СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ ШЛАКОВ ИЗ УГОЛЬНОГО КОТЛА И ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗ НИХ МЕТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO REMOVE SOLID SLAG FROM COAL-FIRED BURNER AND TO EXTRACT METAL FROM IT AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к угольным энергетическим котлам с твердым шлакоудалением, особенно при их работе на углях, содержащих благородные металлы.
При сжигании пылевидного угля в котле образующийся в процессе горения шлак удаляют из топки котла в твердом виде в закалочную ванну, установленную под леткой котла и заполненную водой. Накапливающийся в закалочной ванне твердый шлак непрерывно удаляют механически в систему гидрозолоудаления, куда также сбрасывают уловленную летучую золу. Далее смесь шлака и золы удаляют на золошлакоотвал (Ю.П.Соловьев. Вспомогательное оборудование паротурбинных электростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 200 с.).
Такой охлажденный шлак помимо удаления на золошлакоотвал может отгружаться потребителям, при необходимости проходя дробление до нужной крупности.
В минеральной части углей содержатся соединения железа, никеля, кобальта и других металлов, которые при сжигании угля в восстановительной атмосфере топки частично восстанавливаются, образуя капли чистого металла (Л.Я.Кизельштейн, И.В.Дубов, А.Л.Шпицглуз, С.Г.Парада. Компоненты зол и шлаков ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1975. - 175 с.). Кроме того, в газовом потоке топки образуются капли магнетита, которые, охлаждаясь в газоходах котла, улавливаются в электрофильтрах в виде магнетитовых микрошариков.
Установлено, что угли содержат широкий спектр различных элементов, в том числе и благородные металлы (Юдович Я.Э., Кетрис М.В. Ценные элементы-примеси в углях, Екатеринбург, 2006. - 538 с.).
-6
-6
Благородные металлы (БМ) включают в себя такие элементы, как серебро, золото, платина, рутений, родий, палладий, рений, иридий, осмий и другие металлы. БМ относятся к редким элементам. Так, содержание серебра в земной коре по массе равно 7·10 %, а палладия, наиболее распространенного из металлов платиновой группы, равно 1·10 % (Свойства элементов: Справ, изд. В 2-х кн. / Под ред. Дрица М.Е. - 3-е изд. - М.: «Руда и Металлы», 2003). Их получение связано с переработкой больших объемов сырья и проведением различных процессов восстановления металлов из соединений, в которых они находятся в рудном сырье. Это требует больших финансовых затрат и приводит к экологическим проблемам, связанным с большими объемами твердых отходов.
При сжигании в котлах углей, содержащих микропримеси БМ, они переходят в металлическую форму и попадают в золошлаковые материалы. Содержание БМ в золе и шлаке электростанций незначительно, но с учетом объемов сжигаемого угля объемы БМ, потенциально извлекаемые из золошлаковых продуктов, могут превзойти современное производство этих металлов, обеспечиваемое горнорудной промышленностью и металлургией (Юдович Я.Э., Кетрис М.В. Ценные элементы-примеси в углях, Екатеринбург, 2006. - 538 с.). Содержание в углях таких металлов, как железо, никель, кобальт, хром значительно больше, чем содержание БМ. Кроме того, в отличие от БМ эти металлы практически содержатся в углях всех месторождений.
пл
пл
пл
пл
Частицы этих металлов, магнетитовые шарики и частицы БМ, выпадают из газового потока на стенки воронки котла. За счет выпадения на поверхность еще липких частиц шлака, их охлаждения и поступления на поверхность все новых частиц шлака и металла образуются крупные конгломераты шлака, которые затем скатываются в летку котла. При температурах выпадения на стенки воронки твердых шлаковых частиц, склонных к слипанию, железо (t=1538°C) и магнетит (t=1594°С) находятся в твердом состоянии, а золото (t=1064,43°С) и серебро (t=961,9°C) - в жидком состоянии. При достаточно большом времени пребывания частиц на стенке воронки может случайно возникнуть контакт твердой частицы восстановленного железа и жидкой капли золота, что приведет к образованию сростков железа и золота при охлаждении.
С точки зрения извлечения упомянутых металлов из углей сжигание углей в котле можно рассматривать как процесс первичного обогащения и восстановления сырья. Например, золотосодержащие экибастузские угли имеют зольность на сухую массу топлива 40÷48%, а кузнецкие угли - 15÷40% (Энергетическое топливо СССР. Справочник. / В.С.Вдовченко, М.И.Мартынова, Н.В.Новицкий и др. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 184 с.). После сжигания таких углей твердый негорючий остаток, в котором содержится металл, имеет массу в 2-6 раза меньшую, чем исходный уголь.
Экспериментально установлено, что некоторые угли содержат БМ, например золото, серебро, платину и другие в концентрациях, представляющих интерес для промышленного их использования в качестве источника этих металлов (С.Б.Леонов, К.В.Федотов, А.Е.Сенченко. Промышленная добыча золота из золошлаковых отвалов тепловых электростанций. - Горный журнал, №5, 1988, с.67-68).
Так при сжигании экибастузского угля с твердым шлакоудалением среднее содержание золота в золошлаковых отвалах Рефтинской ГРЭС составило 0.1÷0.15 г/т. Установлено, что примерно 85% всего золота поступает на золошлакоотвал со шлаком, в котором золото находится в свободной форме в виде сферических оплавленных частиц крупностью 10÷300 мкм. При этом выход шлака составляет 20÷25%, а золы - 80÷85% золошлакового материала.
Наличие большей части золота в шлаке связано с тем, что более тяжелые частицы золота в меньшей степени уносятся газовыми потоками в газоход котла, чем более легкие сравнительно с ними зольные частицы, и преимущественно выпадают на стенки холодной воронки котла.
