ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОВ ИЛИ СПЛАВОВ Российский патент 2019 года по МПК C21B11/10 C22B4/00 C22B5/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к энергосберегающему способу производства металлов и сплавов, а более конкретно к энергосберегающему способу производства кремния и ферросилиция.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Некоторое количество металлов и сплавов производят посредством карботермического восстановления в плавильных электропечах. Примерами таких металлов и сплавов являются кремний и ферросилиций, ферромарганец, ферроникель, феррохром, феррофосфор, феррованадий и чушковый чугун. Эти процессы требуют большого количества электроэнергии для восстановления руды до металлов и сплавов. В большинстве стран электроэнергию, потребляемую в плавильных печах, производят главным образом за счет сжигания ископаемых углеродных материалов, что приводит к выделению большого количества CO₂.

Восстановителями, используемыми в таких процессах, являются каменный уголь, кокс, древесный уголь и древесная щепа. В процессе восстановления основная часть углерода этих восстановителей реагирует с оксидами металла в руде, а меньшая часть реагирует непосредственно с окружающим воздухом. В обеих реакциях выделяется CO₂. Использование ископаемых углеродных материалов, например кокса и каменного угля, которые в настоящее время являются преобладающими источниками восстановителей, приводит к общему увеличению концентрации CO₂ в атмосфере. Однако, CO₂, выделяющийся из источников биоматериалов, например древесного угля и древесной щепы, можно считать углеродно-нейтральным, если это выделение скомпенсировано за счет роста новых биоматериалов, которые связывают равную долю CO₂. Рост населения и глобальное потепление оказали давление на общество в направлении повышения эффективности использования ресурсов и снижения выбросов CO₂.

В настоящее время древесный уголь производят за счет медленного пиролиза или карбонизации обычно в простых печах или ретортах несложной конструкции. Обычно, пиролизное оборудование располагают вдали от заводов для карботермического производства металлов и сплавов. К тому же, производство древесного угля является не очень энергоэффективным и сопровождается выделением вредных частиц и ПАУ-содержащих газов вследствие частичного или неполного сгорания (ПАУ - полициклические ароматические углеводороды). Кроме того, широкое распространение малых площадок по производству древесного угля делает экономически нецелесообразной очистку отходящих газов углевыжигательных печей.

Известны способы утилизации энергии отходящих газов электропечей для выплавки металлов и сплавов. Однако, количество энергии, которое можно извлечь с помощью современных систем утилизации энергии, ограничено. Например, в обычной печи для карботермического получения кремния количество электроэнергии, которую можно извлечь с помощью системы утилизации энергии, находится в диапазоне 10-35% величины электроэнергии, подводимой к этой печи.

Таким образом, существует потребность в повышении энергоэффективности процессов карботермического восстановления для производства металлов или сплавов при одновременном снижении выделений CO₂ из ископаемых углеродных восстановителей.

КРАТКОЕ РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В рамках настоящего изобретения было обнаружено, что за счет комбинирования производства древесного угля с реактором для карботермического восстановления металлов и сплавов, использования этого древесного угля в качестве по меньшей мере значительной части восстановителя, подаваемого в реактор, и подачи отходящих газов пиролиза древесного угля и отходящих газов из этого реактора в секцию утилизации энергии, можно утилизировать энергию в форме пара, горячей жидкости или электроэнергии в количестве, которое значительно выше по сравнению с обычными системами утилизации энергии карботермических реакторов.

Например, при использовании только древесного угля в качестве восстановителя в комбинации с закрытым карботермическим реактором для производства кремния можно утилизировать больше энергии по сравнению с количеством электроэнергии, подводимой к этому реактору. Кроме того, количество выделений CO₂ из ископаемых углеродных восстановителей будет снижаться прямо пропорционально доле древесного угля, используемого в этом реакторе.

Таким образом, настоящее изобретение предоставляет способ энергоэффективного изготовления металлов и сплавов методом карботермического восстановления минералов и руд в электрических восстановительных реакторах, который включает по меньшей мере следующие стадии:

- транспортировку материала, содержащего древесину, по меньшей мере в одну пиролизную секцию для изготовления древесного угля;

- транспортировку полученного древесного угля, при необходимости других возможных углеродсодержащих восстановителей, и исходных металлосодержащих материалов по меньшей мере в один электрический восстановительный реактор для изготовления металла или сплава;

- транспортировку отходящего газа из по меньшей мере одной упомянутой пиролизной секции и отходящего газа из по меньшей мере одного упомянутого реактора в по меньшей мере одну секцию утилизации энергии.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения секция утилизации энергии содержит по меньшей мере камеру сгорания и теплообменник. Этот теплообменник генерирует пар или нагревает жидкий теплоноситель. В данном варианте осуществления энергия, полученная в секции утилизации энергии, будет паром или горячей жидкостью, которые могут быть непосредственно использованы в качестве горячего теплоносителя.

В соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения секция утилизации энергии дополнительно содержит паровую турбину и электрогенератор так, что образующийся в теплообменнике пар подают в эту турбину и электрогенератор. Электроэнергию, производимую генератором, используют в качестве по меньшей мере части электроэнергии, подводимой к электрическому восстановительному реактору, или подают эту произведенную электроэнергию в энергосистему.

В соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения секция утилизации энергии содержит систему генерации мощности на основе газовой турбины с комбинированным циклом, где эта система состоит из двух секций производства электроэнергии, секции газовая турбина/электрогенератор и секции паровая турбина/электрогенератор. Электроэнергию, произведенную в электрогенераторе, используют полностью или по меньшей мере значительную ее часть в качестве электроэнергии, подводимой к электрическому восстановительному реактору или подают эту произведенную электроэнергию в энергосистему.

Электрический восстановительный реактор может быть обычной электрической восстановительной печью, оснащенной угольными электродами для подвода электрического тока с целью обеспечения достаточного количества тепловой энергии в реакторе.

Электрический восстановительный реактор может быть открытым реактором, в котором образующиеся отходящие газы реагируют с окружающим воздухом. Монооксид углерода, содержащийся в отходящих газах реактора, будет в этом случае реагировать с образованием диоксида углерода.

В качестве альтернативы, электрический восстановительный реактор может быть закрытым или герметичным реактором и в этом случае монооксид в отходящих газах из реактора сжигают в камере сгорания или используют в качестве топлива в газовой турбине в секции утилизации энергии. Таким образом, при использовании закрытого карботермического реактора утилизация энергии будет выше по сравнению с открытым карботермическим реактором. Использование закрытого восстановительного реактора позволяет эксплуатировать всю систему при давлении выше атмосферного, что предотвращает попадание в систему кислорода, а это дополнительно повышает степень утилизации энергии. К тому же, закрытый реактор снижает расходы на улавливание CO₂ из отходящих газов после утилизации их энергии.

Тепловую энергию, утилизированную с помощью способа по настоящему изобретению, можно использовать непосредственно для подачи тепловой энергии в форме пара или горячей жидкости, например горячей воды для промышленных нужд или в целях централизованного теплоснабжения. В качестве альтернативы, тепловую энергию, утилизированную с помощью способа по настоящему изобретению, можно преобразовать в электрическую энергию для вторичного использования в электрическом восстановительном реакторе или для подачи в энергосистему.

По сравнению с традиционным производством древесного угля в простых печах или ретортах несложной конструкции настоящее изобретение позволит снизить выбросы вредных частиц и ПАУ за счет более полного сжигания отходящих газов процесса пиролиза.

Эти и другие отличительные признаки, преимущества и выгоды, а также цели станут очевидными для специалиста в данной области техники после внимательного рассмотрения подробного описания типичных вариантов осуществления настоящего изобретения и прилагаемых чертежей, на которых аналогичные элементы обозначены в разных чертежах одинаковыми ссылочными номерами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на следующие чертежи, где:

фиг.1 иллюстрирует основные принципы настоящего изобретения;

фиг.2 иллюстрирует первый вариант осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 иллюстрирует второй вариант осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.4 иллюстрирует третий вариант осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.5 иллюстрирует четвертый вариант осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как указано выше, настоящее изобретение можно использовать для карботермического производства любого подходящего металла или сплава.

Для простоты настоящее изобретение будет проиллюстрировано ниже с акцентом на производство кремния и кремнистого сплава в качестве примера.

Фиг.1 иллюстрирует основные принципы настоящего изобретения посредством диаграммы Сэнки. На этой диаграмме стрелками показаны потоки энергии в системе от сухой древесины до электроэнергии.

Сухую древесину подают в пиролизный реактор для превращения ее в древесный уголь, бионефть и пиролизный газ. Древесный уголь подают в закрытый реактор для получения кремния (ниже просто «кремниевый реактор»). Кроме того, в этот реактор загружают кварц и подводят к реактору электроэнергию. В кремниевом реакторе кварц восстанавливают древесным углем до жидкого кремния и выпускают полученный кремний из реактора. Отходящие из реактора газы смешивают с отходящими газами процесса пиролиза. Кроме того, конденсирующиеся продукты процесса пиролиза, в том числе бионефть, можно сжигать, повышая степень утилизации энергии. Энергию комбинированного потока отходящего газа и летучих компонентов утилизируют и эту энергию можно использовать для получения пара, горячей жидкости или электроэнергии.

По сравнению с обычными системами утилизации энергии карботермических реакторов количество и ценность утилизированной энергии оказываются существенно выше, вследствие того, что:

утилизация общего количества энергии, доступной в газообразных и жидких компонентах в общей цепочке создания ценности от древесины до металла или сплава, увеличивается в итоге более чем на 100% по сравнению с обычными системами утилизации энергии;

потенциально выше ценность произведенного пара и/или теплоносителя благодаря возможности получить пар или теплоноситель с более высокими температурой и давлением;

в случае выработки электроэнергии общий коэффициент полезного действия (кпд) может составить более 50%, тогда как для обычных систем утилизации энергии этот кпд не превышает 30%.

