Настоящее изобретение относится к способу получения минеральных волокон, включающему в себя создание циркуляционной камеры сгорания (1), которая содержит верхнюю секцию (2), нижнюю секцию (3) и базовую секцию (4), инжектирование первичного топлива, минерального материала в виде частиц и первичного горючего газа в верхнюю секцию циркуляционной камеры сгорания и сгорание первичного топлива, тем самым, расплавляя материал в виде частиц с образованием минерального расплава и генерированием уходящих газов, отделение минерального расплава от уходящих газов, при этом уходящие газы проходят через выход (8) в циркуляционной камере сгорания и минеральный расплав собирается в базовой секции циркуляционной камеры сгорания, инжектирование вторичного топлива, которое включает в себя жидкое или газообразное топливо, и вторичного горючего газа в нижнюю секцию циркуляционной камеры сгорания с образованием в нижней секции пламени, которое нагревает расплав, и протекание потока собранного расплава через выход (15) в базовой секции в центробежное устройство для получения волокнистой массы, и получение волокон. Настоящее изобретение предусматривает также устройство для использования в способе по настоящему изобретению.

[0001] Способ получения минеральных волокон, в котором

[0002] Способ по п.1, в котором второе топливо включает в себя жидкое или газообразное топливо.

[0003] Способ по п.1 или 2, в котором второе топливо выбирают из группы, состоящей из спиртов, пропана, метана, природного газа и их смесей.

[0004] Способ по п.2 или 3, в котором второе топливо дополнительно содержит уголь или нефть, которая составляет менее чем 50 об.% от всего объема второго топлива.

[0005] Способ по п.1, в котором второе топливо включает в себя твердое топливо, предпочтительно уголь.

[0006] Способ по п.5, в котором второе топливо содержит до 100% твердого топлива, предпочтительно в пределах между 70 и 90% твердого топлива.

[0007] Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором второй горючий газ представляет собой чистый кислород.

[0008] Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором второе топливо и второй горючий газ вводят по меньшей мере через два, предпочтительно по меньшей мере через три входа горелок, так что непосредственно после поступления в циркуляционную камеру сгорания второе топливо сгорает с образованием пламени.

[0009] Способ по п.8, в котором вход горелки или входы горелок размещают в нижней половине нижней секции циркуляционной камеры сгорания, предпочтительно рядом с базовой секцией.

[0010] Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором пропорция второго горючего газа и второго топлива является такой, что количество второго горючего газа исключает возможность полного сгорания второго топлива.

[0011] Способ по любому из пп.1-9, в котором пропорция второго топлива и второго горючего газа является такой, что количества второго горючего газа более чем достаточно для осуществления полного сгорания второго топлива.

[0012] Способ по п.8, в котором циркуляционная камера сгорания содержит вход горелки в нижней секции и по меньшей мере один дополнительный вход для дополнительного второго горючего газа, предпочтительно второй горючий газ имеет уровень кислорода по меньшей мере 25 об.%.

[0013] Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором выход из базовой секции представляет собой сифон.

[0014] Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором первое топливо включает в себя углеродистое топливо в виде частиц, предпочтительно уголь.

[0015] Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором первое топливо представляет собой смесь углеродистого топлива в виде частиц, предпочтительно угля, и одного или нескольких газообразных топлив, выбранных из группы, состоящей из пропана, метана и природного газа.

[0016] Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором первый горючий газ представляет собой воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород.

[0017] Устройство для реализации способа по любому из предыдущих пунктов, содержащее циркуляционную камеру сгорания, состоящую, по существу, из цилиндрической верхней секции, нижней секции и базовой секции, причем в верхней секции выполнены входы для первого топлива, минерального материала в виде частиц и первого горючего газа, в нижней секции выполнены входы для второго топлива и второго горючего газа, выход для уходящих газов выполнен в верхней секции, в базовой секции выполнен выход для расплава, связанный со входом центробежного средства для получения волокнистой массы.

[0018] Устройство по п.17, в котором нижняя секция циркуляционной камеры сгорания выполнена сходящейся кверху.

[0019] Устройство по п.17 или 18, в котором выход из базовой секции представляет собой сифон.

Настоящее изобретение относится к получению минерального расплава посредством сжигания горючего материала в присутствии неорганического материала в виде частиц и тем самым формирования расплава. Затем расплав превращается в волокнистую массу с образованием минеральных волокон.

Традиционно, обычный путь получения расплава для волокон из шлака, камня или скальной породы осуществляется посредством шахтной печи, в которой самоподдерживающийся блок неорганического материала в виде частиц нагревают посредством сжигания горючего материала в печи. Блок постепенно плавится и восполняется сверху, при этом расплав стекает вниз по блоку и вытекает из нижней части печи. Обычная печь, для этой цели, представляет собой вагранку.

Необходимо, чтобы блок был самоподдерживающим и проницаемым для горючих газов, которые, как правило, генерируются при горении углеродистого материала в блоке. По этой причине необходимо, чтобы материал в блоке был относительно крупным (для того, чтобы блок был проницаемым) и имел высокую физическую прочность, и не коллапсировал до тех пор, пока горение или плавление не разовьется, как следует. На практике это означает, что углеродистый материал представляет собой кокс, и что материал в виде частиц либо представляет собой грубо измельченную скальную породу, камень или шлак, либо находится в форме брикетов, сформированных из материала в виде мелкодисперсных частиц.

Соответственно, если материал, который доступен, является доступным только в мелкодисперсной форме, необходимо включить в расходы затраты на формирование его в брикеты и соответствующее неудобство. Брикетирование обычно использует в качестве связующего вещества содержащие серу материалы, такие как портландцемент, с гипсом, и это означает, что выходящий поток имеет тенденцию к содержанию высокого уровня серы, которая должна обрабатываться.

