Глава 2. Опытная установка на Новолипецком металлургическом комбинате

Общий вид опытной установки с котлом на Новолипецком метал­лургическом комбинате приведен на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 Общий вид опытной установки с котлом 1 реактор-газификатор, 2- котел - охладитель дымовых газов,

3 - нижние фурмы, 4 фурмы для дожигания, 5 - желоб для выпуска шлака, 6 - желоб для выпуска металла.

Принципиальная технологическая схема установки приведена нарис 2.2.

Рисунок 2 2 Принципиальная технологическая схема установки

Хранение шихтовых осуществлялось в 6 бункерах емкостью 220 м3 каждый.

Дозирование материалов из бункеров производилось весовыми ленточными дозаторами непрерывного действия. Все материалы од­новременно выдаются на ленточный конвейер, с которого перегружа­ются на конвейер, подающий их в реактор.

Реактор представляет собой емкость, футерованную в нижней части на высоту около 1,5 м от подины. Выше, стены реактора вы­полнены из водоохлаждаемых элементов. Имеется два ряда фурм. Нижний ряд - расположен на 1,5 от подины, служит для подачи ду­тья в шлаковую ванну. Верхний ряд фурм - расположен на высоте около 4 м от подины, служит для частичного сжигания газов над ванной расплава. В каждом ряду имеется 16 фурм по 8 с каждой сто­роны. Площадь сечения рабочего пространства реактора на уровне нижних фурм - около 20 м2.

Технологические газы из реактора направляются в водогрейный котел мембранного типа с тепловоспринимающей поверхностью 460 м2. Газоотводящий тракт работает под разряжением, создаваемым дымососами. Между реактором и котлом имеется зазор, в который осуществляется подсос воздуха для сжигания горючих компонентов газов в котле.

на очистку в скруббер-охладитель. После скруббера установлена ре­гулируемая труба Вентури, затем каплеуловитель. После очистки ды­мовые газы дымососами удаляются в дымовую трубу.

Схема газоотводящего тракта приведена на рис. 2.3.

Рисунок 2 3 Схема газоотводящего тракта Охлаждение элементов реактора и котла производится химически очищенной водой По воде котел объединен в общий цикл с систе­мой охлаждения элементов камеры-газификатора. Вода из расходного бака циркуляционными насосами подается в котел-охладитель По­сле котла вода, нагретая до 95-115 °С, поступает на 4 группы автома­тов воздушной зашиты для охлаждения Затем вода поступает в раз­дающие коллекторы и по ним в охлаждаемые элементы реактора, в которых нагревается и сливается в сливные бачки, откуда самотеком поступает в расходный бак. Слив воды в бачки осуществляется с раз­рывом струи для визуального контроля протока.

Схема циркуляции охлаждающей воды приведена нарис 2 4 Работа системы охлаждения осуществляется следующим образом. Вода из расходного бака (1) циркуляционными насосами (2) подается в котел-охладитель (3). Давление воды - 1,2 МПа. После котла вода, нагретая до 95-115 °С, поступает на 4 группы аппаратов воздушного

охлаждения (4). Затем вода поступает в раздающие коллекторы (5) и по ним в охлаждаемые элементы реактора (6), в которых нагревается и сливается самотеком в сливные бачки (7), откуда самотеком посту­пает в расходный бак

Рисунок 2 4 Схема циркуляции охчаждающей воды 1 - расходный бак 2 - циркучяционные насосы 3 - котел-охладитечь, 4 - аппараты воздушного охчаждения 5 -раздающие кочлекторы реактора 6 - охлаждаемые эчементы печи 7 - счивные бачки 8 - аварийная емкость 9 - паровые насосы

К охлаждаемым элементам реактора относятся

- 100 стеновых кессонов (по 50 с каждой стороны)

- 58 торцевых холодильников (по 29 с каждого торца)

- 16 нижних фурмы (по 8 с каждой стороны)

- 16 верхних фурмы (по 8 с каждой стороны)

- 3 сводовых кессона и дымоотводящий патрубок.

