EA014464B1 - Способ и установка для получения расплава минерального материала - Google Patents

Abstract

Способ получения минерального расплава включает в себя подготовку циркуляционной топочной камеры, содержащей циркуляционные камерные газы, подачу в топочную камеру потока дисперсного топлива через питающий топливопровод, подачу в топочную камеру газа, поддерживающего горение; смешение потока дисперсного топлива с газом, поддерживающим горение, и циркуляционными камерными газами путем подачи в топочную камеру вспомогательного газа через входной патрубок для вспомогательного газа, причем вспомогательный газ подают поблизости от потока дисперсного топлива и причем скорость подачи вспомогательного газа по меньшей мере на 100 м/с превышает скорость подачи дисперсного топлива; суспендирование дисперсного минерального материала в циркуляционных камерных газах и сжигание топлива, вызывающие расплавление дисперсного минерального материала с получением минерального расплава и горячих отходящих газов; отделение горячих отходящих газов от расплава и извлечение расплава.

Description

Настоящее изобретение относится к получению минерального расплава путем сжигания горючего материала в присутствии минерального дисперсного материала, вызывающего образование расплава. Затем расплав может быть переработан с получением минеральных волокон.

Если волокна представляют собой стекловолокно, расплав обычно получают путем добавления дисперсного минерального материала в порцию расплава, предварительно полученную в электрической печи или ванной печи другого типа. Это является удобным с учетом химии, физических свойств и экономики производства стекловолокна, обычно имеющего следующий химический состав в расчете на массу оксидов: более 10% №ьО + К₂О, менее 3% железа в расчете на ЕеО, менее 20% СаО + МдО, более 50% §1О₂ и менее 5% А1₂О₃, а также часто некоторое количество бора. Однако подобная система является непрактичной и неэкономичной с учетом температуры расплава, других физических свойств и экономики для производства базальтовых, каменных или шлаковых волокон, обычно имеющих следующий состав в расчете на массу оксидов: менее 10% Ыа₂О + К₂О, более 20% СаО + МдО, более 3% железа в расчете на ЕеО, менее 50% §Ю₂ и часто более 10% А1₂О₃; бор обычно содержится не более чем в пренебрежимо малых количествах.

Обычным путем получения расплава для получения шлаковых, каменных или базальтовых волокон является использование шахтной печи, в которой свободно насыпанный бурт дисперсного минерального материала нагревают путем сжигания в печи горючего материала. Бурт частично плавится и пополняется сверху, в то время как расплав стекает вниз бурта и удаляется из пода печи. Обычно в подобных целях применяют купольную печь.

Необходимо, чтобы бурт был свободно насыпан и являлся проницаемым для топочных газов, которые обычно генерируют путем сжигания углеродсодержащего материала в бурте. Поэтому необходимо, чтобы все составляющие бурта являлись относительно грубодисперсными (для того, чтобы бурт был проницаемым) и обладали высокой физической прочностью, и чтобы бурт не обваливался до достижения достаточной глубины сгорания или плавления. На практике это означает, что углеродсодержащий материал представляет собой кокс, а дисперсный материал либо представляет собой грубо размолотый базальт, камень или шлак, либо находится в форме брикетов, полученных из мелкодисперсного материала.

Соответственно, если доступный материал является доступным только в мелкодисперсной форме, необходимо считаться с издержками и неудобствами формования его в брикеты. При брикетировании в качестве связующего обычно применяются серосодержащие материалы, в том числе портландцемент в смеси с гипсом, что означает, что отходящие газы обязательно обладают высоким содержанием серы, и делает необходимой их обработку. Обычно газ содержит Н₂§ и СО, если он не подвергается дожиганию.

По указанным и другим причинам в большинстве случаев является необходимым осуществление стадии дожигания отходящих газов купольной печи, чтобы газы, сбрасываемые в атмосферу, являлись экологически удовлетворительными; является желательным, чтобы необходимость в применении дожигательного устройства отсутствовала.

Купольная или другая шахтная печь также обладает тем недостатком, что условия в печи близки к восстановительным, что является достаточным для восстановления части железа до металлического железа. Это делает необходимым отделение металлического железа от расплава, снижает объем производства ваты, приводит к образованию отходов железа, а также заставляет считаться с риском коррозии в зоне, содержащей железо и шлак.

Другим недостатком является то, что данный процесс не отличается высоким тепловым КПД.

Несмотря на указанные недостатки, процесс получения базальтовых, каменных или шлаковых волокон, например, имеющих указанный выше состав, с применением купольной или другой шахтной печи широко распространился во всем мире.

Альтернативная и совершенно иная система для получения минерального расплава, позволяющая устранить или уменьшить недостатки купольной системы, описана в вышедшей ранее публикации авторов настоящего изобретения \УО 03/002469. В подобной системе использованы суспендирование порошкообразного угля или другого топлива в предварительно прогретом топочном воздухе и сжигание взвешенного топлива в присутствии взвешенного дисперсного минерального материала в циркуляционной топочной камере, т.е. в топочной камере, в которой взвешенные дисперсные материалы и воздух циркулируют в системе, представляющей собой систему циклонной циркуляции или близкую к ней. Такую систему обычно называют циклонной печью.

