СПОСОБ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ МНОГОЦЕЛЕВОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
PROCEDURE FOR METALLURGICAL MULTI-PURPOSE GASIFICATION OF SOLID FUEL

Изобретение относится к области прямого получения железа и к металлургической газификации твердого топлива и может применяться в металлургии, энергетике, для уничтожения отходов и в других отраслях промышленности.
Изобретение может использоваться для получения из твердого топлива горючего газа, который используется для получения тепла, пара или электроэнергии путем сжигания его в энергетическом котле или в газовой турбине; кроме того, получаемый газ может использоваться как технологическое топливо в различных производствах; вместе с газификацией твердого топлива можно производить различные металлические сплавы - на основе железа, меди, никеля и других металлов; также при реализации изобретения можно получать возгоны некоторых полезных элементов - цинка, германия, фосфора и других; оксидные конденсированные продукты газификации могут использоваться для производства строительных материалов; можно вместе с газификацией перерабатывать различные виды бытовых и промышленных отходов. Многоцелевой характер способа определяется разнообразием путей его возможного применения.
Под твердым топливом понимается уголь различных марок, сланцы, углеродсодержащие промышленные и бытовые отходы и другие материалы, содержащие углерод.
2
Под газификацией твердого топлива понимается окисление содержащегося в нем углерода, причем в продуктах окисления могут содержаться CO и CO в любых соотношениях.
Известен способ газификации твердого топлива, включающий подачу твердого топлива в реактор с образованием стационарного слоя, подачу окислителя в слой топлива, отвод газообразных продуктов реакции и жидкое шлакоудаление (В.С.Альтшулер. Новые процессы газификации твердого топлива. Москва, Недра, 1976 г., стр.52).
Недостатком указанного способа является невозможность его применения для мелкодисперсного топлива.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ многоцелевой металлургической газификации твердого топлива, включающий подачу частиц топлива в ванну оксидного расплава, подачу в ванну сбоку газообразного окислителя струями, отвод конденсированных реакционных продуктов в жидком виде, отвод и охлаждение газообразных реакционных продуктов (SU №1333686).
Этот способ позволяет повысить производительность процесса за счет того, что он осуществляется при более высокой температуре.
Недостатком известного способа является низкая степень использования окислителя. Это связано с тем, что указанный способ не предусматривает создание суспензии частиц твердого топлива в ванне оксидного расплава, и их содержание недостаточно для полного использования газообразного окислителя.
Технической задачей изобретения является увеличение степени использования окислителя и повышение за счет этого производительности процесса.
Эта задача решается тем, что в известном способе металлургической газификации твердого топлива, включающем подачу частиц топлива в ванну оксидного расплава, подачу в ванну сбоку газообразного окислителя струями, отвод конденсированных реакционных продуктов в жидком виде, отвод и охлаждение газообразных реакционных продуктов, в соответствии с предлагаемым изобретением подачу твердого топлива осуществляют с образованием суспензии в ванне оксидного расплава с массовой насыщенностью частицами твердого топлива 0,5-5,0%, а количество подаваемого твердого топлива в час устанавливают равным 0,1-2,0 массы ванны оксидного расплава.
В качестве окислителя может использоваться воздух, кислород, пары воды или капельная влага, двуокись углерода. Все эти типы окислителя могут использоваться как отдельно друг от друга, так и вместе в различных сочетаниях.
При образовании суспензии в ванне оксидного расплава с массовой насыщенностью частицами твердого топлива 0,5-5,0% обеспечивается полное использование окислителя на газификацию твердого топлива.
Если в оксидном расплаве содержание частиц твердого топлива составляет менее 0,5% от массы оксидного расплава, часть газообразного окислителя, подаваемого в ванну сбоку струями, не успевает прореагировать с углеродом, то есть часть окислителя не используется. Низкая степень использования окислителя связана с низкой концентрацией твердого топлива в оксидном расплаве. Если в оксидном расплаве содержание частиц твердого топлива составляет более 5,0% от массы оксидного расплава, в суспензии происходит агрегирование твердых частиц в крупные скопления, которые всплывают и концентрируются в поверхностном тонком слое оксидного расплава. При этом подаваемый в ванну сбоку струями окислитель не успевает прореагировать с углеродом, то есть часть окислителя не используется. Низкая степень использования окислителя при этом связана с малым временем его контакта с сосредоточенными в поверхностном слое частицами твердого топлива.
Установлено, что образование суспензии в ванне оксидного расплава с массовой насыщенностью частицами твердого топлива 0,5-5,0% возможно при подаче твердого топлива в час в количестве 0,1-2,0 массы ванны оксидного расплава при всех технически возможных интенсивностях подачи окислителя в оксидный расплав.