Система вагранки или другой шахтной печи также имеет тот недостаток, что условия в печи всегда имеют тенденцию к тому, чтобы быть в достаточной степени восстановительными, так что некоторая часть железа восстанавливается до металлического железа. Это делает необходимым выделение металлического железа из расплава, уменьшает производство минеральной ваты, ведет к появлению примеси железа, а также имеет тенденцию к появлению риска коррозии в зоне, содержащей железо и шлак.

Другой недостаток заключается в том, что способ не имеет высокого теплового коэффициента полезного действия.

Несмотря на эти недостатки, способ, использующий вагранку или другую шахтную печь, широко принят в мире при производстве волокон из скальной породы, камня или шлака.

Альтернативная и совершенно иная система получения минерального расплава, которая устраняет или уменьшает недостатки системы с вагранкой, описывается в более ранней публикации авторов, заявке на Международный патент WO03/002469. Это система включает в себя суспендирование порошкообразного угля или другого топлива в предварительно нагретом горючем воздухе и сжигание суспендированного топлива в присутствии суспендированного минерального материала в виде частиц в циркуляционной камере сгорания, то есть, в камере сгорания, в которой суспендированные материалы в виде частиц и воздух циркулируют в системе, которая представляет собой циклонную систему циркуляции или сходна с ней. Это обычно упоминается как циклонная печь.

Суспензия угля в предварительно нагретом воздухе и минеральный материал в виде частиц вводятся через верхнюю часть или вблизи верхней части камеры сгорания. Внутри камеры сгорания происходит сгорание угля в виде частиц, и материал в виде частиц преобразуется в расплав. Расплав и материал в виде частиц, который еще не расплавился, отбрасываются на стенки камеры посредством циркулирующих газов и стекают вниз по камере.

В заявке на Международный патент WO03/002469 камера сгорания предпочтительно ведет вниз к большому танку-отстойнику, который имеет значительно увеличенный объем. Могут иметься газовая горелка или другие средства для подачи дополнительной энергии в танк-отстойник для повышения температуры уходящих газов. Горелка располагается по направлению к верхней части танка-отстойника. Уходящие газы, которые не содержат расплава, отбираются из танка-отстойника или камеры сгорания вверх через проход в верхней части камеры.

Для увеличения коэффициента полезного действия циклонной печи в заявке на Международный патент WO03/002469, уходящие газы, которые покидают циркуляционную камеру при температуре в пределах от 1400 до 1700 °С, используют для предварительного нагрева материала в виде частиц, с тем, чтобы использовать, а не высвобождать эту тепловую энергию. Эта стадия может осуществляться при условиях, которые уменьшают содержание оксидов азота (NOx), что уменьшает воздействие уходящих газов на окружающую среду. Затем уходящие газы проходят через другой теплообменник, с помощью которого они осуществляют непрямой теплообмен с горючим воздухом.

Циклонная печь имеет значительные преимущества по сравнению с вагранкой или другими шахтными печами. Относительно топлива, она устраняет необходимость в брикетировании мелкодисперсных частицы, и может использоваться большой набор топлив, включая, например, пластик. Использование плавильной циклонной печи устраняет риск восстановления руды до железа и высвобождает уходящие газы, которые являются приемлемыми для окружающей среды. Гибкость в отношении производительности плавки гораздо лучше, чем для вагранки, что означает, что производительность может легко и быстро переключаться, например с 40 до 100% от общей производительности, так что время, необходимое для реагирования на изменившуюся потребность, сильно улучшается. Кроме того, плавление в циклонной печи гораздо быстрее, чем в случае вагранки, и составляет порядка минут, а не порядка часов.

Следовательно, использование системы плавильной циклонной печи является желательным с точки зрения экономики и окружающей среды, и система, описанная в заявке на Международный патент WO 03/002469, работает хорошо. Однако имеется пространство для усовершенствования способа.

В способах получения минеральных волокон, таких как в заявке на Международный патент WO03/002469, температура и обусловленная ею вязкость расплава являются исключительно важными, поскольку они имеют непосредственное воздействие на качество получаемых минеральных волокон. Чистота также является важной. В системе заявки на Международный патент WO03/002469 нет средств для контроля температуры расплава, покидающего танк-отстойник, так что она может меняться, а это, без дополнительной обработки, будет означать, что и качество расплава будет изменяться.

Кроме того, хотя в заявке на Международный патент WO03/002469 используют несколько стадий для рециклирования большего количества энергии, используемого при получении расплава, неизбежно имеется большое количество энергии, которая теряется из-за большого объема танка-отстойника и большого объема горючего воздуха, которые используются. Является желательным дополнительное увеличение коэффициента полезного действия системы.

Заявка на Международный патент WO03/002469 предлагает второй вариант осуществления, показанный на фиг. 2, в котором танк-отстойник заменяют относительно малой зоной сбора в основании камеры сгорания. Такие системы приводили бы к увеличению коэффициента полезного действия из-за уменьшения объема устройства, через который теряется энергия. Однако авторы обнаружили, что в этой системе качество расплава понижается, а также подвергается изменениям.

Патент США №4365984 также относится к получению минеральной ваты с использованием плавильной циклонной печи и включает в себя введение материала отходов в виде частиц, содержащего неорганические негорючие и органические горючие компоненты, в горючий воздух. Как и в заявке на Международный патент WO03/002469, система содержит большую зону сбора. В патенте США №4365984 температура расплава, как сказано, является важной для получения волокнистой массы. Это публикация говорит, что температура расплава может регулироваться посредством добавления дополнительных рециклируемых материалов (продуктов отходов минеральной ваты) в печь вместе с топливом.