Если бы вместо холодной воронки котла шлаковые частицы выпадали бы в вертикальную шахту с холодным воздухом, то при достаточной глубине шахты все частички шлака и металла успевали бы отвердевать в воздухе. Тогда при падении на твердую поверхность получалась бы не связанная, а рассыпчатая насыпная масса частиц тех размеров, которые они имели при выпадении из топки котла. Дисперсность такой насыпной массы можно оценить в соответствии с рекомендациями работы (Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. М.: Энергия, 1973), где средний диаметр золовых частиц в топке в зависимости от вида топки и вида мельницы принимается равным 10, 13 или 16 мкм. Однако для такого «замораживания» размеров выпадающих частиц потребовалась бы охлаждающая шахта значительной глубины.
В работе (В.В.Иванов, И.В.Иванов. Энергосберегающая экологически чистая технология сжигания твердого топлива и переработки золошлаковых отходов электростанций. Рязань, 2009. - 476 с.) изучена летучая зола Березовской ГРЭС-1. Отмечено, что в основной массе это очень тонкий и мягкий на ощупь порошок, который содержит небольшое количество относительно крупных частиц размером до 500 мкм (можно предположить, что наличие редких частиц такого размера связано с вторичным уносом зольных отложений с поверхности котельных труб). Гранулометрический состав был следующим: +74 мкм - 1,75%, -74 +44 мкм - 12,95%, -44 мкм - 85,3%. При этом в классе -44 мкм преобладали частицы размером от 0,1 мкм до 15 мкм. Подобный гранулометрический состав можно ожидать и у «замороженного» шлака.
Сыпучие, рыхлые и слабосвязанные отложения, образующиеся на поверхностях котельных труб в области относительно низких температур, предложено очищать в соответствии с (SU 1518649, «Способ очистки поверхностей нагрева котла от золовых отложений» Х.И.Талермо, А.А.Отс, Т.Н.Сууркууск и др. F28G 13/00) за счет ударной и газоимпульсной очистки, которые производят последовательно в период между виброочисткой и водяной обмывкой, при этом виброочистку, ударную очистку и газоимпульсную очистку ведут в течение периодов времени, определяемых по определенной авторами зависимости.
Однако указанный способ очистки не применим к стенкам воронки котла, так как вблизи этих стенок температуры намного выше, чем в области теплообменных поверхностей, и там образуются отложения другого типа.
Разделение в топке котла минеральной части угля на летучую золу, содержащую относительно небольшое количество мелких частиц золота, и шлак, содержащий большую часть золота угля, можно рассматривать как вторую ступень процесса обогащения золотосодержащего сырья.
В силу наличия описанных механизмов обогащения золошлакоотвалы некоторых электростанций могут рассматриваться как техногенные месторождения ценных металлов, переработка которых может быть экономически привлекательна. Это позволило начать полупромышленную добычу золота за счет переработки материалов золошлакоотвалов электростанции методом сгущения, гидроциклонирования и обогащения на концентраторе Кнельсона исходной золошлаковой пульпы (см. уже упомянутую работу С.Б.Леонова и др.).
Недостатком описанного способа удаления шлака является потеря физического тепла шлака при его охлаждении водой, а также захолаживание воронки котла парами воды, поступающими в топку из закалочного ковша с водой. Кроме того, в шлаке присутствует много несгоревших в топке углеродных частиц.
Недостатком описанного способа извлечения БМ из золошлаковых материалов отвалов является необходимость их существенного обогащения. В случае извлечения ценных металлов из золошлакоотвалов это потребует переработки большого объема материала отвалов, концентрация металлов в которых заметно меньше, чем собственно в шлаке. Это связано с тем, что смешение золы и шлака в системе гидрозолоудаления приводит к существенному уменьшению содержанию золота и других ценных металлов в материалах золошлакоотвалов по сравнению с их содержанием в шлаке. Кроме того, возможна неконтролируемая сепарация тяжелых частиц металлов и их фактическая потеря в процессе гидрозолоудаления из котельного цеха на золошлакоотвал.
Недостатком описанного способа удаления твердого шлака при отгрузке его потребителям с точки зрения извлечения из него БМ является полная потеря благородных металлов, содержащихся в этом шлаке.
В патенте RU 2251581 C2, выданном Л.Линдгрену (США), для извлечения БМ из шлака предложено использовать шлак, полученный в топке или котле. Для этого собственно для извлечения БМ осуществляют множество стадий дробления шлака, на каждой из которых получают частицы шлака, имеющие последовательно меньшие размеры диаметра частиц, суспендируют дробленые частицы в жидкой среде, отделяют тяжелые частицы, дробят их и повторяют описанные действия. Этот процесс проводят вплоть до получения конечного желаемого размера частиц.
При использовании такого способа ступенчатого дробления для извлечения БМ имеются проблемы. Так диаметр частиц уже после первого дробления должен быть достаточно мал, чтобы не потерять частицы металла при отделении легких частиц в результате суспендирования в жидкости всех частиц первого диаметра. В одном предпочтительном варианте осуществления способа первый диаметр частиц принят равным 150 мкм. До такого диаметра частиц придется раздробить шлак, который может иметь первоначальную крупность кусков более 150 мм.
Другой проблемой описанного способа является возможность потери частиц БМ. Легко показать, что, если в шлаковой частице первого диаметра 150 мкм будет находиться газовое включение диаметром 50 мкм и частица золота диаметром 25,6 мкм, то масса такой частицы будет равна массе шлаковой частицы такого же диаметра, но без включений. С учетом хаотичности процесса выпадения частиц на поверхность воронки такое предположение представляется достаточно вероятным. Это значит, что такая частица при создании суспензии попадет в категорию «легких» частиц и вместе с чисто шлаковыми частицами того же диаметра будет удалена из дальнейшей переработки, т.е. частица золота диаметром 25,6 мкм будет потеряна. Нельзя исключить и другие соотношения диаметров возможных газовых включений и частиц металла, при которых могут быть потеряны и более крупные частицы БМ.
Еще одной проблемой является возможность образования сплавившихся частиц золота и железа. Это происходит по описанному выше механизму образования шлака на стенке холодной воронки котла при достаточно большом содержании в угле железа. При увеличении содержания железа в угле вероятность образования таких частиц повышается. Это и наблюдалось Л.Линдгреном при анализе тяжелых частиц, извлеченных на последнем диаметре дробления при переработке шлака, охлажденного в закалочной ванне котла. Все это требует дополнительных операций отделения БМ от железа при дальнейшей переработке.
Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ, охарактеризованный в JP 2003-090530 A, F22B 37/48, 28.08.2003. Согласно этому способу для предотвращения отложений шлака на стенках топки и шлаковой воронки котла к ним подводят импульсные усилия от системы, генерирующей вибрации. Частицы золы, выпадающие на внутренние поверхности топки, в том числе на поверхности воронки, принудительно сбрасываются импульсными силами вибрирующей поверхности.
Импульсные усилия и частоту вибрации регулируют с помощью системы управления в зависимости от свойств шлака, определяемых видом сжигаемого угля.
Система управления определяет по показаниям термоэлектрического элемента, измеряющего температуру поверхности, наличие шлака, налипшего на поверхности, и запускает систему, генерирующую вибрации, при наличии налипшего шлака.
Импульсные усилия создают с помощью пневматических или электромагнитных ударников (вибраторов).
Недостатком такого способа является потребность больших расходов энергии для создания вибраций трубных панелей воронки котла, так как они, как правило, свариваются в монолитные пакеты большой массы. Кроме того, вибрационные усилия, действующие на такие панели, находящиеся под высоким внутренним давлением пара, будут приводить к возникновению нестационарных внутренних напряжений в металле труб и возникновению и накоплению усталостных трещин, что снизит надежность котла. Помимо того, на котлах с сухим шлакоудалением, в процессе эксплуатации происходит интенсивный износ участков труб холодной воронки, который вызывается ударно-абразивным действием частиц шлака, падающих на трубы пода котла и скользящих вниз. Эксплуатационный опыт показывает, что количество труб холодной воронки, требующих замены в результате абразивного износа при ремонте котла, составляет от 10 до 15% общего количества установленных труб. Кроме того, при наличии в потоке частиц восстановленного железа и БМ, возможно образование сростков этих металлов, которое потребует дополнительного процесса разделения после выделения БМ из шлака.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение мелкого шлака угольного котла с твердым шлакоудалением, обеспечивающего минимальные затраты энергии на его измельчение при извлечении ценных металлов из шлака, и использование физического тепла шлака. Другой задачей настоящего изобретения является снижение содержания в шлаке частиц несгоревшего углерода и железа в восстановленной форме и предотвращение образования сростков железа с БМ.
Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является получение мелкодисперсной смеси частиц собственно шлака и БМ, выпадающих на стенки холодной воронки котла, окисление частиц восстановленного железа или других металлов, дожигание и газификация несгоревшего в топке углерода, а также использование тепла шлака для нагрева сжатого воздуха.
Получение технического результата изобретения осуществляют за счет того, что стенки холодной воронки котла покрывают с зазором плоскими защитными панелями, которым сообщают высокочастотные механические колебания. Со стороны топки панели обдувают высокоскоростными пристеночными струями воздуха, сдувая выпадающие на них частицы шлака и металлов в летку котла. Газовоздушный поток с частицами шлака предварительно охлаждают в летке и удаляют из нее, разделяют газовоздушный поток и шлак и охлаждают отделенный шлак потоком воздуха. Отделенный газовоздушный поток подают в горелки или газоходы котла. После охлаждения шлак разделяют по крупности, крупную составляющую измельчают, смешивают с мелкодисперсной составляющей шлака и отделяют от шлака содержащиеся в нем частицы металлов, например, с помощью электростатического и вибрационного сепараторов. После отделения металлических включений из собственно шлака выделяют ферромагнитные шлаковые частицы. Отделенные металлические включения подают в магнитный сепаратор, где отделяют ферромагнитные металлические частицы. Очищенные от ферромагнитных металлических частиц частицы БМ передают на дальнейшую переработку. Ферромагнитные металлические частицы вместе с ферромагнитными шлаковыми частицами передают на переработку. Полость между защитными панелями и скатами воронки продувают горячим воздухом, который выбрасывают в топочную камеру. Нагретый шлаком воздух подают в эжектор, систему пристеночных струй защитных панелей, систему продувки полости между защитными панелями и воронкой и в горелки.
Крупные частицы шлака или жидкого металла могут при падении преодолевать струйную завесу и осаждаться на обдуваемые защитные панели воронки, образуя отложения. Такие отложения время от времени разрушают, обдувая поверхности защитных панелей воронки струями холодной воды, струями перегретого пара или струями сжатого воздуха с водой.
Преимуществами предлагаемого изобретения являются стабильное удаление твердого шлака, предотвращение слипания частиц шлака в крупные агломераты и получение на выходе из топки мелкого шлака, горение и газификация не прореагировавших в топке котла угольных частиц в струях воздуха и пара и окисление частиц ферромагнитных металлов, восстановленных в восстановительной атмосфере топки, что снижает вероятность образования сростков частиц этих металлов с частицами благородных металлов. Все это существенно снижает потребление энергии при измельчении шлака для более полного выделения БМ и дает возможность легко разделить шлаковые частицы и смешанные с ними частицы БМ, а также использовать физическое тепло шлака.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема и устройство удаления твердых шлаков из угольного котла и извлечения металла из шлака, а на рис.1 - расчетный график изменения температуры по радиусу частицы в процессе ее охлаждения, поясняющий возможности реализации способа.
При сжигании угольной пыли в котле 1, имеющем холодную воронку 2, стенки воронки 2 покрывают с зазором плоскими защитными панелями 3. Выпадающие на защитные панели 3 частицы шлака принудительно удаляют в летку 4 котла 1 за счет сообщения защитным панелям 3 механических колебаний в горизонтальной плоскости от генераторов 14 высокочастотных колебаний переменной частоты через виброштанги 13. Полость между защитными панелями 3 и скатами воронки 2 продувают горячим воздухом, нагретым в теплообменном аппарате шлаком.
