СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ШЛАКООБРАЗУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК F23G7/00 

Изобретение относится к области переработки твердых материалов и/или их композиций, а именно твердых промышленных и бытовых отходов, бедных руд, некондиционного каменного угля, шламов очистных сооружений, способных после высокотемпературной обработки в результате экзотермической реакции образовывать шлаки, пригодные для осуществления газлифтной циркуляции внутри используемой печи, и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве, энергетике, металлургии, горной промышленности и т.д.

В дальнейшем термин "шлакообразующие материалы" будет характеризовать группу материалов, содержащую, не исключительно, рудные материалы, шламы, шлаки, высокозольные угли, сланцы, древесину и продукты ее переработки, нефть и продукты ее переработки, газообразное топливо, пластики, металлолом, содержимое "хвостохранилищ" обогатительных предприятий, сырье металлургической и другой перерабатывающей промышленности, промышленные и бытовые твердые и жидкие отходы и т.д., способных при температурной обработке в присутствии кислородсодержащего газа и, при необходимости, в присутствии дополнительных горючих материалов образовывать расплав, содержащий минеральные продукты окисления, остатки горючих материалов, примеси восстановленных металлов и т.д., после затвердевания представляющий собой камневидное или стекловидное тело.

Известна (RU, патент 2036384, F 23 G 5/00, 1995) печь для непрерывной переработки материалов в расплаве, в том числе и твердых бытовых отходов, углей, шламов очистных сооружений и т.д. Известная печь содержит шахту, кессонированный пояс с фурмами, подину, свод, устройство для выпуска расплава, расположенное в средней части печи, загрузочное устройство и газоотводящий тракт, причем она также содержит вертикальные перегородки, расположенные в шахте и образующие газлифтные загрузочные камеры по торцам печи, при этом на сводах газлифтных загрузочных камер могут быть дополнительно установлены вертикальные фурмы и взрывные клапаны.

Печь работает следующим образом. В приемные воронки газлифтных загрузочных камер загружают увлажненный углеродсодержащий материал. Газлифтные камеры соединены по расплаву с плавильной зоной печи. Дутье, подаваемое через вертикальные фурмы газлифтных камер, инжектирует подаваемый материал в расплав. В основной части печи благодаря подаче кислородсодержащего дутья происходит интенсивный барботаж расплава. Всплывающие газовые пузыри создают газлифтный эффект, вследствие которого происходит активный захват материала, попавшего на поверхность расплава, и его передача в зону плавления. Интенсивный барботаж способствует интенсификации процессов тепло- и массообмена, что приводит к быстрому плавлению материала. Отходящие газы дожигают при подаче кислородсодержащего дутья через фурмы шахты и без вредных составляющих удаляется по газоотводящему тракту. Шлаковая фаза (силикатно-кальциевая) непрерывно выводится из печи через сифонное устройство, а загрязненный металлический расплав выводится через отверстие в поду печи.

Недостатком известного способа переработки отходов с использованием выше охарактеризованной печи следует признать ее низкую эффективность образования шлаков.

Известен (RU, патент 2109215, F 23 G 5/00, 1998) способ переработки отходов, преимущественно твердых бытовых отходов. Согласно известному способу осуществляют загрузку отходов в расплав, продувку расплава кислородсодержащим дутьем в присутствии углеродсодержащего топлива в режиме генерирования газлифтного потока с получением шлакового расплава и отходящих газов, причем загрузку отходов производят под нисходящий поток расплава.

Недостатком известного способа следует признать низкую эффективность образования шлаков, обусловленную однозначностью применения способа - переработка бытовых твердых отходов, малопригодных для получения шлаков.

Известен (RU, патент 2122155, F 23 G 5/00, 1998) комплекс для переработки твердых бытовых и промышленных отходов. Комплекс содержит устройство для приема, накопления, перемешивания и разгрузки отходов на термическую переработку, печь и котел-утилизатор, причем в качестве устройства для приема, накопления, перемешивания и разгрузки отходов на термическую переработку используют наклонно установленный с возможностью вращения барабан, печь выполнена плавильной и снабжена загрузочной, реакционно-газлифтной и газоотделительной камерами, сообщающимися между собой в верхней и нижней частях, при этом отношение внутреннего объема барабана к объему рабочего пространства печи составляет 4-200, а котел-утилизатор выполнен со шлакоотстойником, снабженным устройством для выпуска расплава и сообщающийся со шлаковой ванной печи сливным порогом.

