УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ И ЭЛЕКТРОЛИЗА РАСПЛАВА ШЛАКА

Полезная модель предназначена к использованию в энергетике на тепловых электростанциях для высокотемпературной 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 для газификации и сжигания твердого топлива в расплаве шлака (патент RU №2105240), которая предназначена к использованию в энергетике на тепловых электростанциях для газификации и сжигания низкосортных топлив, которая содержит камеру газификации и сжигания и питатель. Камера выполнена с расположенным в ее сифоне окном для вывода шлака и перепускным окном. Верхняя кромка перепускного окна расположена не выше нижней кромки окна для вывода шлака. В нижнюю часть камеры газификации встроены дутьевые фурмы, а ее верхняя часть образует газоотводящий тракт. Питатель сообщен с перепускным окном камеры газификации и подключен своим верхним участком к линии подачи топлива, включающей в себя бункер, дозатор и клапан. Клапан выполнен с возможностью открытия в направлении движения топлива и закрытия в противоположном направлении. К верхней части питателя подключен источник импульсов давления, выполненный в виде подводящего тракта сжатого газа с ресивером и импульсным клапаном и отводящего
тракта со сбросным клапаном. Импульсный клапан сблокирован со сбросным клапаном. При этом импульсный клапан выполнен с возможностью открытия при закрытии сбросного клапана и с возможностью закрытия при открытии последнего.
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 высокотемпературной газификации и ступенчатого сжигания твердого топлива ведут к снижению выбросов вредных оксидов азота и серы, но при этом связаны с потреблением чистого кислорода. Производство кислорода, необходимого для технологического процесса, является дорогостоящим и взрывоопасным. Использование в технологическом цикле чистого кислорода ухудшает экономические характеристики теплопроизводящей установки, но использование в качестве окислителя дешевого и безопасного воздуха не обеспечивает достижения требуемых температур и снижает маневренность управления процессом. 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 высокотемпературной газификации и сжигания угля с процессами глубокой дифференциации расплава образующегося при сжигании шлака. Газификация и сжигание топлива происходят при температурах свыше 1500°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. Это позволяет заменить кислородное дутье воздушным. Экономические и экологические характеристики установки в целом повышаются.
Поставленная задача решается с помощью устройства для высокотемпературной газификации твердых топлив и электролиза расплава шлака, содержащего камеру газификации, которая в своей верхней части образует газоотводящий тракт, и шлаковую ванну с дутьевыми фурмами для подачи воздуха, соединенную с питателем для подачи топливовоздушной смеси, причем в камере газификации дополнительно установлены дутьевые сопла для подачи воздуха выше уровня шлакового расплава, топливо подается в смеси с воздухом, а не иными газами, а шлаковая ванна снабжена тремя группами электродов и тремя отводными устройствами для отвода основного продукта, вторичных легких и тяжелых шлаков.
Устройство для высокотемпературной газификации твердых топлив и электролиза расплава шлака представлено на фиг.
Устройство содержит камеру газификации 1 и шлаковую ванну 2, выполненные совместно. Камера газификации 1 оборудована дутьевыми соплами для подачи воздуха 3 выше уровня жидкого шлака 4. Верхняя часть камеры газификации 1 образует газоотводящий тракт 5. К шлаковой ванне 2 подключен питатель для подачи топливовоздушной смеси 6 и дутьевые фурмы для подачи воздуха 7. Шлаковая ванна 2 оборудована тремя группами электродов: термоэлектроды 8, аноды 9 и катоды 10. Шлаковая ванна 2 оснащена тремя отводными устройствами: устройством для отвода основного продукта 11, устройством для отвода вторичных легких шлаков 12, устройством для отвода вторичных тяжелых шлаков 13.
Отличием от прототипа является наличие трех групп электродов, предназначенных для создания и поддержания высокой температуры расплава шлака и для создания разности потенциалов, необходимой для электролитического восстановления металлов из расплава шлака. Также отличием от прототипа является оснащение шлаковой ванны тремя отводными устройствами: для отвода основного продукта, для отвода вторичных легких шлаков и для отвода вторичных тяжелых шлаков. В отличие от прототипа подача воздуха предусмотрена как ниже, так и выше уровня жидкого шлака. В отличие от прототипа топливо подается в смеси с воздухом, а не иными газами (чистым кислородом).
Устройство для высокотемпературной газификации твердых топлив и электролиза расплава шлака работает следующим образом. Топливовоздушная смесь посредством питателя для подачи топливовоздушной смеси 6 подается в шлаковую ванну 2 ниже уровня жидкого шлака 4. Также в шлаковую ванну 2 ниже уровня жидкого шлака 4 с помощью дутьевых фурм для подачи воздуха подается воздух с целью барботажа расплава шлака и с целью окисления топлива. Образующийся при взаимодействии топлива и воздуха генераторный газ поднимается в камеру газификации 1, барботируя расплав шлака. В камере газификации 1 генераторный газ доокисляется, вступая во взаимодействие с воздухом, подаваемым с помощью дутьевых сопел для подачи воздуха 3. Степень окисления увеличивается при движении генераторного газа от уровня жидкого шлака 4 до газоотводящего тракта 5 и зависит от коэффициента избытка воздуха, вплоть до полного окисления. Минеральная составляющая топлива (шлак) остается в шлаковой ванне 2, где подвергается электролизу. Аноды 9 и катоды 10 предназначены для создания разности потенциалов, необходимой для электролитического восстановления металлов из расплава шлака. Имеется возможность управления разностью потенциалов на анодах 9 и катодах 10. Термоэлектроды 8 предназначены для создания и поддержания определенной температуры расплава шлака. Уменьшение подачи воздуха ниже уровня шлакового расплава 4 приводит к уменьшению доли топлива, окислившегося в шлаковом расплаве и к снижению температуры шлакового расплава, но тем не менее создает возможность газификации топлива в расплаве шлака. Для компенсации падения температуры и более оперативного управления температурой расплава шлака предназначены термоэлектроды 8. Необходимое для доокисления топлива и для получения определенного состава генераторного газа количество воздуха подается выше уровня шлакового расплава 4 с помощью дутьевых сопел для подачи воздуха 3, что дешевле. Барботаж шлака способствует окислению топлива. Однако, слишком активный барботаж препятствует процессам электролиза. Наличие термоэлектродов 8 и дутьевых сопел для подачи воздуха 3 позволяет заменить кислородное дутье воздушным, что дешевле и безопаснее. В результате электролиза и гравитационных процессов шлак разделяется на три фракции: основной продукт, вторичные легкие шлаки, вторичные тяжелые шлаки. Основным продуктом является расплав восстановленного металла либо шлак, обогащенный металлом. Вторичные легкие и тяжелые шлаки обедняются этим металлом. Вторичные легкие шлаки обогащены более легкими химическими элементами, такими как натрий, магний, кремний, фосфор. Вторичные тяжелые шлаки обогащены более тяжелыми химическими элементами, такими как титан, свинец, барий, лантан.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет совместить процессы высокотемпературной газификации и сжигания твердых топлив с процессами электролиза расплава шлака, образующегося при сжигании топлив.