Кроме того, частицы шлака сдувают с поверхности защитных панелей 3 высокоскоростными пристеночными струями воздуха в летку 4 котла 1. При этом не успевшие до конца выгореть в топке угольные частицы догорают и газифицируются в потоке воздуха пристеночных струй.
При необходимости очистки защитных панелей 3 воронки 2 от отложений их обдувают холодной водой, или перегретым паром, или сжатым воздухом с водой.
Поступающий в летку 4 газовоздушный поток, несущий твердые и жидкие частицы, предварительно охлаждают распылением воды в поток форсунками 21. При этом происходит испарение капель воды и падение температуры потока и поверхности частиц шлака и металла. В результате охлаждения частицы шлака, имеющие температуру, близкую к температуре размягчения, окончательно отверждаются, что исключает слипание частиц в случае их контакта и налипание на поверхности. Жидкие частицы БМ (золото или серебро) также отверждаются, что исключает дробление частиц при соударении с ограждающими поток поверхностями и налипание на них.
Газовоздушный поток вместе с парами распыленной в поток воды и твердыми частицами воздушным эжектором 23 по газоходу 25 подают в сепаратор 26. В сепараторе 26 от газовоздушного потока отделяют мелкодисперсный шлак и подают его в бункер накопитель 28, а из него в теплообменный аппарат 29, где охлаждают воздухом.
Отделенный в сепараторе 26 газовоздушный поток подают в горелки котла 1 по трубопроводу 27 (на фиг.1 не показано). Нагретый шлаком воздух подают в сопло 24 воздушного эжектора 23, систему пристеночных струй защитных панелей 3 воронки 2 котла 1, а также в горелки котла 1 (на фиг.1 не показано).
Охлажденный в теплообменном аппарате 29 мелкодисперсный шлак подают в классификатор 36, где отделяют возможные крупные включения и размалывают их в размольном устройстве 38 до среднего размера частиц мелкодисперсного шлака. Размолотый шлак смешивают с мелкодисперсной составляющей шлака в смесителе 41 и подают в сепараторы 43 и 46, где отделяют от шлака частицы металлов. Отделенный от шлака металл подают в магнитный сепаратор 53, где отделяют ферромагнитные металлические частицы, а очищенные от ферромагнитных включений частицы БМ накапливают в накопителе 55. Очищенный от частиц металлов шлак подают в магнитный сепаратор 48, где отделяют ферромагнитные шлаковые частицы, а очищенный шлак подают в бункер шлака 50. Ферромагнитные металлические частицы из магнитного сепаратора 53 и ферромагнитные шлаковые частицы из магнитного сепаратора 48 накапливают в бункере 57 ферромагнитных металлов и в бункере 52 ферромагнитных шлаковых частиц соответственно, откуда и подают на дальнейшую переработку.
В случае если сжигаемый уголь не содержит примесей БМ предлагаемый способ удаления шлаков и извлечения металлов можно использовать для извлечения металлического железа (никеля, кобальта) и гематитовых микрошариков из шлака котла.
A
B
C
A
B
C
Расчетное обоснование процесса отверждения шлаковых частиц в потоке и их последующее использование для нагрева воздуха представлено ниже. В соответствии с данными справочника (Энергетическое топливо СССР, М., Энергоатомиздат, 1991. - 184 с.) при расчетах условно принято, что для кузнецкого угля t=1200°C, t=1300°C, t=1400°С, где t - температура начала деформации золы, t - температура размягчения золы, a t - температура жидкоплавкого состояния в полувосстановительной газовой среде.
A
A
-4
При охлаждении поверхности капли до температур, меньших t, образуется внешняя твердая корочка, после чего капля уже не прилипает к твердой поверхности. На рис.1 представлено расчетное распределение температур по радиусу частицы шлака, полученное по формулам, приведенным в работе (В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.), для случая нестационарного охлаждения сферической частицы шлака диаметром 30 мкм потоком воздуха постоянной температуры. Исходная температура частицы принята однородной и равной 1320°C. Видно, что в случае попадания такой частицы в струю воздуха с температурой 476°С через момент безразмерного времени (критерий Фурье) Fo=0.45 поверхность частицы будет иметь температуру менее t=1200°C, т.е. будет отверждена. Процесс охлаждения частицы происходит при параметре Био Bi=0.1085, в этом случае термическое сопротивление внешней теплоотдачи к воздуху превосходит термическое сопротивление теплопроводности. Поэтому температура внутри капли изменяется по радиусу незначительно. Для малых капель процесс охлаждения происходит практически мгновенно (1·10 с). За это время при выпадении капли на поверхность, например, со скоростью 50 м/с она пройдет путь 5 мм, а вдоль поверхности может быть снесена струей воздуха примерно на 55 мм. Для случая, указанного на рис.1, после отверждения частиц шлака можно использовать 89,6% их начальной избыточной внутренней энергии для последующего нагрева воздуха охлажденным шлаком.
-6
-4
-6
Расчеты показывают, что в условиях рис.1 для частиц золота (и серебра) отверждения их струями воздуха не происходит. Так, для капли золота диаметром 30 мкм даже без учета теплоты перегрева требуется 17.5·10 Дж (теплота фазового перехода), а воздухом отводится от капли за время 1·10 с лишь 3.95·10 Дж. Поэтому для отверждения жидких капель металла требуется дополнительное, более интенсивное охлаждение, что осуществляют распылением воды в поток. Вода имеет большую скрытую теплоту испарения, поэтому при контакте в потоке жидких капель металлов с каплями воды такого же диаметра вода, испаряясь, может отобрать от капли золота в 1.82, а от капли серебра в 2.05 раз больше тепла, чем требуется для их отверждения. Чтобы не переохлаждать шлак и использовать тепло отвержденного шлака в дальнейшем, желательно осуществлять тонкий распыл воды. Средний диаметр капли воды можно оценить примерно в 15 мкм. Такой распыл воды осуществляют в существующих технических системах кондиционирования воздуха при давлении от 20 до 80 бар. При этом получают тонкий монодисперсный аэрозоль с диаметром капель воды в пределах 10-20 мкм.
