СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО РАСПЛАВА
METHOD OF PRODUCING MINERAL MELT

Предпосылки изобретения
Настоящее изобретение относится к получению минерального расплава сжиганием горючего материала в присутствии неорганического дисперсного материала и тем самым формирования расплава. Затем расплав может быть преобразован в волокна формованием минеральных волокон или использован в других промышленных процессах.
Одна известная система для получения минерального расплава раскрыта в ранней патентной публикации WO 2008/086991 авторов настоящего изобретения. Эта система включает подачу топлива и газа для горения, и сгорание топлива в присутствии взвешенного дисперсного минерального материала в циркуляционной камере сгорания, то есть, в камере сгорания, в которой взвешенные дисперсные материалы и воздух циркулируют в системе, которая представляет собой циклонную циркуляционную систему или похожа на нее. Она обычно называется циклонной печью.
Топливо, газ для горения и дисперсный минеральный материал вводят через верх или близко к верху камеры сгорания. Внутри камеры сгорания происходит горение топлива, и дисперсный материал превращается в расплав. Расплав и дисперсный материал, который еще не расплавился, отбрасываются на стенки камеры циркулирующими газами, и будут стекать вниз по камере.
В этой системе циркуляционная камера сгорания включает верхнюю зону, нижнюю зону и базовую зону, и способ включает подготовку циркуляционной камеры сгорания, которая включает верхнюю секцию, нижнюю секцию и базовую секцию, нагнетание первичного топлива, дисперсного минерального материала и первичного газа для горения в верхнюю секцию циркуляционной камеры сгорания, и сгорание первичного топлива, тем самым с расплавлением дисперсного материала с образованием минерального расплава и генерированием отходящих газов, отделение минерального расплава от отходящих газов, причем отходящие газы проходят через выпускной канал в циркуляционной камере сгорания, и минеральный расплав собирается в базовой секции циркуляционной камеры сгорания, нагнетание вторичного топлива и вторичного газа для горения в нижнюю секцию циркуляционной камеры сгорания с образованием пламени в нижней секции, которое нагревает расплав, и вытекание потока собравшегося расплава через выпускной канал в базовой секции в центробежное волокнообразующее устройство, и формование волокон.
Эта публикация также описывает устройство для применения в этом способе, включающее циркуляционную камеру сгорания, включающую по существу цилиндрическую верхнюю секцию, нижнюю секцию и базовую секцию, причем циркуляционная камера сгорания включает впускные каналы в верхней секции для первичного топлива, дисперсного минерального материала и первичного газа для горения, впускные каналы в нижней секции для вторичного топлива и вторичного газа для горения, выпускной канал для отходящих газов, выпускной канал в базовой секции и центробежное волокнообразующее устройство, причем выпускной канал в базовой секции ведет к центробежному волокнообразующему устройству.
Способ согласно этой публикации предусматривает формирование пламени в нижней секции камеры сгорания. Это достигается нагнетанием вторичного топлива и вторичного газа для горения в нижнюю секцию. Формирование пламени в этой секции является полезным, так как оно представляет собой механизм, с помощью которого можно контролировать температуру расплава. Подведение вторичного газа для горения также может содействовать полному сгоранию первичного топлива, в особенности там, где оно представляет собой твердое дисперсное топливо (например, уголь), которое подвергается сжиганию в две стадии. В первой стадии, которая известна как пиролиз, очень быстро выгорают летучие соединения с интенсивным выделением газа. Этим создаются обугленные частицы, которые обогащены углеродом. Вторая стадия представляет собой сгорание обугленных частиц, которое является гораздо более медленным, чем первая стадия. Вторая стадия типично протекает в 10-100 раз дольше, чем первая стадия. Поэтому, в то время как первая стадия сгорания проходит почти моментально, когда частица топлива поступает в камеру сгорания, вторая стадия обычно не происходит, если только топливо не имеет значительного времени пребывания.
Как правило, как только начальная стадия сгорания прошла в верхней зоне камеры, обугленная частица отбрасывается к боковым сторонам камеры и может становиться внедренной в расплав. В системах, где предпочтительно используется циклон для генерирования минерального расплава с последующим преобразованием в минеральные волокна, чрезвычайно важным является качество выходящего из печи расплава. Если топливо сгорело не полностью, в расплаве остается некоторое количество обугленного вещества, качество расплава будет плохим, и он может включать пузырьки или другие неоднородности.
В системе согласно патентному документу WO2008/086991 проблема снижения качества расплава, обусловленного уменьшенными объемами камеры и тем самым более коротким временем пребывания, разрешается нагнетанием вторичного газа для горения в нижнюю зону камеры сгорания. Это позволяет проводить вторую стадию сгорания топлива гораздо быстрее, чем обычно в этой зоне, где уровни содержания кислорода обычно низки.
Вторичное топливо может быть целиком твердым топливом, таким как уголь, но предпочтительно также включает жидкое или газообразное топливо. Как представлено, вторичный газ для горения и вторичное топливо могут быть введены совместно, через кислородно-топливную горелку, что особенно пригодно для жидких и газообразных топлив.
Также в общем описаны впускные каналы для вторичного газа, например, для газа, когда добавляется избыток кислорода.