Оба газохода имеют прямоугольные сечения со сторонами 3600x3650 мм по осям экранов Экраны выполнены из труб 38x5 мм, сталь 20, сваренных в мембранные панели с шагом 50 мм Подъемный и опускной газоходы через водоохлаждаемые опорные пояса уста­навливаются на опорные металлоконструкции таким образом, что обеспечивает неподвижность опускного и перемещение подъемного газохода. Нижняя часть подъемного газохода расположена на расстоя­нии 400 мм от дымоотводящего патрубка реактора, а нижняя часть опускного газохода примыкает к наклонному орошаемому газоходу Мембранные панели газоходов соединены последовательно в общий контур Общая тепловоспринимающая поверхность котла - 457,8 м2 Для охлаждения воды после котла перед подачей ее к охлаждаемым элементам реактора предусмотрены аппараты воздушного охлажде­ния, 10 штук с поверхностью теплообмена 9000 м2 и 4 штуки 7500 м2 каждый

Расходный бак представляет собой цилиндрическую емкость объ­емом 350 м3, которая служит резервной емкостью воды и является за­меняющим звеном контура циркуляции Для подогрева воды в зимнее время, оборудован подвод пара в бак

Для обеспечения циркуляции воды предусмотрены насосы ЦН- 1000-1801 производительностью 1000 м3/час и напором 18 кгс/см2. Всего предусмотрено 4 насоса, 2 рабочих и 2 резервных.

В случае отключения электроэнергии и выходе из строя всех цирку­ляционных насосов предусмотрена система аварийного охлаждения. Она включает в себя аварийную емкость объемом 890 м3, 2 паровых насоса, трубопроводы и арматуру

При падении давления в системе вода из аварийной емкости (8) самотеком поступает на охлаждаемые элементы печи с расходом 600 м3/час и сливается в расходный бак (1) Одновременно включают­ся в работу паровые насосы (9), которые подают воду из расходного бака на котел-охладитель газов.

Реактор с оборудованием вспомогательных систем и устройствами для уборки шлака и металла был размещен в здании миксерного отде­ления кислородно-конверторного цеха.

В качестве энергоносителей на установке использовался кислород (99,5 %), компрессорный воздух, природный газ. Высокая чистота кислорода связана не с потребностями процесса, а со спецификой ме­таллургического цеха, в котором располагалась установка.

Рисунок 2 5 Пшн размещения реактора и средств уборки жидких продуктов 1 - стенд для обогрева ковшей, 2 - качающийся желоб, 3 - стационарный желоб 4 - аварийный желоб, 5 -заливочная воронка, б - чугуновоз, 7 - шчаковоз,

8 - ковш, 9 - шлаковая чаша, 10- направляющее устройство для загрузки шихтовых материалов в реактор, 11 -загрузочная воронка, 12 - дымоотводящий патрубок, 13 - сифон для металла (полупродукта), 14 - сифон для шлака,

15 - трубопроводы для отвода газов из сифонов, 16- транспортер для подачи шихты, 17 - устройство дчя отбора проб и замера температуры отходящих газов, 18 - отверстие для заливки шлака 19- свод реактора, 20- фурмы для дожигания 21 - котеч-охладитель, 22 - наклонный газоход Производительность установки в режиме газификации составляла около 15 тонн угля в час. При проведении экспериментов использо­вались угли марок ОС, Т, отсев кокса Были проведены специальные опыты по газификации антрацитового штыба (АШ), как наиболее сложного для использования в существующих энергетических котлах вида твердого топлива.

Некоторые показатели газификации угля в шлаковом расплаве на опытной установке приведены в таблице 2.1.

В таблице 2 2 приведен пример материального баланса процесса, полученный в ходе проведения экспериментов Таблица 2 2 Материальный баланс процесса (опыт 2 табл.2 1)

В ходе проведения экспериментов изучались процессы образова­ния пыли, оксидов азота, поведение серы, исследовались свойства об­разующихся шлаков и металла, гидродинамика ванны, распределение частиц угля по объему расплава, процессы горения в фурменных зо­нах, поведение летучих компонентов угля, дожигание образующих­ся при газификации газов и другие вопросы технологии Отработана технология запуска с использованием жидких металла и шлака, рабо­чие режимы и порядок остановки реактора.

Пылевынос из реактора в процессе испытаний составлял 2,1-3,7% Содержание NOx в газах на выходе из реактора-газификатора состав­ляло около 10 мг/нм3, после дожигания газа в котле - 25-90 мг/нм3.

