EA004027B1

EA004027B1 - Система сжигания топлива с подачей кислорода и ее применения

Info

Publication number: EA004027B1
Application number: EA200200830A
Authority: EA
Inventors: Дитрих М. Гросс
Original assignee: Юпитер Оксиген Корпорейшн
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-12-25
Also published as: DE20221612U1; DK1746375T3; LV13188B; US6596220B2; JP2004520490A; YU85003A; EP1325158A1; JP2006144127A; BR0209224A; US6797228B2; EA200200830A1; US20020190442A1; CN1455854A; US6818176B2; US7282171B2; KR20080015521A; AU2002252439B2; LT2003091A; MXPA02008493A; LT5141B

Abstract

Система сжигания топлива с подачей кислорода содержит топку, снабженную по меньшей мере одной горелкой; источник кислорода для подачи кислорода, имеющего заданную степень чистоты, и источник топлива на основе углерода для подачи указанного топлива. Кислород и топливо на основе углерода подаются в печь в стехиометрической пропорции по отношению друг к другу, так что избыток кислорода или топлива на основе углерода относительно стехиометрической пропорции не превышает 5%. Сжигание топлива на основе углерода приводит к образованию пламени с температурой, превышающей 2480°С. Поток газа, отходящего из топки, имеет, по существу, нулевое содержание азотосодержащих газообразных соединений, образующихся при горении из окисляющего агента, и пониженное содержание парниковых газов. Достигается существенное снижение расхода топлива на основе углерода по сравнению с известными системами сжигания без снижения выделяемой энергии.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе сжигания топлива с подачей кислорода. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системе сжигания топлива с кислородом, обеспечивающей снижение выделения парниковых газов и сокращение потребления ископаемых топлив.

Уровень техники

Известны системы сжигания топлива с подачей кислорода. Однако их применение является весьма ограниченным. Как правило, подобные системы используются только в случаях, требующих достижения предельно высоких температур пламени. Например, такие системы могут быть использованы в производстве стекла для того, чтобы достичь температур, необходимых для расплавления кремния. При этом обычно принимается, что верхние пределы температуры, воздействию которой могут подвергаться промышленные системы, диктуются структурными и материальными ограничениями таких систем. По этой причине в печах, котлах, топках и подобных системах в подавляющем большинстве промышленных применений, включая производство, выработку электроэнергии и другие процессы, используют сжигание топливовоздушных, или огневоздушных смесей.

В частности, в производстве стали и алюминия, а также в энергетике и в других отраслях промышленности широко используются топливовоздушные системы сжигания или системы электрического нагрева, основанные на применении ископаемых топлив. В топливовоздушных системах вместе с топливом в печь (в топку) подается воздух, содержащий около 79% азота и 21% кислорода. Топливовоздушную смесь воспламеняют, создавая постоянно горящее пламя. Пламя передает энергию в форме тепла от топливовоздушной смеси к печи.

В сталелитейной и алюминиевой промышленности печи на топливовоздушной смеси и электрические печи используются в качестве первичных источников тепла для получения расплавленных металлов. При этом в отношении печей, работающих на топливовоздушной смеси, обычно принимается, что соотношение между потребностями в энергии и температурными ограничениями, накладываемыми технологическим оборудованием, делает использование подобных систем необходимым или весьма желательным. Что касается применения электрических печей в алюминиевой промышленности, то и в этом случае общепринятое мнение состоит в целесообразности использования подобных источников энергии для достижения температур, требуемых в производстве алюминия.

Одним из недостатков использования систем сжигания, работающих на топливовоздушной смеси, является то, что процессу горения в подобных системах присуще образование ΝΟχ и других парниковых газов, таких как диоксид углерода, диоксид серы и др. ΝΟχ и другие парниковые газы вносят существенный вклад в загрязнение окружающей среды, в частности (но не только) в образование кислотных дождей. По этой причине уменьшение эмиссии ΝΟχ и других парниковых газов представляется желательным, причем допустимая эмиссия существенно ограничивается существующими правилами охраны окружающей среды. Для их выполнения в известные системы сжигания должны вводиться различные устройства, которые ограничивают и/или уменьшают уровни выбросов ΝΟχ и других производимых парниковых газов.

Другим недостатком, свойственным системам, работающим на топливовоздушных смесях, является то, что значительная часть энергии, выделяемой в ходе процесса сгорания, поглощается или используется для нагрева газообразного азота, присутствующего в воздухе, который подается в печь. Эта энергия, по существу, растрачивается, поскольку нагретый газообразный азот в типичном случае просто отводится от источника тепла, т. е. от печи или топки. Как следствие, значительная часть расходов на энергию теряется при выводе тепла в окружающую среду через дымовую трубу или аналогичное устройство. Специалистам в данной области техники известны и другие недостатки систем сжигания на топливовоздушной смеси.

Электропечи также обладают характерными недостатками. Например, подобным системам присуща потребность в электроэнергии, которая должна поступать непрерывно, без каких-либо прерываний. В связи с тем, что для функционирования электропечей необходимы значительные количества электроэнергии, в типичном случае оказывается необходимым размещать эти электропечи вблизи электростанций и/или мощных сетей передачи энергии. Кроме того, чтобы обеспечить функционирование печи с оптимальной или близкой к оптимальной эффективностью, необходимо выполнять большой объем работ по ее обслуживанию. Далее, использование электропечей означает неэффективное преобразование топлива в электроэнергию (большинство крупных электростанций, работающих на ископаемом топливе, используют паровые турбины, коэффициент полезного действия которых составляет менее 40% и в типичном случае менее 30%).

Кроме того, такие крупные электростанции производят особенно большие количества ΝΟχ и других парниковых газов.

Например, при промышленной обработке алюминия и, более конкретно, в процессе переработки лома алюминия, общепринятый подход состоит в том, что температура в печах должна поддерживаться в интервале от 1375 до 1648°С. Считается, что в этом интервале достигается баланс между энергией, необходимой для полу чения количества тепла, достаточного для расплавления лома алюминия, и поддержанием адекватного значения температуры в ванне расплавленного металла, соответствующей примерно 790°С. Для того, чтобы сохранить структурную целостность печей, известные печи имеют такую конструкцию, чтобы температуры пламени в типичном случае не превышали 1648°С. Таким образом, предполагается, что превышение указанного температурного предела может ослабить несущую структуру печи и тем самым привести к катастрофическим последствиям. При этом значения температуры шлака для традиционных печей обычно лежат вблизи 870°С. Следовательно, разность между температурами пламени и выбросов из печи составляет всего лишь около 780°С. Это приводит к неэффективному использованию энергии в процессе сжигания.

Предполагается также, что тепловые потери и опасность повреждения оборудования печей, в которых температуры пламени превысят 1648°С, существенно перевешивают любое повышение эффективности работы, которое может быть достигнуто за счет повышения температур пламени. Таким образом, общепринятые взгляды и в этом аспекте полностью поддерживают применение печей, работающих на топливовоздушной смеси, в которых верхний предел температуры пламени примерно равен (в соответствии со стехиометрией пламени) 1648°С, что обеспечивает сохранность печи и уменьшает потери энергии.

В соответствии с изложенным существует потребность в системе сжигания, которая обеспечивает преимущества, связанные со снижением загрязнения окружающей среды (в отношении ΝΟχ и других парниковых газов), и одновременно более эффективное использование энергии. Желательно также, чтобы подобную систему сжигания можно было использовать для широкого круга промышленных применений, от отраслей, связанных с производством и применением энергии, до химических производств, производства и обработки металлов и т.д. В частности, подобная система сжигания должна быть пригодна для процессов переработки металлов, например алюминия, в которых система сжигания сможет обеспечить повышенную энергетическую эффективность и уменьшение нежелательных выбросов. Существует также потребность, особенно в отрасли переработки лома алюминия, в технологическом оборудовании (особенно в печах), которое сконструировано и сконфигурировано таким образом, чтобы выдерживать повышенные температуры пламени, ассоциируемые с подобной высокоэффективной системой сжигания, а также обеспечивать повышенную энергоэффективность и сокращать выработку загрязняющих выбросов.

Сущность изобретения

Система сжигания содержит топку (далее для простоты изложения, термин топка используется в широком смысле, охватывающем также понятие печь), находящуюся в контролируемой среде и снабженную, по меньшей мере, одной горелкой. Система сжигания имеет также в своем составе источник кислорода для подачи кислорода, имеющего заданную степень чистоты, и источник топлива на основе углерода. Предлагаемая система сжигания с подачей кислорода повышает эффективность потребляемого топлива (т.е. требует меньше топлива), производит нулевое количество ΝΘ.\ (не считая присутствия этих оксидов в компонентах топлива) и существенно уменьшенное количество других парниковых газов.

Кислород и топливо на основе углерода подают в топку в стехиометрической пропорции по отношению друг к другу для того, чтобы избыток кислорода или топлива на основе углерода относительно стехиометрической пропорции не превышал 5%. Температура пламени, образующегося при сжигании топлива на основе углерода, превышает в этих условиях 2480°С. Температура потока газа, отходящего из топки, не превышает примерно 593°С.

В предпочтительном варианте система сжигания включает в себя систему управления для управления подачей в топку топлива на основе углерода и кислорода. Система управления обеспечивает подачу в топку топлива на основе углерода только следом за подачей кислорода. При этом управление подачей в печь топлива на основе углерода и кислорода осуществляется в зависимости от заданной температуры расплавленного алюминия. В таком случае температура расплавленного алюминия определяется с помощью соответствующего датчика.

Топливо на основе углерода может представлять собой топливо любого типа. В одном из вариантов осуществления изобретения это топливо представляет собой газ, в частности природный газ, метан или другой подобный газ. Альтернативно, топливо может представлять собой твердое топливо, в частности, уголь или угольную пыль. Еще в одном варианте топливо может представлять собой жидкое топливо, в частности, нефтяное топливо (топочный мазут) или отработанные масла.

В одном из примеров осуществления система сжигания по изобретению используется в системе переработки лома алюминия для получения алюминия из лома. Такая система содержит печь, удерживающую расплавленный алюминий при заданной температуре и снабженную, по меньшей мере, одной горелкой. В состав этой системы входит также источник кислорода для подачи кислорода в печь через систему сжигания топлива. Для достижения максимальной эффективности чистота подаваемого кислорода должна быть, по меньшей мере, 85%.

Имеющийся также источник топлива на основе углерода обеспечивает подачу этого топлива. Кислород и топливо на основе углерода подают в печь в стехиометрической пропорции по отношению друг к другу, так что избыток кислорода или топлива на основе углерода относительно стехиометрической пропорции не превышает 5%. Температура пламени, образующегося при сжигании топлива на основе углерода, превышает в этих условиях 2480°С. Температура потока газа, отходящего из печи, не превышает примерно 593°С.

В системе переработки описанного типа в результате сжигания кислорода и топлива выделяется энергия, которую используют для получения алюминия из лома при расходе энергии, составляющем 600 ккал на каждый килограмм получаемого алюминия. Топливом при этом может служить газ, в частности природный газ, а также твердое или жидкое топливо.

В рассматриваемой системе переработки тепло, выделяемое в печи, может быть утилизировано в системе утилизации избыточного тепла. Утилизированное тепло может быть преобразовано в электрическую энергию.

В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения система сжигания имеет в своем составе установку для получения кислорода. В качестве такой установки может быть применена криогенная установка, разделяющая воздух на кислород и азот. Альтернативные варианты могут включать мембранное или какое-либо иное разделение. Кислород может быть также получен путем разделения воды на кислород и водород. В системе по изобретению кислород может храниться для его использования по мере возникновения потребности. Известны также и другие системы для получения/выделения кислорода.

В общем случае система сжигания с подачей кислорода может применяться совместно с любой топкой или печью, в которой поддерживается контролируемая среда. Другими словами, пригодной является любая топка (печь), выполненная с возможностью предотвращения поступления воздуха из наружной среды. Как уже указывалось, система сжигания по изобретению содержит источник кислорода для подачи кислорода заданной чистоты и источник топлива на основе углерода для подачи указанного топлива.

Кислород и топливо на основе углерода подаются в топку в стехиометрической пропорции по отношению друг к другу, так что избыток кислорода или топлива на основе углерода относительно стехиометрической пропорции не превышает 5%. В топке по изобретению поток газа, отходящего из топки, имеет, по существу, нулевое содержание азотосодержащих газообразных соединений, образованных в результате сжигания. Действительно, поскольку в топку не подается азот (не считая азота, который может содержаться в топливе), отходящий газ, по существу, не содержит никаких азотосодержащих газообразных соединений, образовавшихся при горении (т.е. ИОх), и содержит существенно уменьшенное количество других парниковых газов.

Система сжигания по изобретению может использовать топливо любого типа на основе углерода. Этим топливом может быть газ, в частности природный газ, метан или другой подобный газ, любое твердое топливо, в частности, уголь или угольная пыль, а также любое жидкое топливо, в частности нефтяное топливо, а также отработанные масла или очищенное масло. В системе данного типа любые азотосодержащие газообразные соединения образуются в процессе горения только из азота, содержащегося в топливе.

Способ получения алюминия из лома, предложенный в рамках настоящего изобретения, предусматривает подачу лома алюминия в плавильную печь и сжигание в этой печи кислорода и топлива на основе углерода. При этом кислород и топливо на основе углерода подают в печь в стехиометрической пропорции по отношению друг к другу, так что избыток кислорода или топлива на основе углерода относительно стехиометрической пропорции не превышает 5%. В результате температура пламени, образующегося при сжигании, превышает в этих условиях 2480°С, а температура потока газа, отходящего из печи, не превышает примерно 593°С.