Комплекс работает следующим образом. Твердые отходы через приемный бункер и торцевую стенку помещают во вращающийся барабан, перемещаются вниз и перемешиваются при вращении барабана. Затем перемешенный и усредненный материал поступает в загрузочную камеру плавильной печи. В рабочем состоянии плавильная печь постоянно заполнена шлаковым расплавом до уровня нижнего порога внутреннего сифона, что соответствует уровню верхнего ряда фурм реакционно-газлифтной камеры. При подаче кислородсодержащего дутья через фурмы уровень расплава в реакционно-газлифтной камере за счет газонасыщения расплава в этой камере поднимается до верхнего уровня перегородки печи, после чего начинает переливаться в загрузочную камеру, в которую также поступают твердые отходы, промпродукты и уголь. При этом указанные материалы в загрузочной камере заливаются расплавом, подвергаясь при этом предварительной термической обработке и перемещаясь в подфурменную зону реакционно-газлифтной камеры, где и подвергаются окончательной окислительной обработке. Недообработанный в реакционно-газлифтной камере материал с циркулирующим потоком расплава вновь поступает в реакционно-газлифтную камеру. Расплав из плавильной печи через внутренний сифон и сливной порог непрерывно удаляется в шлакоотстойник. Отходящие газы поступают на дожигание в котел-утилизатор.

Недостатком известного технического решения следует признать низкую эффективность образования шлаков, обусловленную длительностью проходящего окислительного процесса.

Наиболее близким аналогом предложенного способа можно признать заявку на выдачу патента Российской Федерации 99116158/03 "Способ переработки твердых отходов и ископаемого топлива". Известный способ переработки твердых отходов и ископаемого топлива включает продувку расплава в газлифтно-реакционной зоне с образованием газонасыщенного потока шлакового расплава, циркулирующего через загрузочную зону, загрузку перерабатываемого материала под нисходящий поток шлакового расплава и отвод отходящих газов, причем переработке подвергают дробленый материал при массовом расходе циркулирующего через загрузочную зону шлакового расплава более 100 тонн на одну тонну загружаемого материала при газонасыщенности ϕ пенного слоя шлакового расплава выше 0,3. Предпочтительно процесс проводят, сжигая органическую часть материала в пенном слое шлакового расплава при коэффициенте расхода кислорода α больше 1.1.

Недостатком известного способа следует признать низкую эффективность образования шлаков, обусловленную отсутствием обеспечения ошлаковывания перерабатываемого материала различного происхождения за один цикл прохода его используемую при реализации способа печь. Указанная газонасыщенность слоя не гарантирует скорость прохождения перерабатываемого материала различного происхождения, обеспечивающую ошлаковывание перерабатываемого материала за один цикл прохода.

Техническая задача, решаемая посредством предложенного способа, состоит в разработке универсального способа переработки шлакообразующих материалов и/или их композиций, позволяющего понизить себестоимость образующего шлакового расплава.

