способ и устройство для обработки топлива

Формула изобретения

1. Способ обработки топлива катализатором, в частности пылеугольного топлива, которое сжигают при производстве чугуна в доменной печи в фурмах, отличающийся тем, что катализатор, понижающий температуру воспламенения или при постоянной температуре повышающий скорость выгорания топлива, во время измельчения несортированного угля в угольную мелочь или угольную пыль подают к угольным частицам, в частности наносят на угольные частицы, и в качестве катализатора используют раствор, содержащий соли церия и железа органических и/или неорганических кислот на основе водного раствора..

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор используют для сокращения выброса вредных веществ при сжигании, и/или сушке, и/или в процессе нагрева материала, содержащего углерод.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что катализатор впрыскивают в камеру измельчения-сортировки в виде раствора, содержащего церий и железо в качестве солей неорганических и/или органических кислот в водном растворе с показателем концентрации ионов водорода менее 7.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что несортированный уголь измельчают в истирающей мельнице при помощи измельчающих валков, вращающихся на чаше, а катализатор подают в область над чашей и/или измельчающими валками.

5. Способ по одному из пп.2-4, отличающийся тем, что несортированный уголь в воздухоструйной истирающей мельнице, имеющей сепаратор и камеру для измельчения-сортировки, подвергают измельчению и сушке и катализатор подают в камеру для измельчения-сортировки при температуре ниже 100°С.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что угол разбрызгивания при подаче катализатора в камеру для измельчения-сортировки составляет примерно 10-70°.

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что катализатор впрыскивают в камеру для измельчения-сортировки горизонтально и по касательной к нижней области конуса для угольной мелочи.

8. Способ по одному из пп.2-7, отличающийся тем, что подачу катализатора регулируют в зависимости от подводимого несортированного угля и скорости потока.

9. Способ по одному из пп.2-8, отличающийся тем, что катализатор впрыскивают в камеру для измельчения-сортировки вместе со сжатым воздухом и давление составляет от 2 до 10 бар.

10. Способ по одному из пп.2-9, отличающийся тем, что катализатор подают в соотношении 0,2-1 л на 1 т угля и разбавляют 1:10.

11. Устройство для обработки топлива катализатором, в частности пылеугольного топлива для производства чугуна, и для осуществления способа по одному из пп.1-10, отличающееся тем, что предусмотрена истирающая мельница для измельчения несортированного угля или кокса в тонкоизмельченный уголь или угольную пыль, в частности воздухоструйная мельница, имеющая измельчающие валки, вращающиеся на чаше, сепаратор, корпус, камеру для измельчения-сортировки и подвод для несортированного угля, а также вывод для тонкоизмельченного угля или угольной пыли, и в камере для измельчения-сортировки расположено, по меньшей мере, одно устройство, выполненное с возможностью подачи катализатора к угольным частицам, в частности нанесения катализатора на них, в процессе измельчения и сортировки для снижения температуры воспламенения или для повышения скорости выгорания при постоянной температуре.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что устройства выполнены в виде разбрызгивателей и расположены над чашей и/или измельчающими валками.

13. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что в качестве разбрызгивателей используют устройства, предусмотренные для впрыскивания воды в камеру для измельчения-сортировки.

14. Устройство по одному из пп.11-13, отличающееся тем, что угол разбрызгивания разбрызгивателей составляет примерно от 10 до 70°.

15. Устройство по одному из пп.11-14, отличающееся тем, что предусмотрены два разбрызгивателя, расположенных, если смотреть сверху, между двумя соответствующими измельчающими валками.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что разбрызгиватели расположены в центре или эксцентрично между двумя соседними измельчающими валками.

17. Устройство по одному из пп.11-16, отличающееся тем, что катализатор выполнен с возможностью его подачи в виде раствора в разбрызгиватели с помощью насосного агрегата, впрыскивания под давлением от 7 до 10 бар и разбрызгивания.

18. Устройство по одному из пп.11-17, отличающееся тем, что разбрызгиватели расположены горизонтально и так установлены в направлении промежутков между измельчающими валками и центром мельницы, что, если смотреть в поперечном сечении истирающей мельницы, биссектриса угла разбрызгивания образует секущую.