Фиг.2 иллюстрирует один вариант осуществления настоящего изобретения с закрытым электрическим кремниевым реактором. Влажную древесину подают в реактор 10 для обработки древесины. В реакторе 10 древесину сушат, а затем подают в пиролизный реактор 11 для изготовления древесного угля. В реакторе 11 сухую древесину превращают в древесный уголь, бионефть и пиролизный газ. Древесный уголь подают в закрытый кремниевый реактор 12. Дополнительно в реактор 12 загружают кварц и подводят к реактору электроэнергию. Кроме того, в этом реакторе будет иметь место потребление углерода от угольных электродов. В реакторе 12 кварц восстанавливают древесным углем до жидкого кремния. Полученный жидкий кремний выпускают из реактора. Отходящий газ из реактора 12 подают в первый газоперерабатывающий реактор 13, где из этого газа удаляют твердые частицы, состоящие в основном из частиц диоксида кремния. Газ, выходящий из реактора 13, подают в установку 15 утилизации энергии. Пиролизный газ, выходящий из реактора 11, направляют во второй газоперерабатывающий реактор 14, где этот газ разделяют на бионефть и синтез-газ. Газ из реактора 13 и синтез-газ из реактора 14 направляют в систему газовая турбина/генератор установки 15, где этот газ сжигают, получая электрическую энергию. Отработавший газ-теплоноситель из газовой турбины подают в камеру сгорания, где теплосодержание газового потока повышают за счет инжекции и сжигания бионефти из реактора 14. Газ-теплоноситель из камеры сгорания подают в теплообменник для получения пара. Этот пар можно подавать в паровую турбину и электрогенератор для получения электроэнергии. Часть пара или горячей жидкости, полученных в установке 15, можно использовать в реакторе 10 для обработки древесины и в пиролизном реакторе 11.

Фиг.3 иллюстрирует другой пример осуществления настоящего изобретения с закрытым кремниевым реактором 22. Восстановитель в реакторе 22 на 100% является древесным углем, поданным из пиролизного реактора 21. Исходным материалом, загруженным в реактор 22 в дополнение к древесному углю, является кварц. Разница между процессом в соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг.2, и вариантом осуществления, показанным на фиг.3, состоит в том, что бионефть, полученную в газообрабатывающем блоке 24, улавливают, перерабатывают и продают в качестве высокоценных продуктов. Поскольку эту бионефть улавливают и не подают в камеру сгорания для повышения теплосодержания отходящих газов, то степень утилизации энергии оказывается ниже, чем в варианте осуществления, показанном на фиг.2. Газ из блока 24 и газ из первого газообрабатывающего реактора 23 направляют систему генерации мощности на основе газовой турбины с комбинированным циклом в установке 25 утилизации энергии, где эти газы используют в качестве топлива в секции газовая турбина/электрогенератор, а отработавший газ из газовой турбины подают в теплообменник для получения пара или горячей жидкости. Этот пар можно подавать в паровую турбину и электрогенератор для получения электроэнергии.

Фиг.4 иллюстрирует один вариант осуществления настоящего изобретения с открытым кремниевым реактором 32. Восстановитель в реакторе 32 на 100% является древесным углем, поданным из пиролизного реактора 31. Исходным материалом, загруженным в реактор 32 в дополнение к древесному углю, является кварц. Влажную древесину подают в реактор 30 для обработки древесины. В реакторе 30 древесину сушат, а затем сухую древесину подают в пиролизный реактор 31 для изготовления древесного угля. Древесный уголь подают в открытый кремниевый реактор 32. Дополнительно в реактор 32 загружают кварц и подводят к реактору электроэнергию. В реакторе 32 кварц восстанавливают древесным углем до кремния. Отходящий газ из реактора 32 подают в первый газоперерабатывающий реактор 33. Частицы диоксида кремния можно отфильтровать и удалить на этой стадии или позже, после пропускания газа через теплообменник установки 35 утилизации энергии. Пиролизный газ, выходящий из реактора 31, направляют во второй газоперерабатывающий реактор 34, где этот газ разделяют на бионефть и синтез-газ. Газ из реактора 33 и синтез-газ и бионефть из реактора 34 направляют в камеру сгорания установки 35, где эти газы сжигают и подают в теплообменник для получения пара. Этот пар подают в паровую турбину и электрогенератор для выработки электроэнергии. Часть полезного тепла, полученного в установке 35, можно использовать в реакторе 30 для обработки древесины и пиролизном реакторе 31.

