СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАГРЕТОГО ЗЕРНИСТОГО МИНЕРАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО РАСПЛАВА
METHOD AND DEVICE FOR FEEDING PREHEATED GRANULAR MINERAL MATERIAL TO PRODUCE MINERAL MELT

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения минерального расплава, содержащему циклонную печь и разделительный циклон, причем устройство содержит также механизм для подачи предварительно нагретого зернистого минерального материала из нижней части разделительного циклона к входной части циклонной печи, причем механизм содержит канал приема материала, предназначенный для приема предварительно нагретого зернистого минерального материала из нижнего выпускной части разделительного циклона, причем в канале приема материала имеется первое давление, и выпускной канал для подачи зернистого минерального материала к входной части циклонной печи, в котором имеется второе давление, превышающее первое давление, и газоотсечной клапан, выполненный между упомянутым каналом приема материала и упомянутым выпускным каналом.
Способ и устройство для получения минерального расплава такого типа известны из ЕР 2078704 А1.
Кроме того, устройство подобного рода раскрыто в документе WO 2013/041392. В WO 2013/041392 описан узел для подачи зернистого материала, выходящего из нижней части разделительного циклона, к подающему каналу для подачи упомянутого материала в камеру сгорания циклонной печи.
Система с циклонной печью для получения минерального расплава, описанного выше типа раскрыта в WO 2013/083464 и WO 03/002469. Эта система предназначена для суспендирования порошкообразного угля или другого топлива в предварительно нагретом воздухе, подаваемом в камеру сгорания, и сжигания суспендированного топлива в присутствии суспендированного зернистого минерального материала в циркуляционной камере сгорания, то есть в камере сгорания, в которой взвешенные частицы материалов и воздух циркулируют в системе, являющейся циклонной системой циркуляции или системой подобного типа. Такое устройство обычно называют циклонной печью. Суспензию угля в предварительно нагретом воздухе и зернистый минеральный материал вводят через верхнюю часть или вблизи верхней части камеры сгорания. Внутри камеры сгорания происходит сжигание диспергированного угля, и зернистый материал преобразуется в расплав. Расплав вместе с еще не расплавленным зернистым материалом отбрасывается циркулирующими газами на стенки камеры и стекает по ним. Расплав собирается в отстойнике в нижней части камеры.
В WO 03/002469 для повышения энергетической эффективности циклонной печи отработанные газы, выходящие из циркуляционной камеры при температуре в диапазоне 1400 – 1700 °С, используют для предварительного нагрева зернистого материала. В WO 03/002469 указано, что отработанные газы быстро охлаждают до 1000 – 1500 °С и затем смешивают с минеральным материалом для его предварительного нагрева до температуры 700 – 1050 °С.
В этой системе с циклонной печью измельченные отходы минеральной ваты подают в стояк, отходящий от циклонной печи к нижнему циклону предварительного нагревателя, и собираемую летучую золу подают в предварительно нагретый сырьевой материал непосредственно перед его подачей в циклонную печь. Проблема, возникающая в связи с такой конструкцией, заключается в том, что предварительно нагретый зернистый материал, который нагревают до 750-800 °С в предварительном нагревателе, подают из нижнего выпускной части циклонного подогревателя, в котором имеется первое давление окружающей среды, во впускную часть камеры сгорания, где давление окружающей среды намного выше. Эта разность давлений может привести к тому, что зернистый материал будет возвращаться обратно в циклон предварительного нагревателя. Поскольку зернистый материал может иметь широкий диапазон размеров частиц, от нескольких микрометров до, например, 5 мм, существует опасность, в частности, того, что частицы меньшего размера будут протекать обратно в систему. Хотя большая часть зернистого минерального материала ведет себя как жидкость, некоторая часть материала упадет в нижнюю часть и, в конечном итоге, закупорит систему каналов. Последнее в особенности относится к тем случаям, когда зернистый материал содержит, например, переработанную минеральную вату, которая склонна образовывать комки размером в несколько сантиметров. Кроме того, выносимый материал в отработанных газах циклонной печи может усиливать тенденции формирования кусков из  зернистого материала.
