация топлива происходит при температурах ниже 1100°С.
Технический результат применения предлагаемой полезной модели заключается в том, что процесс сжигания угля с целью получения тепловой энергии протекает параллельно с процессом получения металлов из расплава угольного шлака. Получение металлов осуществляется методом электролиза. Поддержание необходимых температур расплава шлака также производится электролитическим способом.
Поставленная задача решается с помощью установки для низкотемпературной газификации твердых топлив и электролиза расплава шлака, содержащей камеру газификации, соединенную с питателем для подачи топливовоздушной смеси и с дутьевыми устройствами для подачи воздуха в рубашку охлаждения, соединенную с устройством для отвода шлака, образующую в своей верхней части газоотводящий тракт, кроме того установка содержит дополнительно шлаковую ванну, соединенную с дутьевыми фурмами для подачи воздуха ниже уровня жидкого шлака и с устройством для подачи шлака, оснащенную тремя группами электродов, тремя отводными устройствами для отвода основного продукта, вторичных легких и тяжелых шлаков и вытяжкой для отвода вторичных газов, причем камера газификации и шлаковая ванна соединены шлакопроводом через устройство для отвода шлака и устройство для подачи шлака.
Установка для низкотемпературной газификации твердых топлив и электролиза расплава шлака представлена на фиг.
Установка содержит камеру газификации 1, соединенную с питателем для подачи топливовоздушной смеси 2 и дутьевыми устройствами для подачи воздуха 3 в рубашку охлаждения 4, а также с устройством для отвода шлака 5. Камера газификации 1 образует в своей верхней части газоотводящий тракт 6. Камера газификации 1 и шлаковая ванна 7 соединены шлакопроводом 8 через устройство для отвода шлака 5 и устройство для подачи шлака 9. Шлаковая ванна 7 соединена с устройством для подачи шлака 9 и с дутьевыми фурмами для подачи воздуха 10 ниже уровня жидкого шлака 11. Шлаковая ванна 7 оснащена тремя группами электродов: термоэлектродами 12, анодами 13 и катодами 14, тремя отводными устройствами: для отвода основного продукта 15, для отвода вторичных легких шлаков 16 и для отвода вторичных тяжелых шлаков 17, а также вытяжкой для отвода вторичных газов 18.
Отличием от прототипа является наличие шлаковой ванны, соединенной с устройством для подачи шлака и с дутьевыми фурмами для подачи воздуха ниже уровня жидкого шлака, оснащенной тремя группами электродов, тремя отводными устройствами для отвода основного продукта, вторичных легких и тяжелых шлаков и вытяжкой для отвода вторичных газов. Также отличием от прототипа является наличие шлакопровода, посредством которого шлак передается от устройства отвода шлака из камеры-газификатора на устройство подачи шлака в шлаковую ванну.
Рассмотрим работу установки. Топливовоздушная смесь подается питателем для подачи топливовоздушной смеси 2 на распределительную решетку (на чертеже не отмечена) в камеру газификации 1. Камера газификации 1 состоит из двух корпусов, встроенных один в другой, с поперечными перегородками в рубашке охлаждения 4. Воздух, посредством устройств для подачи воздуха 3, подается в рубашку охлаждения 4. Проходя через рубашку охлаждения 4, воздух нагревается, понижая тем самым температуру в камере газификации 1. Подача воздуха производится таким образом, что топливо оказывается подвешенным в набегающем воздушном потоке и формируется кипящий слой. В кипящем слое происходит частичное окисление топлива, то есть его газификация. Образующийся генераторный газ отводится через газоотводящий тракт 6 и далее дожигается. Температура в камере газификации не превышает 1100°С. Низкая температура газификации препятствует образованию вредных оксидов, особенно оксидов азота, что повышает экологические характеристики установки. Оставшийся после газификации топлива шлак, содержащий высокий процент механического недожега топлива, поступает в устройство для отвода шлака 5, а далее в шлакопровод 8, соединенный с устройством для подачи шлака 9 в шлаковую ванну 7. Камера газификации 1 и шлаковая ванна 7 выполнены раздельно и соединены только посредством шлакопровода 8, подключенного к устройству для отвода шлака 5 и к устройству для подачи шлака 9. В шлаковую ванну 7 подается воздух с помощью фурм для подачи воздуха 10. Воздух подается ниже уровня жидкого шлака 11 с целью устранения механического недожега топлива и с целью барботажа расплава шлака. Газообразные продукты окисления топлива выводятся с помощью вытяжки для отвода вторичных газов 18. В результате окисления топлива в шлаковой ванне 7 выделяется некоторое количество тепла, которого недостаточно для поддержания необходимой температуры шлакового расплава около 1500°С. Поэтому шлаковая ванна оснащена термоэлектродами 12, назначение которых - создание, поддержание и управление температурой расплава шлака. Шлаковая ванна 7 оснащена также анодами 13 и катодами 14, на которые подается разность потенциалов, обеспечивающая электролиз расплава шлака и производство основного продукта - расплава металла или шлака, обогащенного металлом. Вторичные легкие и тяжелые шлаки обедняются этим металлом. Имеется возможность управления разностью потенциалов на анодах 13 и катодах 14. В результате электролиза и гравитационных процессов шлак разделяется на три фракции: основной продукт, вторичные легкие шлаки, вторичные тяжелые шлаки. Основной продукт отводится посредством устройства отвода основного продукта 15. Вторичные легкие шлаки обогащены более легкими химическими элементами, такими как натрий, магний, кремний, фосфор, и отводятся с помощью устройства отвода вторичных легких шлаков 16. Вторичные тяжелые шлаки обогащены более тяжелыми химическими элементами, такими как титан, свинец, барий, лантан, и отводятся с помощью устройства отвода вторичных тяжелых шлаков 17.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет совместить процессы низкотемпературной газификации твердых топлив с процессами электролиза расплава шлака, образующегося при сжигании топлив.