В результате подобного процесса образуются минеральный расплав и горячие отходящие газы. Взвешенное топливо подают в предварительно нагретый топочный воздух через входной трубопровод, в который добавляют дисперсный материал. Для обеспечения сведения к минимуму экологических проблем, связанных с отходящими газами, в частности, с содержащимися в отходящих газах оксидами азота, далее называемыми ΝΌχ, отходящие газы могут быть подвергнуты обработке.

Предпочтительной является обработка отходящих газов путем приведения в контакт в условиях восстановления ΝΌχ с дисперсным материалом в циклонном устройстве предварительного нагрева перед подачей в плавильный циклон.

Циклонная печь обладает существенными преимуществами по сравнению с купольными или другими шахтными печами. В отношении топлива отпадает необходимость в брикетировании мелкодис- 1 014464 персных частиц; возможно применение широкого ряда горючих материалов, например пластмасс. Применение циклонной плавильной печи устраняет риск восстановления руды до железа и приводит к выделению отходящих газов, являющихся экологически приемлемыми. Гибкость производительности по расплаву является гораздо большей, чем для купольной печи, из чего следует, что объем производства может быть легко и быстро изменен, например, от 40 до 100% полной производительности, что сильно снижает время, необходимое для ответа на изменение потребности. Кроме того, плавление в циклонной печи происходит гораздо быстрее, чем в случае купольной печи, и протекает за время порядка минут, а не часов.

Таким образом, применение циклонной плавильной печной системы является экономически и экологически выгодным, и система, описанная в АО 03/002469, оправдывает себя. Однако возможны многочисленные усовершенствования подобного процесса.

Патент США υδ 4365984 также относится к получению минеральной ваты с применением циклонной плавильной печи и предполагает подачу дисперсного вторичного сырья, содержащего неорганические негорючие и органические горючие компоненты, в топочный воздух. Указано, что скорость подобного потока частиц лежит в районе 30-60 м/с. Сгорание происходит, как только поток частиц поступает в зону горения.

В ΌΕ 19500962 описан способ получения продуктов плавления в циклонной плавильной печи с применением сопла горелки, через которое подаются топливо и кислород, и сопла для частиц, через которое подается дисперсный материал, подлежащий плавлению. Согласно одному из вариантов осуществления сопло горелки концентрически окружает сопло для частиц. Значения относительных скоростей, с которыми вещества проходят через сопло горелки и сопло для частиц, в ΌΕ 19500962 не указаны. Также отсутствуют сведения о подаче воздуха, не содержащего частиц или топлива и движущегося со скоростью, отличной от скорости подачи сопла горелки и сопла для частиц.

Плавильные циклоны также известны в других областях. Например, патент США ϋδ 4566903 относится к способу пирометаллургической обработки, согласно которому поток частиц металлической руды, не содержащей железа, смешивается с первичным топочным воздухом и подается в реакционную камеру, где раскаляется. Указано, что линейная скорость потока частиц составляет по меньшей мере 35 м/с или при применении вторичного воздуха по меньшей мере 100 м/с, например 177 м/с, что позволяет предотвратить проскок раскаленного материала из реакционной камеры в поток частиц. Вторичный воздух может подаваться через спиральный кожух, окружающий место подачи потока частиц, таким образом, его путь оказывается криволинейным. Указано, что скорость движения вторичного воздуха составляет около 100 м/с, т. е. скорость, близкая к скорости потока частиц.

Патент США ϋδ 3759501 относится к области производства меди; для получения черновой меди из медьсодержащих материалов в нем использована циклонная плавильная установка.

Медьсодержащие материалы подают в циклонный аппарат в сжатом потоке вместе с кислородсодержащим газом. Поток получают с применением кислородной фурмы, полностью находящейся внутри питающего трубопровода и позволяющей смешивать медьсодержащий материал с кислородом, но не оказывающей влияния на процессы внутри циклонного аппарата.

Циклонные топочные камеры также применяются при сжигании топлива для производства энергии, что описано в заявке США υδ 2005/0039654, в которой в зону горения подается смесь угля с воздухом. Кроме того, с не указанной скоростью, предпочтительно рядом со смесью угля с воздухом, подается третичный газ; подача происходит таким образом, чтобы обогащение кислородом происходило без искажения существующих в циклоне структур потока.

Настоящее изобретение, в частности, относится к применению циклонной печи для получения минерального расплава и имеет задачу усовершенствования известных процессов подобного типа.

Первым объектом настоящего изобретения является способ получения минерального расплава, включающий в себя подготовку циркуляционной топочной камеры, содержащей циркулирующие камерные газы; подачу в топочную камеру потока дисперсного топлива через питающий топливопровод; подачу в топочную камеру газа, поддерживающего горение;

смешение потока дисперсного топлива с газом, поддерживающим горение, и циркуляционными камерными газами путем подачи в топочную камеру вспомогательного газа через входной патрубок для вспомогательного газа, причем вспомогательный газ подается поблизости от потока дисперсного топлива и причем скорость подачи вспомогательного газа по меньшей мере на 100 м/с превышает скорость подачи дисперсного топлива;

суспендирование дисперсного минерального материала в циркуляционных камерных газах и сжигание топлива, вызывающие плавление дисперсного минерального материала с получением минерального расплава и горячих отходящих газов;

отделение горячих отходящих газов от расплава и извлечение расплава.