19. Устройство по одному из пп.11-18, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один разбрызгиватель установлен в направлении чаши и направлен на основание.

20. Устройство по одному из пп.11-18, отличающееся тем, что разбрызгиватели направлены по касательной к конусу для угольной мелочи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу для обработки топлива, в частности пылеугольного топлива для производства чугуна, согласно ограничительной части п.1 формулы, а также к устройству для осуществления способа согласно ограничительной части п.11 формулы.

Из WO 99/64636 известен способ производства чугуна в доменной печи, когда при помощи способа впрыскивания измельченного угля угольную пыль в качестве дополнительного топлива подают вместе с горячим воздухом и/или кислородом через фурмы в доменную печь в целях снижения расхода кокса и тем самым сокращения расходов на получение каждой тонны чугуна. Для достижения дальнейшего снижения расхода кокса используют пылеугольное топливо, обработанное добавленным катализатором. В качестве катализаторной добавки предлагают водные растворы соединений элементов подгруппы, таких как цирконий, молибден, вольфрам, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк или алюминий, олово или свинец, в частности раствор сульфата меди. Преимуществами использования пылеугольного топлива с добавкой катализатора, наряду с сокращением расхода кокса, должны стать замена более дорогого угля, более низкий выход шлака и снижение выброса вредных частиц, а также улучшение качества чугуна.

В статье "Blast furnace efficienci enhancer for pulverized coal injection" в журнале "Steel Technology", февраль 2000, стр. 61 ff этот способ описывается подробно. Пыпеугольное топливо, которое подают через фурмы для частичной замены кокса, имеет размеры частиц 75 мкм и содержание влаги <1%, и на каждую тонну угля подают от 350 до 600 мл раствора катализатора. Подача производится с помощью специального устройства, которое расположено за хранилищем для несортированного угля и перед MPS-мельницей (фиг.2), причем несортированный уголь обрабатывают путем опрыскивания его раствором катализатора. Кроме того, описывается, что из-за коррозийных свойств раствора катализатора опрыскиватель должен отвечать особым требованиям, и, кроме того, дополнительно требуется система для регулярной очистки сопла.

В основе изобретения стоит задача создания способа и устройства для обработки топлива, в частности пылеугольного топлива для производства чугуна, которые позволили бы наиболее простым и эффективным способом сэкономить кокс и увеличить долю вдуваемого угля, а также использовать менее дорогой уголь или нефтяной кокс.

Согласно изобретению эта задача в части способа решается благодаря тому, что применяют катализатор, который снижает температуру воспламенения топлива или при постоянной температуре повышает скорость выгорания, и благодаря тому, что катализатор, в частности раствор катализатора, наносят на угольные частицы во время измельчения угля в угольную пыль. Обработанные таким образом угольные частицы или угольную пыль можно подавать непосредственно в фурмы доменной печи вместе с горячим воздухом, который в доменном воздухонагревателе доводят до температуры примерно 1250°С, и/или подводить вместе с кислородом к фурмам доменной печи или подавать в хранилище для временного хранения.

Выло обнаружено, что обработка катализатором, который предлагает фирма Эмиссионс-Редуцирунгс-Концепте ГмбХ (ЭРК) под торговой маркой "Карбамин 5010" и который описан в патенте DE 19800873 С2, способствует снижению температуры воспламенения топлива и ускорению сгорания. Пониженная температура воспламенения и ускорение сгорания внутри фурм означают более быстрое воспламенение и более быстрое выгорание остаточного кокса, т.е. почти полное сгорание угля внутри фурм. Эти факторы наряду с парциальным давлением кислорода, температурой фурм (доля излучения) и тонкостью измельчения угля, а также его температурой на входе и влажностью, в значительной степени определяют эффективность вдувания пылеугольного топлива и его влияние на расход кокса и качество и количество произведенного чугуна.

Температуру воспламенения и характеристику выгорания определяют по происхождению используемого угля. При этом в фурмах играет значительную роль так называемое науглероживание или мацеральный состав. Летучие частицы угля обеспечивают воспламенение остаточного кокса, как только он достигнет температуры воспламенения. Однако собственное повышение температуры кокса происходит внутри фурм не за счет сгорания летучих компонентов, а, в первую очередь, за счет теплоты излучения стенок фурм. Выгорание оставшегося кокса сдерживается кинетическим путем, причем, в частности, инертная часть угля замедляет сжигание.