Плавильные циклоны могут использоваться для плавления или обработки минеральных материалов, которые впоследствии не используются для получения волокнистой массы. Например, патент США №4544394 относится к способу плавления стекла в вихревом реакторе, а патент США №6047566 относится к способу плавления рециклируемых силикатных материалов. Температура, а, следовательно, вязкость расплава не являются ключевыми факторами в этих способах.

Плавильные циклоны также известны в других областях, в частности, в области пирометаллургических процессов (таких как в патентах США № №4566903 и 5282883). В таких процессах, конечный продукт представляет собой расплавленный металл и любой расплавленный минеральный материал, который присутствует, представляет собой материал отходов. По этой причине, в таких способах качество минерального расплава не является важным.

В заявке на патент США №2005/0039654 циклонную камеру используют для сжигания топлива, для генерирования энергии, для использования в других целях. Минеральный материал не добавляют в систему, поскольку целью является не получение расплава, а топливо, которое может использоваться, может представлять собой так называемый "шлакующийся уголь", который содержит некоторые минеральные материалы, которые не являются горючими, но плавятся с образованием шлака, когда уголь сжигают.

Это публикация относится к селективному использованию обогащения кислородом в различных точках в стволе топки циклона для поддержания шлака в расплавленной форме, для сведения к минимуму выбросов NOx и для сведения к минимуму утечки мелкодисперсных частиц угля в стволе. Воздух (упоминаемый как первый или первичный окислитель, имеющий концентрацию кислорода примерно 21 об.%) вводят в горелку вместе с топливом. Второй поток окислителя, который имеет концентрацию, большую, чем у первого, может вводиться либо в область рядом с углем, либо в ствол. Второй окислитель смешивается с частью первого окислителя (но не со всем окислителем) с получением области смешанного окислителя, который, как сказано, содержит меньше, примерно, чем 31% объем кислорода (так что уровень кислорода окислителя в целом, то есть горючего газа, гораздо ниже, чем 31%).

В этой публикации нет предложения о дополнительном увеличении уровней кислорода или о добавлении в систему топлива, иного, чем уголь, который добавляют в горелку.

Настоящее изобретение относится к способу получения минеральных волокон высокого качества энергетически эффективным способам.

В соответствии с первым аспектом, настоящее изобретение предусматривает способ получения минеральных волокон, включающий в себя создание циркуляционной камеры сгорания, которая содержит верхнюю секцию, нижнюю секцию и базовую секцию, инжектирование первого топлива, минерального материала в виде частиц и первого горючего газа в верхнюю секцию циркуляционной камеры сгорания и сгорание первого топлива, тем самым расплавляя материал в виде частиц с образованием минерального расплава и генерирование уходящих газов, отделение минерального расплава от уходящих газов, при этом уходящие газы проходят через выход в циркуляционной камере сгорания, и минеральный расплав собирается в базовой секции циркуляционной камеры сгорания, инжектирование второго топлива и второго горючего газа в нижнюю секцию циркуляционной камеры сгорания с образованием пламени в нижней секции, которое нагревает расплав, и протекание потока собранного расплава через выход в базовой секции в центробежное устройство для получения волокнистой массы и получение волокон.

В соответствии со вторым аспектом, настоящее изобретение предусматривает устройство для использования в способе получения минеральных волокон в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, содержащее

циркуляционную камеру сгорания, содержащую, по существу, цилиндрическую верхнюю секцию, нижнюю секцию и базовую секцию,

где циркуляционная камера сгорания содержит

входы в верхнюю секцию для первого топлива, минерального материала в виде частиц и первого горючего газа,

входы в нижнюю секцию для второго топлива и второго горючего газа,

выход для уходящих газов,

выход в базовую секцию и

центробежное устройство для получения волокнистой массы, где выход в базовой секции ведет к центробежному устройству для получения волокнистой массы.

Способ по настоящему изобретению по существу включает в себя формирование пламени в нижней секции камеры сгорания. Это достигается посредством инжектирования второго топлива и второго горючего газа в нижнюю секцию. Формирование пламени в этой секции является в высшей степени выгодным, поскольку оно представляет собой механизм, с помощью которого может изменяться температура расплава. Второе топливо может целиком представлять собой твердое топливо, такое как уголь, но предпочтительно содержит также жидкое или газообразное топливо.

В нижней секции циркуляционной камеры сгорания минеральный расплав протекает вниз по стенкам для сбора в базовой секции. В этой области расплав присутствует как тонкая пленка на стенках камеры и как ванна в базовой секции, которая обычно является мелкой. Следовательно, приложение радиантного тепла в этой области является особенно эффективным, поскольку оно может легко проникать через весь расплав. По этой причине использование пламени в этой области является особенно эффективным для однородного нагрева расплава. Оно также может нагревать расплав быстро и точно, например, посредством изменения скорости течения второго топлива и второго горючего газа, температура расплава может поддерживаться в точных пределах.

В противоположность этому, в известных из литературы системах температура расплава в камере не контролируется. Когда расплав не собирают в нижней части камеры, но собирают в отдельном (обычно большего размера) танке, является невозможным достижения эффекта нагрева, как ванны расплава, так и расплава, стекающего вниз по стенкам камеры.

Поскольку камера по настоящему изобретению содержит в себе зону сбора, она является очень компактной, и можно достичь высокого коэффициента полезного действия, поскольку потери с площади поверхности сводятся к минимуму.

В настоящем изобретении пропорцией второго топлива и второго горючего газа можно манипулировать для получения желаемых результатов. Когда кислород, поставляемый во втором горючем газе, является недостаточным, чтобы дать возможность второму топливу подвергаться полному сгоранию (то есть, имеется уровень кислорода, более низкий, чем стехиометрический), пламя будет распространяться по большему объему, чем когда количество газа, достаточное, чтобы дать возможность для полного сгорания, вводится вместе со вторым топливом. Это было бы преимуществом, когда пламя может распространяться над значительной частью ванны расплава, и поэтому является исключительно эффективным при переносе к ней радиантного тепла.