Как раскрыто, пропорции вторичного топлива и вторичного газа для горения могут быть либо субстехиометрическими (с недостаточным количеством вторичного газа для горения, чтобы обеспечивать полное сгорание вторичного топлива), стехиометрическими (которые предпочтительны), или сверхстехиометрическими (с избытком вторичного газа для горения). Первый из этих подходов, как считается, проявляется в создании более обширного пламени, тогда как последний считается действующим так, чтобы способствовать полноте сгорания первичного топлива, где это желательно.
В нижней секции циркуляционной камеры сгорания минеральный расплав стекает вниз по стенкам, собираясь в базовой секции. В этой области расплав присутствует в виде тонкой пленки на стенках камеры и в виде ванны в базовой секции, которая обычно является неглубокой. Таким образом, подведение теплового излучения в эту область является особенно эффективным, поскольку оно может легко проникать сквозь весь расплав. Поэтому использование пламени в этой области является особенно эффективным при равномерном нагревании расплава. Оно также может быстро и точно нагревать расплав так, что при вариации величин расхода потоков вторичного топлива и вторичного газа для горения температура расплава может поддерживаться внутри точных пределов.
Однако, несмотря на многочисленные достоинства этой системы, остаются возможности для усовершенствования, в частности, в отношении эффективности использования энергии, и создания устойчивого пламени в нижней зоне камеры сгорания.
Настоящее изобретение имеет отношение к повышению эффективности использования энергии и стабильности процесса в известных способах получения минеральных волокон с использованием системы циклонной плавильной печи.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту, настоящее изобретение представляет способ получения минерального расплава, причем способ включает стадии, на которых:
подготавливают циркуляционную камеру сгорания, которая включает верхнюю зону, нижнюю зону и базовую зону,
нагнетают первичное дисперсное топливо и дисперсный минеральный материал и первичный газ для горения в верхнюю зону циркуляционной камеры сгорания, в результате чего первичное дисперсное топливо по меньшей мере частично сгорает, и посредством этого дисперсный минеральный материал расплавляется с образованием минерального расплава и генерированием отходящих газов,
нагнетают в нижнюю зону циркуляционной камеры сгорания, по меньшей мере через одну первую горелку, вторичный газ для горения и газообразное топливо и вторичное дисперсное топливо, причем вторичный газ для горения и газообразное топливо и вторичное дисперсное топливо нагнетают через единую первую горелку,
причем количество вторичного газа для горения, нагнетаемого через каждую первую горелку, является недостаточным для стехиометрического горения всего количества газообразного топлива и вторичного дисперсного топлива, нагнетаемых через эту первую горелку, и
нагнетают третичный газ для горения в нижнюю зону циркуляционной камеры сгорания, по меньшей мере через один инжектор третичного газа для горения, в результате чего третичный газ для горения обеспечивает возможность завершения сгорания газообразного топлива и вторичного дисперсного топлива,
отделяют минеральный расплав от горячих отходящих газов так, что горячие отходящие газы проходят через выпускной канал в циркуляционной камере сгорания, и минеральный расплав собирается в базовой зоне.
Согласно второму аспекту, изобретение представляет устройство для получения минерального расплава согласно первому аспекту изобретения, включающее циркуляционную камеру сгорания, которая включает цилиндрическую верхнюю секцию, нижнюю секцию и базовую секцию, причем циркуляционная камера сгорания включает
впускные каналы в верхней секции для первичного дисперсного топлива, дисперсного минерального материала и первичного газа для горения,
по меньшей мере одну двухфорсуночную кислородно-топливную горелку в нижней секции для нагнетания вторичного дисперсного топлива, газообразного топлива и вторичного газа для горения
по меньшей мере один инжектор третичного газа для горения в нижней секции для нагнетания третичного газа для горения
выпускной канал для отходящих газов, и
выпускной канал в базовой секции для возможности выведения минерального расплава.
Циркуляционная камера сгорания в настоящем изобретении относится к типу, который часто называется циклонной печью. Она имеет вершинную (верхнюю) секцию, донную (нижнюю) секцию и базовую секцию. Во время применения камеры, камера включает верхнюю зону, нижнюю зону и базовую зону. Верхняя зона представляет собой область, где происходит пиролиз, начальная стадия сгорания первичного дисперсного топлива. Это в широком смысле соответствует цилиндрической верхней секции камеры. Нижняя зона представляет собой зону, в которой происходит сгорание обугленного материала. Таким образом, нижняя зона в общем соответствует имеющей форму усеченного конуса нижней секции камеры, в частности, поверхностям камеры в этой секции.
Этот способ и связанное с ним устройство, пригодное для его исполнения, в каждом случае требует специфической комбинации технических характеристик и имеет многочисленные достоинства.
Обеспечение вторичного сгорания в нижней зоне имеет то преимущество, что можно контролировать температуру и качество образующегося расплава. Оно также обеспечивает возможность достижения полного сгорания первичного дисперсного топлива.
В случае, раскрытом в патентном документе WO2008/086991, и наиболее ориентированном на практическое применение, где вторичное топливо является только газообразным (например, природным газом), совершенно естественным является подача его и вторичного газа для горения через единую кислородно-топливную горелку. Добавление в изобретении вторичного дисперсного топлива через ту же горелку, что и для вторичного газа для горения и газообразного топлива (известную как двухфорсуночная кислородно-топливная горелка), обеспечивает экономию расходов и повышение эффективности использования энергии, сравнительно с применением газообразного топлива в качестве единственного топлива.
