Кольцевая секционная печь для обжига углеродных заготовок

 

Сущность изобретения: печь состоит из нескольких последовательно соединенных камер с верхней крышкой или без крышки. В каждой камере расположено несколько кассет, в стенках которых выполнены вертикальные и/или горизонтальные каналы топочных газов и система отвода топочных газов из камеры через кольцевой трубопровод. Печь имеет дополнительный отдельно смонтированный кольцевой трубопровод, а каждая из камер снабжена устройством утилизации тепла в форме крышки, коллектора или другим аналогичным устройством с закрываемым отверстием или закрываемой соединительной трубой, обеспечивающее отвод воздуха, использованного для охлаждения кассет, через патрубок, соединяющий дополнительный кольцевой трубопровод и устройство утилизации на камере. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

Предмет изобретения кольцевая секционная печь для обжига углеродных заготовок, состоящая из нескольких последовательно соединенных камер, в каждую из которых загружают несколько кассет, в стенках кассет предусмотрены вертикальные и/или горизонтальные каналы топочных газов, а также выпускная система для отвода газов через кольцевой трубопровод.

В процессе изготовления углеродных корпусов для печей, используемых при электролизе алюминия, а также в электрометаллургических процессах, термообработка (обжиг или пpокаливание) производится в специальных печах.

Углеродные заготовки заданной формы изготовляют из смеси измельченного кокса или антрацита и связующего вещества, содержащего, например, каменноугольную смолу и деготь.

При комнатной температуре эта смесь кокса и связующего вещества твердая, но при температуре свыше 120^oС она размягчается и из связующего вещества выделяются легкоулетучивающиеся составляющие. При продолжительном нагреве максимум до 1300^oC масса твердеет и изменяет физические свойства, такие как электропроводность и стойкость к окислению.

Необожженные углеродные заготовки часто называют "зеленым углеродом". Такой зеленый графит может иметь значительную массу в несколько тонн и длину 2 м и более. Для предотвращения деформирования угля, когда уголь проходит через область нагрева, в которой он размягчается, необходимо предусмотреть специальные меры.

В печи зеленый углерод укладывают в глубокие шахты, известные как кассеты, изготовленные из огнеупорного кирпича. Для создания опоры для угля зазор между углем и стенкой кассеты заполняют коксом. Кроме того, гранулы кокса защищают уголь от сгорания.

Несколько кассет, соединенных друг с другом, образуют так называемую камеру. В стенках между кассетами выполнены каналы для топочных газов. Тепло подводится к углю газами, пропускаемыми через эти каналы.

Газы из одной камеры подают через каналы в смежные камеры. Таким образом, газы могут пройти через ряд последовательно соединенных камер, образующих так называемую зону горения. В качестве топлива наиболее части используют нефть или газ.

Форсунки и оборудование для выпуска топочных газов перемещают от одной камеры к другой.

Крупные печи часто имеют два параллельных ряда соединенных друг с другом камер. В конце ряда камер газовые потоки соединены с каналами параллельного ряда камер, таким образом, камеры образуют кольцо. Именно по этой причине печи такого типа для обжига углеродных заготовок названы кольцевыми секционными печами.

В кольцевой секционной печи может быть несколько зон горения, в которых температура регулируется в соответствии с определенной программой. Первые камеры в зоне горения имеют низкую температуру. После них следуют камеры с более высокой температурой, затем камеры утилизации тепла, и, как последнее звено в зоне горения камеры для охлаждения угля.

Кольцевые печи для термической обработки углеродных заготовок можно разделить на две основные категории: закрытые и открытые печи.

В общепринятой конструкции закрытой печи пространство над каждой камерой закрыто крышками. Для охлаждения камер и для последующей загрузки зеленого углерода после извлечения обожженных графитовых заготовок крышки снимают.

Вследствие особых свойств графитовых заготовок необходимо исключить значительные температурные градиенты в процессе обжига, в противном случае в готовом продукте появляются трещины. Каждая камера должна работать точно в соответствии с заданной программой, определяющей продолжительность обработки и уровни температур.

Как правило тепло подводится к первой части зоны, т.е. при температурах до 600^oC, при этом используется нагрев газами из последней части зоны горения. На более поздней стадии в интервале температур от 600^oС до максимального уровня (1200 1300^oC) требуется дополнительный подвод тепла, осуществляемый, как было указано выше, путем сжигания газа или нефти.

В охлаждающей части печи стенки кассет охлаждаются воздухом до того момента, когда углеродные заготовки можно выгрузить без какого-либо риска окисления. Печь сконструирована с учетом максимальной утилизации тепла, отводимого охлаждающим воздухом. Для этого в процессе охлаждения воздух пропускают через 1 3 камеры и направляют обратно в зону горения, где он используется как воздух для горения.