Технический результат, получаемый при реализации предложенного способа, состоит в уменьшении себестоимости переработки шлакообразующих материалов и/их композиций.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать способ переработки шлакообразующих материалов, включающий загрузку шлакообразующего материала в печь под нисходящий поток расплава при массовом соотношении расплав шлака:подаваемый шлакообразующий материал более чем 100: 1, продувку расплава кислородсодержащим газом с образованием пенного слоя расплава шлака, создание условий возникновения газлифтного потока расплава шлака и шлакообразующего материала и отвод отходящих газов, причем при переработке шлакообразующего расплава в печи Ванюкова отводят часть шлакового расплава, по меньшей мере, периодически определяют скорость перемещения расплава шлака и шлакообразующего материала по горизонтальному участку траектории газлифтного потока и задают путем изменения режимов продувки расплава шлака скорость перемещения расплава шлака и шлакообразующего материала по горизонтальному участку траектории не менее 3,0 м/с. Печь Ванюкова (см. патент РФ 2122155) представляет собой печь для плавки отходов в шлаковом расплаве. Скорость перемешивания расплава шлака и шлакообразующего материала повышают при необходимости за счет увеличения расхода воздуха при продувке расплава. Обычно для формирования газлифтного потока внутри печи Ванюкова устанавливают перегородку. Преимущественно дополнительно для регулирования скорости потока расплава шлака и шлакообразующего материала используют изменение соотношения расплава шлака и подаваемого шлакообразующего материала при соблюдении условия соотношение расплав шлака:подаваемый шлакообразующий материал более чем 100:1. Кроме того, возможно также дополнительное изменение состава расплава шлака для регулирования скорости потока расплава шлака и шлакообразующего материала путем введения дополнительных компонентов, изменяющих вязкость расплава. В печь Ванюкова могут дополнительно вводить в расплав горючий материал - измельченный каменный уголь, жидкое или газообразное топливо. Обычно шлакообразующий материал вводят в печь Ванюкова в дисперсной форме. Кроме отвода расплава шлака могут дополнительно из объема печи Ванюкова отводить образующийся при восстановлении шлакообразующего материала расплав металла. Предпочтительно для отвода расплавов шлака и металла используют сифоны. В основном, но не исключительно в качестве шлакообразующих материалов используют твердые отходы, бедные руды металлов, каменный уголь, шламы, шлаки и т.д. Выход печи Ванюкова по отходящим газам может быть подключен к входу турбины электростанции и/или к теплообменнику. Обычно отведенный расплав шлака гранулируют, или перерабатывают в шлаковату, или используют для формования строительных элементов. Преимущественно скорость движения расплава измеряют постоянно, используя любой известный метод, реализуемый в данных условиях (прохождение радиоактивной метки, трубки Пито-Прандтля, трубки Стэнтона).

Предложенный способ может быть реализован с использованием печей, охарактеризованных в патентах RU 2036384, 2140615 или 2003010 без существенного изменения их конструкции.

Ниже приведены примеры реализации предложенного способа.

В печь Ванюкова непрерывно загружают угольную пыль под нисходящий поток расплава при массовом соотношении расплав шлака:угольная пыль более чем 100: 1. Непрерывно с использованием трубок Стэнтона определяют скорость движения расплава шлака на горизонтальном участке. Расплав снизу продувают воздухом с образованием пенного слоя расплава шлака. Регулируя подачу воздуха, создают условия возникновения газлифтного потока расплава шлака и угольной пыли вокруг перегородки, установленной внутри объема печи Ванюкова при одновременном обеспечении скорости движения расплава 3,2 м/с. Одновременно с подачей воздуха отводят через газоход образующиеся в печи газы. Дополнительно для регулирования скорости потока расплава шлака и угольной пыли уменьшают соотношение расплава шлака и угольной пыли при соблюдении условия соотношение расплав шлака:подаваемая угольная пыль более чем 100:1. Для отвода излишков расплава шлака используют сифон. Выход печи Ванюкова по отходящим газам подключен к входу турбины электростанции. Отведенный расплав шлака гранулируют и используют в дальнейшем для получения шлакобетона.

Загружают периодически в печь Ванюкова под нисходящий поток расплава шлака смесь измельченных высокозольного угля и бедной полиметаллической сульфидной руды, взятых в соотношении 1:1, при массовом соотношении расплав шлака:указанная смесь=120:1. Каждая порция смеси содержит радиоактивную метку, содержащую короткоживущий радионуклид. Измеряют скорость прохождения расплава по горизонтальному участку с использованием счетчика радиоактивности. Осуществляют продувку расплава воздухом с образованием пенного слоя расплава шлака, создающим условия возникновения газлифтного потока расплава шлака и указанной смеси. Добавляя в подаваемую смесь металлургический шлак и изменяя условия дутья, добиваются стабильной скорости расплава на горизонтальном участке 3,4 м/с. Одновременно осуществляют отвод отходящих газов и части шлакового расплава, а также образующего расплава металла, причем жидкие компоненты отводят через сифоны. Выход печи Ванюкова по отходящим газам подключен к теплообменнику, нагревающему воздух для дутья. Отведенный расплав шлака перерабатывают в шлаковату, а расплав металла передают для дальнейшей разделительной переработки.