Таким образом, изобретение направлено на создание способа и устройства вышеупомянутого типа, в которых для устранена указанная выше проблема дозирования предварительно нагретого зернистого минерального материала, связанная с опасностью возникновения обратного потока и засорения системы подачи зернистого материала.
Данная задача решается способом и устройством вышеупомянутого типа, в которых газоотсечной клапан содержит удлиненный корпус, проходящий под наклоном вверх от упомянутого канала приема материала в самой нижней секции этого корпуса к упомянутому выпускному каналу в самой верхней секции этого корпуса, причем газоотсечной клапан имеет средство псевдоожижения, с обеспечением тем самым возможности течения псевдоожиженного зернистого минерального материала под действием силы тяжести из канала приема материала в самую нижнюю секцию корпуса и из самой верхней секции корпуса в выпускной канал.
Благодаря поддержанию зернистого минерального материала в псевдоожиженном состоянии, а также наличию газоотсечного клапана, исключается опасность обратного потока, поскольку псевдоожиженный минеральный материал внутри газоотсечного клапана устраняет разность давлений, вызывающую обратный поток газа. Канал приема материала и выпускной канал предпочтительно ориентированы по существу по вертикали, а удлиненный корпус газоотсечного клапана, находящийся между ними, расположен под наклоном, так что псевдоожиженный зернистый материал протекает вверх от приемного канала к выпускному каналу под действием гравитационного давления зернистого материала, подаваемого в приемный канал.
В газоотсечном клапане предпочтительно предусмотрено средство перемешивания, такое как шнековый конвейер или червячный конвейер. Средство перемешивания предпочтительно содержит ось, проходящую в продольно в вытянутом корпусе газоотсечного клапана и предпочтительно имеющую элементы, проходящие радиально, для облегчения перемешивания. Таким образом, упомянутая проблема решается благодаря комбинации двух типов клапанов, причем шнековый конвейер действует как вращающийся вал для поддержания сыпучего минерального материала в псевдоожиженном состоянии.
Кроме того, в газоотсечном клапане предпочтительно предусмотрен один или более входов для воздуха для псевдоожижения зернистого материала и, тем самым, обеспечения компенсации разности давлений. Это дополнительно помогает поддерживать зернистый материал в псевдоожиженном состоянии и поддерживать протекание материала в направлении камеры сгорания. В частности, было найдено полезным предусмотреть в канале приема материала один или более входов для воздуха для псевдоожижения зернистого материала перед поступлением этого материала в удлиненный корпус.
Нижняя выпускная часть разделительного циклона предпочтительно соединена через распределитель материала с множеством каналов приема материала. Кроме того, по меньшей мере в один вход для воздуха могут подаваться горячие отработанные газы. Таким образом, поддерживается высокая температура предварительно нагретого зернистого минерального материала.
Далее изобретение описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
фиг.1 - схема устройства в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, и
фиг.2 - схематический чертеж устройства для подачи предварительно нагретого зернистого минерального материала в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг.1 показана циркуляционная камера 1 сгорания, содержащая цилиндрическую верхнюю секцию, секцию в виде усеченного конуса и цилиндрическую основную секцию. Порошкообразное топливо вводят в циркуляционную камеру сгорания из линии 2 подачи, причем порошкообразное топливо предпочтительно представляет собой уголь. Нагреваемый минеральный материал вводят в циркуляционную камеру сгорания через канал 3 для минерального материала. Уголь и минеральный материал вводят вместе с воздухом, подаваемым в камеру сгорания, через впускной канал 4, и вторичным воздухом, подаваемым по линии 5 подачи сжатого воздух и вводимым через по меньшей мере две тангенциальных впускных части, таких как фурмы (не показаны), в циркуляционную камеру 1 сгорания для обеспечения тщательного перемешивания угля 2 с воздухом 6 для горения и поддержания циркуляционного движения рабочих газов и суспендированного материала в циркуляционной камере 1 сгорания. Кроме того, в основную секцию циркуляционной камеры 1 сгорания может вводиться через линию подачи (не показана) вторичное топливо, в данном случае природный газ.