Зона горения перемещается в результате перемещения нефтяных или газовых горелок от одной камеры к другой. Частота такого перемещения известна под термином "развитие нагрева" и определяет производительность зоны горения.

Кроме того, в случае, когда камеру соединяют с зоной горения, необходимо обеспечить возможность соединения камеры с выпускной системой. Такое соединение, как правило, осуществляют путем установки выпускной трубы или коллектора, возможно, с вентилятором, между рассматриваемой камерой и соединительной трубой выпускного трубопровода, смонтированного вокруг печи. Такой выпускной трубопровод называют кольцевым трубопроводом, и в нем главным вентилятором поддерживают вентилирующее давление.

Согласно изобретению в случае закрытых печей соединение с камерой осуществляется на крышке камеры. В открытых печах устройство для утилизации тепла в форме коллектора подсоединяют к отверстиям в разделяющих стенках между камерами.

В закрытых кольцевых секционных печах несколько кассет устанавливают вместе в одной камере под общей крышкой. По отношению к топочным газам и к материалу, подвергаемому обжигу, кассеты в камере соединены параллельно, тогда как сами камеры соединены последовательно. В области ниже камеры расположены горизонтальные каналы топочных газов, а в области под крышкой камеры над кассетами газ протекает свободно. Газовые каналы в стенках кассет соединяют область ниже крышки камеры с областями под камерой. В закрытых кольцевых секционных печах газовые каналы предусмотрены либо в отдельных вертикальных шахтах печи, либо, предпочтительно, газовые каналы полностью или частично добавляют к области над или под кассетами (патент Норвегии N 152029).

В закрытых печах без печных шахт каналы в каждой стенке кассеты разделены в области ниже кассет разделительной стенкой на две части. В результате газы выпускаются вверх через одну половину стенки и вниз через другую половину стенки. В открытых печах камеры периодически подсоединяют при параллельном соединении потоков топочных газов над и под каждой отдельной камерой.

Перед тем, как газы достигнут главного вентилятора, их обычно пропускают через установку очистки, в которой удаляют сажу, испарения смолы и другие загрязняющие вещества.

С тем, чтобы увеличить скорость охлаждения углеродных заготовок в кассетах, устанавливают отдельные охлаждающие вентиляторы, которые либо нагнетают, либо отсасывают охлаждающий воздух через каналы топочных газов.

Этот охлаждающий воздух нельзя полностью подать в зону горения, так как это нарушит распределение давлений и баланс расхода газов в системе. Поэтому охлаждающий воздух выпускают в производственное помещение.

В этой связи в известной конструкции закрытых печей с камерами, к которым подсоединены охлаждающие вентиляторы, снимают крышки. В открытых печах коллекторы, нагнетающие или отсасывающие охлаждающий воздух через стенки кассет, устанавливают на стенках кассет и/или на разделительных стенках между камерами. Эту операцию можно выполнять только после того, как температура в кассетах снизится до определенного уровня.

Выпускаемый по такому способу охлаждающий воздух содержит вредные примеси, такие как сернистый газ, сажа и вещества золы от применяемого кокса. Эти вредные примеси ухудшают рабочие условия и увеличивают загрязняющие выбросы в окружающую среду.

Согласно изобретению предлагается установить отдельный дополнительный кольцевой трубопровод, к которому на этапе охлаждения подключают отдельные камеры. Для открытых печей устройство утилизации тепла монтируется на стенке кассеты и/или разделительной стенке и имеет соединительный коллектор, подключаемый к кольцевому трубопроводу охлаждения, например, с помощью соединительного патрубка или другого подобного устройства, а в случае закрытых печей соединительный патрубок устанавливают между крышкой и дополнительным кольцевым трубопроводом. В дополнительном кольцевом трубопроводе главный вентилятор поддерживает давление вентиляции.

Используя предложенное решение, можно управлять работой закрытых печей на протяжении всего этапа охлаждения, а загрузка в печи может оставаться при низком вентилирующем давлении до момента, когда углеродные заготовки уже можно выгрузить. Выпуская в обоих случаях охлаждающий воздух через кольцевой трубопровод, исключают поступление загрязняющих веществ в рабочую атмосферу, при этом уровень шума в производственном помещении значительно снижается.

Предлагаемое решение позволяет использовать более простое устройство для очистки охлаждающего воздуха по сравнению с известным ранее.

Направляя охлаждающий воздух через каналы топочных газов в кассетах, процесс охлаждения можно контролировать автоматически. Для этого в соединениях дополнительного кольцевого трубопровода и коллектора/трубы устанавливают регулируемые воздушные заслонки.

Использование предлагаемого способа управления процессами охлаждения позволяет исключить термические удары, т.е. высокие градиенты температуры, которые в огнеупорных конструкциях вызывают образование трещин и деформации. Следовательно, данное решение повышает срок службы печи.