Под массой ванны оксидного расплава понимается масса оксидного расплава находящегося выше места подачи газообразного окислителя струями.
При подаче твердого топлива в час в количестве менее 0,1 массы ванны оксидного расплава массовая насыщенность оксидного расплава частицами твердого топлива будет менее 0,5%. При подаче твердого топлива в час в количестве более 2,0 массы ванны оксидного расплава массовая насыщенность оксидного расплава частицами твердого топлива будет более 5,0%. И то и другое ухудшает степень использования окислителя на газификацию твердого топлива.
Подача частиц топлива и газообразного окислителя не исключает того, что некоторые периоды времени в оксидный расплав будет подаваться только твердое топливо или только газообразный окислитель.
Термин «подача» включает в себя следующие возможные решения: «совместная подача» и «раздельная подача» твердого топлива и окислителя. Термин «подача» предполагает возможность непрерывной и периодической подачи.
3
2
При наличии суспензии в ванне оксидного расплава с массовой насыщенностью частицами твердого топлива 0,5-5,0% и подаче твердого топлива в час в количестве 0,1-2,0 массы ванны оксидного расплава целесообразно подавать окислитель в оксидный расплав с противоположных сторон с интенсивностью 200-2000 нм/час на 1 м сечения оксидного расплава в месте ввода в него окислителя.
Подача окислителя в оксидный расплав с противоположных сторон обеспечивает более равномерную подачу окислителя по сечению оксидного расплава, что позволяет более эффективно использовать его как реакционную среду для газификации твердого топлива.
3
2
Подача окислителя с интенсивностью менее 200 нм/час на 1 м сечения оксидного расплава не обеспечивает достаточной интенсивности его перемешивания, вследствие чего снижается скорость тепломассообменных процессов в ванне и снижается скорость взаимодействия окислителя с частицами твердого топлива.
3
2
Подача окислителя с интенсивностью более 2000 нм/час на 1 м сечения оксидного расплава приводит к значительному выносу частиц твердого топлива из расплава и снижает степень использования твердого топлива.
В ряде случаев целесообразно подавать окислитель в оксидный расплав соосными струями, расположенными на одном или нескольких уровнях. В этом случае под массой ванны оксидного расплава понимается масса оксидного расплава, находящегося выше самого низкого места подачи газообразного окислителя струями.
Подачу окислителя соосными струями технически осуществить наиболее просто.
Для увеличения интенсивности перемешивания оксидного расплава с целью интенсификации тепломассообменных процессов, например, при газификации низкореакционного топлива иногда желательно подавать окислитель в оксидный расплав несоосными струями, расположенными на одном или нескольких уровнях.
Подача окислителя на разных уровнях оксидного расплава позволяет в различных его частях поддерживать разный окислительный потенциал, что расширяет технологические возможности процесса.
Важно, чтобы расстояние между противоположными местами ввода окислителя в оксидный расплав составляло 0,8-5,0 м. При расстоянии между противоположными местами ввода окислителя в оксидный расплав менее 0,8 м происходит пересечение противоположных струй окислителя с потерей части их импульса. При этом ухудшается перемешивание расплава и снижается производительность процесса. При расстоянии между противоположными местами ввода окислителя в оксидный расплав более 5,0 м в центре оксидного расплава образуется слабо перемешиваемая область, где реакция между твердым топливом и окислителем практически не происходит, поэтому такое увеличение расстояния нецелесообразно.
Целесообразно вводить окислитель ниже поверхности оксидного расплава на (5-100)*Д, где Д - диаметр струи в месте ее ввода в оксидный расплав.
Здесь и далее под уровнем поверхности оксидного расплава понимается его уровень в отсутствие подачи окислителя, то есть в спокойном состоянии без перемешивания.
Если окислитель вводится в оксидный расплав ниже уровня его поверхности меньше 5*Д, струи окислителя при его выходе через поверхность расплава будет иметь скорость, достаточную для «выдувания» из расплава содержащихся в нем частиц твердого топлива. Это приводит к значительному образованию пыли и уменьшению степени использования твердого топлива.
Ввод окислителя в оксидный расплав на глубину более 100*Д нежелателен, так как при этом резко ухудшается перемешивание оксидного расплава и скорость взаимодействия углерода твердого топлива с окислителем замедляется, производительность процесса падает.
Предпочтительно, если расстояние между местами вода соседних струй составляет (5-75)*Д, где Д - диаметр струи в месте ее ввода в оксидный расплав.