В циркуляционной камере 1 сгорания уголь 2 сжигают в рабочем газе 6, предпочтительно представляющем собой обогащенный кислородом воздух 5. Получаемый расплав 9 собирается в основной зоне циркуляционной камеры 1 сгорания и выходит из камеры через выпускную часть. Отработанные газы подают через дымоход 10, расположенный в верхней части циркуляционной камеры 1 сгорания, к первому каналу 11, где эти газы используют для нагревания гранулированных минеральных материалов, которые необходимо подавать в циркуляционную камеру 1 сгорания. Затем отработанные газы подводят к первому циклону 12 предварительного нагревателя, где они отделяются от минеральных материалов, смешиваемых в этой точке друг с другом. Отработанные газы поступают из первого циклона 12 предварительного нагревателя во второй циклон 13 предварительного нагревателя через второй канал 14. После второго циклона 13 предварительного нагревателя отработанные газы проходят через канал 15 к циклонному пылеуловителю 16 и к средству 17 дополнительной обработки, где происходит косвенный теплообмен с рабочим газом для предварительного нагрева упомянутого рабочего газа. Затем отработанные газы обрабатывают, например, посредством фильтра (не показан), чтобы сделать их безопасными для выпуска в атмосферу.
Минеральные материалы предварительно нагревают перед их добавлением в циркуляционную камеру 1 сгорания. В частности, первый минеральный материал, который обычно является сырьевым каменным материалом, подают из линии 19 подачи ко второму каналу 14 и подвергают первоначальному предварительному нагреву во втором циклоне 13 предварительного нагревателя. Затем первый минеральный материал пропускают через первый канал 18 для минерального материала и вводят в первый канал 11, и затем проводят в первый циклон 12 предварительного нагревателя. Второй минеральный материал подают из линии 20 подачи в первый канал 11 ниже по потоку относительно места ввода первого минерального материала. Второй минеральный материал обычно представляет собой обработанный минеральный материал, обычно связанный с минеральными волокнами, такими как минеральные волокна, переработанные из отходов. Чтобы гарантировать, что в первом циклоне 12 предварительного нагревателя обеспечиваются условия для восстановления окислов азота (NOx), в первый канал 11 в положении 21, непосредственно перед первым циклоном 12 предварительного нагревателя, могут быть добавлены азотсодержащие материалы, такие как аммиак. Однако, поскольку отходы минеральной ваты, подаваемые по линии 20, содержат азотсодержащее связующее вещество, может быть нецелесообразно добавлять аммиак в канал 11, поскольку количества аммиака, содержащегося в минеральной вате, переработанной из отходов, достаточно для обеспечения условий для восстановления NOx в первом циклоне 12 предварительного нагревателя. Некоторые первые минеральные материалы могут выноситься отработанными газами из второго циклона 13 предварительного нагревателя через канал 15. Эти минеральные материалы отделяют от отработанных газов в циклонном пылеуловителе 16 или в фильтре и возвращают обратно по каналу 22 для объединения с предварительно нагретыми минеральными материалами.
Отработанные газы покидают циркуляционную камеру 1 сгорания через дымоход 10. Отработанные газы поступают в первый канал 11 и остужаются от температуры 1500 – 1900 °C, обычно от температуры примерно 1650 °C, до температуры 1000 – 1500 °C, обычно до температуры примерно 1300 °C с помощью охлаждающего воздуха. Первый минеральный материал вводят в первый канал 11 через впуск ниже по потоку относительно места подачи второго минерального материала, вводимого в первый канал 11 через канал 20.