Фиг.5 иллюстрирует другой вариант осуществления настоящего изобретения с открытым кремниевым реактором 42. Восстановитель в реакторе 42 состоит на 50% из древесного угля и на 50% из каменного угля. Исходным материалом, загруженным в реактор 42 в дополнение к древесному углю и каменному углю, является кварц. Влажную древесину загружают в реактор 40 для обработки древесины. В этом реакторе древесину сушат, используя полезное тепло из установки 45 утилизации энергии. Из реактора 40 сухую древесину подают в пиролизный реактор 41 для изготовления древесного угля. В этом реакторе древесину преобразуют в древесный уголь и пиролизный газ. Древесный уголь подают в открытый реактор 42.

Кроме того, в реактор 42 загружают каменный уголь, а также кварц и подводят к реактору электроэнергию. В этом реакторе кварц восстанавливают до кремния посредством древесного угля и каменного угла. Отходящий газ из реактора 42 подают в первый газоперерабатывающий реактора 43. Частицы диоксида кремния можно отфильтровать и удалить на этой стадии или позже, после пропускания газа через теплообменник установки 45. Пиролизный газ из реактора 41 направляют во второй газоперерабатывающий реактор 44, где этот газ разделяют на бионефть и синтез-газ. Газ из реактора 43, а также синтез-газ и бионефть из реактора 44 направляют в камеру сгорания установки 45, где газы сжигают в этой камере и подают в теплообменник для получения пара или горячей жидкости. Полученный пар можно подавать в паровую турбину и электрогенератор для выработки электроэнергии. Часть полезного тепла, полученного в установке 45, можно использовать в реакторе 40 для обработки древесины и в пиролизном реакторе 41.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения древесный материал, предпочтительно в форме щепы, сушат и подают в пиролизный реактор, где этот материал превращают в древесный уголь, который подают в кремниевый реактор/кремнистого сплава, содержащий реагенты в форме кварца, сплавов и т.д. В этом реакторе древесный уголь служит в качестве реагента в карботермической реакции исходных материалов и кремния, в результате которой образуется кремний или кремнистый сплав. Отходящий газ/диоксид кремния из этого реактора подают в газоперерабатывающий блок, где отделяют диоксид кремния, а газообразные компоненты подают в блок утилизации энергии вместе с пиролизным газом и бионефтью из пиролизного реактора для получения пара, горячей жидкости или электроэнергии. Блок утилизации энергии содержит по меньшей мере камеру сгорания и теплообменник для получения пара или горячей жидкости.

В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения пиролизный газ и бионефть из пиролизного реактора подают в газо-нефтеперерабатывающий блок, где отделяют бионефть от синтез-газа. При необходимости бионефть перерабатывают, получая различные продукты или отдельно пропускают через блок утилизации энергии для сжигания. Синтез-газ вводят в блок утилизации энергии для получения электроэнергии и/или распределенного тепла. Отходящий газ и диоксид кремния из кремниевого реактора/кремнистого сплава подают в газоперерабатывающий блок, где диоксид кремния отделяют, а газообразные компоненты подают в блок утилизации энергии для получения электроэнергии и/или распределенного тепла.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения электроэнергию, произведенную в блоке утилизации энергии, по меньшей мере частично подводят к электрическому восстановительному реактору.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения часть энергии, произведенной в блоке утилизации энергии используют в качестве источника тепла в реакторе для пиролиза древесины.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения кремниевый реактор/кремнистого сплава является открытым реактором.

В соответствии с еще другим вариантом осуществления изобретения кремниевый реактор/кремнистого сплава является закрытым реактором.

Закрытый реактор имеет экологические преимущества. Одно из этих преимуществ закрытого реактора заключается в том, что монооксид углерода, присутствующий в отходящем газе, можно сжигать в секции утилизации энергии. В открытом реакторе можно утилизировать только физическое тепло.

Настоящее изобретение можно использовать для производства различный металлов и сплавов. Примерами таких металлов и сплавов являются кремний и ферросилиций, ферромарганец, ферроникель, феррохром, феррофосфор, феррованадий и передельный чугун. В соответствии с настоящим изобретением этот способ преимущественно используют для изготовления кремния и ферросилиция.

С помощью настоящего изобретения можно обеспечить энергоэффективный процесс за счет утилизации энергии и значительного снижения выделений CO₂ из ископаемых углеродных материалов, а также сделать возможным улавливание CO₂.

Благодаря настоящему изобретению выбросы вредных частиц и ПАУ в процессе пиролитического получения древесного угля будут значительно уменьшены по сравнению с традиционным способом изготовления древесного угля в простых печах или ретортах несложной конструкции.

ПРИМЕРЫ

Следующие ниже примеры описывают настоящее изобретение для изготовления кремния в электрическом 10 МВт-реакторе непрерывного действия с тремя погружными предварительно спеченными угольными электродами. Во всех примерах по меньшей мере основная часть восстановителя является древесным углем, поступающим из пиролизного реактора, который расположен там же, где и кремниевый реактор.