В печи происходит плавление алюминия; алюминий, загрязненный шлаком, удаляют из печи и осуществляют разливку, по существу, чистого алюминия из печи. Способ по изобретению может также включать операцию по выделению алюминия из алюминия, загрязненного шлаком (дроссом), с загрузкой выделенного алюминия в печь.

Данный способ может также предусматривать утилизацию тепла, отводимого из печи. Отводимое избыточное тепло может быть преобразовано в электроэнергию.

Печь для получения алюминия из лома алюминия содержит зону ванны металла для удерживания расплавленного алюминия при заданной температуре, и, по меньшей мере, одну горелку. Источник кислорода обеспечивает подачу кислорода с чистотой, по меньшей мере, 85%, а источник подачи топлива на основе углерода обеспечивает подачу этого топлива, представляющего собой природный газ, уголь, нефтепродукты и т. д.

Кислород и топливо подаются в печь в стехиометрической пропорции по отношению друг к другу, так что избыток кислорода или топлива на основе углерода относительно стехиометрической пропорции не превышает 5%. Температура пламени, образующегося при сжи004027 гании, превышает 2480°С, а температура потока газа, отходящего из печи, не превышает 593°С.

В одном из вариантов осуществления печь по изобретению изготовлена из стальных плит, стальных балок и огнеупорных материалов. Стенки печи образованы из стальных балок, кожуха из плит, по меньшей мере, одного слоя деформируемого изоляционного материала, по меньшей мере, одного слоя огнеупорных кирпичей и, по меньшей мере, одного слоя плавлено-литого огнеупорного материала. Под печи включает в себя стальные балки и оболочку из плит, по меньшей мере, два слоя огнеупорного материала, по меньшей мере, один из которых является плавлено-литым огнеупорным материалом.

Предложен также бессолевой способ выделения алюминия из алюминия, загрязненного шлаком (называемым также дроссом). В соответствии с данным способом загрязненный шлаком алюминий подают в печь, снабженную системой сжигания с подачей кислорода при отсутствии избытка кислорода, обеспечивающей температуру пламени около 2760°С. Алюминий, загрязненный шлаком, плавится внутри печи.

Верхний слой расплавленного алюминия, загрязненного шлаком, снимают с получением продукта с высоким содержанием шлака. Продукт с высоким содержанием шлака прессуют на механическом прессе для отделения алюминия от продукта с высоким содержанием шлака с получением концентрированного продукта с высоким содержанием шлака. Данный способ может также включать операцию возврата концентрированного продукта с высоким содержанием шлака в печь. Ввод алюминия, загрязненного шлаком, в печь производят при непосредственном воздействии на алюминий пламенем с близкого расстояния, чтобы высвободить оксиды, входящие в состав шлака.

Перечень фигур чертежей

Эти и другие признаки и достоинства настоящего изобретения станут более понятными для специалистов в соответствующей области техники из его нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 представлена блок-схема приводимого в качестве примера варианта процесса получения алюминия из лома в плавильной печи, выполненной согласно изобретению, т.е. снабженной системой сжигания с подачей кислорода и обеспечивающей за счет этого уменьшение выделения парниковых газов, а также сокращение расхода топлива.

На фиг. 2 представлена блок-схема утилизации шлака на последующем этапе с использованием печи утилизации, снабженной системой сжигания с подачей кислорода, выполненной в соответствии с изобретением.

На фиг. 3, в качестве примера, изображены одна линия подачи кислорода и одна линия подачи топлива на основе углерода, входящие в состав системы сжигания с подачей кислорода.

На фиг. 4 приведена общая блок-схема завода по переработке алюминия, иллюстрирующая подачу кислорода от криогенной установки в соответствующие печи, а также пример установки для утилизации тепла.

Фиг. 5 представляет собой схематичную иллюстрацию плавильной печи для алюминия, используемой с системой сжигания, построенной в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фиг. 6 печь по фиг. 5 показана на виде сбоку.

На фиг. 7 печь по фиг. 5 показана на виде спереди.

На фиг. 8 и 9 показаны, частично в сечении, соответственно боковая стенка и под печи по фиг. 5-7.

Фиг. 10 иллюстрирует конструкцию горелки, предназначенной для использования в системе сжигания с подачей кислорода.

Фиг. 11 - это схематичная иллюстрация одного из вариантов системы управления, предназначенной для использования в составе системы сжигания с подачей кислорода по настоящему изобретению.

Фиг. 12 - это схематичное изображение приводимой в качестве примера передней стенки парового котла или топки, поясняющее выполнение горелки и канала подачи воздуха, а также встраивание системы сжигания по настоящему изобретению.

На фиг. 13 представлено схематичное изображение мусоросжигательной печи, иллюстрирующее встраивание в нее системы сжигания по настоящему изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Хотя настоящее изобретение может быть осуществлено в различных формах, на чертежах и в дальнейшем описании будет представлен предпочтительный вариант его осуществления, который приводится только в качестве примера и не должен рассматриваться как ограничивающий объем изобретения только этим вариантом. Название данного раздела, а именно Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, приведено в соответствии с формальными требованиями к заявке и не должно рассматриваться как вносящее какие-либо ограничения в объем представляемого изобретения.

Предлагаемая система сжигания с подачей кислорода использует, по существу, чистый кислород, который, в сочетании с подаваемым топливом используется для производства тепла за счет формирования пламени (т.е. за счет процесса сжигания) эффективным и безвредным для окружающей среды методом. Кислород, который подается в составе окисляющего аген та, может иметь концентрацию от 85% до более 99%, однако предпочтительно использовать как можно более чистый кислород. Согласно изобретению кислород высокой чистоты и топливо подают в стехиометрической пропорции по отношению друг к другу в горелку топки (или печи). Кислород и топливо воспламеняют для того, чтобы высвободить энергию, запасенную в топливе. В контексте настоящего изобретения термин топка должен иметь широкую интерпретацию, т.е. охватывать любой промышленный или коммерческий генератор теплоты, в котором сжигается ископаемое топливо (т.е. топливо на основе углерода). В предпочтительном варианте концентрация, или степень чистоты кислорода является высокой, насколько это возможно, для того, чтобы уменьшить образование парниковых газов.

Предполагается, что может быть использовано практически любое топливо. Например, как будет более подробно описано далее, кислород может подаваться в топку для сжигания совместно с природным газом. Другие рассматриваемые типы топлива включают нефтепродукты, в том числе продукты перегонки и отработанные масла, а также древесину, уголь, угольную пыль, отходы (мусор) и т.д. Специалистам в данной области должно быть известно множество различных типов топлива, которые можно использовать в системе сжигания по настоящему изобретению.

Настоящее изобретение имеет два принципиальных отличия от общепринятых процессов. Во-первых, традиционные процессы для осуществления сжигания используют воздух (в качестве окисляющего агента, обеспечивающего подачу кислорода), а не, по существу, чистый кислород. В процессе сжигания участвует кислородная составляющая воздуха (соответствующая примерно 21%), тогда как остальные компоненты (в основном, азот) нагреваются и выбрасываются из топки (или печи). Во-вторых, согласно изобретению для того, чтобы обеспечить полное сгорание топлива, кислород используется в стехиометрической пропорции по отношению к топливу. Таким образом, в систему сжигания не подается никакого избыточного кислорода.

Использование настоящего изобретения позволяет получить многочисленные выгоды и преимущества. Как будет описано далее, было экспериментально отмечено сокращение потребления топлива, требуемого для производства эквивалентного количества энергии или теплоты. Это сокращение может достигать примерно 70%. Важно подчеркнуть, что в результате может быть достигнуто огромное сокращение выбросов, загрязняющих окружающую среду. При этом в некоторых применениях выбросы ΝΟχ могут быть сведены, по существу, к нулю, а выбросы других парниковых газов уменьшены примерно на 70% по сравнению с традиционными системами сжигания, работающими на топливовоздушной смеси.

Пример способа переработки лома алюминия

В одном из своих конкретных применений система сжигания с подачей кислорода используется в составе завода 10 для переработки лома алюминия. Непрерывный процесс применительно к одному из вариантов завода иллюстрируется фиг. 1-2. Лом алюминия, обозначаемый, как 12, подается в плавильную печь 14, где он переходит в жидкое состояние. В состав завода 10 могут входить несколько параллельно работающих печей 14, только одна из которых показана на чертеже. Жидкий, т.е. расплавленный металл выводится из плавильной печи 14 и подается в накопительную печь, или накопитель 16 меньшего объема. Накопительная печь 16 также использует систему сжигания с подачей кислорода, т.е. работает на топливокислородной смеси. Расплавленный алюминий выводится из плавильной печи 14 по мере необходимости таким образом, чтобы поддерживать определенный заданный уровень в накопительной печи 16. Это условие может выполняться, с учетом существующих требований, путем вывода металла из плавильной печи 14 непрерывно или отдельными порциями.

В накопительную печь 16 подаются хлор 18 и азот 20 (в газообразной форме) для того, чтобы облегчить удаление примесей из расплавленного алюминия. Хлор и азот действуют как газообразные флюсы, отбирающие примеси из алюминия. Эта операция может производиться также и в плавильной печи 14 для улучшения очистки лома, загрязненного маслами или другими примесями. Другие возможные варианты флюсов включают газообразный гексафторид аргона. Накопитель 16 активно нагревают, причем он функционирует при температуре расплавленного металла, т.е. примерно при 700°С. Температура воздуха внутри накопителя 16 несколько выше.

Затем осуществляют фильтрацию расплавленного алюминия. В настоящее время для этого применяют фильтр 22 частиц, выполненный в форме мешка. Однако известны и могут быть использованы и фильтры других типов. Профильтрованный расплавленный алюминий затем проходит через дегазатор 24.

В дегазаторе 24 к расплавленному алюминию подают агент, выполняющий функцию флюса, в качестве которого служит инертный газ 26 (снова азот). Расплавленный алюминий перемешивают, например, с помощью механической мешалки 28; при этом агент-флюс проходит сквозь расплавленный алюминий и выводит из алюминия примеси (например, оксиды).

После этого расплавленный алюминий подают на линию 30 разливки. На линии 30 разливки производится разливка алюминия в виде единого слитка. Толщину слитка можно плавно варьировать в пределах от 0,25 мм до 19 мм.

После этого слиток алюминия может быть смотан в рулон, обозначенный, как 32, для использования на дальнейших стадиях обработки. В описываемом варианте способа после линии 30 разливки алюминий проходит через пару машин 34 горячей прокатки для обеспечения окончательной толщины слитка, которая в настоящее время составляет 2,06 мм, и после этого сматывается в рулон 32. Специалистам в данной области должны быть известны различные варианты заключительного формования и окончательной обработки, которым может быть подвергнут полученный металл. Все подобные варианты охватываются настоящим изобретением.

Как уже было указано ранее, плавильная печь 14 представляет собой печь, работающую на топливокислородной смеси. В нее подают топливо на основе углерода, такое как природный газ, в стехиометрическом отношении с кислородом. Это отличает данную печь от известных печей, которые используют топливовоздушную смесь. В составе топливовоздушных смесей в печь, вместе с кислородом, который поддерживает процесс горения, подают также азот. Это приводит к производству нежелательных выпускных газов, содержащих ΝΟχ. Кроме того, азот также поглощает энергию из расплавленного алюминия, что снижает общую энергоэффективность процесса. Другими словами, поскольку содержание азота в воздухе столь велико, значительное количество энергии тратится на нагрев азота, вместо алюминия.

Соотношение кислород/природный газ в плавильной и накопительной печах 14, 16 составляет в соответствии с изобретением примерно 2,36:1. Это отношение будет варьироваться в зависимости от чистоты подаваемого кислорода и характера топлива. Например, при идеальных условиях подачи кислорода, чистого на 100%, теоретически рассчитанное соотношение равняется 2,056:1. Однако подаваемый кислород может содержать до 15% других составляющих, тогда как природный газ также может не иметь стопроцентной чистоты. В связи с этим специалистам должно быть ясно, что указанные соотношения могут изменяться в небольших пределах, однако основы для расчета нужного соотношения, т.е. стехиометрические пропорции топлива и кислорода, будут оставаться неизменными.

Использование указанного соотношения кислород/топливо дает ряд преимуществ. Вопервых, стехиометрические пропорции обеспечивают полное сгорание топлива, что приводит к уменьшению количества моноксида углерода, ΝΟχ и других нежелательных компонентов (соответствующих, в общем случае, другим парниковым газам). Кроме того, контролируемое содержание кислорода уменьшает также количество оксидов, присутствующих в расплавленном алюминии. Это, в свою очередь, позволяет получить конечный продукт более высокого каче ства, при меньших затратах на удаление нежелательных оксидных примесей.

Важно отметить, что точный контроль соотношения кислород/топливо гарантирует полное сгорание топлива. Это составляет резкий контраст с, например, электростанциями на ископаемом топливе, которые ведут борьбу с потерями веса при прокаливании. По существу, эти потери означают неполное сгорание топлива. В отличие от этого, использование, по существу, чистого кислорода в строго контролируемой стехиометрической пропорции по отношению к топливу минимизирует и, возможно, исключает подобные потери. Кроме того, в способе по изобретению единственным теоретически возможным источником ΝΟχ являются оксиды ΝΟχ, содержащиеся в топливе, а не оксиды, которые в известных способах образуются при сжигании топлива с использованием воздуха. Таким образом, содержание ΝΟχ, если и не исключается полностью, то снижается до незначительных количеств по сравнению с обычными системами сжигания.