На самом деле выяснилось, что это приводит к такому затруднению, что, если количество вторичного воздуха для горения, подаваемого через двухфорсуночную кислородно-топливную горелку, обеспечивает стехиометрическое количество относительно всего топлива, подводимого через эту горелку, то формируемое пламя оказывается недостаточно стабильным.
Авторы настоящего изобретения нашли, что преднамеренный выбор субстехиометрического отношения вторичного газа для горения ко всему топливу, подводимому через двухфорсуночную кислородно-топливную горелку, в частности, количества вторичного газа для горения, которое ограничено до уровня, который требуется для стехиометрического горения только газообразного топлива, приводит к формированию особенно устойчивого пламени.
В таком случае изобретение предусматривает связанный с каждой первой горелкой инжектор третичного газа для горения, который подает третичный газ для горения в количестве, достаточном для обеспечения полного сгорания как вторичного дисперсного топлива, так и газообразного топлива, и предпочтительно также первичного дисперсного топлива, которое на практике будет подвергаться пиролизу с образованием обугленного материала в верхней зоне камеры сгорания. На практике газообразное топливо, подаваемое через первую горелку, будет подвергаться быстрому сгоранию вместе со вторичным газом для горения, и вторичное дисперсное топливо будет предварительно нагреваться, и может начинать сгорать, но еще не будет подвергаться полному сгоранию, пока не придет в контакт с третичным газом для горения.
Это неожиданно приводит к эффективному использованию энергии, в частности, по сравнению со способом, в котором вторичное дисперсное топливо подается отдельно от газообразного топлива, через отдельные горелку или впускной канал.
Более того, способ согласно изобретению позволяет поддерживать использование энергии и эффективность, даже когда применяются недорогие и легкодоступные топлива, такие как уголь и кокс (относительно способов с использованием природного газа в качестве вторичного топлива). Кроме того, неожиданно было обнаружено, что такие способы не приводят к увеличению выбросов СО, сравнительно со способами с использованием только природного газа в качестве топлива. В способе согласно изобретению также можно сократить потерю охлаждающей воды, сравнительно с эквивалентными способами, в которых в качестве топлива применяется природный газ. Таким образом, изобретение обеспечивает возможность эффективного и экологически чистого использования дисперсных топлив, таких как коксовая мелочь и порошкообразный или размолотый уголь, которые часто затруднительно вводить в процессы плавления с надлежащим уровнем эффективности использования энергии.
Подробное описание изобретения
Циркуляционная камера сгорания в настоящем изобретении относится к типу, который часто называется циклонной печью. Она имеет вершинную (верхнюю) секцию, донную (нижнюю) секцию и базовую секцию. Конструкция подходящих циклонных печей описана в разнообразных патентах, в том числе US 3,855,951, 4,135,904, 4,553,997, 4,544,394, 4,957,527, 5,114,122 и 5,494,863, а также в обсуждаемом выше WO2008/086991.
Как правило, камера является скорее вертикальной, нежели наклоненной горизонтально. Обычно она имеет цилиндрическую верхнюю секцию, нижнюю секцию в форме усеченного конуса и базовую секцию, но может быть целиком цилиндрической. Базовая секция предпочтительно составляет встроенную часть камеры, и может представлять собой просто концевую часть имеющей форму усеченного конуса нижней секции, или может быть цилиндрической секцией на конце нижней секции.
Внутренний диаметр базовой секции не является бóльшим, чем внутренний диаметр верхней секции, в отличие от традиционных систем, в которых часто применяется бак у основания камеры с увеличенным объемом.
Одним преимуществом изобретения, в частности, в варианте осуществления, в котором в качестве первичного газа для горения используется обогащенный кислородом воздух или чистый кислород, состоит в том, что может быть использована компактная камера сгорания. Таким образом, в настоящем изобретении предпочтительно, чтобы камера сгорания была цельной камерой. Под этим авторы настоящего изобретения подразумевают, что камера не собрана из различных составных частей, которые могут быть отделены друг от друга. Возможность применения компактных печей сравнительно с известными системами сводит к минимуму площади поверхности, обусловливающие потери энергии из печи.
3
3
3
3
Объем камеры предпочтительно составляет менее, чем около 25 м. Зачастую он составляет менее, чем около 20 м или 15 м, или даже меньше 10 м, в зависимости от производительности циклонной печи.
Во время применения камеры, камера включает верхнюю зону, нижнюю зону и базовую зону.
Верхняя зона представляет собой область, где происходит пиролиз, начальная стадия сгорания первичного дисперсного топлива. Это в широком смысле соответствует цилиндрической верхней секции камеры. Первичное дисперсное топливо, и предпочтительно также дисперсный минеральный материал, и первичный газ для горения, нагнетают в верхнюю зону. Верхняя зона также включает выпускной канал, через который проходят горячие газы.
Пиролиз топлива в верхней зоне создает обугленный материал, обогащенный углеродом. Обугленные частицы обычно отбрасываются на поверхности камеры циркулирующими газами и стекают вместе с расплавом вниз по поверхностям камеры под действием силы тяжести.