Пример 1

В этом примере 100% восстановителя в кремниевом реакторе составляет древесный уголь, поданный из пиролизного реактора. Кремниевый реактор является закрытым и работает с выходом кремния 95%. В кремниевый реактор дополнительно к древесному углю загружают кварц в качестве исходного материала. В представленном ниже описании примера 1 сделана ссылка на фиг.2.

Влажную древесину, такую как норвежская ель, загружают в реактор 10 для обработки древесины с расходом 9,7 тонн/ч. Суммарное энергосодержание загруженной влажной древесины составляет 27,9 МВт-ч/ч. В реакторе 10 древесину сушат, используя описанную ниже установку утилизации энергии в качестве источника полезного тепла. Из сушильного реактора сухую древесину с расходом 10,5 тонн/ч подают в пиролизный реактор 11 для изготовления древесного угля. Суммарная энергия сухой древесины составляет 28,1 МВт-ч/ч.

В пиролизном реакторе 11 сухую древесину превращают в древесный уголь, бионефть и пиролизный газ. В этом реакторе производят 1,3 тонн/ч древесного угля, с суммарным энергосодержанием 10,4 МВт-ч/ч, а также 3,8 тонн/ч пиролизного газа и бионефти. Древесный уголь подают в закрытый кремниевый реактор 12. В этот реактор дополнительно загружают кварц и подают электроэнергию в количестве 10,0 МВт-ч/ч. Кроме того, в кремниевом реакторе 12 расходуется 80 кг/ч углерода угольными электродами, который сообщает этому процессу дополнительно 0,7 МВт-ч/ч.

В кремниевом реакторе 12 кварц восстанавливают до кремния древесным углем. Выход кремния в этом реакторе составляет 95%, то есть 95% кварца превращается в кремний. Из кремниевого реактора 12 с расходом 1 тонн/ч выпускают жидкий кремний, суммарное энергосодержание которого составляет 10 МВт-ч/ч, а также отходящий газ, содержащий в основном газообразный оксид углерода и частицы диоксида кремния. Выход отходящего газа кремниевого реактора 12 составляет около 2,6 тонн/ч, а суммарное энергосодержание этого газа 10 МВт-ч/ч.

Отходящий из кремниевого реактора 12 газ подают в первый газоперерабатывающий реактор 13, где из этого газа удаляют твердые частицы, состоящие в основном из частиц диоксида кремния. Выход отходящего газа из реактора 13 составляет 2,5 тонн/ч, а суммарное энергосодержание этого газа 9,2 МВт-ч/ч. Этот газ подают в установку 15 утилизации энергии, которая будет описана ниже.

Пиролизный газ, выходящий из пиролизного реактора 11, направляют во второй газоперерабатывающий реактор 14, где этот газ разделяют на бионефть и синтез-газ. Выход этих продуктов из реактора 14 составляет 2,1 тонн/ч синтез-газа с суммарным энергосодержанием 7,2 МВт-ч/ч и 1,8 тонн/ч бионефти с суммарным энергосодержанием 8,6 МВт-ч/ч.

Газ из первого газоперерабатывающего реактора 13, а также синтез-газ и бионефть из второго газоперерабатывающего реактора 14 направляют в установку 15 утилизации энергии, содержащую систему генерации мощности на основе газовой турбины с комбинированным циклом. Газ из реактора 13 и синтез-газ из реактора 14 используют в качестве топлива в секции, состоящей из газовой турбины и электрогенератора в составе установки 15. Отработавший газ из этой турбины и бионефть из реактора 14 направляют в камеру сжигания газа установки 15, где эти газы сжигают и подают в теплообменник для выработки пара. Этот пар направляют в паровую турбину и электрогенератор для получения электроэнергии. В установке 15 производят 11,5 МВт-ч/ч электроэнергии и 3,6 МВт-ч/ч полезного тепла. Таким методом утилизируют более 100% электроэнергии, подводимой к кремниевому реактору. Часть полезного тепла используют в реакторе 10 для обработки древесины и в пиролизном реакторе 11.

Этот пример показывает, что посредством настоящего изобретения при использовании 100% древесного угля и закрытого кремниевого реактора можно утилизировать электроэнергии больше по сравнению с количеством электроэнергии, подводимой к кремниевому реактору. К тому же, в этом случае практически отсутствуют выделения CO₂ из ископаемого топлива, за исключением ничтожного количества вследствие расхода угольных электродов кремниевого реактора 12. Таким образом, процесс по настоящему изобретению является энергетически нейтральным при использовании 100% древесного угля и закрытого кремниевого реактора.

Пример 2

В этом примере 100% восстановителя в кремниевом реакторе составляет древесный уголь, подаваемый из пиролизного реактора. Кремниевый реактор является закрытым и работает с выходом кремния 95%. В кремниевый реактор в качестве исходного материала дополнительно к древесному углю загружают кварц. В представленном ниже описании примера 2 сделана ссылка на фиг.3.