В другом варианте осуществления, когда используют одно первое топливо, такое как уголь, которое сгорает в двух ступенях, является преимущественным введение второго топлива и второго горючего газа в таких пропорциях, что имеется более чем достаточное количество кислорода во втором горючем газе, чтобы получить возможность для полного сгорания второго топлива. Избыток кислорода действует, поднимая уровни кислорода в нижней секции камеры. Этот кислород может помочь повысить выгорание топлива в виде частиц, такого как уголь, которое не сгорает полностью на начальной ступени.

Наличие избытка кислорода в нижней секции является особенно важным, когда первый горючий газ представляет собой воздух, который обогащен кислородом, или чистый кислород, поскольку в этом случае объем газа, как правило, меньше и концентрация частиц сажи увеличивается. Следовательно, частицы топлива часто не имеют достаточного времени для полного выгорания в верхних областях камеры сгорания.

Дополнительные средства для получения возможности выгорания частиц сажи представляют собой создание сифонного выхода. Это также способствует эффективному нагреву расплава с помощью пламени и предотвращает уход частиц сажи из камеры в расплав.

Настоящее изобретение предусматривает простой, но исключительно эффективный способ контроля температуры минерального расплава, тем самым, давая возможность для получения минеральных волокон высокого качества энергетически эффективным, а, следовательно, благоприятным для окружающей среды и экономически эффективным способом.

Циркуляционная камера сгорания в настоящем изобретении относится к тому типу, который часто упоминается как циклонная печь. Она имеет верхнюю секцию, нижнюю секцию и базовую секцию. Конструкция соответствующих циклонных печей описывается в различных патентах, включая патенты США № №3855951, 4135904, 4553997, 4544394, 4957527, 5114122 и 5494863.

Камера, как правило, расположена скорее вертикально, чем горизонтально. Обычно она имеет цилиндрическую верхнюю секцию, сходящуюся конически вверх нижнюю секцию и базовую секцию, но может быть полностью цилиндрической. Базовая секция предпочтительно представляет собой встроенную часть камеры и может просто представлять собой конечную часть сходящейся конически вверх нижней секции или может представлять собой цилиндрическую секцию в конце нижней секции.

Внутренний диаметр базовой секции не больше, чем внутренний диаметр верхней секции, в противоположность традиционным системам, которые часто используют танк в основании камеры с увеличенным объемом.

Преимущество настоящего изобретения, особенно, в предпочтительном варианте осуществления, где воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород используется в качестве первого горючего газа, заключается в том, что может использоваться компактная камера сгорания. Следовательно, в настоящем изобретении является предпочтительным, чтобы камера сгорания представляла собой объединенную камеру. Под этим авторы подразумевают, что камеру не изготавливают из различных деталей компонентов, которые могут отделяться друг от друга. Возможность использования более компактных печей, по сравнению с системами, известными из литературы, сводит к минимуму потери энергии с площади поверхности печи.

Объем камеры предпочтительно меньше примерно чем 25 м ³ , предпочтительно меньше примерно, чем 20 или 15 м ³ , или даже меньше чем 10 м ³ .

Например, для получения примерно 20 т расплава в час с использованием 30% кислорода в качестве первого горючего газа, объем циркуляционной камеры сгорания должен составлять примерно 15 м ³ . По сравнению с этим при использовании чистого кислорода в качестве первого горючего газа, объем камеры должен составлять только примерно 5 м ³ . По этой причине, когда используется настоящее изобретение, чтобы сделать возможным использование чистого кислорода в качестве первого газа, для конкретной производительности может использоваться циклон гораздо меньший и, следовательно, с гораздо более высоким коэффициентом полезного действия.

Первое топливо, и, как правило, также и минеральный материал в виде частиц и первый горючий газ, инжектируют в верхнюю секцию камеры сгорания, которая обычно является цилиндрической. Камера имеет выход, через который горячие уходящие газы могут покидать камеру. Предпочтительно он находится в верхней секции, хотя он может находиться в нижней секции. В верхней секции первое топливо сгорает в горючем газе и заставляет плавиться минеральный материал в виде частиц. Затем минеральный расплав отбрасывается к стенкам камеры под действием циркуляционных токов и стекает вниз по стенкам камеры под действием силы тяжести, и собирается в базовой секции камеры. Базовая секция имеет выход для минерального расплава, через который расплав проходит как поток, а затем подвергается превращению в волокнистую массу любым обычным способом, например, с использованием каскадной прядильной машины или центрифугальной прядильной машины, или любого другого обычного центробежного способа получения волокон.

Является предпочтительным, чтобы в точке, в которой выход для минерального расплава оставляет базовую секцию камеры, он не простирался непосредственно вниз, но вместо этого выход представлял бы собой сифон. Под "сифоном" подразумевается, что выход, который обычно представляет собой трубу или желоб, сначала направляется вверх по отношению к отверстию в камере, а затем направляется вниз, перед тем как он ведет к оборудованию для получения волокнистой массы.

Как обычно происходит с сифоном, результат заключается в том, что для того, чтобы расплав мог покинуть камеру, ванна расплава внутри камеры должна быть достаточно глубокой, чтобы достигать самой высокой вертикальной точки сифонного выхода. Когда это происходит, сила тяжести заставляет расплав проходить через направленную вверх часть сифона, а затем стекать вниз через следующую часть сифона в оборудование для получения волокнистой массы. Следовательно, это создает воздушный затвор в системе, который обеспечивает то, что уходящие газы не могут уходить из основания камеры.