Вторым объектом настоящего изобретения является установка, пригодная для проведения процесса, соответствующего первому объекту настоящего изобретения, и содержащая циркуляционную топочную камеру;

- 2 014464 питающий топливопровод, выходящий в топочную камеру;

входной патрубок для вспомогательного газа, концентрически окружающий питающий топливопровод и снабженный на конце сужающимся соплом;

устройства для подачи в камеру газа, поддерживающего горение;

устройства для подачи в камеру дисперсного минерального материала;

устройства для отделения горячих отходящих газов от расплавленного минерального материала; устройства для извлечения расплава.

Найдено, что в системах для получения минерального расплава в циркуляционной топочной камере, известных в уровне техники, вследствие медленного и неполного смешения топлива, газов, поддерживающих горение, и горячих циркуляционных газов в топочной камере достигаются значения КПД, меньшие оптимальных. По-видимому, это связано с тем фактом, что при входе потока частиц топлива в топочную камеру вместо диспергирования поток, по меньшей мере, частично остается неизменным и поэтому имеет в камере сходство со стержнем частиц топлива. Это означает, что частицы топлива не сгорают немедленно, поскольку они не полностью смешиваются с газом, поддерживающим горение, и горячими газами в камере.

Кроме того, частицы топлива в различных участках стержня поступают в различные участки циркуляционного потока внутри топочной камеры и поэтому имеют существенно различающиеся времена пребывания внутри камеры. Это приводит к наличию существенной доли частиц топлива, обладающих временами пребывания внутри топочной камеры, которые слишком малы для обеспечения полного сгорания. Подобные частицы полностью теряются из системы с отходящими газами или могут сгорать в выходном канале для отходящих газов. Это является неэффективным и нежелательным. Важной проблемой в данном случае является долговечность циклонной печной установки, поскольку условия в ней являются очень агрессивными, в особенности на участках установки, через которые на скорости проходят дисперсные материалы. Данные участки особенно подвержены износу. Поэтому, хотя простое повышение скорости, с которой взвешенные частицы топлива поступают в топочную камеру, может повлечь за собой более равномерное смешение, оно также может повысить износ установки до неприемлемого уровня.

Настоящее изобретение решает проблему низкого КПД по топливу без снижения долговечности установки путем применения вспомогательного газа, который подают в топочную камеру поблизости от потока дисперсного топлива и который движется гораздо быстрее, чем топливо. Предпочтительно, чтобы вспомогательный газ также двигался гораздо (по меньшей мере на 100 м/с) быстрее, чем газ, поддерживающий горение.

Вспомогательный газ вызывает местную турбулентность, которая в свою очередь вызывает смешение дисперсного топлива с газом, поддерживающим горение, и с циркуляционными камерными газами. Таким образом, частицы топлива диспергируются внутри камеры и сгорают быстрее вследствие немедленного смешения как с горячими циркуляционными камерными газами, так и с газом, поддерживающим горение. Поскольку частицы топлива лучше диспергированы в циркулирующем газе, поддерживающем горение, их время пребывания внутри камеры распределено более равномерно, что означает, что большая доля частиц топлива подвергается полному сгоранию внутри камеры и способствует получению минерального расплава. Настоящее изобретение снижает количество образующегося моноксида углерода путем повышения уровня полного сгорания топлива.

Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что обладающий высокой скоростью вспомогательный газ, основная составляющая которого направляется в корпус камеры, помогает поддерживать циркуляционные потоки в камере и повышает импульс циркуляционных газов с целью поддержания циклонного эффекта.

Согласно предпочтительному варианту осуществления вспомогательный газ подается в камеру через сопло, которое выполнено так, чтобы она увеличивала скорость газа в месте подачи. Это означает, что в оставшейся части входного патрубка для газа необходима более низкая скорость газа. Это вызывает меньший износ, чем в случае, если та же скорость подачи достигается без применения сопла. Сопло также сообщает скорости потока вспомогательного газа, направленного в поток топлива, поперечную составляющую. Это усиливает эффект смешения.

Вспомогательный газ предпочтительно сжимают, т. е. его давление составляет больше атмосферного давления (1 бар), предпочтительно от 2 до 4 бар. В данном варианте осуществления на входе в камеру газ расширяется, что повышает турбулентность и смешение частиц топлива с газом, поддерживающим горение, и горячими циркуляционными газами. Поэтому важным свойством вспомогательного газа является его давление, превышающее давление в циклоне, которое обычно является атмосферным. В частности, наилучшее смешение достигается, если давление вспомогательного газа больше или равно удвоенному давлению газов в циклоне.

Вспомогательный газ предпочтительно подается, т.е. выходит из трубопровода для вспомогательного газа, со звуковой скоростью. Звуковой в данном контексте означает скорость, которая составляет скорость звука или превышает ее. При комнатных условиях температуры и давления газа скорость звука составляет 340 м/с или выше и существенно меняется в зависимости от условий и типа газа. Важным

- 3 014464 является то, что вспомогательный газ движется со скоростью звука, соответствующей имеющимся конкретным условиям, или со скоростью, превышающей ее. Найдено, что вспомогательный газ, подаваемый при таких скоростях, оказывает особенно благоприятное действие на КПД по топливу.