Добавки, действующие как катализаторы, т.е. катализаторы, снижающие температуру воспламенения остаточного кокса, способствуют лучшему выгоранию. Время выгорания угля сокращается и поэтому может возрасти количество вдуваемого угля, или можно использовать уголь с низким показателем летучести или также нефтяной кокс.

Добавка фирмы ЭРК, действующая как катализатор (далее ЭРК-добавка), описана в патенте DE 19800873 С2. Она используется в виде водного раствора, который содержит соли церия и железа органических и/или неорганических кислот и имеет показатель концентрации ионов водорода рН ниже 7-ми, а также может содержать смачивающий агент и/или нейтрализующее вещество. Есть указание на приведенные в данном патенте составы и концентрации раствора катализатора и области применения.

Сообразно с этим известный раствор катализатора предусмотрен для снижения выброса вредных веществ при сжигании и/или сушке, и/или процессах нагрева топлива, содержащего углерод, и может добавляться к твердому топливу, такому как уголь, дерево, биомасса, отходы, а также тяжелое масло, и другому жидкому топливу и/или подведенному воздуху перед сжиганием. Действие, снижающее выброс вредных веществ, упоминается также в связи с фурмами в доменных процессах. Не описано, как производится обработка топлива.

Особым преимуществом заявленного способа является возможность сжигания обработанного составом пылеугольного топлива в фурмах с незначительным избытком воздуха, так что сдерживается образование окиси азота.

Особенно выгодную обработку пылеугольного топлива раствором катализатора, в частности ЭРК-добавкой, можно выполнить в истирающей мельнице, в которой несортированный уголь или нефтяной кокс подвергают помолу и сушке, измельчают в угольную пыль и при помощи текучей среды, например горячего газа, подводят к сепаратору, находящемуся над камерой для измельчения.

Целесообразно каталитическую добавку в виде водного раствора, имеющего температуру от 5 до 35°С, вдувают или впрыскивают в камеру для измельчения-сортировки, где температура ниже температуры кипения или разложения.

В отношении устройства было обнаружено, что впрыскивание ЭРК-добавки в мельницу, в частности в истирающую мельницу, например воздухоструйную истирающую мельницу, способствует особенно эффективной обработке измельченных частиц топлива. Исходят из того, что соответствующее расположение по меньшей мере одного опрыскивателя и направление струй ускоряют смачивание текучего потока измельчаемого материала внутри воздухоструйной истирающей мельницы и/или проникновение в угольные частицы или частицы кокса. Благодаря процессу измельчения наступает характерное увеличение поверхности угля, так что тем самым происходит явное увеличение плотности распределения на реакционной поверхности, а также могут быть лучше смочены или пропитаны поры.

Особая выгода заключается в том, что для ЭРК-добавки можно применять известные устройства для впрыскивания воды в истирающую мельницу. Устройства можно расположить при этом соответственно над измельчающими валками, и либо между двумя соседними измельчающими валками друг против друга, либо под углом примерно 120°. Угол разбрызгивания может составлять от 10 до 70°, предпочтительно примерно 60-70°, и проходить примерно вертикально или в направлении измельчающих валков или сепаратора. Выгодно размещение двух устройств в корпусе мельницы, причем направление разбрызгивания и угол разбрызгивания могут быть одинаковыми или разными.

В принципе устройства можно расположить в мельнице с любым углом разбрызгивания по всей камере для измельчения и сортировки. По меньшей мере одно устройство или сопло должно быть расположено так, что уже на основании, которое находится на чаше, может осуществляться дозировка катализаторной жидкости и обработка измельчаемого угля или кокса составом. При размещении разбрызгивателей на уровне конуса для угольной мелочи следует выбрать предпочтительно касательное направление вдувания относительно конуса для угольной мелочи, с тем чтобы опрыскивать облака из текучих частиц твердой фракции, совершающих движение в виде спирали в направлении сепаратора. Таким образом можно избежать смачивания катализатором стенок конуса для угольной мелочи и припекания к стенкам конуса, в частности, при соответствующем высоком давлении вдувания.