Использование сифона является особенно преимущественным в том варианте осуществления, где используется топливо в виде частиц, такое как уголь, и приводит к улучшению качества расплава. Это связано с тем фактом, что частицы сажи, которые представляют собой частицы топлива, которые не сгорели полностью в верхней или нижней секции камеры, могут собираться поверх бассейна с расплавом и всплывать из него. С помощью сифона предотвращается выход этих частиц сажи из камеры вместе с расплавом.

Давая возможность частицам сажи собираться на расплаве, увеличивают время их пребывания в камере по сравнению со случаем, когда сифон не используется. Следовательно, частицы сажи могут завершить свое сгорание в базовой зоне для достижения полного выгорания топлива. Это обеспечивает оптимизацию коэффициента полезного действия способа.

Выгорание в базовой секции частиц сажи, всплывающих на расплаве, усиливается посредством добавления второго горючего газа в нижнюю секцию циркуляционной камеры сгорания.

Дополнительное преимущество относится к относительным пропорциям железа II и железа III в расплаве. Традиционно, вагранку используют для получения минеральных расплавов, которые имеют сильно восстановительную атмосферу. В результате этого, почти все окислы железа в расплавах, получаемых с помощью вагранок, находятся в форме железа II. Железо II хорошо для огнестойких свойств волокон, поскольку оно преобразуется в кристаллическую структуру железа III при высоких температурах.

Однако циклонные системы, такие как система по настоящему изобретению, являются гораздо более сильными окислителями, особенно, когда первый газ представляет собой воздух, обогащенный кислородом. В этом случае, существенная часть железа в расплаве может находиться в форме железа III, а не железа II. Когда используют сифон, расплав вступает в контакт с частицами сажи, которые захватываются, всплывая поверх него. Поскольку частицы сажи являются сильно восстановительными, они действуют, восстанавливая железо III в расплаве до железа II, тем самым обеспечивая поддержание хороших огнезащитных свойств волокон.

Общее движение газов и суспендированного материала в виде частиц в циркуляционной камере сгорания представляет собой циклонное движение. Оно создается посредством введения первого горючего газа, а также топлива в виде частиц и минерального материала, под соответствующим углом для поддерживания вихревого движения. Второй горючий газ и топливо также предпочтительно вводят с направленным также импульсом с тем, чтобы поддержать циркуляционные токи.

В нижней секции циркуляционной камеры сгорания, которая обычно имеет коническую форму, сходящуюся вверх, инжектируют второе топливо, которое является жидким или газообразным, и второй горючий газ.

Второе топливо может представлять собой любое топливо, которое подвергается сгоранию.

В одном из вариантов осуществления, второе топливо включает в себя жидкое или газообразное топливо и, в частности, может включать в себя любую легко воспламеняемую жидкость или газ. В этом варианте осуществления второе топливо может также содержать малые количества (меньше чем 50%, предпочтительно меньше чем 20 или 10% по энергии) твердых или жидких топлив в виде частиц, которые сгорают в двухступенчатом способе. Они могут представлять собой, например, твердые топлива, такие как уголь или кокс, или жидкие топлива, такие как капли нефти. Когда менее воспламеняемый компонент включается на низком уровне, он не может по существу влиять на быстрое и полное сгорание второго газа в целом. В этом варианте осуществления второе топливо предпочтительно выбирают из группы, состоящей из пропана, метана, природного газа и спиртов, или их смесей, необязательно, вместе с малым количеством угля или нефти.

В альтернативном и предпочтительном варианте осуществления второе топливо содержит до 100% твердого топлива. Оно может представлять собой любой углеродистый материал, который имеет соответствующее теплосодержание, как отмечено ниже по отношению к первому топливу, но когда первым топливом предпочтительно является уголь. В этом варианте осуществления, второе топливо предпочтительно содержит 70-90% твердого топлива. Этот вариант осуществления имеет экономические преимущества, поскольку уголь является менее дорогостоящим, чем газообразные топлива, такие как природный газ. Использование твердого топлива, такого как уголь, также, как обнаружено, приводит к уменьшению образования NOx. Это вероятно связано с тем фактом, что уголь создает восстановительные условия в нижней части камеры.

В наиболее предпочтительном варианте осуществления второе топливо содержит, по меньшей мере, 50%, предпочтительно, 70-90% твердого топлива, такого как уголь, при этом оставшаяся часть второго топлива представляет собой жидкое или газообразное топливо, такое как природный газ, подаваемый через кислородно-топливную горелку.

Второй горючий газ может находиться при температуре окружающей среды или предварительно нагреваться и предпочтительно содержит более высокий уровень кислорода, чем как воздух, например, более 25% кислорода. Обычно он представляет собой воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород. Когда второй горючий газ представляет собой воздух, обогащенный кислородом, он предпочтительно содержит по меньшей мере 30%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 70% или даже по меньшей мере 90% объем кислорода. Воздух, обогащенный кислородом, также содержит другие газы, которые присутствуют в воздухе, такие как азот, и может содержать газы, которые обычно не присутствуют в воздухе, такие как инертные газы или воспламеняемые газы, такие как пропан или бутан, при условии, что общее содержание кислорода больше чем его содержание в воздухе (которое составляет примерно 21% объем). В наиболее предпочтительном варианте осуществления второй горючий газ представляет собой чистый кислород.

Под "чистым кислородом" авторы подразумевают кислород с чистотой 92% или более, полученный, например, с помощью технологии адсорбции с качанием давления вакуума (VPSA) или может представлять собой почти 100% чистый кислород, полученный посредством способа дистилляции.

В другом варианте осуществления, для оптимизации экономии энергии, связанной с повышенной стоимостью кислорода по сравнению с воздухом, газ содержит 30-50% кислорода.