Настоящее изобретение также включает в себя способ получения волокон из расплава, согласно которому извлеченный расплав самотеком направляют в установку для получения волокон, которая может представлять собой многоступенчатое центробежно-валковое прядильное устройство, прядильное устройство с применением центрифугальной чаши или любое другое известное центробежное прядильное устройство, и перерабатывают с образованием волокон, которые затем соединяют, например, в виде полотна, и превращают в проклеенный или другой минерально-волокнистый продукт известными способами. Состав расплава обычно таков, что волокна относятся к типам, обычно называемым шлаковыми, каменными или базальтовыми волокнами, однако настоящее изобретение также может быть применено для получения стекловолокна.

Настоящее изобретение также включает в себя способы, в которых извлеченный расплав может быть применен в совершенно иных целях, например, для получения литых изделий. Вторым объектом настоящего изобретения является установка, предпочтительная для получения расплава и включающая в себя топочную камеру, в которой имеются выходящие внутрь последней питающий топливопровод и входной патрубок для вспомогательного газа, причем вспомогательный входной патрубок окружает питающий топливопровод и имеет на конце сужающееся сопло.

Циркуляционная топочная камера согласно настоящему изобретению относится к типу, часто называемому циклонной печью. Предпочтительно она охлаждается водой. Конструкции пригодных циклонных печей описаны во многих патентах, в том числе И8 3855951, 4135904, 4553997, 4544394, 4957527, 5114122 и 5494863.

Дисперсное топливо, применяемое в настоящем изобретении, обычно представляет собой углеродсодержащий материал и может представлять собой любой дисперсный углеродсодержащий материал, который обладает подходящей теплотой сгорания. Последняя может быть относительно низкой, например 10000 и даже 5000 кДж/кг. Поэтому топливо может представлять собой, например, высушенный осадок сточных вод или макулатуру. Предпочтительно оно имеет более высокую теплоту сгорания и может представлять собой использованную футеровку электролизеров алюминиевой промышленности, уголь, содержащий загрязнения, в том числе пустую породу, или угольную пыль.

Согласно предпочтительному варианту осуществления топливо представляет собой угольную пыль и может представлять собой угольную мелочь, однако предпочтительно часть, как правило, по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 80%, как правило, весь уголь получают путем размола кускового угля, например, с применением шаровой мельницы. Уголь, изначально поступающий в виде мелочи или кусков, может представлять собой уголь высокого качества или загрязненный уголь, содержащий большое количество неорганических компонентов, например от 5 до 50% неорганических веществ, причем остальная часть представляет собой углерод. Предпочтительно уголь в основном или полностью представляет собой высококачественный уголь, например битуминозный или суббитуминозный уголь (стандарт Л8ТМ Ό388 1984) и содержит летучие вещества, промотирующие горение.

Частицы топлива предпочтительно имеют средний размер в интервале от 50 до 1000 мкм, более предпочтительно от 50 до 200, обычно примерно 70 мкм, причем 90% частиц имеют размеры в области менее 100 мкм.

Топливо подается в камеру через питающий трубопровод обычным путем с получением потока частиц топлива. Это обычно влечет за собой применение газа-носителя, в котором взвешены частицы топлива. Газ-носитель может представлять собой воздух, предпочтительно имеющий комнатную температуру во избежание проскока, или менее реакционноспособный газ, в том числе азот. Питающий трубопровод предпочтительно является цилиндрическим.

Газ, поддерживающий горение, подается в камеру и может иметь комнатную температуру, однако предпочтительным является его предварительный нагрев. Максимально возможная температура, до которой нагревают газ, поддерживающий горение, составляет около 600°С; предварительный нагрев предпочтительно проводится до 300-600°С, наиболее предпочтительно до около 500-550°С. Газ, поддерживающий горение, может представлять собой любой газ, в котором может сгорать топливо, например воздух, воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород. Он также может содержать пропан или метан, однако в предпочтительных вариантах осуществления он представляет собой воздух или кислород. При применении чистого кислорода последний предпочтительно имеет комнатную температуру и не подвергается предварительному нагреву. Газ может подаваться через питающий трубопровод вместе с взвешенным в нем топливом, особенно если он имеет относительно низкую температуру. Сгорание топлива не должно начинаться в топливопроводе до того, как топливо поступит в камеру (явление, известное как проскок), поэтому в данном варианте осуществления необходима низкая температура газа. Однако газ предпочтительно подается отдельно через один или несколько входных патрубков, которые могут быть расположены поблизости от питающего топливопровода таким образом, чтобы газ, поддерживающий горение, направлялся в камеру на том же участке, что и топливо, с целью обеспечения эффективного смешения. В наиболее предпочтительном варианте осуществления входной патрубок для газа,

- 4 014464 поддерживающего горение, концентрически окружает питающий топливопровод и входной патрубок для вспомогательного газа, как описано ниже.

Как при совместной, так и при раздельной подаче скорость, с которой газ, поддерживающий горение и топливо подаются в камеру, является относительно низкой (предпочтительно между 1 и 50 м/с) с целью сведения к минимуму износа установки. Если топливо взвешено в газе, поддерживающем горение, скорость предпочтительно составляет от 5 до 40 м/с. При раздельной подаче, являющейся предпочтительной, скорость подачи топлива предпочтительно составляет от 20 до 40 м/с. Вследствие использования вспомогательного газа, имеющего высокую скорость и, как следствие, импульс, скорость подачи газа, поддерживающего горение, может меняться в широком интервале, например, от 5 до 100 м/с, и предпочтительно находиться в интервале от 20 до 75 м/с.

