твердое топливо

Формула изобретения

Применение окатышей металлизованных, используемых при выплавке стали, в качестве твердого топлива.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике, в частности к твердым топливам, и может быть использовано на тепловых электростанциях и теплоэлектроцентралях для экономичной выработки экологически чистой энергии.

Основными источниками энергии в настоящее время являются: тепловая энергетика, основанная на сжигании угля, мазута и газа, гидроэнергетика, атомная энергетика и в меньшей степени использование энергии солнца, ветра, приливно-отливных явлений и т. п. Ведущее место в энергетическом балансе отрасли занимает тепловая энергетика.

Известны традиционные углеводородные топлива (угол, мазут), при горении которых высвобождается тепловая энергия. К ним относятся, например, топливо, содержащее высокосернистый уголь, бурый уголь и соединения кальция и магния (Авторское свидетельство СССР N 1169980, кл. С 10 L 5/00, 1985), топливо в виде брикетированного угля со связующими из тяжелых нефтяных остатков (патент ФРГ N 3017599, кл. С 10 L 5/14, 1981) и др.

Эти топлива обладают относительно невысокой теплоемкостью, что ведет к повышенному расходу топлива на единицу вырабатываемой энергии. Выделяющиеся при горении большие количества дыма и сажи ухудшают экологическую обстановку в районах размещения энергетических установок, а остаточные продукты шлак и зола, образующиеся в количестве до 40% от первоначального объема, требуют дополнительной их утилизации или создания отвалов для их хранения, что также неблагоприятно с точки зрения экологии.

Известны топлива, основанные на утилизации бытового мусора и отходов различных промышленных и сельскохозяйственных производств, частично учитывающие требования экологии. К ним относятся, например, брикетированное топливо на основе угольной мелочи и бытового мусора (Авторское свидетельство СССР N 1798365, кл. С 10 L 5/14, 1993), брикетированное топливо на основе угольной мелочи и водной суспензии плодоовощных отходов (Выложенная заявка ФРГ N 2833731, кл. С 10 L 5/00, 1979) и др.

К недостаткам этих топлив относится недостаточно высокая для их промышленного применения теплоемкость, а также необходимость дополнительных затрат на организацию смежных производств по переработке отходов.

Известны альтернативные топлива по отношению к традиционным. Например, предложено экологически чистое топливо, представляющее собой прессованные под высоким давлением винные дрожжи (Выложенная заявка ФРГ N 3346378, кл. С 10 L 5/00, 1985).

Этот вид топлива удовлетворяет требованиям экологии, однако его широкое практическое применение ограничено.

Известно также экологичное топливо в виде брикетов, содержащее связанные активированным алюминием кислород и водород, несвязанные хлор и кремний, соединения активированного алюминия с калием и натрием (Выложенная заявка ФРГ N 2827997, кл. С 10 L 5/00, 1979).

Это топливо наряду с экологичностью обладает более высокой теплотой сгорания по сравнению с традиционными топливами, например, мазутом. Однако технологический процесс изготовления этого топлива сложен и обладает повышенной опасностью (при его изготовлении необходимо использование ртути, алюминия, галогеновых и хлороводородных кислот, газообразного кислорода). Кроме того, эффективность и экономичность этого топлива недостаточно высоки.

Задачей изобретения является создание твердого топлива, не имеющего перечисленных выше недостатков и обеспечивающего достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности и экономичности топлива при одновременном обеспечении его экологической чистоты.

Это достигается тем, что в качестве твердого топлива, согласно изобретению, применены окатыши металлизованные (металлизованные окатыши), используемые при выплавке стали.

В металлургической промышленности известно использование металлизованной шихты в виде металлизованных окатышей (металлизованных рудных или рудоугольных комков) при выплавке стали, в качестве сырья для доменных печей и электропечей. Применение металлизованных окатышей в процессе плавки улучшает ее показатели, в том числе снижает расход кокса за счет металлизации и повышает производительность доменной печи. Непрерывная загрузка в электропечь более транспортабельных, чем обычный металлизованный материал, окатышей также обеспечивает повышение производительности за счет исключения потерь времени на подвалки, за счет стабилизации потребления электроэнергии и сокращения продолжительности доводки плавки. При этом чистота стали по вредным примесям улучшается, и как следствие, улучшаются ее механические и особенно пластические свойства (Кудрявцев В.С. Пчелкин С.А. Металлизованные окатыши. - М. Металлургия, 1974, с.6, 7, 109-111).

Для целей выплавки стали предложены различные составы металлизованных окатышей, например, расчетный химический и фазовый состав, мас. Fe 57,84; FeO 9,28; Fe₃C 26,95; C 0,2; пустая порода 5,73; Fe_общ 90,20. При этом при изготовлении металлизованных окатышей на стадии восстановления железа учитывают их свойство горючести,принимая противопожарные меры. Известно, что способность окисления кислородом воздуха металлизованных окатышей достаточно высока [1] Однако свойство горючести металлизованных окатышей, присущее и большинству известных на земле материалов, в металлургии проявляется как недостаток, и с ним борются различными методами. Свойства же металлизованных окатышей, которые позволили бы применять их в качестве топлива, то есть для решения задач теплоэнергетики не изучены.