В газоходах работающих котлов происходит образование зольных отложений и в зоне температур 1200°C и даже менее 800°C. Такие отложения успешно удаляют с помощью виброочистки, которая осуществляется время от времени (А.Ф.Гаврилов, Б.М.Малкин. Загрязнение и очистка поверхностей нагрева котельных установок. М.: Энергия, 1980. - 328 с.). Нельзя полностью исключить и образование отложений на защитных панелях воронки котла, например, в случае временного отказа оборудования. При необходимости такие отложения удаляют с помощью термического воздействия струй холодной воды, перегретого пара или сжатого воздуха с водой.
Известно устройство удаления шлака от сжигания пылевидного угля в котле, в котором нижняя часть топки котла выполнена в виде воронки с крутыми откосами, переходящими в летку, под которой установлена закалочная ванна, заполненная водой. Закалочная ванна оснащена устройством механического удаления охлажденного в воде шлака с помощью шнекового, скребкового или роторного механизма, подсоединенного шлакопроводом к системе гидрозолоудаления.
Образующийся в процессе горения шлак выпадает на стенки холодной воронки котла, образует крупные шлаковые агломераты, которые скатываются с откосов в летку котла, а через нее попадают в закалочную ванну. Накапливающийся в закалочной ванне твердый шлак непрерывно удаляется из нее в систему гидрозолоудаления, куда сбрасывают также уловленную летучую золу. Далее смесь шлака и золы удаляют на золошлакоотвал (Ю.П.Соловьев. Вспомогательное оборудование паротурбинных электростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 200 с.). Такой охлажденный шлак помимо удаления на золошлакоотвал может после осушения отгружаться потребителям, при необходимости проходя дробление до нужной крупности.
Недостатком такого устройства удаления шлака является потеря физического тепла шлака при его охлаждении водой, а также захолаживание воронки котла парами воды, поступающими в топку из закалочной ванны с водой через летку. Кроме того, в шлаке присутствуют частицы несгоревшего в топке углерода. При наличии в углях БМ они попадают на золошлакоотвалы и, в случае извлечения ценных металлов из золошлакоотвалов, это потребует переработки большого объема материала отвалов, концентрация металлов в которых заметно меньше, чем собственно в шлаке. Это связано с тем, что смешение золы и шлака в системе гидрозолоудаления приводит к существенному уменьшению содержания золота и других ценных металлов в материалах золошлакоотвалов по сравнению с их содержанием в шлаке. Кроме того, возможна неконтролируемая сепарация тяжелых частиц металлов и их фактическая потеря в процессе гидрозолоудаления из котельного цеха на золошлакоотвал.
Недостатком описанного устройства удаления твердого шлака при отгрузке его потребителям с точки зрения извлечения из него БМ является полная потеря ценных металлов, содержащихся в этом шлаке.
Известно устройство удаления шлака от сжигания пылевидного угля в котле, в котором, нижняя часть топки котла выполнена в виде воронки с крутыми откосами, переходящими в летку, к которой через упругий температурный компенсатор подсоединен приемный бункер шлака, к бункеру шлака подсоединен закрытый упрочненный ленточный конвейер из нержавеющей стали, который транспортирует сухой шлак к первичному измельчителю для дробления шлака (Современные природоохранные технологии в электроэнергетике. Информационный сборник / В.В.Абрамов и др., под общ. ред. В.Я.Путилова. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 388 с.). При этом шлак на ленточном конвейере охлаждается воздухом, который поступает после нагрева в топку котла через летку. Благодаря переработке шлака в сухом виде, система позволяет его более эффективно применять на предприятиях различных отраслей экономики, таким образом повышая ценность шлака для его полезного использования.
Недостатком такого устройства является то, что шлак получается крупный, даже после первичного измельчения размеры частиц шлака могут достигать 80 мм. Для извлечения из такого шлака БМ и других металлов потребуются значительные расходы энергии для получения мелкодисперсного шлака. Кроме того, ленточный конвейер подвергается значительному ударному воздействию со стороны больших глыб шлака при высокой температуре, что приводит к его ускоренному износу.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является устройство, охарактеризованное в JP 2003-090530 A, F22B 37/48, 28.08.2003. В этом устройстве для предотвращения отложений шлака на стенках топки и шлаковой воронки котла к ним подведены вибраторы, передающие импульсные усилия трубным панелям. Вибраторы, передающие импульсные усилия трубным панелям, подключены к регулятору, который регулирует импульсное усилие и рабочую частоту в зависимости от свойств шлака, определяемых видом сжигаемого угля.
Устройство включает в себя термоэлектрический элемент, измеряющий температуру поверхности, регулятор определения наличия шлака, налипшего на поверхности, и запуска системы, генерирующей вибрации, при наличии налипшего шлака.
Устройство содержит пневматические или электромагнитные ударники (вибраторы).
Система генерирования вибраций прикреплена к вертикальной стойке для укрепления контакта с внешней стороной поверхности топки и поддерживает пластину распределения импульсного усилия, которая установлена между системой генерирования вибраций и вертикальной стойкой.
Недостатком такого устройства является потребность больших расходов энергии для создания вибраций трубных панелей воронки котла, так как они, как правило, свариваются в монолитные пакеты большой массы. Вибрационные усилия, действующие на такие панели, находящиеся под высоким внутренним давлением пара, будут приводить к возникновению нестационарных внутренних напряжений в металле труб и возникновению и накоплению усталостных трещин, что снизит надежность котла. Помимо того, на котлах с сухим шлакоудалением, в процессе эксплуатации происходит интенсивный износ участков труб холодной воронки, который вызывается ударно-абразивным действием частиц шлака, падающих на трубы пода котла и скользящих вниз. Эксплуатационный опыт показывает, что количество труб холодной воронки, требующих замены в результате абразивного износа при ремонте котла, составляет от 10 до 15% общего количества установленных труб. Кроме того, при наличии в потоке частиц восстановленного железа и БМ, возможно образование сростков этих металлов, которое потребует дополнительного процесса разделения после выделения БМ из шлака.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение мелкого шлака угольного котла с твердым шлакоудалением, обеспечивающего минимальные затраты энергии на его измельчение при извлечении ценных металлов из шлака, и использование физического тепла шлака. Другой задачей настоящего изобретения является снижение содержания в шлаке частиц несгоревшего углерода и железа в восстановленной форме и предотвращение образования сростков железа с БМ.
Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является получение мелкодисперсной смеси частиц собственно шлака и БМ, выпадающих из топки в воронку котла, окисление частиц восстановленного железа или других металлов, дожигание и газификация несгоревшего в топке углерода, а также использование тепла шлака для нагрева сжатого воздуха.
Преимуществами предлагаемого устройства являются стабильное удаление твердого шлака, предотвращение слипания частиц шлака в крупные агломераты и получение на выходе из топки мелкого шлака, дожигание и газификация не прореагировавших в топке котла угольных частиц в струях воздуха и окисление частиц ферромагнитных металлов, восстановленных в восстановительной атмосфере топки, что снижает вероятность образования сростков частиц этих металлов с частицами благородных металлов. Все это существенно снижает потребление энергии при измельчении шлака для более полного выделения БМ и дает возможность легко разделить шлаковые частицы и смешанные с ними частицы БМ, а также использовать физическое тепло шлака.
Получение технического результата изобретения осуществляют за счет того, что воронка котла покрыта плоскими защитными панелями, имеющими на поверхностях, обращенных к воронке, оребрение, защитные панели плавными гибами частично заведены в устье летки котла и установлены на виброопорах на стенки воронки с зазорами по отношению к скатам воронки, стенкам топки и вертикальным стенкам летки. Части защитных панелей, заведенные в устье летки котла, через систему виброштанг, проходящих через отверстия в стенках летки, подсоединены к высокочастотным генераторам колебаний переменной частоты, над защитными панелями скатов воронки установлена система обдува в виде трубных коллекторов, опирающихся опорами на скаты воронки и соединенных параллельными фронту топочной камеры трубами с щелевыми соплами на поверхностях труб, обращенных к плоским защитным панелям, и направленными в сторону летки. Гибы трубных коллекторов входят в верхнюю часть летки котла и заканчиваются поворотными коленами, выходящими наружу через стенки летки патрубками, которые трубопроводами подсоединены к коллектору сжатого воздуха системы обдува. Летка котла через эжектор соединена газоходом с входным патрубком устройства очистки газа, выход из устройства очистки газа по твердой фазе подключен шлакопроводом к бункеру накопителю, выход из которого подключен к входному патрубку теплообменного аппарата по греющей среде. Выход теплообменного аппарата по греющей среде подсоединен шлакопроводом к классификатору частиц по размерам, выход классификатора по крупным частицам подключен шлакопроводом к устройству измельчения, которое по измельченному шлаку подсоединено шлакопроводом к смесителю шлака. К смесителю шлака также подсоединен шлакопроводом выход классификатора по мелкодисперсному шлаку, а выход смесителя подсоединен шлакопроводом к сепараторам частиц металла.
Полость между защитными панелями с одной стороны и скатами воронки и стенками летки с другой стороны подсоединена трубопроводами к воздушному коллектору системы обогрева воронки, который подсоединен трубопроводом к промежуточному выходному патрубку по обогреваемой стороне теплообменного аппарата.
Коллектор сжатого воздуха системы обдува трубопроводом подсоединен к выходному патрубку по обогреваемой стороне теплообменного аппарата, входной патрубок которого по обогреваемой стороне подсоединен трубопроводом к воздушному компрессору.
Над трубными коллекторами и трубами со щелевыми соплами системы обдува установлены защитные кожухи, при этом защитные кожухи коллекторов имеют гибы, опущенные в летку котла и закрывающие гибы коллекторов и поворотные колена, защитные кожухи коллекторов и щелевых труб соединены в одну жесткую систему, опирающуюся через виброопоры на скаты воронки и стенки летки, которая через систему виброштанг, проходящих через отверстия в стенках летки, подсоединена к высокочастотным генераторам колебаний переменной частоты.
В стенках летки котла установлены водяные форсунки, подсоединенные к водяным коллекторам, которые соединены с водяной линией высокого давления.
Летка котла переходит в эжекторную часть, сопла которой подключены трубопроводом к трубопроводу нагретого сжатого воздуха, подсоединенного к выходному патрубку по обогреваемой стороне теплообменного аппарата для нагрева сжатого воздуха.
Выход из эжектора соединен с поворотным коленом газохода, который соединен газоходом с входным патрубком устройства очистки газа, выбранного из группы, состоящей из центробежного сепаратора, инерционного сепаратора, циклона, рукавного фильтра и электрофильтра. Выход из устройства очистки газа по газовой среде подключен трубопроводом к воздуховодам котла.
Выход смесителя подсоединен шлакопроводом к вибрационному сепаратору отделения частиц металла от мелкодисперсного шлака, выход которого по шлаку подсоединен шлакопроводом к входу в электростатический сепаратор, выход которого по шлаку подсоединен шлакопроводом к магнитному сепаратору шлака, а выходы вибрационного и электростатического сепараторов по отделяемым металлам подсоединены продуктопроводом к магнитному сепаратору металлов.
Выход магнитного сепаратора шлака по ферромагнитной составляющей шлака подсоединен продуктопроводом к бункеру ферромагнитных шлаковых частиц, а выход его по шлаку шлакопроводом подсоединен к бункеру шлака, выход магнитного сепаратора металлов по немагнитной составляющей подсоединен продуктопроводом к накопителю благородных металлов, а выход его по ферромагнитной составляющей подсоединен продуктопроводом к бункеру ферромагнитных металлов.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами фиг.1, фиг.2 и фиг.3, где представлена общая конструкция устройства для удаления шлака из котла, а также его охлаждения и извлечения металлов.