Различие между процессом в соответствии с данным примером и примером 1 заключается в том, что бионефть, полученную в газоперерабатывающем блоке 24, извлекают и перерабатывают для продажи в качестве ценных продуктов. 1,7 тонн/ч бионефти с энергосодержанием 8,2 МВт-ч/ч поступает в секцию рафинирования. Все другие технологические потоки присутствуют в тех же количествах и с тем же энергосодержанием, что и в примере 1.

Выход синтез-газа из блока 24 составляет 2,1 тонн/ч при суммарном энергосодержании этого газа 7,2 МВт-ч/ч. Этот синтез-газ и газ из первого газоперерабатывающего реактора 23 направляют в систему генерации мощности на основе газовой турбины с комбинированным циклом в составе установки 25 утилизации энергии, где энергию газа преобразуют в электроэнергию в двухстадийном процессе. В установке 25 производят 8,5 МВт-ч/ч электроэнергии и 2,7 МВт-ч/ч полезного тепла.

Этот пример показывает, что при использовании 100% древесного угля и закрытого кремниевого реактора, за счет использования бионефти для рафинирования, все же можно утилизировать 87% электроэнергии, подводимой к кремниевому реактору. К тому же, в этом случае практически отсутствуют выделения CO₂ из ископаемого топлива, за исключением ничтожного количества вследствие расхода угольных электродов кремниевого реактора. Следовательно, процесс, реализуемый в соответствие с этим примером, является весьма энергоэффективным.

Пример 3

В этом примере 100% восстановителя в кремниевом реакторе составляет древесный уголь, поданный из пиролизного реактора. Кремниевый реактор является открытым и работает с выходом кремния 87%. В кремниевый реактор в качестве исходного материала дополнительно к древесному углю загружают кварц. В представленном ниже описании примера 3 сделана ссылка на фиг.4.

Влажную древесину, такую как норвежская ель, загружают в реактор 30 для обработки древесины с расходом 9,4 тонн/ч. Суммарное энергосодержание загруженной влажной древесины составляет 27,1 МВт-ч/ч. В реакторе 30 древесину сушат, используя полезное тепло из описанной ниже установки утилизации энергии. Из реактора 30 сухую древесину с расходом 4,9 тонн/ч подают в пиролизный реактор 31 для изготовления древесного угля. Суммарная энергия сухой древесины составляет 27,3 МВт-ч/ч. В пиролизном реакторе 31 сухую древесину превращают в древесный уголь и пиролизный газ. В этом реакторе производят 1,3 тонн/ч древесного угля с суммарным энергосодержанием 10,1 МВт-ч/ч, а также 3,6 тонн/ч пиролизного газа. Древесный уголь подают в закрытый кремниевый реактор 32. В этот реактор дополнительно загружают кварц и подают электроэнергию в количестве 10,8 МВт-ч/ч. Кроме того, в этом реакторе расходуется 86 кг/ч угольных электродов, что сообщает этому процессу дополнительно 0,8 МВт-ч/ч.

В кремниевом реакторе 32 кварц восстанавливают до кремния древесным углем. Выход кремния в кремниевом реакторе 32 составляет 87%, то есть 87% кремния в кварце превращается в кремний. Из кремниевого реактора 32 с расходом 0,9 тонн/ч выпускают жидкий кремний, суммарное энергосодержание которого составляет 8,9 МВт-ч/ч. Поскольку кремниевый реактор 32 открыт, образующиеся в нем отходящие газы сжигают в атмосфере, дожигая оксид углерода в этих газах до CO₂. Отходящий газ содержит газообразные компоненты, включая CO₂ и частицы диоксида кремния. Расход отходящего газа реактора 32 составляет около 81 тонн/ч, а суммарное энергосодержание этого газа 10,7 МВт-ч/ч.

Отходящий из кремниевого реактора 32 газ подают в первый газоперерабатывающий реактор 33, где из этого газа удаляют твердые частицы, состоящие в основном из частиц диоксида кремния. Расход отходящего газа из реактора 33 составляет 80,8 тонн/ч, а суммарное энергосодержание этого газа 10,6 МВт-ч/ч. Этот газ подают в установку 35 утилизации энергии, которая будет описана ниже.

Пиролизный газ, выходящий из пиролизного реактора 31, направляют во второй газоперерабатывающий реактор 34, где этот газ разделяют на бионефть и синтез-газ. Выход этих продуктов из реактора 34 составляет 2,0 тонн/ч синтез-газа с суммарным энергосодержанием 7,0 МВт-ч/ч и 1,6 тонн/ч бионефти с суммарным энергосодержанием 8,0 МВт-ч/ч.