При газификации угля оксидами железа, содержащимися в золе угля, образуется металл, по своему составу близкий к чугуну. Состав шлака корректировался присадками флюса извести и известняка Об­разующийся шлак не содержит углерода и пригоден для производства из него строительных материалов, гранулированного шлака, мине­рального волокна, каменного литья, шлакощебня

Использование топлива различного фракционного состава с раз­личным содержанием летучих, золы и влаги не сказывается на воз­можности их газификации в шлаковом расплаве. Получаемый гене­раторный газ пригоден как для непосредственного его сжигания в энергетических котлах, так и для использования в других технологи­

ческих процессах, в том числе и для сжигания его в газовых турбинах после очистки от пыли.

Основные конструктивные элементы реактора прошли длительную отработку и проверку в условиях установки опытно-промышленного масштаба.

Глава 3. Пилотная установка

Пилотная установка в Научном Центре г Таеджон (Ю. Корея) была меньшего размера, чем опытная установка на Новолипецком комби­нате и предназначалась для исследования сжигания в ней различных материалов, от угля до различных видов бытовых и промышленных отходов

Установка была построена для фирмы Samsung Heavy Industries Проект разработан «Институтом Стальпроект»1 (Москва), технология разработана НПО «Алтон» (Москва) и Московским институтом стали и сплавов2

Установка включала следующие основные элементы

1. Реактор

2. Газоотводящий тракт с системами эвакуации, очистки от пыли и обезвреживания отходящих газов

3 Систему хранения, дозирования и подачи отходов и сыпучих ма­териалов в реактор

4 Систему снабжения кислородом и дутьем (кислородно­воздушной смесью)

5 Систему снабжения природным газом

6 Систему водяного охлаждения реактора.

7 Систему уборки жидких продуктов переработки

8 Систему контрольно-измерительных приборов и средств авто­матизации.

Общий вид пилотной установки приведен на рис З 1

'Ведущие проектировщики ктн Чайкин Б С, инж Вереин В Г

’В пуске установки и отработке технологии принимали участие д т н Быстров В П ,

ктн Федоров А Н , инж Вереин В Г

Рисунок 3.1. Пилотная установка 1 - реактор, 2 желобы для выпуска металла и шлака, 3 - транспортер для подачи материалов в реактор.

По сравнению с установкой на Новолипецком металлургическом комбинате была изменена конструкция охлаждаемых элементов ре­актора, обеспечивающая повышение надежности их работы и сниже­ние тепловых потерь. Последнее было важно обеспечить, поскольку из-за малых размеров установки рабочее пространство реактора име­ло большую удельную поверхность охлаждающих элементов. Были разработаны специальные устройства, обеспечивающие возможность запуска реактора на твердых материалах при отсутствии жидких ме­талла и шлака. Поскольку установка в Научном Центре была автоном­ной и исходную ванну необходимо было образовывать наплавлением. Схема рабочего пространства реактора приведена на рис. 3.2.

Рисунок 3.2. Схема рабочего пространства реактора 1 - отверстие в своде для загрузки шихтовых материалов; 2 - газоход для эвакуации технологических и топочных газов из рабочей камеры и из сифонов; 3 - верхние фурмы для дожигания; 4 - нижние фурмы-горелки для продув­ки; 5 - горелки для разогрева и запуска реактора; 6, 7 - отопительные горелки ме­таллического и шлакового сифона; 8, 12 - отверстия для рабочего выпуска металла и шлака; 9, 10 - отверстия для полного выпуска расплавов (на уровне подины);

11 - отверстие металлического сифона для выпуска шлака из реактора при пуске;

13 - рабочая камера; 14, 15 - каналы для перетекания расплава в сифоны;16- футеровка, 17 - охлаждаемые элементы

Площадь пода реактора составляла 1 м2, высота рабочего про­странства - 4,5 м, высота установки продувочных фурм над подиной - около 1м. В рабочем пространстве установлены две нижние фурмы- горелки, позволяющие осуществлять продувку шлакового расплава и при необходимости подавать в реактор дополнительное топливо, в ка­честве которого использовался природный газ. Для дожигания газов в реакторе использовали две фурмы, расположенные выше уровня шла­ка. Для запуска установки на твердых материалов были установлены две газокислородные горелки.