Второй горючий газ и второе топливо могут вводиться по отдельности в нижнюю секцию, при условии, что происходит смешение, достаточное для образования пламени в нижней секции. Когда второе топливо является твердым, оно может вводиться через трубу для подачи топлива, которая имеет такую же конструкцию как выход для первого топлива. Однако второй горючий газ и второе топливо предпочтительно вводятся вместе через один, по меньшей мере, вход горелки, повсеместно известной как кислородно-топливная горелка. Это является особенно полезным для жидких или газообразных вторых топлив. Вход горелки или входы горелок располагаются в самой нижней половине нижней секции циркуляционной камеры сгорания, предпочтительно, в нижней части нижней секции, рядом с базовой секцией, так что получаемое пламя может эффективно нагревать расплав. Предпочтительно скорости потока второго горючего газа и второго топлива регулируются, так что температура расплава может изменяться по желанию.

Входы для второго газа могут предусматриваться в дополнение к кислородно-топливным горелкам, в особенности, в варианте осуществления, где в систему добавляют избыток кислорода.

Как отмечено выше, относительные пропорции второго горючего газа и второго топлива могут изменяться в зависимости от обстоятельств.

В одном из вариантов осуществления второе топливо и второй горючий газ вводятся при таких пропорциях, что во втором горючем газе не имеется количества кислорода, достаточного, чтобы сделать возможным полное сгорание второго топлива. Например, может иметься 0,7 или 0,5 от величины, характеризующей количество кислорода во втором газе, необходимое, чтобы дать возможность для полного сгорания второго топлива. Это означает, что пламя имеет тенденцию к распространению на широкую область.

Как правило, нижняя секция камеры имеет некоторое количество кислорода в атмосфере, но уровни являются низкими. Как следствие, пламя распространяется шире по нижней зоне, чем, если бы уровни кислорода были выше. В этом случае формируется большое пламя, которое может эффективно нагревать большую область расплава.

В другом варианте осуществления, когда используется одно первое топливо, такое как уголь, которое сгорает в двух ступенях, является преимущественным введение второго топлива и второго горючего газа в таких пропорциях, что имеется количество кислорода во втором горючем газе, большее чем то, которое достаточно для того, чтобы сделать возможным полное сгорание второго топлива. Преимущественно, количество кислорода составляет по меньшей мере 1,3, предпочтительно по меньшей мере 1,5, более предпочтительно по меньшей мере 3 или 5 от величины, характеризующей то количество, которое потребовалось бы, чтобы сделать возможным полное сгорание второго топлива.

В целом, однако, является предпочтительным, чтобы второе топливо и второй горючий газ подавались в равных стехиометрических пропорциях с тем, чтобы газа было как раз достаточно для того, чтобы сделать возможным полное сгорание топлива.

Первое топливо может представлять собой любой горючий материал и может доставляться в любой форме. Например, оно может представлять собой газ или жидкость, которая является легковоспламеняемой и сгорает очень быстро при поступлении в камеру, такую как пропан, метан, природный газ. Второе топливо присутствует в меньшем количестве, чем первое топливо, и дает менее 40%, как правило, от 5 до 15% от общей энергии топлива.

Однако в одном из вариантов осуществления, где второй горючий газ содержит кислород в стехиометрическом избытке по отношению к второму топливу, первое топливо может представлять собой материал в виде частиц, такой как уголь, который сгорает в двухступенчатом способе. На первой ступени, которая известна как пиролиз, летучие соединения сгорают очень быстро с быстрым выделением газа. Они генерируют частицы сажи, которые обогащены углеродом. Вторая ступень представляет собой горение частицы сажи, которое гораздо медленнее, чем на первой ступени. Вторая ступень, как правило, является в 10-100 раз более продолжительной, чем первая ступень. Следовательно, хотя первая ступень сгорания осуществляется почти мгновенно, когда частица топлива попадает в камеру сгорания, вторая ступень обычно не осуществляется, если только топливо не имеет значительного времени пребывания. Если топливо сгорает не полностью, оставляя некоторое количество сажи в расплаве, качество расплава будет понижаться, и это может вызывать возникновение пузырьков или других неоднородностей в получаемых волокнах. Однако в настоящем изобретении, когда избыток кислорода вводится в нижнюю секцию, он увеличивает уровни кислорода в нижней секции камеры, способствуя, таким образом, быстрому и полному сгоранию частиц сажи.

Во время использования камеры, в этом варианте осуществления настоящего изобретения, камера содержит верхнюю зону, нижнюю зону и базовую зону.

Верхняя зона отличается тем, что имеет место пиролиз, начальная ступень сгорания топлива в виде частиц. В широком смысле она соответствует цилиндрической верхней секции камеры. Топливо в виде частиц, а предпочтительно, также и минеральный материал в виде частиц, и первый горючий газ, инжектируются в верхнюю зону. Верхняя зона также содержит выход, через который проходит горячий газ.

Пиролиз топлива в верхней зоне создает сажу, материал, обогащенный углеродом. Частицы сажи, как правило, отбрасываются на поверхности камеры посредством циркулирующих газов и потока, вместе с расплавом, стекая по поверхностям камеры под действием силы тяжести.

Нижняя зона отличается сгоранием сажи. Следовательно, нижняя зона в целом соответствует сходящейся конически вверх нижней секции камеры, в частности, поверхностям камеры в этой секции. Частицы сажи могут также присутствовать на поверхности верхней секции камеры, и всплывают на горизонтальную поверхность бассейна расплава в базовой зоне.

Следовательно, верхняя зона в целом простирается по большей части верхней секции камеры, в то время как нижняя зона простирается по большей части нижней секции, в частности, по поверхностям нижней секции камеры и может также простираться до некоторой степени на поверхности верхней секции камеры.