Нижняя зона представляет собой зону, в которой происходит сгорание обугленного материала. Таким образом, нижняя зона в общем соответствует имеющей форму усеченного конуса нижней секции камеры, в частности, поверхностям камеры в этой секции. Обугленные частицы также могут присутствовать на поверхности расплава в верхней секции камеры, и плавают на горизонтальной поверхности ванны расплава в базовой зоне.
Таким образом, верхняя зона в общем является протяженной по большей части верхней секции камеры, тогда как нижняя зона простирается по большей части нижней секции, в частности, по поверхностям нижней секции камеры, и также может до некоторой степени распространяться на поверхности верхней секции камеры.
Как правило, в нижней области циркуляционной камеры сгорания типа, который предусматривает разделение газа на верх и расплава на дно, уровни содержания кислорода являются низкими, даже если в верхней области был добавлен избыток кислорода. Поэтому для обугленного материала в традиционной системе требуется длительное время пребывания для сгорания в этой области. В настоящем изобретении вторичный и третичный газы для горения, которые нагнетаются в нижнюю зону, будут стимулировать вторую стадию сгорания, то есть, сгорание обугленных частиц. Поэтому в способе согласно настоящему изобретению в нижней зоне происходит полное сгорание топлива.
Первичное дисперсное топливо может быть в жидкой или твердой форме. Где первичное топливо представляет собой жидкость, оно используется в форме капелек, то есть частиц жидкого топлива. В этом варианте исполнения топливо может представлять собой частицы нефти или других жидкостей на углеродной основе.
Однако первичное дисперсное топливо в настоящем изобретении предпочтительно является твердым. Как правило, оно представляет собой углеродсодержащий материал, и может быть любым дисперсным углеродистым материалом, который имеет надлежащую теплотворную способность. Эта теплота сгорания может быть относительно низкой, например, такой низкой, как 10000 кДж/кг, или даже низкой вплоть до 5000 кДж/кг. Оно может представлять собой, например, высушенные осадки сточных вод или бумажные отходы. Предпочтительно оно имеет более высокую теплотворную способность, и может представлять собой израсходованную футеровку электролизеров из алюминиевой промышленности, содержащие уголь отходы, такие как угольные хвосты, или порошкообразный уголь.
В предпочтительном варианте исполнения первичное топливо представляет собой порошкообразный уголь, и может быть угольной мелочью, но предпочтительно в некоторой части, и обычно по меньшей мере на 50%, и предпочтительно по меньшей мере на 80%, и обычно целиком из угля, полученной размалыванием крупнокускового угля, например, с использованием шаровой мельницы. Уголь, поставляемый ли первоначально в виде мелочи или же крупных кусков, может быть углем хорошего качества, или может представлять собой отходы угля при обогащении, имеющие высокое содержание неорганическим примесей, например, от 5 до 50% неорганических веществ, с остальным количеством из углерода. Уголь, предпочтительно главным образом или полностью, представляет собой уголь хорошего качества, например, битуминозный или суббитуминозный уголь (стандарт ASTM D388 1984), и содержит летучие компоненты, которые стимулируют воспламенение.
Частицы первичного топлива предпочтительно имеют размер частиц в диапазоне от 50 до 1000 мкм, предпочтительно от около 50 до 200 мкм. Как правило, в этом диапазоне находятся по меньшей мере 90% частиц (по весу). Обычно в среднем, среднее значение размера составляет около 70 мкм, в диапазоне, где 90% имеют размер ниже 100 мкм.
Первичное дисперсное топливо может быть подано в камеру через подводящий трубопровод стандартным путем, с образованием потока частиц топлива. Обычно это предполагает применение газа-носителя, в котором взвешены частицы топлива. Газ-носитель может представлять собой воздух, обогащенный кислородом воздух или чистый кислород, предпочтительно при температуре окружающей среды во избежание обратного удара пламени, или менее реакционноспособный газ, такой как азот. Подводящий трубопровод предпочтительно является цилиндрическим.
Верхняя секция предпочтительно содержит по меньшей мере два, например, два или четыре, впускных канала для первичного дисперсного топлива, и по меньшей мере два, например, два или четыре, впускных канала для первичного газа для горения.
Первичный газ для горения вводится в верхнюю секцию камеры, и может быть при температуре окружающей среды, или может быть предварительно нагрет. Когда газ нагрет, максимальная желательная температура, до которой предварительно нагревают первичный газ для горения, составляет около 600°С, и предпочтительное предварительное нагревание проводится до температуры между 300 и 600°С, наиболее предпочтительно от около 500 до 550°С. Первичный газ для горения может быть любым газом, в котором может сгорать первичное дисперсное топливо, например, воздухом, обогащенным кислородом воздухом или чистым кислородом. Он также может включать пропан или метан.
В предпочтительных вариантах исполнения первичный газ для горения содержит по меньшей мере 25% кислорода. Он предпочтительно представляет собой обогащенный кислородом воздух, который содержит по меньшей мере 30%, предпочтительно по меньшей мере 50%. Он может по меньшей мере на 70% по объему состоять из кислорода, или даже быть чистым кислородом. Обогащенный кислородом воздух может включать небольшие количества газов, которые обычно не присутствуют в воздухе.