Предлагаемое решение позволяет применять встроенные теплоутилизирующие установки для утилизации тепла из охлаждающего воздуха.

В конструкциях закрытых печей прямой выпуск через крышку позволяет снизить затраты, связанные с сооружением отдельного выпускного трубопровода для каждой отдельной камеры, или затраты, связанные с использованием отдельного коллектора над камерой.

На фиг.1 представлена камера кольцевой секционной печи стандартной конструкции с отдельным выпускным каналом, подключаемым к кольцевому трубопроводу (крышка не показана); на фиг.2 камера кольцевой секционной печи, в которой отвод топочных газов осуществляется через крышку; на фиг.3 - сечение зоны горения при стандартном способе охлаждения графитовых заготовок; на фиг. 4 сечение зоны горения при охлаждении графитовых заготовок в соответствии с изобретением.

На фиг.1 изображены стенки 2 кассеты и каналы 3 топочных газов. Ниже кассет предусмотрена разделительная стенка, делящая область под кассетами на две части. В результате газы выпускают через каналы топочных газов следующим образом: через первую группу 7 вверх, а через другую группу 8 вниз.

В процессе работы крышки опускают на верхнюю часть стенки 9 камеры. Эта крышка не показана, но именно она обеспечивает требуемую систему каналов для топочных газов.

Из области под кассетами канал (не показано) идет к соединительной трубой 9 а в верху печи. В печах стандартной конструкции они используются для соединения отдельной камеры с кольцевым трубопроводом 10.

На фиг. 2 показаны две камеры с крышками, в которых соединение камеры с кольцевым трубопроводом выполнено в соответствии с представленным изобретением. В приведенном на фиг. 2 примере камеру охлаждают, и крышка соединена с дополнительным кольцевым трубопроводом 13 через соединительный патрубок 1. В процессе нагреве крышку соединяют со стандартным кольцевым трубопроводом 10.

На фиг. 3 показано сечение зоны горения при общепринятом способе. Зона горения соединена с кольцевым трубопроводом через указанный соединительный патрубок 9а, подключенный к камере К2, из которой топочные газы отсасываются. Камеры К2 и К3 нагревают топочными газами, в камерах К4 К7 происходит горение, что обозначено форсунками 14, камеры К8 К10 охлаждают, при этом их крышки не сняты, а камеры К11 К13 подвергают усиленному охлаждению у них крышки сняты.

Охлаждающий воздух, содержащий различные примеси и значительное количество тепла, в рассматриваемом примере направляют в производственное помещение. Углерод загружают и выгружают, соответственно, в камерах К1 и К14.

Воздух для горения в зону горения печи подают следующим образом. В камеру К11 нагнетают охлаждающий воздух, часть его отделяют и направляют в камеру К10, а затем в одну горения.

На фиг.4 показано сечение зоны горения при работе в соответствии с изобретением, при этом камеры горения находятся в тех же фазах процесса, что и на фиг.3. В этом варианте соединение кольцевого трубопровода 10 и отдельной камеры осуществляется на самой крышки на крышке установлена соединительная труба 11, которую по требованию можно открыть или закрыть. Воздух для горения в зону горения в камеру К10 подают через соединительную трубу 11 на крышке.

На камерах К11 К13, в которых происходит охлаждение, крышки не сняты, а отвод отработавших газов из каждой камеры осуществляют, подключая ее к отдельному кольцевому трубопроводу через соединительную трубу 11с. В патрубке 1, соединяющем кольцевой трубопровод и крышку, предусмотрена воздушная заслонка, обеспечивающая автоматический контроль расхода охлаждающего воздуха и процесса охлаждения. Охлаждающий воздух пропускают через расположенные в соответствующих местах в нижней части камер и/или в стенках ямы вентили 12 (фиг. 2), при этом вентили 12 могут находиться в открытом или закрытом положении.

Формула изобретения

1. Кольцевая секционная печь для обжига углеродных заготовок, содержащая несколько последовательно соединенных камер с верхними крышками или без верхних крышек, с размещенными в каждой камере несколькими кассетами, в стенках которых выполнены горизонтальные и/или вертикальные каналы для топочных газов, а также систему выпуска топочных газов из каждой камеры через кольцевой трубопровод и установленные в каналах стенок регулирующие заслонки, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным отдельно смонтированным кольцевым трубопроводом для подключения отдельных камер на этапе охлаждения, каждая камера выполнена с выпускным устройством между крышкой и дополнительным кольцевым трубопроводом.

2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что выпускное устройство выполнено в виде соединительного патрубка.

3. Печь по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена размещенным на каждой камере или дополнительном кольцевом трубопроводе теплообменниками для утилизации тепла на этапе охлаждения.

4. Печь по п.1, отличающаяся тем, что на дополнительном кольцевом трубопроводе установлено оборудование для очистки охлаждающего воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4