Целесообразно регулировать подачу ЭРК-добавки в зависимости от измельчаемого угля, его количества и скорости потока. ЭРК-добавку, которая, например, хранится в емкости, подают через подводящий трубопровод, а перед подачей, добавив воду, готовят раствор соответствующей требуемой концентрации. Впрыскивание можно производить вместе с сжатым воздухом, причем давление составляет целесообразно примерно от 2 до 10 бар.

Наряду с выгодами в плане более ограниченного расхода кокса путем замены более дорогого кокса или более дорогого угля более дешевым углем или также нефтяным коксом и достигаемым таким образом сокращением расходов при производстве чугуна добиваются меньшего выброса пыли и лучшего качества чугуна. Возможно уменьшение количества воздуха для горения или кислорода, благодаря чему уменьшается образование окисей азота. Более дешевый и более дорогой уголь отличаются друг от друга, в частности, содержанием летучих веществ и золы. Более дешевый уголь имеет более ограниченное содержание летучих веществ, как правило менее 25-30%, и более высокое содержание золы, как правило более 7-8%. Более ограниченный выброс пыли, т.е. уменьшение выброса несгоревшей сажи, приводит к сокращению энергопотерь и более низким расходам в процессе промывки газом доменной печи, так как удаление сажи требует повышенных энергетических и технических затрат. Уменьшение выброса сажи является показателем качества выгорания поступившего количества угля и тем самым эффективности используемого катализатора.

Изобретение поясняется ниже более подробно с помощью чертежей, на которых даны схематичные изображения.

Фиг.1 - частичный продольный разрез воздухоструйной истирающей мельницы с разбрызгивателем;

Фиг.2 - схематичное изображение воздухоструйной истирающей мельницы с двумя разбрызгивателями;

Фиг.3-5 - воздухоструйная истирающая мельница с четырьмя, тремя и двумя измельчающими валками и соответственно двумя разбрызгивателями (поперечное сечение).

На фиг.1 представлена воздухоструйная истирающая мельница 2 в разрезе. На чаше 3 вращаются измельчающие валки 4, из которых представлен только один измельчающий валок. По окружности чаши 3 расположен лопаточный венец 5, через который в зону измельчения и сортировки 12 струится нагретый газ 13 в вихревом потоке, заданном наклонам лопаток, и от измельчающих валков 4 измельченный материал подводится к сепаратору 7 в потоке 6. Еще недостаточно измельченный материал падает обратно через конус для угольной мелочи на чашу 3 и подвергается дальнейшему измельчению. Тонкоизмельченный материал 9 выпускают через вывод (здесь не представлен) из сепаратора 7 и подают к фурмам (здесь не представлены) шахтной печи (здесь не представлена) или в хранилище для временного хранения (не представлено).

Обработка частиц угля продвигающегося текучего потока измельчаемого материала происходит с помощью устройств 10, которые предназначены для впрыскивания или вдувания раствора катализатора, в частности ЭРК-добавки, в камеру для измельчения-сортировки 12 для улучшения сгорания. Эти устройства 10 можно расположить над измельчающими валками 4 и/или на уровне измельчающих валков 4, в частности немного выше чаши 3 или края чаши, в частности укрепить на корпусе мельницы 11. По меньшей мере один из разбрызгивателей 10 должен быть направлен на чашу 3 и способствовать обработке основания чаши 3. Подачу раствора катализатора можно осуществить через общий подводящий трубопровод 18. Устройства 10 соответствуют по существу разбрызгивателям для воды, которые предусмотрены для понижения температуры измельчаемого материала или по причинам безопасности, как правило, в воздухоструйных истирающих мельницах. Эти известные разбрызгиватели воды выгодным образом применяют для впрыскивания ЭРК-добавки.

Температура впрыскиваемой через устройство 10 ЭРК-добавки составляет менее 95°С. Впрыскивание происходит вместе с сжатым воздухом 14, который подают в устройство 10, и давление составляет от 2 до 10 бар. Угол разбрызгивания расположенного по существу горизонтально верхнего разбрызгивателя 10 составляет выгодным образом 60-70°, тогда как угол разбрызгивания нижнего разбрызгивателя 10 зависит от угла наклона струи.