Как правило, в нижней области циркуляционной камеры сгорания того типа, который имеет разделение газа в верхней части и расплава в нижней, уровни кислорода являются низкими, даже если в верхнюю область добавляют избыток кислорода. По этой причине сажа в традиционных системах требует длительного времени пребывания для сгорания в этой области. В настоящем изобретении второй горючий газ инжектируют в нижнюю зону, чтобы облегчить вторую ступень сгорания, то есть сгорания частицы сажи. По этой причине в способе по настоящему изобретению в нижней зоне происходит полное сгорание топлива.

В этом варианте осуществления первое топливо в виде частиц может находиться в жидкой или твердой форме. Когда первое топливо является жидким, его используют в форме капель, то есть частиц жидкого топлива. В этом варианте осуществления, топливо может представлять собой частицы нефти или других жидкостей на основе углерода.

Однако первое топливо в виде частиц в настоящем изобретении предпочтительно является твердым. Как правило, оно представляет собой углеродистый материал и может представлять собой любой углеродистый материал в виде частиц, который имеет соответствующее теплосодержание. Эта величина может быть относительно низкой, например, настолько низкой как 10000 кДж/кг или даже настолько низкой как 5000 кДж/кг. Например, оно может представлять собой, таким образом, высушенный ил из отстойника или бумажные отходы. Предпочтительно оно имеет более высокое теплосодержание и может представлять собой отработанную футеровку из алюминиевой промышленности, отходы, содержащие уголь, такие как тощий уголь или порошкообразный уголь.

В предпочтительном варианте осуществления первое топливо представляет собой порошкообразный уголь и может представлять собой мелкодисперсный уголь, но предпочтительно некоторая часть, а обычно по меньшей мере 50%, а предпочтительно по меньшей мере 80%, а обычно весь уголь, получают посредством помола крупнокускового угля, например, с использованием шаровой мельницы. Уголь, поставляется ли он изначально как мелкодисперсные частицы или как куски, может представлять собой уголь хорошего качества или может представлять собой отходы угля, содержащие высокое содержание неорганических веществ, например 5-50% неорганических веществ, при этом остаток составляет углерод. Предпочтительно уголь частично или полностью представляет собой уголь хорошего качества, например битуминозный или суббитуминозный уголь (ASTM D388 1984), и содержит летучие вещества, которые облегчают возгорание.

Частицы первого топлива предпочтительно имеют размер частиц в пределах от 50 до 1000 мкм, предпочтительно примерно от 50 до 200 мкм. Как правило, по меньшей мере 90% частиц (по массе) находятся в этом диапазоне. Как правило, средний размер составляет примерно 70 мкм, с пределом, составляющим 90% ниже 100 мкм.

Первое топливо может вводиться в камеру через трубу для подачи обычным образом с получением потока частиц топлива. Обычно это включает в себя использование газа носителя, в котором суспендированы частицы топлива. Газ-носитель может представлять собой воздух, воздух, обогащенный чистым кислородом, или кислород, предпочтительно при температуре окружающей среды, чтобы избежать обратных вспышек, или менее химически активный газ, такой как азот. Труба для подачи предпочтительно является цилиндрической.

Минеральный материал в виде частиц представляет собой любой материал, который является пригодным для получения минеральных волокон, таких как стекловолокно, или волокна из скальной породы камня или шлака. Стекловолокно, как правило, имеет химический анализ по массе оксидов более 10% Na ₂ O + K ₂ O, меньше 3% железа как FeO, меньше 20% СаО + MgO, больше 50% SiO ₂ и меньше 5% Al ₂ O ₃ . Волокна из скальной породы, камня или шлака, как правило, имеют анализ по массе оксидов меньше 10% Na ₂ O + K ₂ O, больше 20% CaO + MgO, больше 3% железа как FeO, и меньше 50% SiO ₂ и, часто, более 10% Al ₂ O ₃ . Минеральный материал может представлять собой материалы отходов, такие как минеральные волокна, которые уже использовались или которые не годятся для использования в других способах.

Минеральный материал в виде частиц, который расплавляют в камере с получением минерального расплава, вводится в верхнюю секцию камеры, так что он суспендируется в газах, находящихся в ней. Точка, в которой добавляют минеральный материал в виде частиц, не является критичной, и он может смешиваться с топливом и инжектироваться через трубу для подачи топлива. Однако предпочтительным является добавление минерального материала в виде частиц в сжигаемое топливо. Этого можно достигнуть посредством добавления минерального материала в виде частиц в камеру через вход обычным путем, например, в верхней части камеры или вблизи нее.

Первый горючий газ вводится в верхнюю секцию камеры и может находиться при температуре окружающей среды или может предварительно нагреваться. Когда газ нагрет, максимальная желаемая температура, до которой первый горючий газ предварительно нагревается, составляет примерно 600 °С, а предпочтительный предварительный нагрев находится в пределах между 300 и 600 °С, наиболее предпочтительно около 500-550 °С. Первый горючий газ может представлять собой любой газ, в котором может сгорать топливо, например воздух, воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород. Он может также содержать пропан или метан.

В предпочтительных вариантах осуществления первый горючий газ содержит по меньшей мере 25% кислорода. Предпочтительно он представляет собой воздух, обогащенный кислородом, который содержит по меньшей мере 30%, предпочтительно по меньшей мере 50%, наиболее предпочтительно по меньшей мере 70% объем кислорода, или чистый кислород. Воздух, обогащенный кислородом, может содержать малые количества газов, которые, как правило, не присутствуют в воздухе.

Когда используется чистый кислород, он предпочтительно находится при температуре окружающей среды, а не нагревается предварительно. В этом варианте осуществления, где первый горючий газ представляет собой воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород, общий объем используемого первого горючего газа может быть гораздо меньше, чем когда один лишь воздух используют в качестве первого горючего газа, поскольку для горения используется только кислород. Следовательно, значительная экономия энергии может быть получена посредством использования воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кислорода, поскольку меньший объем горючего газа требует меньшей энергии для нагрева. Использование воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кислорода означает также, что циркуляционная камера сгорания может быть меньше, чем тогда, когда используют воздух. Это также приводит к экономии энергии.

