СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
METHOD TO BURN SOLID FUEL

Изобретение относится к области энергетики, газовой, угольной и химической отраслям промышленности.
В России предложен ряд процессов газификации и сжигания угля в расплавленной шлаковой ванне, мало отличающихся друг от друга, имеющих в качестве основного устройства плавильный агрегат: (по авторскому свидетельству №510842 «Способ непрерывной плавки сульфидных материалов» и патентам: США №№4252560 «Пирометаллургический способ обработки сырья тяжелого цветного металла», 4294433 «Пирометаллургический способ и печь для штейна и неочищенных цветных металлов»; Франции «Пирометаллургический способ и печь для превращения руд тяжелых цветных металлов» - заявка №2444721, Японии - заявка №56-45980 «Печь и способ пирометаллургии для обработки шихты тяжелых цветных металлов». Широко внедренный процесс плавки медного сульфидного сырья в ванне шлакового расплава стал основой для разработки многих новых процессов. Печь для всех этих процессов - фьюминговая печь, уже почти сто лет работающую в свинцово-цинковой и оловянной металлургии. Недостатками вышеперечисленных способов является невозможность получения газифицированного топлива.
Наиболее близким к предлагаемому является способ сжигания твердого топлива (патент РФ №2049291 опуб. 27.11.1995), включающий подачу его в шлаковый расплав топки, барботирование расплава кислородсодержащим газом или газообразным кислородом и вывод продуктов сгорания из топки.
Недостатком данного способа является низкий выход оксида углерода. Опытно-промышленные испытания по переработке углей в шлаковом расплаве показали, что при загрузке углей на шлаковую ванну уголь находится на поверхности и только бурное перемешивание ванны газами дает возможность проникать ему вглубь расплава. В существующих печах это приводит к сжиганию большего количества топлива, чем это необходимо для оптимального процесса газификации.
Задачей изобретения является повышение выхода оксида углерода при газификации, интенсификации этого процесса, расширение возможности его регулирования.
Достигается это за счет способа сжигания твердого топлива, включающего подачу его в шлаковый расплав топки, барботирование расплава кислородсодержащим газом или газообразным кислородом, сжигание и вывод продуктов сгорания из топки. Согласно изобретению подачу топлива осуществляют со стороны верхнего ряда фурм, а сжигание ведут при полном покрытии поверхности ванны топливом (шубой) с изменением высоты слоя 0,3-0,7 м над уровнем расплава в зависимости от вида топлива. При этом в ванне расплава создают регулируемое вращательное движение расплава в вертикальной плоскости созданного упругими встречными струями кислородсодержащего газа, подаваемого в расплав на разных уровнях с раздельным для струй регулируемым давлением газа в пределах 0,8-3 ати, а соотношение кислорода и воздуха в дутье для погруженных в расплав верхних и нижних фурм регулируется раздельно.
Подачу топлива со стороны верхнего ряда фурм осуществляют для того, чтобы оно увлекалось потоком струи (фиг.1, 2) в сторону нижних фурм и увлечение топлива вглубь расплава шлака. Это позволяет более полно извлечь из твердого топлива летучих, а оставшийся более тяжелый коксовый остаток (для угля 60%, для древесины 32%, для торфа 45-47%, для антрацита 99%) выходит из зоны контакта верхней кислородсодержащей струи и попадает в область работы второго ряда более заглубленных фурм, увеличивает зону контакта кислорода с топливом. При этом в расплаве будут проходить следующие реакции:
2
2
2
2С+O=2CO, С+O=CO,
выход которых будет определяться температурой.
2
2
Образование на поверхности шлакового расплава шубы из твердого топлива позволяет снизить в генераторном газе содержание CO, т.к. при выходе газа CO из шлакового расплава и прохождения его через слой шубы при температурах свыше 750°C идет реакция:
2
CO+C=2СО.
Процесс газификации происходит более активно с малым выходом углекислого газа, если слой органического материала будет полностью закрывать всю поверхность и возвышаться над ней. При этом для различного топлива могут быть подобраны разные режимы. Например, облегченные материалы (торф, дерево) могут иметь слой, непогруженный в расплав на высоту до 0,7 метра, а более тяжелые (уголь, антрацит) не менее 0,3 м.
Следует отметить, что летучие составляющие при соприкосновении угля, торфа или дерева с расплавом мгновенно, взрывоподобно выделяются и разрушают куски топлива на мелкие частички. У антрацита это происходит хуже. Газификация кокса будет происходить также хуже, если не увеличивать концентрацию кислорода в дутье нижних рядов фурм, для этого соотношение кислорода и воздуха в дутье для погруженных в расплав верхних и нижних фурм регулируется раздельно с помощью известных устройств.
При общем давлении в фурмах меньше 0,8 ати интенсивность процесса резко падает, увеличение давления свыше 3 ати приводит к сильному возрастанию пылевыноса.
2
Опыты по получению генераторного газа проводили в модельных устройствах, имеющих две фурмы расположенные на одном уровне (прототип) и смещенные относительно друг друга (по предложенному способу), помещенные в шахтную печь для компенсации тепловых потерь во внешнюю среду в связи с малыми размерами. В разогретую печь до 1400°C устанавливали устройство, включали дутье, заливали жидкий шлак и включали дутье, после чего на поверхность расплава подавали твердый восстановитель. Результаты анализов на соотношение CO, CO и по содержанию одного из газов по прототипу и предложенному способу приведены в таблице.
Таким образом, использование фурм, расположенных на разных высотах, позволяет повысить выход генераторного газа по сравнению с прототипом.
Газогенераторы предложенного типа могут иметь производительность от 500 тонн угля в сутки до 2000-3000 тонн и более.
Способ реализуется на примере газогенератора, приведенного на фиг.1, 2, где 1 - шахта, 2 - загрузочная течка твердого топлива, 3 - направление движения расплава в печи, 4 - перегородка, 5 - верхний ряд кислородовоздушных фурм, 6 - нижние ряд кислородовоздушных фурм, 7 - горелка обогрева сифона, 8 - сифон для выпуска расплава.
Вариант конструкции газогенератора - наклон стенок до 30° от вертикали от уровня расплава в спокойном состоянии или установка горизонтального газохода цилиндрического газохода. Эти варианты конструкции снижают пылевынос за счет снижения скорости газов на выходе из расплава и могут быть применены при газификации мелкого коксика, древесных опилок и других сыпучих материалов.
Работает газогенератор следующим образом.
Через сифон 8 в газогенератор заливается жидкий шлак, наплавленный в какой-либо печи. Жидкая ванна шлака может быть наплавлена газовыми переносными горелками на его подине до уровня нижних фурм 6, после чего включается горелка обогрева сифона 7. Затем включается дутье через нижние фурмы и начинает загружаться твердое топливо через загрузочную течку 2. После появления следов расплава у верхних фурм включается дутье верхних фурм 5 и газогенератор выводится на технологический уровень, включается подача газа в наклоные фурмы 5, 6, создающих вертикальное перемешивание шихты в расплаве 3. Для исключения удаления газов установлены вертикальные перегородки 4.
При непрерывной работе шлак из сифона 8 переливается непрерывно в какую-либо емкость, ковши, миксер, электропечь и др. Горючий газ либо прямо сжигается в газогенераторе, либо через шахту 1 после утилизации физического тепла в котле поступает на очистку и далее используется по назначению.
Газогенераторы предложенного типа могут иметь производительность от 500 тонн твердого топлива в сутки до 2000-3000 тонн и более.