В настоящем изобретении в топочную камеру также подается вспомогательный газ для диспергирования частиц топлива в камере и, как следствие, их смешения с газом, поддерживающим горение, и циркуляционными газами. Вспомогательный газ подается через входной патрубок для вспомогательного газа, который расположен так, чтобы вспомогательный газ подавался вблизи от потока частиц топлива в месте, в котором они поступают в камеру, или рядом с ним. Таким путем вспомогательный газ приводится в контакт с потоком топлива и обеспечивает смешение.

Основной причиной, по которой вспомогательный газ вызывает диспергирование частиц топлива и их смешение с газом, поддерживающим горение, и циркуляционными газами, является различие скоростей подачи. Вспомогательный газ подается со скоростью, по меньшей мере на 100 м/с превышающей скорость подачи частиц топлива и газа, поддерживающего горение. Это вызывает появление сдвиговых сил между потоком вспомогательного газа и медленнее движущимися топливом и окружающими его газами, что разрушает поток частиц топлива, газа, поддерживающего горение, и камерных газов и, как следствие, вызывает полное смешение. Вспомогательный газ может представлять собой любой газ, вызывающий подобный эффект смешения, например воздух, воздух, обогащенный кислородом, чистый кислород, пропан, метан или азот.

При подаче основная составляющая вспомогательного газа продолжает перемещаться в направлении подачи по прямой линии от входного патрубка в камеру. Поэтому большая часть направленной скорости, т.е. вектора скорости, распространяется в направлении подачи. Поскольку вспомогательный газ перемещается быстро, его импульс (произведение скорости и массового потока) является высоким, даже если он применяется в относительно низких количествах. Данный импульс помогает поддерживать потоки в циклоне. Вспомогательный газ предпочтительно также имеет второстепенную составляющую, которая направляется в сторону, в поток частиц топлива, что способствует быстрому и экстенсивному смешению.

Входной патрубок для вспомогательного газа может быть расположен в любом месте поблизости от питающего трубопровода с целью подачи газа поблизости от потока частиц топлива, однако для оптимизации эффекта смешения входной патрубок для вспомогательного газа предпочтительно концентрически окружает питающий топливопровод. Если газ, поддерживающий горение, не подается через питающий топливопровод вместе с топливом, входной патрубок для газа, поддерживающего горение, предпочтительно концентрически окружает входной патрубок для вспомогательного газа. Патрубки для вспомогательного газа и для газа, поддерживающего горение, предпочтительно являются цилиндрическими.

Для оптимизации эффекта смешения скорость подачи вспомогательного газа предпочтительно по меньшей мере на 200 м/с превышает скорость подачи топлива и газа, поддерживающего горение, и, как правило, составляет по меньшей мере 250 м/с, предпочтительно по меньшей мере 300 м/с. В наиболее предпочтительном варианте осуществления скорость подачи вспомогательного газа является звуковой, т.е. большей или равной скорости звука. Последняя меняется в зависимости от температуры и типа газа (например, в атмосферном воздухе скорость звука составляет около 340 м/с, тогда как в воздухе при 550°С она составляет около 575 м/с).

Также предпочтительно, чтобы газ подвергался сжатию предпочтительно до давления, по меньшей мере вдвое превосходящего давление в камере и предпочтительно составляющего от 2 до 4 бар. В этом случае газ расширяется при поступлении в камеру, что еще более усиливает эффект смешения.

Для достижения высокой скорости подачи предпочтительной является подача вспомогательного газа через сужающееся сопло, поскольку при этом увеличивается скорость газа; это означает, что в оставшейся части газового патрубка возможны меньшие скорости газа, что снижает износ газового патрубка и обеспечивает максимальную долговечность установки.

Возможно применение любых сопел, в частности сопел, известных как сопла Лаваля, повышающих скорость вспомогательного газа до сверхзвуковой.

Предпочтительно сопло имеет такую форму, чтобы оно увеличивало скорость газа до звуковых значений, а также чтобы оно направляло одну из составляющих потока газа в сторону и в поток топлива. Внутренняя поверхность сопла предпочтительно сужается под углом от 20 до 40°, предпочтительно от 25 до 35°, при этом речь идет об угле, под которым сужающееся сопло отклоняется от предшествующей части патрубка. В противоположность соплу Лаваля отверстие сопла предпочтительно является наиболее узкой точкой, что усиливает направленную в сторону составляющую подаваемого газа.

- 5 014464

Вспомогательный газ может быть подвергнут предварительному нагреву, однако для повышения энергетического КПД и облегчения сжатия предпочтительно не нагревать его. Хотя вспомогательный газ может предоставлять кислород для горения или представлять собой горючий газ, в том числе метан или пропан, основной целью его применения является содействие смешению с газом, поддерживающим горение, поэтому возможно применение инертных газов, в том числе азота. В способе согласно настоящему изобретению для достижения оптимального смешения необходимо лишь относительно небольшое количество вспомогательного газа; в самом деле, поскольку вспомогательный газ обычно не подвергается предварительному нагреву, его количество должно поддерживаться на низком уровне для поддержания в камере высокой температуры, необходимой для плавления. Согласно настоящему изобретению вспомогательный газ предпочтительно составляет менее 40 мас.% всего подаваемого газа, более предпочтительно от 10 до 30%, наиболее предпочтительно от 15 до 20% всего подаваемого газа. Весь подаваемый газ включает в себя вспомогательный газ и газ, поддерживающий горение, а также любой другой газ, подаваемый в камеру.