Первый горючий газ может вводиться через трубу для подачи вместе с топливом, суспендированным в нем, в особенности, когда газ находится при относительно низкой температуре. Топливо не должно начинать гореть в топливной трубе до того, как оно поступит в камеру (явление, известное как "обратная вспышка"), так что в этом варианте осуществления необходимы низкие температуры газа. Однако первый горючий газ предпочтительно вводится отдельно через один или несколько входов для горючего газа, которые могут располагаться вблизи трубы для подачи топлива, так что горючий газ направляется в камеру в ту же область, что и топливо, чтобы сделать возможным эффективное перемешивание. В наиболее предпочтительном варианте осуществления, вход для горючего газа концентрически окружает трубу для подачи и вход для второго газа, как обсуждается ниже.

Вводятся ли они вместе или нет, скорость, при которой горючий газ и топливо инжектируются в камеру, является относительно низкой (предпочтительно в пределах между 1 и 50 м/с), с тем, чтобы свести к минимуму износ устройства. Когда топливо суспендируется в горючем газе, скорость предпочтительно находится в пределах между 5 и 40 м/с. Когда они вводятся по отдельности, что является предпочтительным, скорость инжекции топлива предпочтительно составляет 20-40 м/с.

Желательно обеспечить, чтобы топливо в виде частиц смешивалось быстро и тщательно с первым горючим газом, поскольку это обеспечивает то, что топливо зажигается быстро, так что оно может подвергаться пиролизу почти сразу после введения в камеру. Наличие тщательного перемешивания также обеспечивает то, что время пребывания частиц топлива в первом горючем газе является более однородным, тем самым, приводя к более эффективному сгоранию топлива.

Чтобы помочь в обеспечении быстрого и тщательного перемешивания, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в верхнюю зону может вводиться дополнительный газ, который перемещается с более высокой скоростью, чем первый горючий газ и топливо в виде частиц, и благодаря разнице скоростей, это вызывает турбулентность потока частиц топлива, тем самым, прерывая поток и обеспечивая быстрое перемешивание. Дополнительный газ, как правило, занимает гораздо меньший объем, чем горючий газ и, как правило, составляет менее 40% от общего количества газа, инжектируемого в камеру сгорания, предпочтительно в пределах между 10 и 30%. Дополнительный газ может представлять собой любой газ, включая воздух, азот, кислород, или воспламеняемый газ, такой как пропан или бутан. Дополнительный газ может инжектироваться из входа, так что он находится рядом с потоком частиц топлива в камере, но предпочтительно инжектируется во вход, который концентрически окружает вход для топлива. Это концентрическое расположение приводит к эффективному перемешиванию, особенно, когда вход для дополнительного газа имеет сходящееся конически сопло на его отверстии. Дополнительный газ предпочтительно перемещается по меньшей мере на 100 м/с быстрее, чем топливо и горючий газ, обычно по меньшей мере на 250 м/, предпочтительно по меньшей мере на 300 м/с. В наиболее предпочтительном варианте осуществления скорость инжекции дополнительного газа является звуковой, то есть, равна скорости звука или превышает ее.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где

фиг. 1 представляет собой иллюстрацию устройства, которое является пригодным для использования в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 - вид спереди сифона, который показан в изображенном прерывистой линией овале на фиг. 1;

фиг. 3 - вид сбоку сифона, который показан в изображенном прерывистой линией овале на фиг. 1.

На фиг. 1 показана циркуляционная камера сгорания 1, которая содержит верхнюю секцию 2, нижнюю секцию 3 и базовую секцию 4. Первое топливо и материал в виде частиц вводятся через вход 5 вместе с первым горючим газом, который вводится через вход 6, который концентрически окружает вход 5. Первое топливо зажигается и сгорает в верхней секции 2, и собирается в базовой секции 4 как бассейн расплава 7. Горячие уходящие газы проходят через выход для топочного газа 8 в верхней части камеры сгорания. Второе топливо и второй горючий газ инжектируют через кислородно-топливную горелку 9, и он образует пламя в нижней области 3, которое действует, нагревая бассейн расплава 7. Кроме того, второй горючий газ вводится через входы для кислорода 10 в нижней области 3, это способствует выгоранию топлива в этой области. Расплав протекает через сифон 11 в оборудование для получения волокнистой массы 12, где он формируется в виде волокон.

На фиг. 2 показан вид спереди сифона 11 с потоком расплава 13, покидающим сифон 11.

На фиг. 3 показано поперечное сечение сифона 11, который имеет часть 14, которая направлена вверх и возвышается по вертикали над отверстием 15 в камере 1. Как только ванна с расплавом 7 превышает уровень направленной вертикально части 14, расплав протекает поверх этой части, как поток 13.

Пример

Было продемонстрировано, что подвод топлива как второго топлива в нижнюю секцию циркуляционной камеры сгорания представляет собой очень эффективный способ повышения температуры расплава. В осуществляемых исследованиях общее количество энергии топлива (первого и второго) в циклоне увеличивается на 2%. Дополнительное топливо добавляют как второе топливо, подводимое в нижней части камеры. Количество первого топлива поддерживают постоянным. Это ведет к повышению температуры расплава до 40-50 °С.

Для получения такого же повышения температуры расплава в вагранке, потребовалось бы гораздо больше дополнительной энергии, чем 2%.

Высокая эффективность настоящего изобретения связана с тем фактом, что добавление энергии топлива в нижней секции может быстро и эффективно нагревать тонкий слой расплава, стекающего вдоль стенок камеры и в основание камеры.