Где применяется чистый кислород, он предпочтительно находится скорее при температуре окружающей среды, нежели будучи предварительно нагретым. В варианте исполнения, где первичный газ для горения представляет собой обогащенный кислородом воздух или чистый кислород, общий объем применяемого первичного газа для горения может быть гораздо меньшим, чем там, где в качестве первичного газа для горения используется только один воздух, поскольку на горение расходуется только кислород. Таким образом, применением обогащенного кислородом воздуха или чистого кислорода может быть достигнута значительная экономия энергии, так как меньший объем газа для горения требует меньше энергии для нагревания. Применение обогащенного кислородом воздуха или чистого кислорода также подразумевает, что циркуляционная камера сгорания может быть меньшей по размеру, чем когда используется воздух. Это также приводит к экономии энергии.
Первичный газ для горения может быть подведен через подводящий трубопровод вместе с взвешенным в нем первичным дисперсным топливом, в особенности когда газ находится при относительно низкой температуре. Топливо не должно начинать загораться в подводящем трубопроводе до того, как оно поступит в камеру (явление, известное как «обратный удар пламени»), так что в этом варианте исполнения необходимы низкие температуры газа. Однако первичный газ для горения предпочтительно вводится отдельно через один или многие впускные каналы для поддерживающего горение газа, которые могут быть размещены вблизи подводящего трубопровода для первичного дисперсного топлива таким образом, что газ для горения направляется в камеру в той же области, что и топливо, чтобы обеспечивать эффективное смешивание. В наиболее предпочтительном варианте исполнения впускной канал первичного газа для горения концентрически окружает подводящий трубопровод для первичного дисперсного топлива.
Вводятся ли они совместно или нет, скорость, с которой первичный газ для горения и первичное дисперсное топливо нагнетаются в камеру, является относительно низкой (предпочтительно между 1 и 50 м/сек), так, чтобы минимизировать износ устройства. Когда первичное дисперсное топливо взвешено в первичном газе для горения, скорость предпочтительно составляет между 5 и 40 м/сек. Когда они вводятся по отдельности, что является предпочтительным, скорость нагнетания топлива предпочтительно составляет от 20 до 40 м/сек.
Желательным является обеспечение того, чтобы первичное дисперсное топливо быстро и полностью смешивалось с первичным газом для горения, так как это гарантирует, что топливо быстро воспламеняется, чтобы подвергаться пиролизу почти немедленно после поступления в камеру. Достижение тщательного смешения также гарантирует, что время пребывания частиц первичного дисперсного топлива в первичном газе для горения является более равномерным, приводя тем самым к более эффективному сгоранию топлива.
Чтобы содействовать обеспечению быстрого и тщательного смешения, в одном варианте осуществления изобретения в верхнюю зону может вводиться дополнительный газ, который движется с более высокой скоростью, чем первичный газ для горения и первичное дисперсное топливо, и, вследствие разницы в скоростях, создает турбулентность потока частиц топлива, тем самым нарушая течение и обеспечивая быстрое смешение. Подробности относительно такой системы описаны в ранее патентной публикации WO2008/019780 авторов настоящего изобретения, и могут быть внедрены в способ и устройство согласно настоящему изобретению, где это применимо.
2
2
2
2
3
2
2
2
2
3
Дисперсный минеральный материал представляет собой любой материал, который пригоден для изготовления минеральных волокон, которые могут быть стеклянными волокнами или волокнами из каменистой горной породы или из шлака. Стеклянные волокна согласно анализу типично имеют химический состав, по весу оксидов, около 10% NaO+KO, менее 3% железа в виде FeO, менее 20% CaO+MgO, выше 50% SiO, и менее 5% AlO. Волокна из горных пород, камня или шлака обычно имеют аналитический состав, по весу оксидов, менее 10% NaO+KO, свыше 20% CaO+MgO, более 3% железа в форме FeO, и менее 50% SiO, и, часто, более 10% AlO. Минеральный материал может представлять собой материалы отходов, такие как минеральные волокна, которые уже были использованы, или которые были забракованы до применения из других процессов.
Дисперсный минеральный материал, который расплавляют в камере для получения минерального расплава, вводят в верхнюю секцию камеры так, что он становится взвешенным в находящихся в ней газах. Место, где добавляют дисперсный минеральный материал, не является критически важным, и он может быть смешан с топливом и введен через трубопровод для подачи топлива. Однако предпочтительно добавлять дисперсный минеральный материал в горящее первичное дисперсное топливо. Это может быть достигнуто добавлением дисперсного минерального материала в камеру через впускной канал традиционным путем, например, на верху камеры или вблизи него.
Первичное дисперсное топливо и дисперсный минеральный материал и первичный газ для горения нагнетают в верхнюю секцию камеры сгорания, которая обычно является цилиндрической. Камера имеет выпускной канал, где горячие отходящие газы могут выходить из камеры. Он предпочтительно находится в верхней секции, хотя он может быть в нижней секции. В верхней секции первичное дисперсное топливо сгорает в газе для горения и обусловливает расплавление дисперсного минерального материала. Минеральный расплав затем отбрасывается на стороны камеры под действием циркулирующих потоков и стекает вниз по сторонам камеры под действием силы тяжести, и собирается в базовой секции камеры. Базовая секция имеет выпускной канал для минерального расплава, через который расплав проходит в виде потока, и затем подвергается преобразованию в волокна любым традиционным путем, например, с использованием каскадной прядильной машины или вращающейся чашки, или любым другим традиционным способом центробежного формования волокна.