Оксиды в алюминии образуются из двух основных источников. Во-первых, из процесса сжигания топлива; во-вторых, из оксидов, находящихся в исходном алюминии. Это особенно справедливо для лома низкого качества или первичного металла. Способ по изобретению учитывает оба названных источника оксидов и снижает или устраняет их влияние на конечный продукт на основе алюминия. Во-первых, способ по изобретению уменьшает количество оксидов, которые могли бы образоваться в результате подачи кислорода для сжигания топлива. Это достигается благодаря жесткому контролю над подачей кислорода, которая соответствует только количеству, необходимому для обеспечения стехиометрической пропорции, приводящей к полному сгоранию топлива.

Согласно настоящему изобретению учитываются и источники оксидов, относящиеся ко второй группе (оксиды, присутствующие в алюминии). Эти оксиды удаляют путем дегазации и фильтрации. При этом достигается двойное преимущество. Во-первых, образуется меньшее количество отходов в виде оксидной шлаковой пленки Ό. Во-вторых, существенно повышается качество конечного продукта.

Было также обнаружено, что использование топливокислородной смеси (в отличие от топливовоздушной смеси) приводит к более высоким температурам пламени внутри плавильной печи. Для смеси кислород/топливо температура пламени в печи может достигать 2760°С. Это на 1100-1400°С выше, чем температура в других, известных печах. Было отмечено также, что применение смеси кислород/топливо в сочетании с более высокими температурами пламени приводит к чрезвычайно высокой эффективности процесса. В качестве одной из мер эффективности может быть использована энер гия, необходимая для получения одного килограмма готового продукта. В известном процессе эта энергия составляет примерно 2000 ккал. В установке по настоящему изобретению для получения килограмма конечного продукта требуется существенно меньше энергии, а именно около 600 ккал. Следует также отметить, что хотя термин топливо в приведенном описании употреблялся применительно к природному газу, может быть использовано и любое другое топливо на органической основе, в том числе нефтепродукты (включая отработанное индустриальное масло), уголь, угольную пыль и т.д.

Для лучшего понимания термодинамики описываемого процесса можно указать, что теоретически количество энергии, необходимое для расплавления 1 кг алюминия, составляет около 278 ккал. Однако было обнаружено, что из-за специфических факторов, снижающих эффективность, реально необходимая энергия в случае использования системы, работающей на топливовоздушной смеси, составляет примерно 2000 ккал. Упомянутые факторы учитывают, в частности, что реальное время, в течение которого происходит переработка алюминия, оказывается меньшим, чем полная длительность горения. Учитывается также нестабильность на выходе печи, в частности, увеличение или уменьшение длины слитка. Кроме того, вклад в отмеченную разность значений энергии вносят другие теплопотери, например, теплопотери в дымовой трубе или через стенки печи.

Следует также отметить, что значение 600 ккал, указанное применительно к способу по изобретению, соответствует усредненной потребности в энергии, даже с учетом рассмотренных теплопотерь. При этом было обнаружено, что когда процесс протекает в условиях высокой эффективности, когда переработка алюминия ведется почти непрерывно, т. е. не имеет место горение в печи при отсутствии переработки, средняя потребность в энергии может быть сокращена примерно до 417-500 ккал.

Плавильная печь

Плавильная печь 14 в установке по изобретению изготавливается преимущественно из стали и огнеупорных материалов. Размеры наружного кожуха печи, показанной на фиг. 5-9, составляют около 6,1 м в ширину, около 12,2 м в длину и 3,7 м в высоту. Структура стального кожуха сформирована из плит и балок. Плиты и балки, образующие стальной кожух 42, будут далее обозначаться соответственно, как 44 и 46, за исключением особых случаев. Под 48 печи сформирован из сваренных стальных плит 44 толщиной 25 мм. Каждый сварной шов проходит над балкой 46 для того, чтобы обеспечить целостность кожуха 42 печи.

В качестве опор пода 48 предусмотрены также дополнительные балки 46. На каждой балке 46 через каждые 46 см предусмотрен фланец шириной 20,3 см. Все балки 46 (за исключением соединительных балок, которые полностью приварены) прикреплены к нижним плитам 50 способом, допускающим изменение их размеров за счет теплового расширения при нагреве.

Балки 46 служат опорой для дна 54 пода и обеспечивают его жесткость. Наличие балок 46 позволяет придать жесткость печи 14 и избежать прогибов при установке огнеупорных компонентов, а также обеспечить длительный срок службы печи. Использование балок 46 в качестве опор позволяет также минимизировать механическую нагрузку на огнеупорные компоненты в процессе работы печи. Кроме того, балки 46 позволяют приподнять дно 52 печи от пола, на котором установлена печь 14. Это делает возможным отвод тепла из-под низа печи 14.

Боковые стенки 54 печи выполнены аналогичным образом в виде конструкции из стальных плит и балок. Можно выделить две зоны на боковых стенках: выше уровня металла и ниже этого уровня. Такое деление вводится с учетом требований по прочности и температурным характеристикам.

Ниже уровня металла толщина плит составляет 19 мм. Выше уровня металла эта толщина составляет около 16 мм. В рассматриваемой печи нижняя часть до высоты 2,4 м из конструктивных соображений рассматривается как лежащая ниже уровня металла, а остальная, верхняя часть - как лежащая выше уровня металла.

Балки 46 служат опорами для боковых стенок 54 печи 14. Балки 46 установлены на вертикальных стойках, расположенных через каждые 45 см по периметру печи 14. В зоне, лежащей ниже уровня металла, горизонтальные балки 46 расположены друг от друга на межосевом расстоянии, равном 45 см, а в зоне, лежащей выше уровня металла, - на межосевом расстоянии, равном 61 см. Хотя реальный уровень металла в печи изменяется, при конструировании печи под ним понимается самый высокий уровень металла, который будет иметь место в печи 14 при ее нормальном функционировании. Могут быть приняты во внимание и другие факторы, с учетом которых расчетный уровень металла может быть установлен примерно на 23 см выше максимального уровня заполнения металлом печи 14.

Потолок (свод) 56 печи 14 сконструирован с использованием подвесных огнеупорных компонентов. Балки 46 установлены по ширине печи 14 с межосевым расстоянием 45 см. К этим балкам 46 приварены дополнительные балки 46, которые расположены по длине печи 14. На балках установлены зажимы, к которым крепятся предварительно отлитые огнеупорные блоки.

На своей боковой стороне 54 печь 14 имеет два главных окна 58. Окна 58 используются в процессе работы печи для удаления шлака или очистки главной нагревательной камеры, или ванны 60 печи и для загрузки этой главной камеры. Дросс Ό (загрязняющий шлак, который образуется на поверхности расплавленного алюминия) накапливается внутри печи 14 и должен удаляться из нее, по меньшей мере, раз в день для того, чтобы сохранять показатели теплопередачи. Шлак Ό удаляют путем открывания окон 58 и снятия шлака с поверхности расплавленного металла.

Хотя в ходе нормальной работы металл или лом помещают в загрузочный колодец 62, после чего он расплавляется и переносится в нагревательную камеру 60, некоторые типы лома, в частности, застывший металл или чушки, предпочтительно загружать непосредственно в нагревательную камеру 60. Для того чтобы загружать лом подобного типа в нагревательную камеру 60, предусмотрена возможность открывать окна 58.

Окна 58 представляют собой конструкцию из стали и огнеупорных материалов. Дверцы окон подвешены с помощью механической системы шкивов (не изображена) и снабжены цепями безопасности для того, чтобы предотвратить их падение на землю в случае выхода из строя системы шкивов. Для перемещения дверец используются электролебедки. Окна 58 подвешены к общей поперечине, которая установлена на боковой стороне 54 печи 14.

Главный загрузочный колодец 62 расположен на передней стороне 64 печи 14. Колодец 62 отделен от нагревательной камеры 60 печи и разделен на две зоны: загрузочную зону 66 и зону 68 циркуляционного насоса. Циркуляционный насос 70 перекачивает металл из горячей ванны 60 расплавленного алюминия в загрузочную зону 66.

Между объемами 60, 66 и 68 имеются три отверстия, обозначенные, как 72, 74 и 76. Первое отверстие 72 выполнено в стенке между главной нагревательной камерой 60 и зоной 68 циркуляционного насоса. Второе отверстие 74 выполнено в стенке между зоной 68 циркуляционного насоса и загрузочной зоной 66. Третье отверстие 76 выполнено в стенке между загрузочной зоной 66 и главной нагревательной камерой 60.

Все названые отверстия 72, 74 и 76 расположены примерно на 31 см ниже физического, или реального уровня металла в печи 14. Такое расположение отверстий 72, 74 и 76 выбрано для того, чтобы удерживать тепло внутри главной нагревательной камеры 60, предотвратить перетекание шлака между разделенными зонами печи 14, а также сохранить герметичность (т.е. обеспечить контролируемую среду внутри печи 14). Насос 70 расположен на соответствующем возвышении для того, чтобы предотвратить скапливание в нем или вблизи него избыточного количества загрязнений, камней и шлака.

Над загрузочной зоной 66 установлен вытяжной колпак 78. Колпак 78 изготовлен из ста ли и смонтирован на балках 46, аналогичных тем, из которых изготовлены боковые стенки 54 печи. Балки 46 установлены на плите, которая перекрывает боковую стенку загрузочного колодца, фактически закрывая его. Колпак 78 обеспечивает отвод газов из главной нагревательной камеры 60 через дымоотводящую трубу 80 (см. фиг. 4). Дымоотводящая труба 80 выводит газы из печи 14; она может быть перекрыта для поддержания давления внутри печи 14.

Отходящие газы выходят из печи 14 и поступают в рукавный пылеуловитель 82 (см. фиг. 4). Рукавный пылеуловитель служит, в основном, для улавливания несгоревшего углерода от красок, масел, растворителей и других подобных компонентов, присутствующих в процессе переработки лома алюминия.

Печь 14 содержит четыре горелки 84, работающие на топливокислородной смеси. Горелки 84 установлены на боковой стенке 54 печи 14, напротив окон 58. Вокруг горелок 84 предусмотрена стальная конструкция, позволяющая смонтировать горелки и обеспечить жесткость соответствующей стенки.

Печь 14 выложена огнеупорными материалами. Под 48 выполнен из двух различных огнеупорных материалов. Первый материал 86 представляет собой сляб толщиной примерно 15 см, изготовленный разливкой высокопрочного плавлено-литого огнеупорного материала, например марки АР Огееи К8-4, который образует подстилающий слой пода. Материал 88, непосредственно формирующий под, заливается поверх материала 86 в виде монолитного слоя, имеющего толщину примерно от 33 до 36 см. Материал 88 является огнеупорным материалом марки АР Огееи 70АК.. Он представляет собой плавлено-литой огнеупорный материал, стойкий по отношению к алюминию и содержащий 70% оксида алюминия.

Стенки 54, 64 и 65 изготовлены из двух слоев изолирующего материала 90, на который нанесен слой материала 70АК. или же плавленолитого или монолитного пластичного трамбовочного огнеупорного материала 92 с фосфатной связкой (ΜΟΝΟ Р85). Содержание оксида алюминия в этом материале составляет 85%. Изолирующий материал 90 выполнен в виде доски толщиной около 5,1 см на боковой стенке 54 печи и около 7,6 см на передней и задней стенках 64, 65 печи. Использование слоев материала 90, имеющих разную толщину, позволяет учесть тепловое расширение печи 14. Толщина стенок 54, 64 и 65 будет при этом увеличиваться примерно на 3 мм на каждые 30 см длины. В связи с этим длина печи (составляющая около 12,2 м) будет возрастать примерно на 12 см. Поскольку предусмотрено наличие изоляции 90 общей толщиной 15,2 см (по 7,6 см на передней и задней стенках), при расширении стенок 54, 64 и 65 она будет деформироваться, не повреждая кожух 42 печи.

Между деформируемой изоляцией 90 и плавлено-литым огнеупорным материалом 92 проложен огнеупорный кирпич 94. Свод 56 изготовлен из плавлено-литого огнеупорного материала с содержанием оксида алюминия 70%. Этот материал заливается в 6 секций свода. Каждая рама окна 58 изготовлена из огнеупорного материала типа ЛК с содержанием оксида алюминия 70%.

Печь 14 имеет два набора выпускных блоков (не изображены). Первый набор расположен на дне 52 печи и служит в качестве сливных блоков. Второй набор выпускных блоков установлен на высоте 41 см над подом и служит для целей разливки. Для упрощения их замены блоки второго набора установлены снаружи печи. Эти блоки устанавливаются после формирования внутреннего пространства печи и фиксируются с помощью пластичного трамбовочного материала.

У печи имеются также две (не изображенные на чертеже) наклонные платформы (рампы), по одной у каждого главного окна 58. Эти рампы служат для отвода шлака Ό от расплавленного металла и для загрузки алюминия соскальзыванием в печь. Рампы состоят из двух различных материалов. Основание выполняется из низкосортных кирпичей, устойчивых к алюминию. Кирпичи укладываются с образованием наклонной платформы и покрываются слоем плавлено-литого огнеупорного материала, например, типа 70АК толщиной около 45 см. Каждая рампа доходит до кромки окна печи.