На фиг.1 представлено сечение нижней части топочной камеры, воронки и летки котла. На фиг.2 дан вид по стрелке А фиг.1. Здесь сплошными стрелками показаны пристеночные струи воздуха, пунктирными стрелками показан подвод воздуха к коллекторам труб со щелевыми соплами, а штрихпунктирными стрелками показано движение воздуха, обогревающего трубные экраны воронки и охлаждающего защитные панели. На фиг.3 дан увеличенный фрагмент ската воронки и части летки котла.
Котел 1 имеет холодную воронку 2. Над скатами воронки 2 установлены плоские защитные панели 3, которые плавными гибами частично заведены в устье летки 4 котла 1. Защитные панели 3 установлены с зазором по отношению к скатам воронки 2 и стенкам летки 4 с помощью виброопор 5. На защитных панелях 3 со стороны воронки имеются ребра жесткости 3a, которые выполняют также роль ребер охлаждения. Между защитными панелями 3 и вертикальными стенками топки котла 1 имеются зазоры, обеспечивающие тепловые расширения защитных панелей 3 и прохождение воздуха. Над защитными панелями 3 скатов воронки 2 установлена система 6 обдува защитных панелей 3. Система 6 обдува состоит из двух трубных коллекторов 7, соединенных параллельными фронту топочной камеры трубами 8, имеющими обращенные к поверхности защитных панелей 3 щелевые сопла. Вся система 6 опирается на скаты воронки 2 опорами 9.
Над коллекторами 7 установлены защитные кожухи 10, а над щелевыми трубами 8 установлены защитные кожухи 11. Коллекторы 7 имеют гибы, входящие в верхнюю часть летки 4, которые заканчиваются поворотными коленами, выходящими наружу через стенки летки 4 патрубками 12. Защитные кожухи 10 коллекторов 7 также имеют гибы, опущенные в летку 4 и закрывающие гибы коллекторов 7 и поворотные колена. Защитные кожухи 10 и 11 соединены в одну жесткую систему кожухов и не касаются трубных элементов и опор системы 6 обдува защитных панелей 3. Система кожухов 10 и кожухов 11 через виброопоры (на фигурах не показаны) опирается на скаты воронки 2 и стенки летки 4.
Через отверстия в стенках летки 4 с помощью виброштанг 13 частично заведенные в летку плавными гибами части защитных панелей 3 подсоединены к вибраторам (высокочастотным генераторам колебаний) 14. Соответственно, система защитных кожухов 10 и 11 через виброштанги 15 подсоединена к вибраторам 16.
Полость между защитными панелями 3 с одной стороны и скатами воронки 2 и стенками летки 4 с другой стороны подсоединена трубопроводами 17 к воздушному коллектору 18 системы обогрева воронки. Патрубки 12 коллекторов 7 с помощью трубопроводов 19 подсоединены к коллектору 20 сжатого воздуха системы обдува 6.
В стенках летки 4 установлены водяные форсунки 21, подсоединенные к водяным коллекторам 22, которые соединены с водяной линией высокого давления (на фиг. не показана). В нижней части летка переходит в эжектор 23 с соплом 24, выход из которого после поворота переходит в газоход 25, подсоединенный к сепаратору 26. Сепаратор 26 газоходом 27 подсоединен к воздушному тракту котла 1 (на фиг. не показано). Выход сепаратора 26 по твердой фазе соединен с бункером накопителем 28, который соединен с теплообменным аппаратом 29 для охлаждения отсепарированного шлака сжатым воздухом.
Вход в теплообменный аппарат 29 по воздушной стороне подсоединен трубопроводом 30 к воздушному компрессору 31, а выход - трубопроводом 32 подсоединен к коллектору 20 сжатого воздуха. Трубопровод 33 подключает трубопровод 32 к соплу эжектора 24. Промежуточный выход воздуха из теплообменного аппарата 29 трубопроводом 34 подсоединен к воздушному коллектору 18.
Выход теплообменного аппарата 29 по твердому шлаку шлакопроводом 35 подсоединен к классификатору твердых частиц 36, выход которого по крупным частицам шлакопроводом 37 подсоединен к размольному устройству 38. Выход размольного устройства 38 шлакопроводом 39 подключен к смесителю 41. Выход классификатора 36 по мелкодисперсной составляющей шлака шлакопроводом 40 подсоединен к смесителю 41. Выход смесителя 41 шлакопроводом 42 соединен с вибросепаратором 43.
Выход по шлаку вибрационного сепаратора 43 соединен шлакопроводом 45 с электростатическим сепаратором 46, а выход по отсепарированному продукту соединен с продуктопроводом 44. Выход по шлаку электростатического сепаратора 46 соединен шлакопроводом 47 с магнитным сепаратором 48, а выход по отсепарированному продукту соединен с продуктопроводом 44. Магнитный сепаратор 48 по отсепарированному шлаку шлакопроводом 49 соединен с бункером шлака 50, а по ферромагнитной составляющей шлака продуктопроводом 51 соединен с бункером 52 ферромагнитных шлаковых частиц.
Продуктопровод 44 подсоединен к входу магнитного сепаратора 53, выход которого по немагнитной фазе продуктопроводом 54 подсоединен к накопителю 55 БМ, а выход по магнитной фазе продуктопроводом 56 подсоединен к бункеру 57 ферромагнитных металлов.