Иногда целесообразно вводить окислитель в оксидный расплав в виде нескольких струй. Это бывает полезно при необходимости обеспечить высокую производительность или когда нет технической возможности подать требуемое количество окислителя в виде одной струи. При этом особенно важно, чтобы расстояние между местами ввода соседних струй составляло (5-75)*Д, где Д - диаметр струи в месте ее ввода в оксидный расплав.
Если расстояние между местами ввода соседних струй менее 5*Д, то расширяющиеся при движении в оксидном расплаве соседние струи будут частично пересекаться. В местах пересечения возникнут области с избытком окислителя. Окислитель, содержащийся в этих областях, частично не успеет провзаимодействовать с частицами твердого топлива в процессе его движения в расплаве. Расход окислителя возрастет.
Если расстояние между местами ввода соседних струй будет более 75*Д, часть оксидного расплава между соседними струями не будет достаточно интенсивно перемешиваться, что приведет к снижению производительности процесса.
Технологически удобно вводить окислитель в оксидный расплав струями через его боковую поверхность, а топливо вводить сверху. Ввод топлива в оксидный расплав сверху позволяет использовать его без предварительной подготовки, например измельчения.
Иногда, например, для обеспечения теплового баланса оксидного расплава целесообразно предварительно нагревать окислитель.
Также в ряде случаев целесообразно предварительно нагревать твердое топливо. Это может быть полезно для обеспечения теплового баланса оксидного расплава или при необходимости предварительного удаления из твердого топлива летучих компонентов или влаги.
Часто бывает желательно предварительно нагревать окислитель и твердое топливо. Это особенно бывает полезным, если твердое топливо имеет низкую калорийность.
2
2
Часть окислителя может подаваться выше уровня расплава. Это желательно делать в случаях, когда в ванне велики затраты тепла на эндотермические процессы и газообразные реакционные продукты содержат CO и H. В этом случае подача окислителя, содержащего свободный кислород, выше уровня расплава приведет к частичному окислению CO и H, выделению дополнительного тепла над ванной, что позволяет компенсировать его затраты на эндотермические процессы в ванне.
Желательно вместе с топливом и окислителем вводить в расплав добавки, содержащие оксиды элементов, имеющих меньшее, по сравнению с углеродом, сродство к кислороду.
Имеется в виду, что эти добавки могут вводиться как отдельно друг от друга, так и в различных сочетаниях.
Добавки могут быть рудными материалами соответствующих элементов, продуктами их обогащения, а также отходами производства и потребления.
При подаче таких оксидов в расплав они будут взаимодействовать с углеродом с образованием окиси углерода (CO), то есть будут дополнительным газификатором углерода.
Восстановленные элементы (газификация оксидами элементов углерода является одновременно и процессом их восстановления) могут быть извлечены из расплава в отдельный продукт, который может быть полезно использован.
Такими элементами являются: железо, никель, медь, кобальт, хром, ванадий, цинк, фосфор.
При этом железо, никель, медь, хром, ванадий формируют слой соответствующего металлического сплава ниже слабо перемешиваемой области расплава, который в дальнейшем может быть полезно использован. Вводимые цинк и фосфор, из-за высокой упругости пара, выделяются из расплава вместе с газообразными реакционными продуктами в виде паров, которые могут быть уловлены и полезно использованы.
Часто бывает целесообразно вводимые в расплав добавки предварительно нагревать. Это бывает полезно для уменьшения затрат тепла в ванне и облегчения поддержания ее теплового баланса.
Еще более благоприятным для теплового баланса ванны является предварительное их расплавление.
2
Если в оксидный расплав поступает топливо и/или добавки, содержащие достаточно много кремния в виде соединений, необходимо вводить в него добавки, содержащие соединения кальция. Причем удобные для технологии условия будут обеспечиваться, если эти добавки будут вводиться в таком количестве, чтобы отношение CaO/SiO в оксидном расплаве составляло 0,4-2,5. В качестве таких добавок могут использоваться известь, известняк, доломит и другие.
2
Если в оксидный расплав поступает топливо и/или добавки, содержащие достаточно много кальция в виде соединений, необходимо вводить в него добавки, содержащие соединения кремния. Причем удобные для технологии условия будут обеспечиваться, если эти добавки будут вводиться в таком количестве, чтобы отношение CaO/SiO в оксидном расплаве составляло 0,4-2,5. В качестве таких добавок может использоваться, например, кварцевый песок.