Стенка 96, которая разделяет главную нагревательную камеру 60 и загрузочный колодец 62, имеет толщину около 56 см и выполнена из материала 70 АК. Стенка 96 отлита, как единая монолитная структура.

Печь 14 может функционировать в различных режимах, в том числе, когда она пустая и когда поддерживает алюминий в расплавленном состоянии. Когда печь 14 работает в режиме максимальной нагрузки, ее внутреннее пространство заполнено на 80-90%. Расплавленный металл находится при температуре примерно 760°С, а температура воздуха в печи составляет около 980°С. Температура отходящих газов составляет примерно 538°С. Температура воздуха измеряется термопарой, установленной в верхней части боковой стенки 54 печи 14. Температура металла измеряется у основания циркуляционного насоса 70.

Лом загружается, или вводится в печь через загрузочный колодец 62 порциями примерно по 1300 кг. Следует иметь в виду, что количество загружаемого лома должно зависеть от размера и емкости печи 14.

Расплавленный металл из главной нагревательной камеры 60 откачивается на холодный загруженный металл посредством циркуляционного насоса 70. Расплавленный металл за счет теплопроводности переносит тепло к холодному загруженному металлу. Загруженный металл быстро нагревается и расплавляется.

Как уже указано, главный путь передачи тепла к загруженному алюминию - это теплопроводность. Большая теплоемкость металла в заполненной печи повышает эффективность этого способа теплопередачи. Когда печь заполнена на 80-90% от своей предельной емкости, в ней находится около 10 т расплавленного алюминия при температуре около 760°С. При загрузке лома в печь 14 ванна расплавленного металла действует как тепловой резервуар и обеспечивает необходимую энергию для переноса тепла к загруженному металлу. Эта ситуация справедлива к предлагаемой печи, адаптированной для использования предлагаемой системы сжигания, работающей на топливокислородной смеси, независимо от емкости и размеров печи. Циркуляционный насос 70 способствует расплавлению лома путем подачи горячего расплавленного металла в загрузочный колодец 62 из главной нагревательной камеры 60. В дополнение к этому, благодаря циркуляции расплавленного металла, температурная стратификация в пределах печи поддерживается на низком уровне.

Было обнаружено, что благодаря прокачке, или циркуляции расплавленного металла разность температур между верхней частью и дном печи 14 (расстояние между которыми равно около 107 см) составляет только несколько градусов. Таким образом, печь 14 функционирует как стабильный тепловой резервуар, служащий постоянным источником тепла для обеспечения теплопереноса к загруженному металлу.

Подвод тепла к печи 14 осуществляется посредством горелок 84. Предполагается, что основным механизмом переноса тепла к печи 14 является радиационный, при наличии определенной теплопередачи за счет конвекции. В связи с высокой температурой пламени система сжигания на топливокислородной смеси обеспечивает высокую эффективность радиационной теплопередачи. Геометрия печи 14 специально адаптирована для усиления теплопередачи за счет максимизации площади поверхности металла, через которую происходит перенос тепла от пламени к металлу.

При этом огнеупорные материалы, примененные в зоне выше уровня металла, являются материалами с высоким содержанием оксида алюминия. Эти материалы отражают тепло, поступающее от горелок, к расплавленному металлу. В этом заключается существенное отличие печи по изобретению от печей традиционных конструкций, которые, вместо того, чтобы отражать тепло к ванне расплавленного металла, допускают утечку тепла из печи.

Так, традиционные печи используют огнеупорные материалы, которые имеют в верхней части боковых стенок низкое содержание оксида алюминия и более высокие изоляционные свойства. В отличие от них, предлагаемая конструкция предусматривает более высокое содержание материалов на основе оксида алюминия для того, чтобы увеличить отражение тепла, излучаемого горелками 84 в направлении ванны металла. Еще одно отличие заключается в следующем. В традиционных печах нижняя часть боковых стенок (расположенная ниже уровня металла) выполнена из огнеупоров с повышенным содержанием оксида алюминия для увеличения прочности. В отличие от этого, настоящее изобретение предусматривает использование для этой цели плавлено-литых огнеупоров с пониженным содержанием оксида алюминия. Такие огнеупоры являются более современными и имеют более высокие изоляционные характеристики. В этом отношении предлагаемая конструкция полностью противоречит традиционному подходу к использованию огнеупоров.

Далее, поскольку в печь 14 не подается никакого азота (за исключением содержащегося в топливе), объем горячих газов (т.е. отходящих газов), покидающих печь, весьма мал. Это дает то преимущество, что увеличивает время пребывания газов в печи 14 и тем самым обеспечивает дополнительную возможность переноса тепла к расплавленному металлу. Теплоперенос за счет конвекции, хотя и является относительно ограниченным, оказывается более эффективным, чем в традиционных печах. С учетом того, что температура горячих газов в печи 14 по изобретению приближается к 2760°С, а время пребывания их в печи относительно велико, значительная доля тепла отводится от этих газов до их выведения из печи.

Печь 14 работает при подводе такого количества энергии, которое требуется для расплавления металла при энергозатратах примерно 600 ккал/кг. Максимальная производительность по теплу составляет для печи 14 около 10 миллионов ккал/ч, при типичной производительности в интервале примерно 2,5-3 миллиона ккал/ч. Количество подводимого тепла должно, очевидно, зависеть от вида загружаемого лома и требуемой производительности по металлу. Печь способна переплавлять до 18 т металла в час.

Система сжигания

Система сжигания, обозначенная в целом на фиг. 3, как 100, представляет собой двухканальное устройство, работающее на топливе (горючем), которым может являться природный газ, топливо на основе нефтепродуктов, отработанное масло, уголь (измельченный, в виде угольной пыли или ожиженный), и на кислороде. Система может быть построена в виде двух законченных систем сжигания для того, чтобы облегчить обслуживание и обеспечить экономию энергии в периоды низкой нагрузки. На фиг. 3 представлены одна линия 102 подачи кислорода и одна, приводимая в качестве примера, линия 104 подачи топлива на основе природного газа.

Система 100 сжигания управляется посредством системы управления (представленной на фиг. 11 и обозначенной в целом, как 120). В состав системы управления входят центральный процессор (ЦП) 124, который отслеживает все входные сигналы, соответствующие температуре металла, расходу топлива (горючего) и кислорода, и обеспечивает интерфейс для оператора. В зависимости от условий работы и требуемых параметров каждая линия системы сжигания может работать индивидуально или в паре с другой линией.

Главной входной переменной, используемой для управления системой 100 сжигания, является температура в ванне металла, измеряемая термопарой 108. Альтернативные входные переменные включают сигналы от одного или нескольких датчиков температуры воздуха. Более конкретно, схема управления предусматривает прием входных сигналов от термопар (типа К), установленных в дымоотводной трубе, в верхней части стенки печи, и в своде печи. Эти термопары обозначены соответственно, как 110, 112, 116. Основная термопара 108 находится в ванне расплавленного металла внутри камеры 60. Термопары 110, 112, 116, измеряющие температуру воздуха, помещены в защитную оболочку из оксида алюминия или аналогичных материалов для того, чтобы защитить их от контакта с атмосферой. Термопара 108 защищена от воздействия расплавленного металла защитной керамической оболочкой, устойчивой к нагреву и коррозионным условиям, имеющим место в расплавленном металле. Термопара выполнена таким образом, чтобы вырабатывать сигнал на запуск системы горелок только тогда, когда температура металла в ванне упадет ниже установленного уровня.

Термопара 110, установленная в дымоотводной трубе, или термопара 116 в своде печи, может быть использована для защиты от превышения допустимой температуры. Эта термопара связана с контуром защиты от превышения температуры, который запирает линии 102, 104 системы 100 с целью защиты структуры печи 14 в случае, когда достигнут верхний предел допустимой температуры.

Термопара 112, установленная в верхней части стенки, предназначена для мониторинга температуры воздуха в печи 14. Она может быть также использована для управления работой печи 14 в отсутствие термопары 108, измеряющей температуру ванны металла. Эта термопара 112 используется также как источник входного переменного сигнала, когда металл в первый раз загружается в печь 14 или когда уровень расплавленного металла падает ниже точки расположения термопары 108.

Оператор полностью контролирует температуру в индивидуальных точках, входящих в заданный набор. На панели 118 управления имеются индикаторы температуры для всех термопар 108, 110, 112, 116. Оператор может регулировать температуру в каждой точке, контролируемой с помощью термопары, пока температура не будет лежать в заданном интервале. Заданные интервалы могут быть введены в центральный процессор, что позволяет обеспечить установку любого заданного интервала температур.

Система 120 управления системой сжигания разделена на две части. Первая часть 122 включает в себя аппаратные предохранительные средства, такие как реле, путевые выключатели и аналогичные элементы, которые известны специалистам. В состав этих элементов входят все переключатели давления газа, запорные клапаны и задвижки, а также детекторы пламени. Вторая часть системы 120 управления выполняет, посредством ЦП 124, функции мониторинга и автоматического управления.

Линии 104 подачи топлива сконфигурированы в виде пар таким образом, что одна линия может функционировать, тогда как вторая линия отключена, например, для проведения обслуживания или по причине низкой нагрузки. Параметры каждой линии 104 согласованы с требованиями в отношении подачи кислорода. Каждая линия 104 подачи топлива начинается с запорного (отсечного) клапана 130 шарового типа. Трубопровод 132 направляет горючий газ через сетчатый фильтр 134, чтобы удалить любые загрязнения, имеющиеся в линии. За фильтром 134 от трубопровода 132 ответвляется газовая линия 136 зажигания.

Для уменьшения давления в основном трубопроводе используется регулятор 138 противодавления. Типичное давление газа устанавливается примерно равным 124 кПа. Далее на линии последовательно установлены главный запорный клапан 140 и предохранительный клапан 142. Расходомер 144 измеряет температуру и дифференциальное давление газа при его протекании через отверстие 146. В качестве расходомера 144 может быть применен, например, расходомер дифференциального давления фирмы КокешоиШ, модель 3095.

Сигнал, соответствующий измеренному расходу газа, подается в систему 120 управления. За расходомером 144 установлен управляющий клапан 148. В описываемом варианте выполнения системы для этой цели используется модулирующий управляющий клапан, на который поступает выходной сигнал системы 120 управления. От клапана 148 в систему управления и, в частности, в ЦП 124, поступает сигнал, характеризующий текущее положение клапана 148.

Далее линия 104 подачи газа разделяется на две линии 104а, 104Ь, в каждой из которых имеется клапан 150а,Ь. Клапаны 150а,Ь служат для выравнивания параметров каждой горелки таким образом, чтобы поток газа был равномерно распределен между ними.

Линия 102 подачи кислорода построена аналогично линии 104 подачи газа, за исключением того, что компоненты этой линии имеют большие размеры в связи с большим расходом кислорода. Пример выполнения линии 102 подачи кислорода приведен на фиг. 3. Компоненты этой линии, аналогичные компонентам линии 104 подачи топлива, имеют аналогичные обозначения, но начинающиеся с цифры 2.

Как показано на фиг. 10, горелки 84 имеют довольно простую конструкцию. Каждая из четырех горелок 84 имеет основную сопловую часть 152, выступающую внутрь печи 14. Канал 154 подачи природного газа (далее для краткости называемого газом) подведен к основной сопловой части 152 снаружи относительно стенки 54 печи. Кислород также подается в основную сопловую часть 152, где смешивается с газовым топливом. Не изображенный воспламенитель (запальник) введен в основную сопловую часть 152 через центральное отверстие 156. Воспламенитель формирует искру для воспламенения топливокислородной смеси.

Работа системы 100 сжигания осуществляется в условиях инициирования со стороны оператора и автоматического управления, осуществляемого ЦП 124. К органам управления подается соответствующее питание, в результате чего происходит запуск ЦП 124 и аппаратной части 122 системы 120 управления. ЦП 124 устанавливает связь с управляющими клапанами, термопарами и реле, которые входят в состав аппаратной части 122. Переключатели давления газа и кислорода представляют собой сдвоенный переключатель с положениями, соответствующими высокому и низкому значениям.

Переключатель низкого давления в основном состоянии выдает сигнал, соответствующий закрытому положению, а переключатель высокого давления-открытому положению. ЦП 124 определяет, является ли выдаваемый сигнал правильным, после чего выдает разрешение на продолжение программы. При обнаружении неправильного сигнала выдаются звуковые и визуальные тревожные сигналы. Схема управления предусматривает также контроль за тем, чтобы управляющие клапаны 148, 248 в линиях подачи газа и кислорода находились в положении низкий уровень-зажигание. Если указанные клапаны находятся в правильном положении, вырабатывается сигнал, разрешающий системе 120 управления продолжить процедуру запуска. Кроме того, для продолжения процедуры запуска должен отсутствовать сигнал превышения температуры.

Когда все начальные условия выполнены, запускается цикл продувки азотом. Азот используется для удаления из печи 14 всех горючих газов, которые могли оставаться в печи 14. Длительность продувки подбирается таким об23 разом, чтобы объем азота, поданного в печь 14, примерно в 2,5 раза превысил объем печи 14.