Предпочтительно, чтобы в месте, в котором выпускной канал для минерального расплава выходит из базовой секции камеры, он не сразу же направлялся вниз, но, вместо этого, выпускной канал представлял собой сифон. Под «сифоном» авторы настоящего изобретения подразумевают, что выпускной канал, который обычно представляет собой трубу или желоб, поначалу имел ориентацию вверх относительно отверстия в камере, и затем был ориентирован вниз перед присоединением к оборудованию для формования волокна.
Как это обычно для сифона, в результате для того, чтобы расплав покинул камеру, ванна расплава внутри камеры должна быть достаточно глубокой для достижения наивысшей по вертикали точки выпускного канала сифона. Когда это происходит, сила тяжести заставляет расплав проходить через вертикально ориентированную часть сифона, и затем вытекать вниз в последующую часть сифона к оборудованию для формования волокна. Таким образом, это создает воздушный шлюз в системе, который обеспечивает то, что отходящие газы не могут выходить из основания камеры.
Применение сифона приводит к улучшениям качества расплава. Это обусловливается тем обстоятельством, что обугленные частицы, которые представляют собой частицы топлива, которые не сгорели полностью в камере, могут собираться на верху ванны расплава и плавать там. Посредством сифона предотвращается выход этих обугленных частиц из камеры с расплавом.
Благодаря тому, что обугленные частицы могут собираться на расплаве, время их пребывания в камере увеличивается по сравнению с ситуацией, когда сифон не применяется. Таким образом, может полностью завершаться сгорание обугленных частиц в базовой зоне для достижения полного выгорания топлива. Этим обеспечивается то, что оптимизируется эффективность использования энергии в процессе.
Выгорание в базовой секции обугленных частиц, плавающих на расплаве, стимулируется добавлением вторичного газа для горения в нижнюю секцию циркуляционной камеры сгорания (смотри ниже).
Общее движение газов и взвешенного дисперсного материала в циркуляционной камере сгорания представляет собой циклоническое движение. Оно создается введением первичного газа для горения, а также дисперсного топлива и минерального материала, под надлежащим углом для поддерживания вихревого движения. Вторичный и третичный газы для горения и топливо, все из которых нагнетаются в нижнюю зону, также предпочтительно вводятся с таким же направленным моментом импульса, чтобы поддерживать циркулирующие потоки.
В нижнюю зону циркуляционной камеры сгорания, которая обычно имеет форму усеченного конуса, вторичное дисперсное топливо и топливо, которое является газообразным, и вторичный газ для горения нагнетаются по меньшей мере через одну первую горелку. В изобретении является существенным, что имеется по меньшей мере одна первая горелка, через которую совместно нагнетаются вторичное дисперсное топливо, газообразное топливо и вторичный газ для горения. Такая первая горелка в обиходе известна как двухфорсуночная кислородно-топливная горелка.
Нижняя зона может включать более чем одну такую первую горелку, в конкретных предпочтительных вариантах исполнения одну или две первых горелки.
Топливо, которое вводится по меньшей мере через одну первую горелку в нижнюю зону, включает газообразное топливо и, в частности, может содержать любой легковоспламеняющийся газ. Газообразное топливо предпочтительно выбирают из группы, состоящей из пропана, метана и природного газа, наиболее предпочтительно природного газа.
Вторичное дисперсное топливо может быть выбрано, например, из твердых топлив, таких как уголь или кокс, или жидких топлив, таких как капельки нефти.
В предпочтительном варианте исполнения вторичное дисперсное топливо включает до 100% твердого топлива. Оно может представлять собой любой углеродсодержащий материал, который имеет надлежащую теплотворную способность, как было отмечено выше в отношении первичного дисперсного топлива, но, как с первичным дисперсным топливом, предпочтительно представляет собой уголь.
Этот вариант исполнения имеет экономические преимущества, так как уголь является менее дорогостоящим, чем газообразные топлива, такие как природный газ. Также было показано, что применение твердого топлива, такого как уголь, имеет результатом снижение образования NOх. Вероятно, это обусловливается тем фактом, что уголь создает условия восстановительной среды в нижней зоне камеры.
В альтернативном варианте, вторичное дисперсное топливо может включать коксовую мелочь, и/или дисперсное топливо любого из обсуждаемых выше типов для использования в качестве первичного дисперсного топлива. Могут быть применены комбинации различных типов вторичного дисперсного топлива.
Преимущество изобретения состоит в том, что, хотя вторичное дисперсное топливо может иметь размерные характеристики, обсуждаемые выше для первичного дисперсного топлива, оно не должно иметь частицы такого же малого размера. Например, возможно применение скорее размолотого или гранулированного твердого дисперсного материала, нежели порошкообразного твердого топлива. Например, твердое вторичное топливо может быть сформировано из частиц, имеющих размер (диаметр, определяемый просеиванием) по меньшей мере на 50% выше 100 микрон (мкм), или по меньшей мере на 50% выше 150 микрон (мкм), предпочтительно по меньшей мере на 80% в диапазоне от 1 до 7 мм, более предпочтительно по меньшей мере на 80% в диапазоне от 3 до 5 мм. Подача частиц скорее этой величины, нежели обсуждаемых выше меньших размеров, является более эффективным по использованию энергии и более экономически выгодным.