2
При соотношении CaO/SiO в оксидном расплаве менее 0,4 или более 2,5 его вязкость будет слишком высока, чтобы обеспечить необходимую интенсивность массообменных процессов в ванне, при этом резко снижается производительность процесса.
Как правило, в твердом топливе содержатся негорючие минеральные компоненты в виде оксидов, которые в процессе его взаимодействия с газообразным окислителем растворяются в оксидном расплаве, образуя оксидные конденсированные реакционные продукты газификации. Часть негорючих минеральных компонентов твердого топлива, например оксиды железа, взаимодействует с углеродом, образуя металлические конденсированные реакционные продукты. Такие же компоненты могут содержаться и в различных добавках, вводимых в оксидный расплав. По мере их накопления возникает необходимость их вывода из реакционной среды.
Целесообразно, чтобы образующиеся конденсированные реакционные продукты отводились непрерывно или периодически ниже уровня ввода в расплав окислителя струями, более чем на 5 диаметров этих струй. Это связано с тем, что находящийся на этом уровне и ниже оксидный расплав очень слабо перемешивается, и частицы твердого топлива, которые имеют плотность ниже плотности оксидного расплава, не замешиваются в него на этот уровень. То есть в этой области оксидного расплава частиц твердого топлива практически нет. Поэтому не будет потерь частиц твердого топлива с отводимыми конденсированными реакционными продуктами.
В зависимости от дальнейшего использования оксидных и металлических конденсированных реакционных продуктов бывает удобно их выводить с одной или с противоположных стороны ванны оксидного расплава.
Наиболее технологически и технически просто поддерживать над оксидным расплавом атмосферное или близкое к нему давление.
Иногда желательно поддерживать над оксидным расплавом избыточное давление. Это позволяет, например, использовать газообразные реакционные продукты в качестве газообразного топлива без компримирования.
Газообразные реакционные продукты содержат частицы пыли. По размерам и источникам формирования пыль четко разделена на следующие составляющие:
- крупнодисперсная пыль - образуется из механического уноса газообразными реакционными продуктами частиц топлива и различных добавок,
- мелкодисперсная пыль - образуется из элементов твердого топлива и добавок, имеющих меньшее, по сравнению с углеродом, сродство к кислороду, имеющих высокую упругость пара при температурах газификации и в виде паров, удаляемых из ванны вместе с газообразными реакционными продуктами.
То есть состав крупнодисперсной пыли близок к составу подаваемых в ванну материалов, а состав мелкодисперсной пыли значительно обогащен элементами, имеющими высокую упругость пара при температурах процесса. Такими элементами являются калий, натрий, цинк, свинец, мышьяк, фосфор, серебро, кадмий и другие.
Последовательное очищение от крупнодисперсной и мелкодисперсной пыли позволяет их разделить на два продукта. Крупнодисперсную пыль можно вновь направлять в ванну, так как ее состав близок к составу тех материалов, которые в нее загружаются. Мелкодисперсную пыль целесообразно выводить из процесса для извлечения из нее летучих элементов. Условной границей между мелкодисперсной и крупнодисперсной пылью является размер 10 мкм.
Пример
3
3
Ванна оксидного расплава имеет следующие размеры: ширина 2,0 м, длина - 10 м, глубина - 1,5 м. Плотность ванны составляет 2,65 г/см. Температура ванны 1450°C. Ниже уровня ванны на 1,0 м подается кислород чистотой 95% в количестве 14000 нм/час. Кислород подается струями через боковую поверхность ванны. Струи имеют диаметр 30 мм, количество струй - 18, расстояние между соседними струями - 800 мм, струи расположены соосно с противоположных сторон боковой поверхности ванны по 9 штук с каждой стороны. Масса ванны выше места подачи газообразного окислителя струями составляет 53 тонны.
В ванну сверху подается уголь марки АШ в количестве 23600 кг/час. Также в ванну сверху подается известняк в количестве 6000 кг/час.
Кислород, уголь и известняк имеют температуру 20°C.
В ванне образуется суспензия с массовой насыщенностью частицами угля 2,5%. Давление над шлаковой ванной составляет 5 мм водяного столба.
В результате газификации угля образуются газообразные и конденсированные реакционные продукты.
3
3
2
2
2
2
Образуется газ в количестве 42200 кг/час (36000 нм/час), который имеет следующий состав (% об.): CO - 68; CO - 7; H - 11; HO - 5; N - 9. Температура газа - 1450°C, калорийность - 9700 кДж/м.