После того, как продувка завершена, включается один или оба канала подачи компонентов горючей смеси. Управляющий переключатель переводит в рабочее положение либо пару горелок, либо все горелки 84. Контроллер пламени открывает электромагнитные клапаны в линиях зажигания. Эти клапаны обычно закрыты, однако в ходе процедуры запуска они открываются, и газ и кислород начинают поступать по линиям зажигания.

На выходном конце линий зажигания газ и кислород смешиваются и воспламеняются от искры, формируемой под управлением контроллера пламени. Когда происходит воспламенение, детектор 126 пламени обнаруживает наличие или отсутствие пламени и выдает соответствующий сигнал в систему 120 управления. После того, как пламя будет обнаружено, система 120 управления открывает главные запорные клапаны в линиях подачи газа и кислорода. Главные запорные клапаны 140, 240 функционируют независимо друг от друга. Предохранительные клапаны 142, 242 выполнены таким образом, что если клапан 140 в линии 104 не открыт, предохранительные клапаны 142, 242 не откроются. Когда открывается главный запорный клапан 140 в линии подачи газа, открываются и предохранительные клапаны 142, 242 в обеих линиях. Когда открыты все главные запорные клапаны, срабатывает реле цепи управления и на панели 118 управления зажигаются индикаторы, соответствующие обеим линиям 102, 104. Таймер в цепи зажигания остается включенным в течение заданного периода времени, примерно соответствующего 30 с. По истечении этого периода подача питания на контур зажигания прекращается, и нормально закрытые электромагнитные клапаны закрываются, изолируя компоненты линии зажигания и отключая индикатор линии зажигания для каждого канала питания горелок.

Детекторы 126 пламени осуществляют постоянный мониторинг пламени. В случае потери сигнала от пламени, на ЦП 124 поступает сигнал тревоги и контур управления закрывает главные запорные клапаны 140, 240, а также предохранительные клапаны 142, 242 линий подачи газа и кислорода.

После того, как линии зажигания будут отключены, автоматическое управление печью принимает на себя система 120 управления. Когда система 120 управления настроена на режим слабого горения, управляющие клапаны 248 в линиях подачи кислорода находятся в закрытом положении, независимо от установленных параметров процесса. Положение управляющих клапанов 148 в линиях подачи газа не ограничивается, поскольку подача газа следует за подачей кислорода. Система управления 120 обеспе чивает поддержание установленного соотношения расходов в обеих линиях подачи.

При работе в автоматическом режиме система 120 управления реагирует на отклонения от установленных характеристик процесса. Так, производится мониторинг температуры печи и ее сравнение с заданным значением. Если температура печи отклоняется от заданного значения, генерируется сигнал ошибки, и система 120 управления передает этот сигнал на управляющий клапан 248 линии подачи кислорода. Управляющий клапан 148 линии подачи газа также контролируется системой 120 управления: требуемое значение расхода следует за установленным расходом кислорода (будучи стехиометрически коррелированным с ним). Расход кислорода определяется посредством расходомера для потока кислорода. При этом система 120 управления выполнена с возможностью ограничения диапазона управляющих клапанов 148, 248, что, в свою очередь, ограничивает выходную мощность горелок 84.

Система 100 сжигания и, прежде всего, ее система 120 управления могут быть сконфигурированы в соответствии с любым требуемым применением для любой отрасли промышленности, в которой используются топлива на основе углерода. Например, в составе завода 10 для переработки лома алюминия система 100 сжигания топливокислородной смеси используется по трем назначениям. Первое заключается в плавлении алюминия в условиях высокой производительности (т.е. в плавильной печи 14). Далее, система 100 сжигания имеется также в накопительной печи 16 для поддержания стабильной температуры и перемешивания сплавов в расплавленном алюминии. Третьим назначением является использование системы в печи 166 утилизации шлака (фиг. 2). В этой печи высокотемпературные горелки используются для отделения металла (т.е. алюминия, который может быть повторно использован в производстве) от шлака Ό (расплавленного сопутствующего продукта) посредством термического удара. В каждом случае указанные горелки устанавливаются с целью экономии энергии и из экологических соображений.

Применения системы 100 сжигания по настоящему изобретению могут различаться по максимальной тепловой мощности (измеряемой в ккал/ч), размеру и ориентации горелок 84, а также по температурам, на которые рассчитаны печи 14, 16 и 166. Специалистам должно быть ясно, что для того, чтобы отвечать различным требованиям, необходимо предусмотреть соответствующие механические различия (например, в размерах и аналогичных характеристиках). Кроме того, могут иметься различия и в конкретном программировании системы 120 управления и ЦП 124.

Система 100 сжигания по настоящему изобретению обладает рядом преимуществ по сравнению с известными системами сжигания, используемыми в настоящее время. Например, экспериментально установлено, что при использовании системы 100 сжигания по изобретению достигается значительная экономия энергии. Горелки 84, рассчитанные на топливокислородную смесь, работают при значительно более высокой температуре, чем традиционные печи. Как следствие, имеет место увеличение количества тепла, которое можно использовать для расплавления металла (в других применениях дополнительное тепло можно использовать, например, для получения пара, сжигания отходов и т.д.). В результате уменьшается расход топлива, необходимого для работы печей 14, 16, 166. При практическом использовании настоящего изобретения было отмечено, что среднее (и расчетное) количество тепла, необходимое для расплавления 1 кг алюминия, уменьшается с 2000 ккал (в обычной печи) до примерно 600 ккал в печи 14. Это соответствует уменьшению затрат тепла на 70%. Кроме того, было показано, что расход топлива, необходимого для поддержания требуемой температуры в накопительной печи 16, составляет примерно половину его расхода в обычной печи.

Предполагается, что экономия топлива обусловлена тремя главными факторами. Вопервых, увеличение количества тепла, генерируемого системой 100 сжигания, обеспечивает полное сжигание любого топлива без избытка кислорода. Во-вторых, из теоретических соображений, предполагается, что система 100 сжигания функционирует в режиме радиационного теплопереноса, при переносе части тепла за счет конвекции. Система 100 построена таким образом, чтобы использовать преимущество, связанное с радиационным теплопереносом в печах 14, 16 и 166, для обеспечения эффективной передачи тепла к ванне металла.

В-третьих, поскольку в процессе сжигания не участвует азот, количество газа, проходящего через печи 14, 16 и 166, является небольшим. Обусловленное этим увеличение времени пребывания горячих газов в печи способствует выделению (в виде тепла) большей доли энергии до того, как эти газы будут выведены из печей 14, 16 и 166.

Типичный объем выводимых газов составляет лишь долю объема, выводимого из обычных печей. В связи с уменьшением количества выводимых газов на 80% (что соответствует содержанию азота в воздухе) в печи, работающей на топливокислородной смеси, эффективность сжигания топлива существенно возрастает. В обычных печах азотная компонента воздуха поглощает (также в форме тепла) значительную энергию. В системе сжигания по изобретению к печам 14, 16 и 166 подаются и сжигаются в стехиометрическом соотношении кислород (вместо воздуха) и топливо. При этом сжигание происходит без избыточного кислорода. Как следствие, отсутствует поглощение энергии материалами, не участвующими в горении, например, избыточным кислородом или азотом.

Система 100 сжигания по изобретению обеспечивает также повышение производительности. Когда эта система устанавливается как часть плавильной печи, повышается производительность печи по расплавляемому металлу. Это повышение также объясняется быстрой и эффективной теплопередачей в печи 14. По мере добавления в печь 14 нового металла, система 100 сжигания быстро реагирует на это, вырабатывая тепло для расплавления поданного металла и поддерживая температуру расплавленного металла в камере 60 у заданного значения. Было обнаружено, что алюминий очень эффективно поглощает тепло, выделяемое источником радиационного нагрева.

Возможно, наиболее важным является снижение экологической нагрузки, создаваемой предложенной системой 100 сжигания, по сравнению с известными и применяемыми системами сжигания. Система сжигания по изобретению имеет то преимущество, что не использует в процессе сжигания азот. В обычных печах в типичном случае происходит образование ЫОх в качестве продукта реакции в нагретом воздухе, подаваемом в систему сжигания. В отличие от этого, система по изобретению использует не воздух, а кислород. Поэтому какое-либо образование ЫОх в предложенной системе 100 сжигания обусловлено только присутствием элементного азота в топливе. Поскольку уровни содержания азота в топливе крайне малы (по сравнению с его содержанием в воздухе, используемом в обычных печах), содержание ΝΟχ в системе по изобретению существенно ниже требований любых отраслевых стандартов и ограничений, установленных правительством. Помимо уменьшенного выделения ΝΟχ, значительно уменьшается и выделение других парниковых газов, таких как моноксид углерода.

В дополнение к уменьшению воздействия на окружающую среду, система сжигания топливокислородной смеси уменьшает энергозатраты, т.к. позволяет произвести переработку значительно большего количества алюминия при значительно меньшем расходе топлива (которым может быть любое топливо на основе углерода, включая уголь, угольную пыль, природный газ или нефтепродукты). В результате использования меньшего количества топлива достигается сохранение топливных ресурсов. При этом снижение расхода топлива имеет место как для установки в целом, так и в расчете на килограмм производимого алюминия. Это приводит к сокращению расходов, связанных с доставкой и использованием топлива, а также налогов, связанных с использованием ископаемых топлив.

Обеспечение кислородом

Как должно быть понятно специалистам, система 100 сжигания может предъявлять очень высокие требования в отношении кислорода. В связи с этим, хотя кислород может приобретаться, доставляться и храниться для дальнейшего использования в системе, более желательно располагать средствами для производства кислорода вблизи или в составе системы сжигания, работающей на топливокислородной смеси, применяемой, например, на рассматриваемом заводе по переработке лома алюминия.

На фиг. 4 показана криогенная установка 180 для использования совместно с системой 100 сжигания по настоящему изобретению. Приведенная на чертеже в качестве примера криогенная установка 180 производит в сутки 105 т кислорода с чистотой, по меньшей мере, 95% и около 1700 м³/ч азота, содержащего менее чем 1 м.д. кислорода. В состав установки входит трехступенчатый компрессор 182 мощностью 13,8 кВт. Сжатый воздух под давлением около 49 кПа поступает в очиститель/экспандер 184. Воздух, выходящий из экспандера 184 под давлением 4,75 кПа и при температуре -164,4°С, поступает в криогенную дистилляционную колонну 186. В колонне 186 воздух разделяется (дистиллируется) на газообразный азот, жидкий азот, газообразный кислород и жидкий кислород. Газообразный кислород 188 подают непосредственно в систему 100 сжигания, а жидкий кислород 190 хранят, например, в емкостях 191 для дальнейшего использования в системе сжигания. Давление кислорода, поступающего из установки 180, может быть ниже, чем требуется для системы 100 сжигания. В связи с этим между выходом колонны 186 и входом линии подачи системы 100 сжигания установлен нагнетатель 192, повышающий давление до уровня, необходимого для системы 100.

Газообразный азот 194 подают в не изображенную на чертеже систему отжига/снятия напряжений, также входящую в состав завода 10. Подобные системы, в которых азот используется для обработки алюминия с целью снятия напряжений в металле и для его отжига, должны быть известны специалистам в данной отрасли. Кроме того, азот 194 используется в дегазаторах 24 (см. фиг. 2). Завод 10 также имеет резервные емкости для хранения запасов кислорода 191 и азота 196 в жидком состоянии для использования, например, в случае проведения обслуживания криогенной установки 180 или в других случаях, когда она не в состоянии удовлетворить потребности завода. Резервные системы построены с возможностью автоматической подачи кислорода и/или азота, когда это потребуется, например, при отключении криогенной установки 180. Избыточный азот может храниться, разливаться в газовые баллоны и продаваться. Системы описанного типа могут постав ляться различными производителями, включая фирму Ргахап (США).

Утилизация тепла

Завод 10 по переработке алюминия обеспечивает также утилизацию тепла, выделяемого при протекании различных процессов. Более конкретно, указанный завод 10 может иметь в своем составе систему утилизации выделяемого тепла, обозначенную в целом на фиг. 4, как 200. Газ 202, отходящий из плавильной печи 14 и накопительной печи 16, подводится к одной стороне теплообменника 204 системы утилизации тепла. Поскольку отходящий газ 202 находится при температуре около 540°С, от него может быть отобрано значительное количество энергии. Кроме того, энергия может быть отобрана и от отходящих газов, находящихся над ванной металла.

Как уже упоминалось, отходящий газ 202 поступает в теплообменник 204. Рабочая текучая среда 206, например, пентан, протекает под давлением по другой стороне теплообменника 204. Представляется, что для рассматриваемого применения наиболее подходящим является теплообменник пластинчатого или трубчатопластинчатого типа. Специалистам должно быть ясно, что в предлагаемой системе утилизации выделяемого тепла могут быть использованы различные рабочие текучие среды, а также различные теплообменники, которые обычно применяются с этими рабочими средами. Все получаемые при этом системы утилизации входят в объем настоящего изобретения.

Нагретая текучая среда 206 поступает в испаритель 208, где она расширяется с образованием пара. Затем эта среда 206 в виде пара подается к турбогенератору 210, вырабатывающему электричество. После этого пар конденсируют в конденсаторе 212 и возвращают в теплообменник 204. Предполагается, что, применительно к описанному выше заводу по переработке лома алюминия, с помощью отходящих газов можно получить энергию, достаточную для выработки от 1,5 до 2,0 МВт электрической мощности.