Дисперсный минеральный материал, подвергаемый расплавлению в камере с получением минерального расплава, подается в камеру таким образом, чтобы он суспендировался в находящихся в ней газах. Место, в котором происходит добавление дисперсного минерального материала, не является существенным; возможно смешение его с топливом и подача через питающий топливопровод. Однако предпочтительно добавлять дисперсный минеральный материал в горящее топливо. Это может быть достигнуто путем введения дисперсного минерального материала в камеру через патрубок обычным путем, например, в верхней части камеры.

Внутри циркуляционной топочной камеры происходит сгорание дисперсного угля и превращение дисперсного минерального материала, взвешенного в газе, в расплав. Расплав и дисперсный материал могут быть отброшены на стенки камеры и спадают на дно камеры, предпочтительно в виде расплава. Циркуляционная камера может представлять собой горизонтальный или наклонный циклон, однако часто она является вертикальной. Нижняя часть камеры может выходить в емкость для сбора расплава. Камера может выходить непосредственно в емкость без перехода в конический или другой сужающийся канал типов, известных для многих систем, поскольку наличие конического канала в качестве выхода не дает преимуществ и препятствует попаданию потока в нижнюю часть камеры. Предпочтительно нижняя часть циркуляционной камеры выходит на участок извлечения, из которого расплав затем транспортируется для использования в процессе переработки в волокна. Например, расплав может извлекаться и затем перемещаться по желобу для выгрузки на участках, из которых расплав выгружается в прядильные устройства для получения волокон.

Емкость может находиться на дне камеры (например, как описано в патенте США И8 4553997) или представлять собой осадительный бак существенно большего объема. В осадительном баке должны находиться объем газа, достаточный для обеспечения осаждения капель расплава из отходящих газов, и объем расплава, достаточный для обеспечения растворения частиц, которые могут быть расплавлены не полностью, и для гомогенизации расплава. В случае необходимости для подвода внешней энергии к осадительному баку, например, для повышения температуры отходящих газов, особенно при пуске, могут быть использованы газовая горелка или другие средства.

Расплав извлекают, например, путем вытекания из емкости, в случае необходимости через желоб, самотеком; затем возможна его переработка в волокна известными способами, например с применением многоступенчатого центробежно-валкового прядения, прядения с использованием центрифугальной чаши или любого другого известного центробежного способа получения волокон. В другом варианте осуществления расплав может поступать в другой производственный процесс, например в литьевой процесс.

Горячие отходящие газы поднимаются вверх и отводятся из верхней части циркуляционной топочной камеры. В целях обеспечения сведения к минимуму уровня вредных для окружающей среды ΝΟχ в отведенных отходящих газах последние предпочтительно подвергают обработке. В предпочтительном варианте осуществления обработку проводят путем приведения газа в контакт с дисперсным материалом в условиях восстановления ΝΟχ в циклонном устройстве предварительного нагрева. Преимуществами при этом являются восстановление ΝΟχ в отходящем газе наряду с предварительным нагревом дисперсного материала с целью облегчения его плавления в печи.

Условия восстановления ΝΟχ предпочтительно создают путем подачи в циклонное устройство предварительного нагрева азотсодержащего материала, который восстанавливает ΝΟχ в условиях, преобладающих в устройстве предварительного нагрева. Азотсодержащий материал может быть введен в состав горячего отходящего газа, подаваемого в устройство предварительного нагрева, или добавлен непосредственно в устройство.

Азотсодержащий материал, подаваемый в циклонное устройство предварительного нагрева, предпочтительно представляет собой аммиак или соединение аммония, амин или мочевину, причем мочевина может иметь свободную форму или более предпочтительно представлять собой смолоподобный продукт, в том числе мочевиноформальдегидную или фенолмочевиноформальдегидную смолу. Особенно предпочтительно, чтобы условия восстановления ΝΟχ создавались путем введения в дисперсный материал, подаваемый в циклонное устройство предварительного нагрева, отходов минеральной ваты, содержащих

- 6 014464 связующее, причем последние должны содержать мочевинную смолу (обычно фенолмочевинную смолу) и/или аммиак или соединение аммония (например, в качестве буферного агента для смолы, входящей в состав отходов ваты). Поэтому согласно настоящему изобретению является возможным одновременное использование отходов и введение их в реакцию в подходящих условиях с целью восстановления значительного количества ΝΟχ в отходящих газах до азота.

Количество аммиака, его производного или других соединений, восстанавливающих ΝΟχ, предпочтительно составляет от 1 до 4 (более предпочтительно от 1 до 2, в особенности от 1 до 1,7) моль на 1 моль ΝΟχ; реакцию предпочтительно проводят при температуре от 800 до 1050°С. Время пребывания в реакции предпочтительно составляет по меньшей мере 0,3 с, наиболее предпочтительно по меньшей мере 1 с. Обычно такое значение имеет время пребывания дисперсного минерального материала в циклонном устройстве предварительного нагрева и/или в системе каналов до охлаждения отходящего газа ниже температуры реакции, например ниже 800°С. В подобных условиях, предпочтительно при температуре в промежутке от 800 до 1050°С, почти все ΝΟχ восстанавливаются до азота, даже если атмосфера в устройстве предварительного нагрева предпочтительно является окислительной.