Образуется шлаковый расплав в количестве 8700 кг/час с температурой 1450°C, который отводится непрерывно. Химический состав шлака. % мас.:
FeO
TiO<sub>2</sub>
K<sub>2</sub>O
Na<sub>2</sub>O
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
S
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
1,5
0,45
0,29
0,35
46,4
11,5
37,1
2,3
0,2
0,1
Образуется металлический сплав в количестве 700 кг/час с температурой 1400°C, который отводится периодически 1 раз в 6 часов с противоположной стороны от места отвода шлакового расплава. Химический состав сплава, % мас.:
Fe
C
Si
S
P
94,94
4,5
0,3
0,12
0,14
Газ содержит пыль в количестве 350 кг/час. Средний состав пыли, % мас.:
FeO
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
K<sub>2</sub>O
Na<sub>2</sub>O
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
C
3
20
5
1
26
2
18
25
Состав пыли с размерами частиц менее 10 мкм, % мас.:
FeO
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
K<sub>2</sub>O
Na<sub>2</sub>O
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
C
2
35
25
6
7
1
5
19
Газ направляется в котел, где охлаждается до температуры 200°C. В котле производится пар, который направляется для производства электроэнергии в турбину. После охлаждения в котле газ направляется на двухступенчатую газоочистку, состоящую из циклона и трубы Вентури. Пыль, уловленная в циклоне, направляется обратно в шлаковую ванну. Пыль, уловленная на трубе Вентури, складируется на полигоне. Охлажденный и очищенный от пыли газ используется как технологическое топливо в нагревательных печах.
Шлаковый расплав направляется на грануляцию с последующим использованием в качестве инертного строительного материала.
Металлический сплав разливается в слитки, которые используются в дальнейшем для производства отливок.
Пример 2. Ванна оксидного расплава имеет те же размеры, что и в примере 1. Продувка осуществляется так же.
В ванну подается уголь марки АШ в количестве 38,2 тонны в час. Также в ванну подается смесь шламов доменного и конверторного производства в количестве 57 тонн в час и известняк в количестве 7 тонн в час. В смеси шламов доменного и конверторного производства содержится в виде оксидов 57% железа и 0,8% цинка.
Кислород и уголь имеют температуру 20°C, смесь шламов и известняк предварительно нагревают до температуры 500°C.
В ванне образуется суспензия с массовой насыщенностью частицами угля 2,5%. Разрежение над шлаковой ванной составляет 1 мм водяного столба.
3
Выше уровня оксидного расплава подается кислород чистотой 95% в количестве 19100 м/час.
В результате газификации угля образуются газообразные и конденсированные реакционные продукты.
3
3
2
2
2
2
Газ в количестве 95100 кг/час (62600 нм/час) имеет следующий состав (% об.): CO - 16,8; CO - 51,8; H - 1,5; HO - 21,9; N - 8. Температура газа - 1723°C, калорийность - 2260 кДж/м.
Шлаковый расплав в количестве 20800 кг/час с температурой 1450°C отводится непоеоывно. Химический состав шлака. % мас.:
FeO
MnO
K<sub>2</sub>O
Na<sub>2</sub>O
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
S
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
1,5
1,4
0,20
0,4
45
9,2
36
4,2
0,2
0,1
Металлический сплав в количестве 33700 кг/час с температурой 1400°C отводится непрерывно с противоположной стороны от места отвода шлакового расплава. Химический состав сплава, % мас.:
Fe
C
Si
S
P
93,33
4,5
0,1
0,03
0,04
Газ содержит пыль в количестве 350 кг/час. Средний состав пыли, % мас.:
FeO
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
K<sub>2</sub>O
Na<sub>2</sub>O
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
C
ZnO
12
13
4
5
10
2
8
23
23
Состав пыли с размерами частиц менее 10 мкм, % мас.:
FeO
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
K<sub>2</sub>O
Na<sub>2</sub>O
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
C
ZnO
2
4
6
7
3
1
3
5
69
Газ направляется в котел, где сжигается кислородом воздуха и охлаждается до температуры 200°C. В котле производится пар, который направляется для производства электроэнергии в турбину. Теплосодержание пара составляет 450 ГДж/час. После охлаждения в котле газ направляется на двухступенчатую газоочистку, состоящую из циклона и трубы Вентури. Пыль, уловленная в циклоне, направляется обратно в шлаковую ванну. Пыль, уловленная на трубе Вентури, направляется на завод для производства цинка. Охлажденный и очищенный от пыли газ выбрасывается в атмосферу.
Шлаковый расплав направляется на грануляцию с последующим использованием в качестве инертного строительного материала.
Металлический сплав сливается в чугуновозный ковш и направляется на производство стали в конверторный цех.