Хотя, как упоминалось, в подобной системе 200 утилизации выделяемого тепла могут быть применены различные рабочие среды, в рассматриваемом варианте этой системы в качестве рабочей текучей среды 206 используется пентан. Система, основанная на применении этого органического соединения, обладает рядом достоинств по сравнению, например, с системами, работающими на водяном паре. Представляется, что рабочая текучая среда 206 на основе пентана в случае использования обычного цикла Ренкина будет легче приспосабливаться к колебаниям в поступлении пара, чем система, использующая водяной пар. Поскольку тепло, выделяемое плавильной 14 и накопительной 16 печами, зависит от производства металла, а не от потребностей в электроэнергии, поступле ние энергии в систему 200 утилизации будет непостоянным, и именно эта характеристика будет определяющей для производства электроэнергии. Таким образом, пентан в качестве рабочей текучей среды 206 обеспечит системе 200 утилизации большую гибкость.

Как будет понятно специалистам в данной области, генерируемая электроэнергия может быть использована для покрытия части потребности в энергии, необходимой заводу 10 по переработке лома алюминия, включая криогенную установку 180. Энергия, необходимая заводу 10, может быть обеспечена также с помощью системы сжигания топливокислородной смеси, входящей в состав энергетической установки (использующей топку или котел) для получения пара для агрегата паровая турбина-генератор. При использовании такой схемы в случае, когда генерируемая мощность превышает потребности завода 10, избыточная мощность может продаваться, например, местной энергосистеме.

Переработка шлака

Как показано на фиг. 2, загрязнители, или шлак (дросс) Ό, удаляемый из плавильной печи 14, поступает на дальнейшую переработку, производимую отдельно от основной линии переработки алюминия, в соответствии с процессом утилизации шлака, обозначенным в целом, как 164. Шлак Ό удаляют, например, снимая верхний слой в ванне расплавленного алюминия внутри плавильной печи 14. Затем шлак Ό подвергают механическому прессованию в стакане 168, выполненном в виде сита. Прессование приводит к выжиманию алюминия из шлака через отверстия 170 в стакане 168. Алюминий А, удаленный из шлака Ό, собирают и возвращают в плавильную печь 14.

Шлак, содержащий оксиды, подают в печь 166 утилизации шлака для повторного нагрева. Конструкция печи 166 утилизации аналогична конструкции плавильной печи 14 в том отношении, что в ней также использована система 100 сжигания топливокислородной смеси. Однако в процессе работы, с целью удаления металлического алюминия из шлака, печь 166 утилизации воздействует на загруженный в нее материал путем термического удара благодаря тому, что пламя при температуре около 2760°С находится в непосредственной близости от материала. Температура в ванне 172 расплавленного материала в печи 166 также существенно выше, составляя примерно 790-815°С, тогда как температура воздуха в печи соответствует примерно 1095-1205°С. Кроме того, указанный процесс термического удара осуществляется в сильно восстановительной атмосфере, по существу, не содержащей избыточного кислорода внутри печи (в отличие от обычных печей, работающих при избытке кислорода на уровне примерно 35%).

В печи 166 утилизации также производят снятие верхнего слоя с последующим прессова нием удаленного шлака. Извлеченный алюминий А направляют в плавильную печь 14. Оставшийся шлак Ό2 направляют на дальнейшую переработку, производимую вне территории завода 10. Было обнаружено, что описанный технологический процесс, включая процесс утилизации шлака, обеспечивает существенное повышение степени извлечения металла. Шлак Ό2, который в конечном итоге передается на дальнейшую переработку, составляет только долю первоначально отбираемого шлака Ό. Благодаря этому уменьшаются затраты на его переработку и повышается степень извлечения алюминия.

Важным преимуществом предложенного способа утилизации шлака является то, что он является бессолевым, т. е. осуществляется без применения солей или других добавок. Вместо этого, для отделения металла от оксидов используют воздействие термическим ударом. Известные процессы утилизации шлака для отделения оксидов от металла используют соли. Поскольку соли остаются в оксидах, которые в конечном итоге подлежат захоронению, соли также поступают на захоронение. При этом соли могут быть вредными для окружающей среды и/или токсичными. Что же касается процесса 164, то он является экологически благоприятным, поскольку устраняет потребности в указанных солях и, следовательно, в их захоронении.

Кроме того, было обнаружено, что описанный способ 164 утилизации, включающий операции двойного прессования с промежуточным повторным нагревом, обеспечивает, по сравнению с известными процессами, существенно более высокую степень извлечения алюминия, которая зависит от качества используемого лома. Достигнутое повышение степени извлечения металла из шлака Ό измеряется многими процентами.

Другие применения системы сжигания по изобретению

Как уже было указано, за счет использования кислорода повышение эффективности может быть достигнуто во всех непрерывных процессах сжигания. Например, при включении кислорода (вместо воздуха) в состав горючей смеси может быть повышена температура пламени в энергетических установках или понижен показатель потерь при зажигании (ППЗ) для котлов. Это может обеспечить повышение эффективности работы. По существу, использование кислорода может усилить процесс горения любого топлива на основе углерода. Достигаемые при этом преимущества являются как экономическими, так и экологическими. В настоящее время ни одна отрасль промышленности, за исключением производства стекла, не применяет технологию использования топливокислородной смеси. В производстве стекла эта технология применяется не потому, что обеспечивает повышенную эффективность, но лишь потому, что для изготовления стекла необходимы высокие температуры плавления.

Использование систем сжигания топливокислородной смеси во всех промышленных и энергетических применениях может обеспечить сокращение потребления топлива при тех же генерируемых мощности или теплоте. Снижение потребления топлива, в сочетании с его эффективным использованием (т.е. его эффективным сжиганием) резко, практически до нуля, сокращает выделение №3х и значительно снижает выделение других парниковых газов.

Принимая во внимание большое разнообразие видов топлив, используемых в промышленных целях, таких как уголь, природный газ, различные нефтепродукты (включая топливо коммунально-бытового назначения и отработанное масло), древесные и другие утилизируемые отходы, а также различные методы получения кислорода, как применяемые, так и предлагаемые, специалисты должны представлять огромный потенциал применения системы сжигания в соответствии с изобретением. Выбор топлива может производиться с учетом доступности, экономических факторов и экологических соображений. Таким образом, изобретение не привязано ни к какому конкретному топливу. Фактически предлагаемая система совместима с самым широким набором, по существу, со всеми топливами на основе углерода. В дополнение, существует множество технологий производства кислорода с высокой степенью чистоты. Эти технологии включают в себя криогенные и мембранные системы, абсорбционные агрегаты, применение гидролиза и т.д. Все упомянутые виды топлив и источников кислорода входят в объем настоящего изобретения. При этом специалистам должно быть очевидно, что попутно производимые газы, такие как водород и азот, могут храниться, использоваться для заполнения соответствующих емкостей и продаваться.

Как было подробно описано выше, одно из применений системы сжигания по настоящему изобретению относится к переработке, или утилизации лома алюминия. Как это будет описано далее, другие примеры его использования относятся к котлам для промышленной энергетики и к мусоросжигательным печам. Эти применения подчеркивают гибкость новой технологии и возможности ее широкого применения в промышленных масштабах.

В целом использование систем сжигания, работающих на топливокислородной смеси, обеспечивает ряд значительных преимуществ по сравнению с традиционными системами, работающими на топливовоздушной смеси. Первым из них является возможность работать при точных стехиометрических соотношениях и при отсутствии мешающего влияния азота. В результате достигается более высокая эффективность использования топлива при одновременно существенном снижении уровня №3х в продуктах сгорания. Важно также, что для обеспечения той же выходной мощности требуется меньше топлива, что, в свою очередь, сокращает общие текущие затраты. Использование меньшего количества топлива при той же выходной мощности, естественно, приводит к сокращению объема выбросов. Названные факторы - это только два преимущества, обеспечиваемые при использовании изобретения.

Генераторы пара для выработки электроэнергии, например, с помощью соответствующих котлов, имеют различную конструкцию, но для того, чтобы получить пар, подаваемый в агрегат турбина-генератор, все они, по существу, используют системы сжигания. В зависимости от конструкции парогенераторов, используемое в них топливо может быть различным. Однако все котлы требуют применения окисляющего агента. При использовании системы сжигания топливокислородной смеси по изобретению кислород высокой чистоты может служить единственным окисляющим агентом или применяться в качестве дополнения к воздуху, обеспечивая кислород, необходимый для горения.

Преимущества, которые достигаются в других отраслях промышленности, справедливы также и в случае энергетики. Например, применение кислорода в зоне сжигания повышает температуру пламени при одновременном снижении показателя III1З. поскольку гарантирует наличие кислорода, необходимого для горения. За счет повышения температуры пламени может быть достигнута большая производительность выработки пара при том же расходе топлива. Альтернативно, та же самая энергия может быть выработана при меньшем потреблении топлива. Температура пламени будет зависеть от количества кислорода, подаваемого для сжигания. Так, при отсутствии обогащения горючей смеси кислородом (т.е. в случае топливовоздушной смеси) температура пламени будет составлять примерно 1648°С. Как было описано выше, в случае использования в качестве окислителя чистого кислорода температура пламени будет лежать в интервале 2480-2760°С. Предполагается, что значения температуры пламени в случае частичного использования кислорода могут быть найдены интерполяцией (предположительно линейной) между указанными значениями температуры.

Кислород может быть использован также в сочетании с воздушными системами, работающими при избытке топлива, а также с горелками с низким уровнем NОх для дальнейшего снижения уровня ΝΟχ и других парниковых газов при одновременном обеспечении стабильного пламени в стехиометрических условиях. Типичные горелки с низким уровнем ΝΟχ часто имеют повышенный показатель ППЗ. Это заставляет операторов подавать больше топлива. При вве дении кислорода в систему сжигания появляется возможность полного сжигания топлива в стехиометрических условиях без появления дополнительного азота (вследствие увеличения расхода воздуха), образующего ΝΟχ.

Ожидается, что будут сконструированы паровые котлы, специально адаптированные к системе сжигания топливокислородной смеси, т.е. полностью реализующие преимущества системы по изобретению. Предполагается также, что оснащение существующего оборудования данной системой или его модифицирование под данную систему также позволит получить многие из названных преимуществ как для оператора (т.е. для производителя), так и для окружающей среды.

В качестве примера на фиг. 12 схематично изображен паровой котел с топкой 300, работающий на угле. На стенке 304 топки 300 выполнено тягодутьевое устройство 302. Горелка 306, через которую уголь подается в топку 300, проходит сквозь тягодутьевое устройство 302. Уголь подается к топке 300 по трубке 308 подачи угля. Первичный воздух 310 (от неизображенного распылителя) служит для переноса угля по трубке 308 и через горелку 306 в топку 300. В трубку 308 подается также третичный воздух 312, обеспечивающий перенос угля через горелку 306.

Вторичный воздух 314 подается из тягодутьевого устройства 302 непосредственно в топку 300 через заслонки 316, предусмотренные на стенке 304 топки. Вторичный воздух является главным источником воздуха для процесса горения. В одной хорошо известной и общепризнанной системе, обеспечивающей контроль над уровнем ΝΟχ, используется устройство 318, инжектирующее избыточный воздух (через тягодутьевое устройство 302) в топку 300 поверх пламени Г. Подача избыточного воздуха преследует две цели. Первая состоит в обеспечении избыточного кислорода для полного сгорания топлива. Вторая заключается в снижении температуры пламени и в уменьшении за счет этого образования ΝΟχ.

Предполагается, что система сжигания по настоящему изобретению может полностью заменить существующие системы сжигания или, альтернативно, использоваться для подачи кислорода дополнительно к воздуху, используемому в системе сжигания. В частности, предполагается, что кислород высокой чистоты может быть использован вместо любого или всех воздушных потоков, присутствующих в известных системах, включая первичный 310, вторичный 314 и третичный 312 воздух. Специалистам должно быть ясно, какие преимущества могут быть достигнуты использованием предложенной системы сжигания топливокислородной смеси (или, в некоторых применениях, системы дополнительного снабжения кислородом) в паровых котлах или топках, применяющих иско паемые топлива, такие как нефтепродукты или газ.

Предлагается также использовать систему сжигания по изобретению в мусоросжигательных печах. Основными характеристиками для типичных печей этого типа являются резонансный период, температура и избыток кислорода. Использование топливокислородной смеси обеспечит повышение эффективности работы печей.

Резонансный период зависит от физических размеров нагревательной камеры или трубы, а также от скорости и объема проходящих через них газов. При удалении азота из топливной смеси резонансный период, естественно, увеличится, поскольку объем газа, участвующего в процессе горения, уменьшается (примерно на 80%). Если мусоросжигательная печь специально конструируется для работы с системой сжигания топливокислородной смеси, капитальные затраты на строительство печи существенно уменьшаются в связи с уменьшением ее размеров.

Как указывалось, типичные значения температуры пламени при сжигании топливокислородной смеси значительно выше, чем для топливовоздушных смесей. Поэтому для поддержания эффективного горения требуется меньше тепловой энергии от топлива, что означает уменьшение затрат. Одно из достоинств системы сжигания топливокислородной смеси состоит в возможности контролировать уровень избыточного кислорода. В обычных мусоросжигательных печах необходим избыток кислорода для того, чтобы сжечь летучие органические углеводороды (ЛОУ) и несгоревший углерод. Этот избыточный кислород обеспечивается путем инжекции воздуха в камеру или в трубу, где кислород (присутствующий в воздухе) обеспечивает полное сжигание ЛОУ и остаточного углерода. Хотя воздух обеспечивает требуемый кислород, он одновременно доставляет в камеру азот. Избыточный азот (введенный при снабжении избыточным кислородом) приводит к увеличению выделения №Эх. Кроме того, присутствие избыточного воздуха приводит и к образованию других парниковых газов, а также к охлаждению камеры. Для преодоления этого нежелательного эффекта охлаждения требуется дополнительное тепло.