Поэтому в соответствии с другим существенным признаком настоящего изобретения газовая атмосфера в циклонном устройстве предварительного нагрева содержит избыток кислорода, предпочтительно в количестве, равном по меньшей мере 1 или 2%, наиболее предпочтительно по меньшей мере 4%, например до 8 об./мас.% от газовой атмосферы. Несмотря на окислительную природу атмосферы в условиях, определенных для устройства предварительного нагрева, ΝΟχ восстанавливаются путем добавления аммиака или других азотсодержащих соединений.

Поэтому устройство предварительного нагрева может одновременно выполнять функции восстановителя ΝΟχ и окислительного дожигателя с целью сжигания соединений, загрязняющих окружающую среду, в том числе сероводорода и моноксида углерода, образующихся в циркуляционной топочной камере.

Отходящие газы, отделяемые от расплава и затем направляемые в циклонное устройство предварительного нагрева, предпочтительно содержат меньше кислорода, чем газы, присутствующие в устройстве предварительного нагрева, поэтому либо в устройстве предварительного нагрева, либо между расплавом и указанным устройством к отходящим газам добавляют газообразный или иной источник кислорода.

Сгорание в циркуляционной топочной камере предпочтительно является околостехиометрическим или даже субстехиометрическим. В результате количество ΝΟχ, образующееся в ходе сгорания, сводится к минимуму. Отношение количества кислорода к количеству горючего материала обычно составляет от 0,8 до 1, наиболее предпочтительно от 0,85 до 0,99, часто от 0,92 до 0,97.

Поэтому в способе и установке, являющимися предпочтительными согласно настоящему изобретению, сгорание углеродсодержащего дисперсного материала и плавление минерального дисперсного материала проводится в условиях небольшого недостатка кислорода, и образующийся отходящий газ необходимо в небольшой степени подвергать окислению; затем отходящие газы в одну стадию подвергаются окислительному дожиганию и восстановлению ΝΟχ в циклонном устройстве предварительного нагрева.

Температура отходящих газов при их отделении от расплава предпочтительно составляет от 1400 до 1700°С, часто от 1500 до 1600°С. Температура газов, поступающих в циклонное устройство предварительного нагрева, обычно лежит в промежутке от 1000 до 1500°С. Если данное значение меньше температуры газа при выделении из расплава, что естественно, снижение температуры может быть достигнуто путем разбавления газом и/или жидкостью, предпочтительно водой. Отношение количеств поступающего отходящего газа и дисперсного минерального материала должно быть таким, чтобы минеральный материал подвергался нагреву до необходимой температуры, обычно от 700 или 800 до 1050°С, в циклонном устройстве предварительного нагрева.

Отходящие газы циклонного устройства предварительного нагрева используют для предварительного нагрева газа, предназначенного для сгорания углеродсодержащего материала; обычно на выходе из устройства предварительного нагрева температура газов находится в промежутке от 800 до 900°С. Газы предпочтительно используют для теплообмена с поступающим газом, поддерживающим горение, с целью предварительного нагрева последнего до температуры, равной по меньшей мере 500°С и предпочтительно составляющей от 600 до 900, наиболее предпочтительно около 700-800°С.

Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения далее объясняется со ссылкой на чертеж, представляющий собой технологическую схему предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.

Кусковой уголь подают из силоса 5 и размалывают при помощи шаровой мельницы 4. Затем уголь суспендируют в воздухе-носителе при комнатной температуре, транспортируют по питающему топливопроводу 1 и подают в циркуляционную топочную камеру 25 на выходе из топливопровода 1.

Дисперсный материал подают из бункеров 12 и 13, причем особенно важным является бункер 13, поскольку он содержит дисперсные отходы, в состав которых входит источник азота, например, минеральную вату в смеси со связующим, представляющим собой мочевинную смолу. Различные материалы из бункеров 12 и 13 в случае необходимости после дополнительного диспергирования в шаровой или иной мельнице затем смешивают и направляют в силос 14, из которого они непрерывно разгружаются в

- 7 014464 подающее устройство 11. Оттуда они через циклонное устройство 22 предварительного нагрева поступают в циркуляционную топочную камеру 25 через питающее устройство 7.

Газ, поддерживающий горение, в данном случае воздух, подают вентилятором 17 через теплообменник 16 и канал 2 к входному патрубку 3 для газа, поддерживающего горение, откуда он поступает в циркуляционную топочную камеру 25.

Вспомогательный газ, в данном случае воздух, поступает из источника 24 по каналу 6 в сопло 8, откуда он со звуковыми скоростями поступает в циркуляционную топочную камеру 25.

Вспомогательный воздух вызывает внутри циркуляционной топочной камеры 25 быстрое смешение угля с топочным воздухом и горячими газами, циркулирующими внутри камеры. Вспомогательный воздух также поддерживает циклонный эффект внутри камеры вследствие высокого значения его скорости внутри камеры.