Камера в общем случае представляет собой вертикальную, а не горизонтальную печь. Она обычно имеет цилиндрическую верхнюю секцию, в которую вводят топливо, минеральный материал и рабочий газ, секцию в виде усеченного конуса и основную секцию, в которой может собираться расплав. Как вариант, камера может быть полностью цилиндрической. Основная секция предпочтительно является неотъемлемой частью камеры и может быть просто концевой частью области усеченного конуса или же цилиндрической секцией на конце нижней области. Предпочтительно диаметр основной секции не превышает диаметр верхней секции, в отличие от традиционных систем, в которых в основании камеры часто используют резервуар увеличенного объема.
Основная секция имеет выпускную часть для минерального расплава, через которое упомянутый расплав проходит в виде потока 9. Этот поток 9 затем может быть подвергнут волокнообразованию любым традиционным способом, например, с использованием каскадного раскручивателя или вращающегося стакана, или любому другому традиционному процессу центробежного волокнообразования. Как вариант, минеральный расплав можно использовать в других промышленных процессах.
Общее движение газов и суспендированного зернистого материала в циркуляционной камере сгорания является циклоническим движением. Такое движение создают путем ввода рабочего газа 6, а также жидкого топлива 2 и минерального материала, под соответствующим углом для поддержания вихревого движения. В процессе работы в том же направлении предпочтительно вводят также вторичный рабочий газ 5 для поддержания циркулирующих потоков. Отработанные газы отделяются от минерального расплава, собирающегося в основании камеры, и поступают в систему теплообмена, обычно через дымоход в верхней части циркуляционной камеры сгорания. Затем отработанные газы используют для предварительного нагрева минерального материала в упомянутой системе теплообмена. Отработанные газы обычно покидают циркуляционную камеру сгорания при температуре 1300 – 1900 °С, обычно 1500 – 1750 °С, например, 1550 – 1650 °С.
Система теплообмена предпочтительно содержит по меньшей мере один,  предпочтительно два или даже три циклона 12, 13 предварительного нагревателя. Первый и второй минеральные материалы в общем случае добавляют в первый канал 11, транспортирующий отработанные газы из циркуляционной камеры 1 сгорания в первый циклон 12 предварительного нагревателя. В первом циклоне 12 предварительного нагревателя отработанные газы отделяются от минерального материала. Минеральный материал, содержащий смешанные первый и второй минеральные материалы, пропускают через каналы 3 смешанного минерального материала к входным частям циркуляционной камеры 1 сгорания для плавления. На фиг.1 показаны две входных части 4 в циклонную печь. Может быть только одна входная часть 4 или более двух входных части 4, например три, четыре или более.
Давление Р1 в нижней выпускной части первого циклона 12 предварительного нагревателя намного меньше, чем давление Р2 в впускной части камеры сгорания 1. Эта разность давлений создает проблемы с дозированием предварительно нагретого зернистого минерального материала, поскольку разность давлений будет вызывать «обратный поток» в выпускном канале 3, если не предпринято никаких мер, чтобы избежать этого явления. Однако, как показано на фиг.2, эта проблема решена за счет наличия газоотсечного клапана 7 в канале 3. Если циклонная печь имеет более одной входной части 4, необходимо предусмотреть газоотсечной клапан 7 для каждого канала 3, причем между нижней выпускной частью разделительного циклона 12 и газоотсечными клапанами 7 будет расположен распределитель материала. Газоотсечной клапан 7 или каждый газоотсечной клапан 7 содержит канал 3а приема материала, предназначенный для приема предварительно нагретого минерального материала 100 из нижнего выпускной части разделительного циклона 12, в котором имеется первое давление Р1. Устройство дополнительно содержит выпускной канал 3b, для подачи зернистого минерального материала 100 к входной части 4 циклонной печи 1, в котором имеется второе давление Р2. Зернистый минеральный материал 100 является псевдоожиженным и протекает под действием силы тяжести из канала 3a приема материала к выпускному каналу 3b через газоотсечной клапан 7, который содержит удлиненный корпус 71, обеспечивающий наклонный проточный канал для зернистого материала между приемным каналом 3a и выпускным каналом 3b. Как можно видеть на фиг.2, приемный канал 3а и выпускной канал 3b по существу ориентированы по вертикали. Поток псевдоожиженного зернистого материала протекает под действием гравитационного давления, обеспечиваемого материалом, подаваемым из нижней части разделительного циклона к приемному каналу 3а, и, таким образом, наклонный удлиненный корпус 71 направляет вверх поток материала в газоотсечном клапане 7. Таким образом, постоянное присутствие зернистого материала в газоотсечном клапане 7 предотвращает обратный поток, поскольку устранено выравнивание двух давлений P1 и P2 на обоих концах.