Особенно выгодно расположение разбрызгивателей 10 на уровне нижней области конуса для угольной мелочи 8, так как достигается эффективная обработка частиц измельчаемого материала в поднимающемся потоке 6. На фиг.1 на уровне измельчающих валков 4 расположен, кроме того, разбрызгиватель 10. Это устройство предусмотрено, в частности, для обработки измельчаемого материала, находящегося на чаше 3, и частиц измельчаемого материала, находящихся над краем чаши 3. Кроме того, нагретый газ 13 принимает впрыскиваемый раствор катализатора, так что частицы измельчаемого материала могут смачиваться или пропитываться в своем текучем потоке 6, направленном вверх.

На фиг.2 показано схематичное изображение воздухоструйной мельницы 2, которая расположена над измельчающими валками 4, из которых представлен только один измельчающий валок 4, с двумя разбрызгивателями 10. Разбрызгиватели 10 укреплены на корпусе мельницы 11 и соединены подводящими трубопроводами 15 с насосным агрегатом (здесь не представлен).

ЭРК-добавку хранят в резервуаре (здесь не представлен) и перед насосным агрегатом разбавляют водой в заданном соотношении. Запорные органы 16 и электромагнитные регулирующие клапаны 17 позволяют осуществлять дозировку в зависимости от заданного количества угля и скорости нагретого газа.

Кроме того, разбрызгиватель 10 расположен немного выше чаши (не представлено), а сопла установлены так, что основание смачивается катализаторной жидкостью.

На фиг.3 истирающая мельница 2 представлена в сечении и имеет четыре измельчающих валка 4 и два разбрызгивателя 10. Разбрызгиватели 10 расположены друг против друга почти посередине между соответствующими двумя измельчающими валками 4, причем так, что биссектриса угла разбрызгивания (см. фиг.1 и 2) образует секущую, и, таким образом, угольные частицы в потоке измельчаемого материала обрабатываются в промежутках между двумя измельчающими валками 4 и в центре мельницы.

Разбрызгиватели 10 можно расположить целесообразно и так, чтобы угол разбрызгивания был направлен по касательной. Таким образом, не будут смачиваться ни области измельчающих валков, ни корпус конуса для угольной мелочи (здесь не представлен), или происходит очень незначительное их смачивание, так что припекания не будет. Установленные по касательной разбрызгиватели 10 обозначены прерывистой линией. Эти разбрызгиватели, установленные по касательной, можно установить дополнительно к разбрызгивателям 10, расположенным почти радиально, или вместо них и на разном уровне.

На фиг.4 представлена воздухоструйная истирающая мельница 2 с тремя измельчавшими валками 4 и двумя разбрызгивателями 10. Разбрызгиватели 10 расположены эксцентрично в двух промежутках из трех между измельчавшими валками 4 и разбрызкивают ЭРК-добавку в промежутках и почти параллельно внутренней торцевой поверхности одного из двух соседних измельчающих валков 4 в направлении центра мельницы.

Истирающая мельница 2 согласно фиг.5 имеет два измельчающих валка 4 и два разбрызгивателя 10. Они установлены друг против друга, однако эксцентрично между двумя измельчающими валками 4. Дополнительно к разбрызгивателям 10 фиг.4 и 5 или вместо них можно предусмотреть разбрызгиватели 10, установленные по касательной и обозначенные на фиг.3 прерывистой линией.

Через разбрызгиватели 10 можно подавать ЭРК-добавку в соотношении 0,2-1 л на 1 т угля, причем разбавляют в соотношении 1:10. Впрыскивание происходит при давлении примерно от 2 до 10 бар. Угол разбрызгивания может составлять от 10 до 70°, предпочтительно 60-70°.

Подача обработанного пылеугольного топлива через фурмы доменной печи происходит со скоростью примерно 200 м/сек. Установлено, что остаточное время горения после впрыскивания угля составляет 4-5 микросекунд, а концентрация ЭРК-добавки составляет примерно 30-50 ppm.