В наиболее предпочтительном варианте исполнения топливо, подводимое через каждую первую горелку, включает по меньшей мере 50%, предпочтительно от 70 до 90% твердого дисперсного вторичного топлива, такого как уголь, причем остальное количество топлива, подводимое через каждую первую горелку в нижнюю зону, представляет собой газообразное топливо, такое как природный газ.
Вторичное дисперсное топливо и газообразное топливо, как правило, совместно присутствуют в меньшем количестве, чем первичное дисперсное топливо, и поставляют менее 40%, типично от 15 до 30% совокупной энергии топлива.
Вторичный газ для горения может быть при температуре окружающей среды, или предварительно нагретым, и предпочтительно включает кислород на более высоком уровне содержания, чем воздух, таком как свыше 25% кислорода. Обычно он представляет собой обогащенный кислородом воздух или чистый кислород. Когда вторичным газом для горения является обогащенный кислородом воздух, он предпочтительно содержит по меньшей мере 30%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 70%, или даже по меньшей мере 90% кислорода по объему. Обогащенный кислородом воздух также включает другие газы, обычно присутствующие в воздухе, такие как азот, и может включать газы, которые обычно не присутствуют в воздухе, такие как инертные газы или горючие газы, такие как пропан или бутан, при условии, что общее содержание кислорода имеет большее значение, чем в воздухе (составляет около 21% по объему).
В наиболее предпочтительном варианте исполнения вторичный газ для горения представляет собой чистый кислород. Под «чистым кислородом» авторы настоящего изобретения подразумевают кислород с чистотой 92% или более, полученный, например, методом вакуумно-напорной короткоцикловой безнагревной адсорбции (VPSA), или может быть почти на 100% чистым кислородом, полученным способом дистилляции.
В еще одном варианте исполнения для оптимизации экономии энергии, связанной с повышенной стоимостью кислорода сравнительно с воздухом, вторичный газ для горения включает от 30 до 50% кислорода.
Вторичный газ для горения и вторичное дисперсное топливо вводят в нижнюю зону через единую первую горелку с образованием пламени в нижней секции. Впускной патрубок горелки размещают в самой нижней половине нижней секции циркуляционной камеры сгорания, предпочтительно у дна нижней зоны, рядом с базовой секцией так, что образованное пламя может эффективно нагревать расплав. Величины расхода потоков вторичного газа для горения, газообразного топлива и вторичного топлива могут регулироваться так, чтобы температуру расплава можно было изменять, как желательно.
Вторичное дисперсное топливо и газообразное топливо, и вторичный газ для горения вводят в таких пропорциях, что количество кислорода во вторичном газе для горения является недостаточным, чтобы обеспечивать полное сгорание вторичного дисперсного топлива. Предпочтительно будет присутствовать достаточное количество газа для горения, чтобы обеспечивать возможность полного сгорания газообразного топлива. На практике газообразное топливо будет быстро воспламеняться и сгорать до такой степени, по возможности соответствующей количеству газа для горения, предпочтительно полностью. Количество вторичного газа для горения предпочтительно варьирует в диапазоне от 95 до 110% от количества, необходимого для стехиометрического горения газообразного топлива, более предпочтительно в диапазоне от 100 до 105%.
Однако вторичное дисперсное топливо воспламеняется медленнее, и тогда будет сгорать не полностью вследствие субстехиометрического количества воздуха для горения, нагнетаемого через соответствующую первую горелку. Например, во вторичном газе для горения могут быть от 0 до 15%, предпочтительно менее 10%, более предпочтительно менее 5% количества кислорода, который потребовался бы для обеспечения возможности полного сгорания вторичного дисперсного топлива. Это значит, что пламя проявляет тенденцию к распространению на обширную область.
Как правило, нижняя секция камеры имеет некоторое количество кислорода в атмосфере, но уровни содержания низки. Следовательно, пламя распространяется более обширно вдоль нижней секции, чем если бы уровни содержания кислорода были более высокими. В этом случае образуется большое пламя, которое может эффективно нагревать более обширную площадь расплава.
Авторы настоящего изобретения нашли, что, если этот подход не предпринимается, и используется первая горелка, которая подает количество воздуха для горения, достаточное для сгорания вторичного дисперсного топлива, проявляется тенденция к тому, что пламя становится недостаточно устойчивым, особенно в отношении пламени, образованном кислородно-топливной горелкой, в которой используется только газообразное топливо. Эта проблема смягчается применением субстехиометрических количеств воздуха для горения через первую горелку, и размещением инжектора третичного газа для горения, сопряженного с каждой первой горелкой.
В изобретении является существенным, чтобы в нижней зоне был предусмотрен инжектор третичного газа для горения, который подает третичный газ для горения в количестве, достаточном для обеспечения возможности полного сгорания вторичного дисперсного топлива.
На практике каждая первая горелка, как правило, сопряжена с инжектором третичного газа для горения. Сопряженный инжектор третичного газа размещают ниже по потоку относительно первой горелки (по направлению циркуляционного движения в камере сгорания) вдоль пламени, образованного из первой горелки, и так, чтобы направлять третичный газ для горения в пламя по траектории горения пламени.