Удлиненный корпус 71 предпочтительно имеет средство перемешивания, такое как шнековый конвейер 72, иногда называемый также червячным конвейером. Шнековый конвейер 72 приводят в действие электродвигателем или аналогичным подходящим приводным средством 73. Шнековый конвейер 72 предназначен не для транспортировки материала, а для перемешивания зернистого материала в удлиненном корпусе 71, чтобы поддерживать зернистый материал в псевдоожиженном состоянии.
В стенке канала 3а для материала газоотсечного клапана 7 предпочтительно предусмотрены один или более входов 31 для воздуха, предназначенных для поддержания зернистого минерального материала 100 в псевдоожиженном состоянии.
Удлиненный корпус 71 проходит под наклоном вверх от канала 3а приема материала в самой нижней секции этого корпуса 71 к выпускному каналу 3b  в самой верхней секции корпуса 71, так что псевдоожиженный зернистый минеральный материал 100 протекает под действием силы тяжести из канала 3а приема материала в корпус 71, в самой нижней его секции, и из корпуса 71 в выпускной канал 3b, в самой верхней части проходящего под наклоном вверх корпуса 71. Гравитационный поток материала 100 обусловлен столбом псевдоожиженного минерального материала, создаваемым в приемном канале 3а, который выше уровня d2 между точкой входа минерального материала и точкой выхода минерального материала в наклонном  удлиненном корпусе 71.
Наклон удлиненного корпуса 71 может составлять порядка 20-50 градусов, например, 30 градусов, относительно горизонтали. Удлиненный корпус 71 имеет диаметр d1, и количество псевдоожиженного материала, находящегося в корпусе, составляет, по меньшей мере, количество, поднимающееся в первом канале 3a до уровня d2, который, по меньшей мере, выше точки выпуска, в которой зернистый материал вытекает из удлиненного корпуса 71 во второй выпускной канал 3b. Этот уровень d2 предпочтительно по меньшей мере сходен с диаметром d1 удлиненного корпуса 71, как показано на фиг.2, что обеспечивает стабильность работы газоотсечного клапана 7, даже если на обоих концах имеется некоторая пульсация давления. Это означает, что удлиненный корпус 71 заполнен материалом между впускной частью на самом нижнем конце корпуса 71 и выходной частью на самом верхнем конце корпуса 71, так что не может происходить обратный поток газа, поскольку зернистый материал в этом случае предотвращает поступление газа, имеющего в выпускной части более высокое давление Р2, в корпус 71 и утечку его в канал 3а приема материала, в котором имеется низкое давление Р1.
Изобретение описано выше на примере предпочтительного варианта ег осуществления. Подразумевается, что в рамках правовой охраны, определенных прилагаемой формулой изобретения, могут быть созданы другие варианты, соотношения размеров и другие исполнения. Например, изобретением предусмотрено, что газоотсечной клапан будет работать даже при малой высоте d2 в приемном канале 3а, однако практика показала, что эта высота d2 предпочтительно должна, по меньшей мере, соответствовать d1. Это обусловлено тем, что иногда в системе может возникать некоторая пульсация давления, и если уровень в приемном канале 3а слишком низок, существует опасность того, что противодавление может привести к опустошению удлиненного корпуса газоотсечного клапана.