Описанный вариант системы работает следующим образом. При сжигании пылевидного угля в котле 1 частицы шлака и металлов выпадают на плоские защитные панели 3, закрывающие скаты воронки 2. За счет вибрации наклонных защитных панелей 3 с высокой частотой частицы шлака и металлов при контакте с поверхностью получают механический импульс, как это происходит, например, при распылении струи жидкого металла на вибрирующей поверхности при получении металлических порошков (Б.А.Агранат, А.П.Гузович, Л.Б.Нежевенко. Ультразвук в порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1986. - 186 с.). В результате частицы отражаются от вибрирующей поверхности. Кроме того, частицы падающие на поверхность и отражающиеся от нее сдуваются потоком воздуха в летку котла 4. Для этого компрессором 31 сжимается воздух и по трубопроводу 30 подается в теплообменный аппарат 29. Нагретый воздух по трубопроводу 32 подается в горелки котла, а часть его подается в коллектор 20 сжатого воздуха системы обдува 6, из которого по трубопроводам 19 через патрубки 12 поступает в коллекторы 7. Из коллекторов 7 воздух поступает в трубы 8 со щелевыми соплами, откуда через эти сопла в виде пристеночных струй подается на поверхность защитных панелей 3. Схема движения воздуха в виде струй показана на фиг.2. Струи воздуха сдувают выпадающие и отражающиеся частицы в летку 4 котла и частично охлаждают их. При взаимодействии с воздухом раскаленные частицы железа, никеля и кобальта могут частично или полностью выгорать в воздушном потоке. Часть частиц шлака или жидкого металла может выпадать на поверхность защитных панелей 3, например, при переменных режимах работы или отказах работы вибросистемы защитных панелей. Такие частицы удаляются с поверхности за счет струйной обдувки холодной водой или струйной обдувки перегретым паром, или струйной обдувки сжатым воздухом с водой.
Часть сжатого воздуха из трубопровода 32 по трубопроводу 34 поступает к соплу эжектора 24. В результате воздух с примесью топочных газов и твердых частиц удаляется через эжекторную часть 23 летки 4 котла, преодолевая отрицательный перепад давления из-за разряжения в топке котла 1. Перед эжекторной частью 23 летки 4 в газовоздушный поток через водяные форсунки 21, подсоединенные к водяным коллекторам 22, распыляют воду. В результате этого происходит быстрое отверждение шлаковых частиц и частиц жидкого металла, находящихся в потоке. Это предотвращает слипание частиц друг с другом или налипание их на стенки конструкций.
При сжигании углей стенки воронки котла воспринимают значительные тепловые потоки излучения, которые отводятся трубными экранами воронки. В предлагаемом устройстве эти тепловые потоки воспринимаются защитными панелями 3, которые экранируют скаты воронки 2 от падающего излучения. Для охлаждения защитных панелей 3 и нагрева заэкранированных ими трубных экранов воронки 2 воздух, частично нагретый в теплообменном аппарате 29, по трубопроводу 33 поступает в воздушный коллектор 18 системы обогрева воронки, откуда по трубопроводам 17 поступает в щелевое пространство между скатами воронки 2 и защитными панелями 3. На фиг.2 и 3 показана схема движения воздуха, который, покидая щелевое пространство, поступает в топку через зазоры между защитными панелями 3 и стенками топочной камеры котла 1. Ребра жесткости 3a, имеющиеся на защитных панелях 3 со стороны воронки и делающие их жесткими, выполняют роль оребрения, интенсифицирующего теплообмен. Проходя через щелевое пространство, воздух охлаждает защитные панели 3 и обогревает скаты воронки 2.
Выпадающие из газового потока частицы не могут попасть на поверхность системы 6 обдува защитных панелей 3, так как трубы 8 со щелевыми соплами и трубные коллекторы 7 закрыты защитными кожухами 10 и 11 соответственно. Для предотвращения образования отложений на поверхности защитных кожухов, соединенных в одну жесткую систему и установленную на виброопоры, к этой системе подводят механические колебания высокой частоты от вибраторов 16 через виброштанги 15. В результате колебания защитных кожухов они постоянно самоочищаются от отложений в соответствии с механизмами упомянутой работы (Б.А.Агранат и др. Ультразвук в порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1986. - 186 с.).
Покидающий эжекторную часть 23 газовоздушный поток с частицами по газоходу 25 поступает в сепаратор 26. Очищенный от твердых частиц газовоздушный поток по газоходу 27 поступает в воздуховоды котла 1 и далее подается в горелки (на фиг. не показано). Отделенная в сепараторе 26 твердая фаза из сепаратора 26 поступает в бункер накопитель 28. Из бункера накопителя 28 шлак поступает в теплообменный аппарат 29, где насыпная неслипающаяся шлаковая масса омывает поверность нагрева и постепенно спускается вниз, тем самым нагревая воздух по противоточной схеме.
Из теплообменного аппарата 29 шлак по шлакопроводу 35 подается в классификатор 36 шлаковых частиц, например вибросито, где от общего потока шлака отделяются крупные частицы. Основной поток мелкодисперсного шлака из классификатора 36 по шлакопроводу 40 поступает смеситель 41 шлака. Крупные частицы шлака, отделенные в классификаторе 36, по шлакопроводу 37 поступают в размольное устройство 38, например дезинтегратор. В размольном устройстве 37 шлак измельчается до средней крупности мелкодисперсного шлака. Измельченый шлак по шлакопроводу 39 поступает в смеситель 41, где смешивается с основным потоком мелкодисперсного шлака. Из смесителя мелкодисперсный шлак по шлакопроводу 42 подается в вибрационный сепаратор 43, где частицы металлов отделяются от частиц шлака и подаются в продуктопровод 44. Шлак по шлакопроводу 45 поступает в электростатический сепаратор 46. Отделенные в электростатическом сепараторе 46 частицы металлов подаются в продуктопровод 44, а шлак по шлакопроводу 47 подается в магнитный сепаратор 48. Очищенный в магнитном сепараторе 48 от ферромагнитных шлаковых частиц шлак по шлакопроводу 49 поступает в бункер 50, откуда может отгружаться потребителю или подаваться в систему гидрозолоудаления. Отделенные от шлака в магнитном сепараторе 48 ферромагнитные частицы по продуктопроводу 51 подаются в бункер 52 ферромагнитных шлаковых частиц.
Отделенные в сепараторах 43 и 46 металлические частицы по продуктопроводу 44 подаются в магнитный сепаратор 53. Отделенная от общей массы в магнитном сепараторе 53 немагнитная металлическая фаза по продуктопроводу 54 подается в накопитель 55 БМ, а ферромагнитные частицы продуктопроводом 56 подаются в бункер 57 ферромагнитных металлов.