Газ из первого газоперерабатывающего реактора 33, а также синтез-газ и бионефть из второго газоперерабатывающего реактора 34 направляют в камеры сжигания газа установки 35 утилизации энергии, где эти газы и бионефть сжигают и подают в теплообменник для получения пара. Этот пар направляют в паровую турбину и электрогенератор для получения электроэнергии. В установке 35 производят 7,4 МВт-ч/ч электроэнергии и 5,1 МВт-ч/ч полезного тепла. Часть этого тепла используют в реакторе 30 для обработки древесины и в пиролизном реакторе 31. Частицы диоксида кремния фильтруют и отделяют от потока отходящего газа из теплообменника.

Этот пример показывает, что при использовании 100% древесного угля и открытого кремниевого реактора 32 можно утилизировать 74% электроэнергии, подводимой к кремневому реактору 32. Таким образом, даже при использовании открытого реактора настоящее изобретение обеспечивает весьма энергоэффективный процесс.

Пример 4

В этом примере 50% восстановителя в кремниевом реакторе составляет древесный уголь и 50% восстановителя составляет каменный уголь. Этот реактор является открытым и работает с выходом кремния 86%. В качестве исходного материала в этом реакторе в дополнение к древесному углю и каменному углю используют кварц. В представленном ниже описании примера 4 сделана ссылка на фиг.5.

Влажную древесину, такую как норвежская ель, загружают с расходом 9,4 тонн/ч в реактор 40 для обработки древесины. Суммарное энергосодержание загруженной влажной древесины составляет 13,4 МВт-ч/ч. В реакторе 40 древесину сушат, используя полезное тепло из описанной ниже установки утилизации энергии. Из реактора 40 сухую древесину с расходом 2,4 тонн/ч подают в пиролизный реактор 41 для изготовления древесного угля. Суммарная энергия сухой древесины составляет 13,5 МВт-ч/ч.

В пиролизном реакторе 41 сухую древесину превращают в древесный уголь и пиролизный газ. В этом реакторе производят 0,6 тонн/ч древесного угля с суммарным энергосодержанием 5,0 МВт-ч/ч, а также 1,8 тонн/ч пиролизного газа. Древесный уголь подают в открытый кремниевый реактор 42. Дополнительно, в кремниевый реактор 42 загружают каменный уголь с расходом 0,6 тонн/ч. Суммарное энергосодержание этого каменного угля составляет 5,0 МВт-ч/ч. В кремниевый реактор 42 дополнительно загружают кварц и подают электроэнергию в количестве 10,0 МВт-ч/ч. В этом реакторе расходуется 87 кг/ч угольных электродов, что сообщает этому процессу дополнительно 0,8 МВт-ч/ч.

В кремниевый реакторе 42 кварц восстанавливают до кремния древесным углем и каменным углем. Выход кремния в кремниевом реакторе 42 составляет 86%, то есть 86% кремния в кварце превращается в кремний. Из кремниевого реактора 42 с расходом 0,9 тонн/ч выпускают жидкий кремний, суммарное энергосодержание которого составляет 8,8 МВт-ч/ч, а также отходящий газ, содержащий газообразные компоненты, включая CO₂, и частицы диоксида кремния. Поскольку кремниевый реактор 42 открыт, образующиеся в нем отходящие газы сжигают в атмосфере, дожигая оксид углерода в этих газах до CO₂. Расход отходящего газа реактора 42 составляет около 81,1 тонн/ч при суммарном энергосодержании этого газа 11,3 МВт-ч/ч.

Отходящий из кремниевого реактора 42 газ подают в первый газоперерабатывающий реактор 43, где из этого газа удаляют твердые частицы, состоящие в основном из частиц диоксида кремния. Расход отходящего газа из реактора 43 составляет 81,1 тонн/ч при суммарном энергосодержании этого газа 11,2 МВт-ч/ч. Этот газ подают в установку 45 утилизации энергии, которая будет описана ниже.

Пиролизный газ, выходящий из пиролизного реактора 41, направляют во второй газоперерабатывающий реактор 44, где этот газ разделяют на бионефть и синтез-газ. Выход этих продуктов из реактора 44 составляет 1,0 тонн/ч синтез-газа с суммарным энергосодержанием 3,5 МВт-ч/ч и 0,8 тонн/ч бионефти с суммарным энергосодержанием 3,9 МВт-ч/ч.

Газ из первого газоперерабатывающего реактора 43, а также синтез-газ и бионефть из второго газоперерабатывающего реактора 44 направляют в камеры сгорания газа установки 45 утилизации энергии, где эти газы сжигают и подают в теплообменник для получения пара. Этот пар направляют в паровую турбину и электрогенератор для получения электроэнергии. В установке 45 производят 5,4 МВт-ч/ч электроэнергии и 3,7 МВт-ч/ч полезного тепла. Часть этого тепла можно использовать в реакторе 40 для обработки древесины и в пиролизном реакторе 41. Частицы диоксида кремния фильтруют и отделяют от потока отходящего газа из теплообменника.