После быстрого смешения происходит сгорание топлива, и взвешенный в воздухе дисперсный минеральный материал превращается в расплав. Расплав и дисперсный материал могут быть отброшены на стенки камеры и спадают на дно камеры, предпочтительно в виде расплава.

Расплав вытекает из камеры (возможно, через отстойник, который не показан) самотеком по желобу

9. Затем он может быть подвергнут переработке в волокна известными способами или использован в каком-либо другом производственном процессе.

Отходящие газы, не содержащие расплава, отводят из циркуляционной топочной камеры 25 по каналу 10. Большая часть дисперсного материала, подлежащего плавлению, или весь указанный материал предварительно нагревают отходящими газами или подают подающим устройством 11 в поток отходящего газа, проходящий по каналу 10, после чего полученная суспензия в газе проходит через циклонное устройство 22 предварительного нагрева.

Отходящие газы в канале 10 при приближении к подающему устройству 11, как правило, охлаждают путем разбавления воздухом и/или водой (не показано) до температуры от 1200 до 1400°С, необходимой для нагрева дисперсного материала в циклоне 22 до температуры, лежащей в промежутке от 700 до 1000°С, обычно около 800°С.

Отходящие газы, как правило, выходят из циклона 22 при температуре, лежащей в интервале от 800 до 1000°С, предпочтительно около 900°С. При данной температуре происходит избирательное некаталитическое восстановление ΝΟχ, преимущественно до азота, результатом чего является удовлетворительно низкое содержание ΝΟχ, предпочтительно отсутствие ΝΟχ в отходящих газах, выходящих из циклона 22 по каналу 15.

Затем отходящие газы проходят через теплообменник 16, в котором происходит непрямой теплообмен с топочным воздухом, поступающим из вентилятора 17, вследствие чего поток предварительно нагретого топочного воздуха, поступающего по каналу 2, приобретает необходимые значения. Дымовые газы удаляются вентилятором 27 через фильтр 18 в дымовую трубу 19.

Claims (13)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ получения расплава минерального материала, в котором подают в циркуляционную топочную камеру поток дисперсного топлива через питающий топливопровод;

   подают в топочную камеру газ, поддерживающий горение;

   подают в топочную камеру вспомогательный газ через входной патрубок для вспомогательного газа поблизости от потока дисперсного топлива со скоростью подачи, по меньшей мере на 100 м/с превышающей скорость подачи дисперсного топлива для смешения потока дисперсного топлива с газом, поддерживающим горение, и циркуляционными камерными газами;

   подают в топочную камеру дисперсный минеральный материал, который суспендируется в циркуляционных камерных газах, и расплавляют его при сжигании топлива с получением минерального расплава и горячих отходящих газов;

   отделяют горячие отходящие газы от расплава и извлекают расплав.
2. 2. Способ по п.1, в котором вспомогательный газ подают через входной патрубок, концентрически окружающий питающий топливопровод.
3. 3. Способ по п.1 или 2, в котором для подачи вспомогательного газа используют входной патрубок с сужающимся соплом на выходном конце.
4. 4. Способ по п.3, в котором внутренняя поверхность сопла сужается под углом от 20 до 40°, предпочтительно от 25 до 35°.
5. 5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором скорость подачи потока топлива составляет от 1 до 50 м/с, скорость подачи газа, поддерживающего горение, составляет от 1 до 100 м/с и скорость подачи вспомогательного газа по меньшей мере на 200 м/с превышает скорость подачи топлива и газа, поддерживающего горение.
6. 6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором скорость подачи вспомогательного газа составляет по меньшей мере 250 м/с, предпочтительно по меньшей мере 300 м/с, наиболее предпочти

   - 8 014464 тельно по меньшей мере 350 м/с.
7. 7. Способ по любому из пп.1-5, в котором вспомогательный газ подают со звуковой скоростью.
8. 8. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором часть вспомогательного газа направляют в сторону от направления подачи в поток дисперсного топлива.
9. 9. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором газ, поддерживающий горение, подают через входной патрубок для газа, поддерживающего горение, концентрически окружающий входной патрубок для вспомогательного газа.
10. 10. Способ по любому из пп.1-8, в котором газ, поддерживающий горение, подают по питающему топливопроводу вместе со взвешенным в нем топливом.
11. 11. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором вспомогательный газ составляет менее 40 мас.%, предпочтительно от 10 до 30%, наиболее предпочтительно от 15 до 20% всего подаваемого газа.
12. 12. Способ получения минеральных волокон, в котором получают расплав минерального материала, извлекают расплав, подают поток извлеченного расплава в центробежное устройство для получения волокон и получают минеральные волокна путем превращения потока расплава в волокна центробежным способом, причем расплав получают в соответствии со способом по любому из пп.1-11.
13. 13. Установка для осуществления способа по любому из пп.1-11, содержащая циркуляционную топочную камеру;

    питающий топливопровод, выходящий в топочную камеру;

    входной патрубок для вспомогательного газа, концентрически окружающий питающий топливопровод и снабженный на конце сужающимся соплом, способным подавать вспомогательный газ со скоростью, превышающей скорость подачи дисперсного топлива по меньшей мере на 100 м/с;

    устройство для подачи в камеру газа, поддерживающего горение;

    устройство для подачи в камеру дисперсного минерального материала;

    устройство для отделения горячих отходящих газов от расплавленного минерального материала; устройство для извлечения расплава.