Фиг. 13 схематично иллюстрирует типичную промышленную мусоросжигательную печь 400. Мусор 402 вводится через трубу 404. Горелка 406 снабжается воздухом 408 и топливом 410 для формирования пламени Г, в котором сжигается мусор 402. Над пламенем Г находится датчик 412 моноксида углерода (СО), служащий для определения уровня СО в отходящем газе. Когда уровень СО становится слишком высоким, к горелке 406 подается дополнительное количество воздуха. Альтернативно, дополни тельный воздух 414 может вводиться в трубу из зоны, отделенной от горелки 406.

Описанный метод работы обладает рядом недостатков. Как было указано выше, двумя критическими факторами при сжигании мусора являются время и температура. Более конкретно, чем выше температура и чем больше резонансное время, тем активнее сжигание мусора. Однако ввод дополнительного воздуха (чтобы снизить уровень СО) увеличивает скорость протекания воздуха через трубу 404 и тем самым сокращает резонансное время. Кроме того, хотя увеличение потока воздуха уменьшает температуру пламени (и тем самым уменьшает образование ЫОх), одновременно повышается содержание азота, что способствует образованию большего количества ЫОх, противодействуя тем самым эффекту охлаждения (способствующего снижению уровня ЫОх). Более того, охлаждение, вносимое воздухом, снижает эффективность процесса сжигания мусора.

Система сжигания по изобретению, напротив, использует кислород высокой чистоты, который позволяет дожигать несгоревший материал без образования ЫОх и других парниковых газов, не создавая эффекта охлаждения. Таким образом, системе по изобретению присущи существенные преимущества по сравнению с обычными, традиционными мусоросжигательными печами. С учетом того, что важнейшая задача таких печей заключается в сжигании ЛОУ и других загрязнителей до того, как они попадут в атмосферу, система сжигания по изобретению уменьшает потребление топлива и в результате снижает образование ΝΟχ и других парниковых газов, а также дымового газа в целом.

Кроме того, капитальные затраты (на установку печи) и эксплуатационные затраты в случае использования системы сжигания по изобретению будут значительно сокращены. Сокращение капитальных затрат будет достигнуто, поскольку ожидается, что объем газов, протекающих через систему, будет значительно сокращен. Как уже упоминалось, в связи с таким уменьшением общие размеры мусоросжигательной печи, при том же резонансном времени, будут значительно уменьшены по сравнению с обычными печами. Таким образом, печь, рассчитанная на ту же нагрузку по мусору, станет физически существенно меньше, при соответствующем уменьшении размеров необходимых систем обеспечения ее работы и вспомогательного оборудования.

Кроме того, системы сжигания топливокислородной смеси по изобретению в целом имеют намного большую эффективность, чем системы, используемые в обычных мусоросжигательных печах, и работают при меньшем расходе энергии. Система по изобретению вполне пригодна также для применений по сжиганию мусора, в которых в качестве топлива исполь зуются несгоревший углерод и ЛОУ. И в этом случае, в связи с отсутствием азота, образование NОх связано только с азотом, присутствующим в топливе.

Рассмотренные отрасли соответствуют только отдельным примерам отраслей промышленности, которые могут выиграть от использования предлагаемой системы сжигания. Для специалистов должна быть ясна возможность применения такой системы в химической и нефтехимической отраслях, в энергетике, в производстве пластмасс, на транспорте и т.д.

Сжигание топливокислородной смеси - достоинства и преимущества

Специалистам должны быть понятны достоинства и преимущества использования топливокислородной смеси. Тем не менее, следует напомнить, что применительно к описанному выше варианту завода по переработке алюминия было обнаружено, что в случае питания воздухом печи, рассчитанной на природный газ, затраты энергии на расплавление одного килограмма лома алюминия составили примерно 2000 ккал. Это соответствовало расходу 0,22 м³природного газа на расплавление килограмма алюминия. Приведенные результаты получены в предположении, что теплотворная способность 1 м³ природного газа составляет примерно 9450 ккал.

В отличие от этого, в случае использования системы сжигания по изобретению было обнаружено, что для расплавления одного килограмма алюминия требовалось всего 0,061 м³природного газа (т.е. около 600 ккал). Таким образом, использование системы сжигания по изобретению требовало только около 30% топлива, необходимого для печи, использующей воздух. Экономия топлива составила, следовательно, около 70%.

Аналогичное, хотя и не столь резкое сокращение потребления топлива, было отмечено в отношении системы сжигания по изобретению, в которой в качестве топлива использовалось отработанное масло. Обнаружено, что в этом случае для расплавления килограмма алюминия требовалось израсходовать около 672 ккал. Таким образом, применительно к использованию отработанного масла затраты энергии составили примерно 33,6%, т.е. расход топлива уменьшился примерно на 66%. Это значит, что, даже без учета уменьшения выделения загрязняющих газов, выигрыш от использования изобретения по сравнению с использованием печи, работающей на природном газе с подачей воздуха, составил сокращение расхода топлива на 70% и на 66% для случаев использования природного газа и отработанного масла соответственно.

В табл. 1 приведены сравнительные данные о загрязняющих выбросах, полученные для системы сжигания, использующей воздух и природный газ (обозначена, как ВОЗДУХ

ГАЗ), системы сжигания, использующей кислород и природный газ (обозначена, как КИСЛОРОД-ГАЗ), и системы сжигания, использующей кислород и отработанное масло (обозначена, как КИСЛОРОД-МАСЛО). Контро лируемыми загрязняющими компонентами являются моноксид углерода (СО), газообразные соединения азота (ΝΟχ), твердые частицы с размерами менее 10 мкм (ЧМ10), твердые компоненты в целом (ЧЦ), газообразные соединения, содержащие серу (8Οχ) и летучие органические углеводороды (ЛОУ).

Данные приводятся в двух вариантах: выделение, т/год, и количество выделений (в килограммах) на количество затраченных килокалорий. Данные, приводимые в скобках, обозначают снижение выбросов, обеспечиваемое в системах КИСЛОРОД-ГАЗ и КИСЛОРОДМАСЛО по сравнению с системой ВОЗДУХГАЗ.

Таблица 1. Анализ дымового газа для систем сжигания ВОЗДУХ-ГАЗ, КИСЛОРОД-ГАЗ И КИСЛОРОД-МАСЛО

	ВОЗДУХ-ГАЗ	КИСЛОРОД-ГАЗ	КИСЛОРОД-МАСЛО
Выброс	т/год	кг/10⁹ кал	т/год	кг/10⁹ кал	т/год	кг/10⁹ кал
СО	4,28	3,6Е-2	1,51	10,8Е-3 (68,9)	1,32	9Е-3 (73,0)
ΝΟχ	24,38	1,8Е-1	0	0 (100)	10,04	0,041 (58,8)
ЧМ10	0,028	1,8Е-4	0,0023	16,9Е-6 (92)	0,146	10,8Е-4 (-410)
ЧЦ	0,028	1,8Е-4	0,0023	16,9Е-6 (92)	0,169	12,4Е-4 (-490)
8Οχ	0,146	10,8Е-4	4,5Е-2	3,4Е-4 (69)	1,39	5,7Е-3 (-848)
ЛОУ	0,582	4,3Е-3	4,0Е-1	2,9Е-3 (31)	3,33	2,5Е-2 (-471)

Следует также отметить, что приведенные в табл. 1 данные получены в условиях контроля за содержанием газов в печи, в которой применяется система сжигания топливокислородной смеси. Это означает, что для получения приводимых данных по снижению выбросов в системах КИСЛОРОД-ГАЗ и КИСЛОРОДМАСЛО необходимо, чтобы печь, в которой установлена соответствующая система сжигания, обеспечивала пренебрежимо малый уровень проникновения воздуха (т.е. азота) в зону сжигания топливокислородной смеси.

С учетом изложенного специалистам в соответствующей отрасли должно быть понятно, что использование кислорода высокой чистоты (или воздуха, обогащенного кислородом высокой чистоты) в сочетании с любым топливом на основе углерода может быть легко адаптировано к применению во многих существующих промышленных системах. Предполагается, что использование систем, модифицированных таким образом, в традиционных приложениях создаст множество преимуществ по сравнению с известными, применяемыми в настоящее время системами, использующими воздух, в том числе избыточный воздух. Хотя многие существующие установки и заводы потребуют реконструкции и модификации для того, чтобы использовать в них предложенную систему сжигания топливокислородной смеси, предполагаЗначения ЧМ10, ЧЦ, 8Οχ и ЛОУ для системы КИСЛОРОД-МАСЛО соответствуют повышенному содержанию (отображенному как отрицательное уменьшение). Частично это обусловлено тем, что в рассматриваемой в качестве примера системе сжигания не использовались заключительные процессы после сжигания. Предполагается, что внедрение соответствующих процессов должно предусматривать введение пылеуловительных камер (для твердых частиц) и скрубберов (для серосодержащих газов), что уменьшит уровень выбросов соответствующих компонентов на 98,99 и 95%. Приведенные в табл. 1 значения основаны на данных о сокращении расхода топлива и определены в соответствии с критериями, установленными Агентством по охране окружающей среды США (ИЗЕРА), рассчитанными по таблицам И8ЕРА АР42 (имеющимися на вебсайте этой организации).

ется, что выгоды, достигаемые в результате внесения соответствующих конструктивных и структурных изменений, такие как снижение эксплуатационных затрат, расходов на топливо, капитальных затрат, а также уменьшение выбросов, значительно превзойдут затраты на осуществление необходимых изменений.

В вышеприведенном описании изобретения термины, использованные в единственном числе, должны восприниматься как относящиеся также и ко множественному числу. И наоборот, любое употребление терминов во множественном числе должно, когда это возможно, охватывать эти термины и в единственном числе.

Из вышеизложенного должно быть ясно, что, не выходя за пределы настоящего изобретения, в него могут быть внесены многочисленные модификации и видоизменения. Следует в связи с этим учитывать, что представленные конкретные варианты осуществления изобретения не должны вносить никаких ограничений в объем его защиты. Изобретение включает в себя любые возможные модификации, охватываемые прилагаемой формулой.

Claims

1. Система сжигания топлива с подачей кислорода, содержащая топку, снабженную по меньшей мере одной горелкой и выполненную с возможностью предотвращения поступления воздуха;

источник кислорода для подачи кислорода с чистотой по меньшей мере 85%;

источник топлива на основе углерода для подачи указанного топлива;

средства для подачи кислорода и топлива на основе углерода в топку в стехиометрической пропорции по отношению друг к другу;

средства для ограничения избытка кислорода или топлива на основе углерода относительно стехиометрической пропорции до значения, не превышающего 5%; и средства управления сжиганием топлива на основе углерода для получения температуры пламени выше 2480°С и потока газа, отходящего из топки, с температурой, не превышающей 593°С.

2. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.1, отличающаяся тем, что топливо на основе углерода представляет собой газ.

3. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.2, отличающаяся тем, что указанный газ представляет собой природный газ.

4. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит криогенную установку для получения кислорода.

5. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.1, отличающаяся тем, что топливо на основе углерода представляет собой твердое топливо.

6. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.1, отличающаяся тем, что топливо на основе углерода представляет собой жидкое топливо.

7. Система сжигания топлива с подачей кислорода, содержащая топку с контролируемой средой, по существу, защищенную от проникновений компонентов из внешней среды и выполненную с возможностью предотвращения поступления воздуха;

источник окисляющего агента для подачи кислорода заданной чистоты;

источник топлива на основе углерода для подачи указанного топлива, средства для подачи кислорода и топлива на основе углерода в топку в стехиометрической пропорции по отношению друг к другу;

средства для ограничения избытка кислорода или топлива на основе углерода относительно стехиометрической пропорции до значения, не превышающего 5% и средства управления сжиганием топлива на основе углерода для получения температуры пламени выше 2480°С и потока газа, отходящего из топки, по существу, с нулевым содержанием азотосодержащих газообразных соединений, образованных из окисляющего агента в результате его сжигания.

8. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.7, отличающаяся тем, что топливо на основе углерода представляет собой газ.

9. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.8, отличающаяся тем, что указанный газ представляет собой природный газ.

10. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.7, отличающаяся тем, что дополнительно содержит установку для получения кислорода.

11. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.7, отличающаяся тем, что топливо на основе углерода представляет собой твердое топливо, причем любые азотосодержащие газообразные соединения, возникшие при сжигании, образованы из указанного твердого топлива.

12. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.7, отличающаяся тем, что топливо на основе углерода представляет собой жидкое топливо, причем любые азотосодержащие газообразные соединения, возникшие при сжигании, образованы из указанного жидкого топлива.

13. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.7, отличающаяся тем, что указанная контролируемая среда, по существу, не содержит азота.

14. Топка, содержащая зону сжигания;

горелку;

источник топлива на основе углерода для подачи указанного топлива через горелку в зону сжигания;

источник окисляющего агента для подачи кислорода заданной чистоты в топку для сжигания вместе с топливом на основе углерода;

средства управления сжиганием кислорода и топлива на основе углерода для получения температуры пламени выше 1648°С и потока газа, отходящего из топки, с температурой, не превышающей 593°С, причем топка выполнена с возможностью предотвращения поступления воздуха.