Загружают в печь Ванюкова под нисходящий поток расплава шлака твердые бытовые отходы, содержащие примерно 40 мас.% органической фракции, при массовом соотношении расплав шлака:отходы = 110:1. С использованием трубки Пито-Прандтля непрерывно измеряют скорость движения расплава на горизонтальном участке печи. Одновременно осуществляют продувку расплава кислородсодержащим газом с образованием пенного слоя расплава шлака с возникновением газлифтного потока расплава шлака и отходов и отвод отходящих газов, а также части шлакового расплава и образующегося расплава металла. Для повышения температуры в печи вместе с отходами добавляют твердый остаток разгонки нефти. Увеличивают подачу дутья и температуру в печи увеличивают скорость потока расплава шлака на горизонтальном участке до величины 3,1 м/с. Выход печи Ванюкова по отходящим газам подключают к теплообменнику дутья. Отведенный расплав шлака используют для формования строительных элементов - бордюрного камня.

Использование предложенного способа в среднем позволяет снизить себестоимость переработки шлакообразующих материалов на 14%.

Изобретение относится к переработке твердых материалов и/или их композиций и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве, энергетике, металлургии, горной промышленности и т.д. Способ включает загрузку шлакообразующего материала в печь Ванюкова под нисходящий поток расплава при массовом соотношении расплав шлака:подаваемый шлакообразующий материал более чем 100: 1, продувку расплава кислородсодержащим газом с образованием пенного слоя расплава шлака, создание условий возникновения газлифтного потока расплава шлака и шлакообразующего материала и отвод отходящих газов и части шлакового расплава. Периодически или постоянно определяют скорость перемещения расплава шлака и шлакообразующего материала по горизонтальному участку траектории газлифтного потока и задают путем изменения режимов продувки расплава шлака скорость перемещения расплава шлака и шлакообразующего материала по горизонтальному участку траектории не менее 3,0 м/с. Технический результат: повышение универсальности способа переработки шлакообразующих материалов. 16 з.п.ф-лы.

1. Способ переработки шлакообразующих материалов, включающий загрузку шлакообразующего материала в печь под нисходящий поток расплава при массовом соотношении расплав шлака: подаваемый шлакообразующий материал более чем 100: 1, продувку расплава кислородсодержащим газом с образованием пенного слоя расплава шлака, создание условий возникновения газлифтного потока расплава шлака и шлакообразующего материала и отвод отходящих газов и части шлакового расплава, отличающийся тем, что при переработке шлакообразующих материалов в печи Ванюкова отводят часть шлакового расплава, периодически или постоянно определяют скорость перемещения расплава шлака и шлакообразующего материала по горизонтальному участку траектории газлифтного потока и задают путем изменения режимов продувки расплава шлака скорость перемещения расплава шлака и шлакообразующего материала по горизонтальному участку траектории не менее 3,0 м/с. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования газлифтного потока внутри печи Ванюкова устанавливают перегородку. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно для регулирования скорости потока расплава шлака и шлакообразующего материала вводят компоненты, изменяющие вязкость расплава шлака. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в печь Ванюкова дополнительно вводят горючий материал. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что вводят измельченный каменный уголь. 6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что вводят жидкое или газообразное топливо. 7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что шлакообразующий материал вводят в печь Ванюкова в дисперсной форме. 8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что дополнительно из объема печи Ванюкова отводят образующийся при восстановлении шлакообразующего материала расплав металла. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что для отвода расплавов шлака и металла используют сифоны. 10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что в качестве шлакообразующих материалов используют твердые отходы. 11. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что в качестве шлакообразующих материалов используют бедные руды металлов. 12. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что в качестве шлакообразующих материалов используют каменный уголь. 13. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что выход печи Ванюкова по отходящим газам подключают к входу турбины электростанции. 14. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что выход печи Ванюкова по отходящим газам подключают к теплообменнику. 15. Способ по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что отведенный расплав шлака гранулируют. 16. Способ по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что отведенный расплав шлака перерабатывают в шлаковату. 17. Способ по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что из отведенного расплава шлака формуют строительные элементы.