Газоотводящий тракт включает газоходы, камеру вторичного до­жигания, котел, газоочистку, дымосос, дымовую трубу.

Камера дожигания имела объем 13,3 м3, рассчитана на 2000 нм3 газа в час. Камера снабжена газовоздушной горелкой. Подача воздуха для дожигания принудительная, максимальное количество подавае­мого воздуха - 1385 м3 в час. Разрежение в камере - 20 мм вод. столба, Время пребывания газов в камере дожигания 2,5 с. Управление пода­чей воздуха осуществляется автоматически по содержанию СО иН,в дымовых газах. Максимальное тепловыделение - 150 000 ккал в час. Расчетная температура газов на входе - 1500 °С, на выходе - 1300 °С Максимально допустимая температура газов в камере - 1800 °С. Пред­усмотрена система автоматического зажигания горелки при снижении температуры дымовых газов ниже температуры воспламенения.

По условиям размещения установки в существующем здании был установлен горизонтальный водогрейный котел. Максимальный теплосъем с котла - 1,18 Гкал/ч. Площадь теплообмена - 98 м2, количество испаряемой воды - 2500 кг/ч. Температура газов на вхо­де - 1300 °С, на выходе - 250 °С,

Применялась газоочистка мокрого типа, состоящая из циклонов, трубы Вентури и скруббера-каплеуловителя.

В циклоне улавливаются крупные (более 50 мкм) частицы пыли. Скорость газа на входе - 21 м/с. Степень улавливания пыли - 56%. Температура газа на входе - 250 °С. Труба Вентури предназначена для улавливания мелких частиц пыли и кислых компонентов. Степень улавливания пыли - 88%, серы - 80%, НС1 - 80%. Температура на вхо­де - 240 °С, на выходе - 85 °С. Скруббер-каплеуловитель предназначен для улавливания капель воды, мелкой пыли и кислых компонентов. Установка снабжена одним дымососом.

На рис. 3.3. показан вид системы охлаждения реактора, охлажде­ния и очистки газов.

Для охлаждения стен реактора использовалась вода в количестве 100 м3 в час. С давлением 10 атм. Охлаждение воды после реактора осуществлялось в 5-ти мини градирнях. Две предназначены для сни­жения температуры с 70 до 40 °С, три - для уменьшения температуры с 40 до 30 °С. Максимальный теплосъем с системы - 4 млн. ккал в час

В качестве дутья использовался кислород (95 %) и сжатый воздух. Расход кислорода - до 1000 нм3/час. воздуха - до 350 нм3/час.

Рисунок 3.3. Системы охлаждения печи и охлаждения и очистки газов 1 - миниградирни, 2 - циклоны, 3 - труба Вентури, 4 - скруббер,

5 - дымовая труба.

В качестве основного топлива использовался энергетический уголь с содержанием летучих 12-15 %, зольностью 15-17 %. В качестве до­полнительного топлива - природный газ в количестве до 400 нм3/час.

Дозирование материалов осуществлялось из 2 бункеров емкостью 10 м2 и 3-х емкостью 5 м3. Бункера оборудованы вибропитателями и установлены на тензодатчики для контроля их веса. Подача материа­лов к реактору осуществлялась транспортером.

На рис. 3.4. показана система хранения и дозирования материалов в реактор.

Рисунок 3.4. Система хранения и дозирования материалов в реактор

Жидкие продукты - шлак и металл, выпускались из реактора по мере их накопления в специальные емкости.

На рис. 3.5. показан выпуск шлака в чашу.

Рисунок 3.5. Выпуск шпака.

На пилотной установке в Южной Корее была отработана техноло­гия запуска реактора путем наплавки ванны из твердых материалов, технология газификации угля при различных соотношениях СО/СО, в технологических газах. Отработаны режимы сжигания различных видов отходов: измельченных автомобильных шин, золы от сжигания угля на ТЭС, отработанных песков литейного производства, бытовых отходов и других.

Была продолжена разработка конструктивных элементов реактора, обладающих повышенной надежностью и обеспечивающих улучше­ние показателей процесса.