Подбор состава металлизованных окатышей при выплавке стали обусловлен специфическими металлургическими требованиями. Так, например, их состав выбирается с точки зрения уменьшения выделения дыма в ходе плавки. При введении экзотермических композиций в виде окатышей в расплавленный металл наряду с выделением дополнительного тепла выделяется дым. В результате реакции окатышей с расплавленным металлом на его поверхности образуется изолирующее "горячее" покрытие, предназначенное для задержания затвердевания металла, дым же является нежелательным побочным эффектом. За счет выбора оптимального состава окатышей решается задача уменьшения выделения дыма [2-4]

Исследования и эксперименты заявителя выявили свойства металлизованных окатышей, впервые позволяющие применить их в новой области теплоэнергетике, по новому назначению в качестве источника энергии (твердого топлива). Основным таким свойством является чрезвычайно высокая теплотворность металлизованных окатышей. Кроме того, исследование процесса их горения показало, что продукты горения не содержат дыма, копоти и других вредных компонентов. Поэтому этот новый вид топлива отличается высокой экологической чистотой. Остаточный же продукт горения с пониженным содержанием металлизации представляет собой ценное вторичное сырье, которое может быть использовано, например, для плавки чугуна в доменных печах, что позволяет создать технологический цикл безотходного производства.

Таким образом, назначение применяемого объекта является новым, а возможность реализации объектом нового назначения в явном виде не следует из его известных свойств и состава, при этом объект способен реализовывать новое назначение.

Пример реализации. Применен шихтовой материал в виде металлизованных окатышей, используемых в сталеплавильном производстве на металлургическом комбинате в г.Старый Оскол. Типовой химический состав этих металлизованных окатышей, мас. железо общее 91,4; железо металлическое 88,4 (степень металлизации 96,7); углерод 1,69; оксид кальция 1,6; кремнезем 4,0; оксид алюминия 0,28; оксид магния 0,26; оксид марганца 0,035; примеси остальное.

Основные физические характеристики металлизованных окатышей: средний размер окатышей 5-20 мм; прочность не менее 100 кг/окатыш; насыпной вес 1,8-2,1 т/м³.

Для эксплуатации, например, котла Еп-670-13,8-545БТ (ТПЕ-216) на твердом топливе в виде таких окатышей требуется в течение 5 сут 60-70 т металлизованных окатышей (в то время как бурого угля для получения того же энергетического результата потребовалось бы около 20 тыс.т). При этом наблюдается устойчивый процесс горения с достижением температуры 1250^oС. Пламя горения ярко желтое с голубоватым оттенком, без выделения дыма и копоти.

При горении металлизованных окатышей разного состава развивается температура от нескольких сотен до нескольких тысяч градусов. При продувке кислородом температура горения может подниматься до 4000^oС. После горения металлизованных окатышей образуется окисленная руда, годная для использования в качестве сырья в ряде металлургических процессов. Транспортировка металлизованных окатышей может производиться как в герметичных контейнерах, так и на открытом подвижном составе. Храниться они могут в штабелях или в контейнерах. Для исключения возможности самовозгорания при попадании влаги в процессе открытой перевозки и хранения металлизованные окатыши целесообразно пассивировать, например, жидким раствором извести или термическим воздействием при температуре ниже температуры возгорания (240-250^oС).

По оценке котел, например, со слоевым топочным устройством, должен расходовать до 5 тыс.т металлизованных окатышей вместо 1,5 млн.т угля или мазута. При средней стоимости металлизованных окатышей около 140 долларов США за одну тонну, годовой экономический эффект от применения нового вида твердого топлива может составить только для одной энергетической установки не менее 40 миллионов долларов США. Эта оценка не учитывает дополнительных затрат на перевозку и хранение, однако очевидно, что и эта составляющая затрат при расчете полной стоимости существенно ниже для топлива в виде металлизованных окатышей из-за значительного сокращения (более чем в 200 раз) количества перевозимого топлива.

Наряду с факторами эффективности и экономичности настолько же важны и такие свойства нового топлива, как его экологическая чистота и безотходность технологического цикла при его применении, проявляющиеся в отсутствии вредных продуктов горения и накопления бесполезных остаточных продуктов.

Переход на новый вид топлива в энергетических установках промышленного и коммунального назначения обеспечит расширение внедрения ресурсосберегающей технологии выработки энергии и получение при этом значительного экономического эффекта. Практическая реализация изобретения основана на применении известного энергетического оборудования и либо не требует его дополнительной модернизации (например, в случае котлов со слоевым топочным устройством), либо требует незначительной модернизации (например, в случае котлов большой мощности с форсунками).