15. Топка по п.14, отличающаяся тем, что содержит источник воздуха для подачи воздуха, содержащего кислород, к зоне сжигания для его сжигания с топливом на основе углерода и с кислородом заданной чистоты.

16. Топка по п.14, отличающаяся тем, что имеет топливный канал для подачи топлива на основе углерода к горелке, причем кислород заданной чистоты подается в топку через указанный топливный канал.

17. Топка по п.14, отличающаяся тем, что кислород заданной чистоты подается в топку отдельно от топлива на основе углерода.

18. Топка по п.14, отличающаяся тем, что степень чистоты кислорода составляет по меньшей мере 85%.

19. Система сжигания топлива с подачей кислорода, содержащая топку, снабженную, по меньшей мере, одной горелкой и выполненную с возможностью предотвращения поступления воздуха;

источник кислорода для подачи кислорода с чистотой по меньшей мере 21%;

источник топлива на основе углерода для подачи указанного топлива, средства для подачи кислорода и топлива на основе углерода в топку в контролируемой пропорции по отношению друг к другу и средства управления сжиганием топлива на основе углерода для получения температуры пламени выше 1648°С.

20. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.19, отличающаяся тем, что содержит средства для получения температуры пламени выше 2480°С.

21. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.19, отличающаяся тем, что средства управления выполнены с возможностью получения потока газа, отходящего из топки, с температурой, не превышающей 593°С.

22. Система сжигания топлива с подачей кислорода по п.19, отличающаяся тем, что поток газа, отходящего из топки, содержит меньше азотосодержащих газообразных соединений, образованных в результате сжигания по меньшей мере на 20%, по сравнению с использованием окисляющего агента, находящегося в окружающем воздухе.

23. Способ сжигания, предусматривающий следующие операции:

используют топку, снабженную, по меньшей мере, одной горелкой и выполненную с возможностью предотвращения поступления воздуха;

обеспечивают подачу кислорода с чистотой по меньшей мере 85%;

обеспечивают подачу топлива на основе углерода;

подают кислород и топливо на основе углерода в топку в стехиометрической пропорции по отношению друг к другу;

ограничивают избыток кислорода или топлива на основе углерода относительно стехиометрической пропорции до значения, не превышающего 5%;

управляют сжиганием топлива на основе углерода для получения температуры пламени выше 2480°С и потока газа, отходящего из топки, с температурой, не превышающей 593°С.

24. Способ сжигания по п.23, отличающийся тем, что включает операцию подачи топлива на основе углерода в топку с расходом, зависящим от расхода кислорода.

25. Способ сжигания по п.23, отличающийся тем, что включает операцию подачи кислорода в топку с расходом, зависящим от расхода топлива на основе углерода.

26. Способ сжигания по п.23, отличающийся тем, что включает операцию управления подачей топлива на основе углерода и/или ки слорода из условия поддержания одного или более температурных параметров топки на заданном значении или ниже этого значения.

27. Способ сжигания по п.26, отличающийся тем, что один или более указанных температурных параметров задают с учетом теплопереноса, зависящего от геометрии топки.

28. Способ сжигания, предусматривающий следующие операции:

используют топку с контролируемой средой, снабженную по меньшей мере одной горелкой и выполненную с возможностью предотвращения поступления воздуха;

управляют сжиганием топлива на основе углерода для получения температуры пламени выше 2480°С и потока газа, отходящего из топки, по существу, с нулевым содержанием азотосодержащих газообразных соединений, образованных из окисляющего агента в результате его сжигания.

29. Способ сжигания по п.28, отличающийся тем, что включает операцию подачи топлива на основе углерода в топку с расходом, зависящим от расхода кислорода.

30. Способ сжигания по п.28, отличающийся тем, что включает операцию подачи кислорода в топку с расходом, зависящим от расхода топлива на основе углерода.

31. Способ сжигания по п.28, отличающийся тем, что включает операцию управления подачей топлива на основе углерода и/или кислорода из условия поддержания одного или более температурных параметров топки на заданном значении или ниже этого значения.

32. Способ сжигания по п.31, отличающийся тем, что один или более указанных температурных параметров задают с учетом теплопереноса, зависящего от геометрии топки.

33. Способ обеспечения функционирования топки, предусматривающий следующие операции:

используют топку, снабженную зоной сжигания и, по меньшей мере, одной горелкой и выполненную с возможностью предотвращения поступления воздуха;

обеспечивают подачу топлива на основе углерода в зону сжигания через горелку;

обеспечивают подачу кислорода заданной чистоты в топку для сжигания с топливом на основе углерода; и управляют сжиганием топлива на основе углерода для получения температуры пламени выше 2480°С и потока газа, отходящего из топки, с температурой, не превышающей 593°С.

34. Способ сжигания по п.33, отличающийся тем, что включает операцию подачи топлива на основе углерода в топку с расходом, зависящим от расхода кислорода.

35. Способ сжигания по п.33, отличающийся тем, что включает операцию подачи кислорода в топку с расходом, зависящим от расхода топлива на основе углерода.

36. Способ сжигания по п.33, отличающийся тем, что включает операцию управления подачей топлива на основе углерода и/или кислорода из условия поддержания одного или более температурных параметров топки на заданном значении или ниже этого значения.

37. Способ сжигания по п.36, отличающийся тем, что один или более указанных температурных параметров задают с учетом теплопереноса, зависящего от геометрии топки.

38. Способ сжигания, предусматривающий следующие операции:

обеспечивают подачу кислорода с чистотой по меньшей мере 21%;

подают кислород и топливо на основе углерода в топку в контролируемой пропорции по отношению друг к другу;

управляют сжиганием топлива на основе углерода для получения температуры пламени выше 1648°С.

39. Способ сжигания по п.38, отличающийся тем, что включает операцию подачи топлива на основе углерода в топку с расходом, зависящим от расхода кислорода.

40. Способ сжигания по п.38, отличающийся тем, что включает операцию подачи кислорода с расходом, зависящим от расхода топлива на основе углерода.

41. Способ сжигания по п.38, отличающийся тем, что включает операцию управления подачей топлива на основе углерода и/или кислорода из условия поддержания одного или более температурных параметров топки на заданном значении или ниже этого значения.

42. Способ сжигания по п.41, отличающийся тем, что один или более указанных температурных параметров задают с учетом теплопереноса, зависящего от геометрии топки.

43. Способ получения алюминия из алюминия, смешанного с другими материалами, отличными от алюминия, предусматривающий следующие операции:

подают алюминий, смешанный с другими материалами, отличными от алюминия, в пла вильную печь, выполненную с возможностью предотвращения поступления воздуха;

подают в печь кислород с чистотой выше

21%;

подают в печь топливо на основе углерода; производят сжигание в печи кислорода и топлива на основе углерода, которые подают в печь в стехиометрической пропорции по отношению друг к другу, так что избыток кислорода или топлива на основе углерода относительно стехиометрической пропорции не превышает 5%, причем температура пламени, образующегося при сжигании топлива на основе углерода, превышает 2480°С, а температура потока газа, отходящего из печи, не превышает 593°С;

расплавляют алюминий в печи;

удаляют из печи алюминий, загрязненный примесями и осуществляют разливку чистого расплавленного алюминия из печи.

44. Способ получения алюминия по п.43, отличающийся тем, что включает операцию утилизации тепла, не использованного в печи.

45. Способ получения алюминия по п.43, отличающийся тем, что включает операцию выделения алюминия из алюминия, загрязненного примесями, и подачу выделенного алюминия в печь.

46. Способ получения алюминия по п.44, отличающийся тем, что включает операцию преобразования утилизируемого тепла в электричество.

47. Способ получения алюминия по п.43, отличающийся тем, что включает операцию подачи топлива на основе углерода в плавильную печь с расходом, зависящим от расхода кислорода.

48. Способ получения алюминия по п.43, отличающийся тем, что включает операцию подачи кислорода в плавильную печь с расходом, зависящим от расхода топлива на основе углерода.

49. Способ получения алюминия по п.43, отличающийся тем, что включает операцию управления подачей топлива на основе углерода и/или кислорода из условия поддержания одного или более температурных параметров печи на заданном значении или ниже этого значения.

50. Способ получения алюминия по п.49, отличающийся тем, что один или более указанных температурных параметров задают с учетом теплопереноса, зависящего от геометрии плавильной печи.

51. Бессолевой способ выделения алюминия из алюминия, загрязненного шлаком, предусматривающий следующие операции:

загрязненный шлаком алюминий подают в печь, выполненную с возможностью предотвращения поступления воздуха и снабженную системой сжигания топлива для сжигания топлива на основе углерода с кислородом заданной чистоты, превышающей 21%, для получения пламени с температурой около 2760°С и, по существу, не имеющую избытка кислорода, с расплавлением загрязненного шлаком алюминия в печи;

снимают верхнюю часть расплавленного алюминия, загрязненного шлаком, для того, чтобы отделить алюминий от продукта с высоким содержанием шлака и получить продукт с высоким содержанием шлака;

производят прессование указанного продукта с высоким содержанием шлака на механическом прессе для отделения алюминия от продукта с высоким содержанием шлака с получением концентрированного продукта с высоким содержанием шлака.

52. Бессолевой способ выделения алюминия из алюминия, загрязненного шлаком, по п.51, отличающийся тем, что включает операцию возврата концентрированного продукта с высоким содержанием шлака в печь.

53. Бессолевой способ выделения алюминия из алюминия, загрязненного шлаком, по п.51, отличающийся тем, что дополнительно включает непосредственное воздействие пламенем с близкого расстояния на находящийся в печи алюминий, загрязненный шлаком.

54. Бессолевой способ выделения алюминия из алюминия, загрязненного шлаком, по п.51, отличающийся тем, что включает операцию подачи топлива на основе углерода в печь с расходом, зависящим от расхода кислорода.

55. Бессолевой способ выделения алюминия из алюминия, загрязненного шлаком, по п.51, отличающийся тем, что включает операцию подачи кислорода в печь с расходом, зависящим от расхода топлива на основе углерода.

56. Бессолевой способ выделения алюминия из алюминия, загрязненного шлаком, по п.51, отличающийся тем, что включает операцию управления подачей топлива на основе углерода и/или кислорода из условия поддержания одного или более температурных параметров печи на заданном значении или ниже этого значения.

57. Бессолевой способ выделения алюминия из алюминия, загрязненного шлаком, по п.56, отличающийся тем, что один или более указанных температурных параметров задают с учетом теплопереноса, зависящего от геометрии печи.

58. Печь для получения алюминия из алюминия, смешанного с другими материалами, отличными от алюминия, содержащая зону сжигания;

зону накапливания расплавленного алюминия;

горелку;

источник окисляющего агента для подачи кислорода заданной чистоты в печь для сжигания вместе с топливом на основе углерода;

средства управления сжиганием кислорода и топлива на основе углерода для получения температуры пламени выше 1648°С и потока газа, отходящего из печи, с температурой, не превышающей 593°С, причем печь выполнена с возможностью предотвращения поступления воздуха.

59. Печь для получения алюминия по п.58, отличающаяся тем, что содержит источник воздуха для подачи воздуха, содержащего кислород, к зоне сжигания для его сжигания с топливом на основе углерода и с кислородом заданной чистоты.

60. Печь для получения алюминия по п.58, отличающаяся тем, что содержит топливный канал для подачи топлива на основе углерода к горелке, причем кислород заданной чистоты подается в печь через указанный топливный канал.

61. Печь для получения алюминия по п.58, отличающаяся тем, что кислород заданной чистоты подается в печь отдельно от топлива на основе углерода.

62. Печь для получения алюминия по п.58, отличающаяся тем, что степень чистоты кислорода составляет по меньшей мере 85%.

63. Мусоросжигательная печь, содержащая зону сжигания;

горелку;

источник топлива для подачи указанного топлива;

источник окисляющего агента для подачи кислорода заданной чистоты и источник мусора;

при этом мусор подается в зону сжигания, причем топливо и кислород сжигаются у горелки с образованием пламени с температурой, превышающей 2480°С, для сжигания мусора.

64. Мусоросжигательная печь по п.63, отличающаяся тем, что окисляющий агент представляет собой кислород со степенью чистоты по меньшей мере 85%.

65. Мусоросжигательная печь по п.63, отличающаяся тем, что дополнительно содержит инжектор кислорода для инжектирования кислорода в зону сжигания.

66. Мусоросжигательная печь по п.63, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью предотвращения проникновения воздуха.

67. Способ сжигания мусора, предусматривающий следующие операции:

используют мусоросжигательную печь, содержащую зону сжигания, горелку, источник топлива и источник окисляющего агента;

подают топливо в горелку;

подают кислород заданной чистоты в горелку;

подают мусор в зону сжигания и управляют сжиганием кислорода и топлива для обеспечения сжигания мусора таким образом, чтобы сжигание кислорода и топлива у горелки обеспечивало образование пламени для сжигания мусора, причем температура пламени превышает 2480°С.

68. Способ сжигания мусора по п.67, включающий операцию подачи к горелке кислорода со степенью чистоты по меньшей мере

85%.

69. Способ сжигания мусора по п.67, включающий операцию инжектирования кислорода в зону сжигания отдельно от операции подачи кислорода заданной чистоты к горелке.