Когда первичное дисперсное топливо является таким, как уголь, которое сгорает в две стадии, предпочтительно вводить третичный газ для горения в таком количестве, что во вторичном и третичном газах для горения имеется более чем достаточное количество кислорода в целом для возможности полного сгорания вторичного дисперсного топлива и газообразного топлива. Количество кислорода преимущественно представляет собой по меньшей мере такое количество, которое потребовалось бы для возможности полного сгорания вторичного дисперсного топлива и газообразного топлива, и предпочтительно количество, которое обеспечивало бы возможность завершения сгорания также обугленного материала из первичного дисперсного топлива. Таким образом, количество кислорода в третичном газе для горения предпочтительно варьирует в диапазоне от 95 до 110% от количества, необходимого для стехиометрического горения вторичного дисперсного топлива, более предпочтительно в диапазоне от 100 до 105%. Где количество третичного газа для горения поставляет менее 100% количества кислорода, необходимого для стехиометрического горения вторичного дисперсного топлива, остальное количество требуемого кислорода обычно подводится во вторичный газ для горения так, чтобы вторичное дисперсное топливо подвергалось полному сгоранию.
Камера сгорания предпочтительно включает одну или две пары из первой горелки/инжектора третичного газа для горения, причем число первых горелок является таким же, как число инжекторов третичного газа для горения.
Инжектор третичного газа для горения может представлять собой фурму, в каковом случае он нагнетает только газ для горения, или дополнительную горелку, в каковом случае он нагнетает также дополнительное топливо. Предпочтительной является фурма.
Третичный газ для горения может быть при температуре окружающей среды или предварительно нагретым, и предпочтительно имеет более высокий уровень содержания кислорода, чем воздух, такой как свыше 25% кислорода. Он обычно представляет собой обогащенный кислородом воздух или чистый кислород. Когда третичным газом для горения является обогащенный кислородом воздух, он предпочтительно содержит по меньшей мере 30%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 70%, или даже по меньшей мере 90% кислорода по объему. Обогащенный кислородом воздух также включает другие газы, обычно присутствующие в воздухе, такие как азот, и может включать газы, которые обычно не присутствуют в воздухе, такие как инертные газы или горючие газы, такие как пропан или бутан, при условии, что общее содержание кислорода имеет большее значение, чем в воздухе (составляет около 21% по объему).
В наиболее предпочтительном варианте исполнения третичный газ для горения представляет собой чистый кислород. Под «чистым кислородом» авторы настоящего изобретения подразумевают кислород с чистотой 92% или более, полученный, например, методом вакуумно-напорной короткоцикловой безнагревной адсорбции (VPSA), или может быть почти на 100% чистым кислородом, полученным способом дистилляции.
В дополнение к первой(-ым) горелке(-кам), возможно размещение одной или более вторых горелок, через которые нагнетаются газообразное топливо и дополнительный вторичный газ для горения. Эти вторые горелки, если присутствуют, не нуждаются в сопряжении с инжектором третичного газа для горения.
Фигуры
Фигура 1 представляет иллюстрацию в вертикальном разрезе устройства, которое пригодно для применения в настоящем изобретении.
Фигура 2 представляет схематический вид сверху нижней секции (нижней зоны) устройства, которое пригодно для применения в настоящем изобретении.
Фигура 1 показывает циркуляционную камеру 1 сгорания, которая включает верхнюю секцию 2, нижнюю секцию 3 и базовую секцию 4. Первичное дисперсное топливо и дисперсный минеральный материал вводятся через впускной канал 5, тогда как первичный газ для горения вводится через впускной канал 6, который концентрически окружает впускной канал 5. Первичное дисперсное топливо воспламеняется и сгорает в верхней секции 2, и собирается в базовой секции 4 в виде ванны 7 расплава. Горючие отходящие газы проходят через выпускной канал 8 для дымовых газов на верху камеры сгорания.
Вторичное дисперсное топливо и газообразное топливо, и вторичный газ для горения нагнетаются через двухфорсуночную кислородно-топливную горелку 9 и образуют пламя в нижней области 3, которое действует для нагревания ванны 7 расплава.
Через фурмы 10 газа для горения в нижнюю область 3 вводится третичный газ для горения, который содействует стабилизации пламени, образованного каждой двухфорсуночной кислородно-топливной горелкой, и также способствует выгоранию топлива в этой области.
Расплав стекает через сифон 11 к оборудованию 12 для формования волокна, где он преобразуется в волокна.
Как показано в Фигуре 2, газообразное топливо (например, природный газ) и вторичное дисперсное топливо (например, уголь в виде частиц) вводятся через двухфорсуночную кислородно-топливную горелку 9, причем газообразное топливо подается через впускной канал 13, и вторичное дисперсное топливо подводится через впускной канал 14. Газ для горения (например, кислород) подается через ту же двухфорсуночную кислородно-топливную горелку 9 через впускной канал 15, и является достаточным для стехиометрического горения только газообразного топлива.
Двухфорсуночная кислородно-топливная горелка генерирует пламя 16. Оно имеет первую зону 17 горения, в которой сгорает газообразное топливо.
Сопряженный инжектор третичного газа для горения представляет собой газовую (например, кислородную) фурму 10. Впускной канал для третичного газа для горения находится ниже по потоку относительно впускных каналов двухфорсуночной кислородно-топливной горелки 9 по направлению А циркуляционного движения внутри камеры. Это обеспечивает возможность сгорания вторичного дисперсного топлива во второй зоне 18 горения. Это также позволяет обеспечить завершение сгорания первичного дисперсного топлива.