Этот пример показывает, что при использовании 50% древесного угля и 50% каменного угля в открытом кремниевом реакторе можно утилизировать 54% электроэнергии, подводимой к кремниевому реактору. Таким образом, весь процесс в целом все же является весьма энергоэффективным. Некоторое выделение CO₂ в этом процессе имеет место из-за использования каменного угля.

При наличии описанных предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть использованы другие варианты осуществления, включающие принципы этого изобретения. Эти и другие примеры настоящего изобретения, проиллюстрированные выше, предназначены только в качестве примеров, а фактический объем изобретения определяется исходя из следующей формулы изобретения.

Изобретение относится к способу производства металлов и сплавов методом карботермического восстановления минералов и руд в электрических восстановительных реакторах. Способ включает по меньшей мере транспортировку материала, содержащего древесину, в реактор для обработки древесины для осуществления ее сушки, транспортировку материала, содержащего древесину, в по меньшей мере один пиролизный реактор для изготовления древесного угля, транспортировку полученного древесного угля и исходных металлосодержащих материалов по меньшей мере в один электрический восстановительный реактор для изготовления металла или сплава, транспортировку отходящего газа из по меньшей мере одного пиролизного реактора и отходящего газа из по меньшей мере одного электрического восстановительного реактора в по меньшей мере один блок утилизации энергии. Причем блок утилизации энергии содержит по меньшей мере камеру сгорания и теплообменник, паровую турбину и электрогенератор. При этом электроэнергию, произведенную в блоке утилизации энергии, используют, подавая по меньшей мере часть этой электроэнергии в электрический восстановительный реактор. Изобретение направлено на повышение энергоэффективности процесса. 12 з.п. ф-лы, 5 ил., 4 пр.

1. Способ производства металлов и сплавов методом карботермического восстановления минералов и руд в электрическом восстановительном реакторе, включающий по меньшей мере следующие стадии:

- транспортировку материала, содержащего древесину, в реактор для обработки древесины для осуществления ее сушки,

- транспортировку материала, содержащего древесину, в по меньшей мере один пиролизный реактор для изготовления древесного угля;

- транспортировку полученного древесного угля и исходных металлосодержащих материалов по меньшей мере в один электрический восстановительный реактор для изготовления металла или сплава;

- транспортировку отходящего газа из по меньшей мере одного пиролизного реактора и отходящего газа из по меньшей мере одного электрического восстановительного реактора в по меньшей мере один блок утилизации энергии, причем блок утилизации энергии содержит по меньшей мере камеру сгорания и теплообменник, паровую турбину и электрогенератор, при этом электроэнергию, произведенную в блоке утилизации энергии используют, подавая по меньшей мере часть этой электроэнергии в электрический восстановительный реактор.

2. Способ по п.1, в котором в электрический восстановительный реактор для изготовления металла или сплава в качестве углеродсодержащего восстановителя дополнительно транспортируют уголь и/или ископаемые углеродные материалы.

3. Способ по п.1, в котором отходящий газ из по меньшей мере одного электрического восстановительного реактора перед подачей в блок утилизации энергии транспортируют в первый газоперерабатывающий реактор, в котором из этого газа извлекают твердые частицы, а отходящий газ из по меньшей мере одного пиролизного реактора перед подачей в блок утилизации энергии транспортируют во второй газоперерабатывающий реактор для получения синтез-газа и/или бионефти.

4. Способ по п.1, в котором блок утилизации энергии содержит систему генерации мощности на основе газовой турбины с комбинированным циклом.

5. Способ по п.1, в котором упомянутый отходящий газ из упомянутого по меньшей мере одного пиролизного реактора перед подачей в блок утилизации энергии транспортируют во второй газоперерабатывающий реактор для получения бионефти и синтез-газа.

6. Способ по п.5, в котором произведенный синтез-газ из второго газоперерабатывающего реактора транспортируют в по меньшей мере один блок утилизации энергии.

7. Способ по п.5, в котором бионефть из второго газоперерабатывающего реактора направляют на рафинирование.

8. Способ по п.5, в котором бионефть из второго газоперерабатывающего реактора транспортируют в блок утилизации энергии.

9. Способ по п.1, в котором отходящий газ из по меньшей мере одного электрического восстановительного реактора перед подачей в блок утилизации энергии транспортируют в первый газоперерабатывающий реактор, в которой из этого газа извлекают твердые частицы.

10. Способ по п.1, в котором часть энергии, произведенной в блоке утилизации энергии, используют в качестве источника нагрева в пиролизном реакторе для обработки древесины.

11. Способ по п.1, в котором электрический восстановительный реактор является открытым реактором.

12. Способ по п.1, в котором электрический восстановительный реактор является закрытым реактором.

13. Способ по п.1, в котором упомянутый металл и сплав включают по меньшей мере одно из следующего: кремний, ферросилиций.