Печь для термической обработки углеродсодержащих материалов

 

Изобретение относится к производству активных углей и может быть использовано для термической обработки материалов в электроугольной, золотоизвлекательной, строительной и других отраслях промышленности, а также для реактивации отработанных углеродных сорбентов. Печь содержит корпус, внутри которого расположены цилиндрическая реторта, нагревательные элементы, огнеупорная изоляция, загрузочное и выгрузочное устройства, а также патрубки для ввода и вывода газообразных реагентов. Отличительной особенностью изобретения является выполнение реторты с соотношением ее диаметра и длины, равным 1:10-18, спиралей с соотношением диаметров проволоки и спирали как 1: 6-10, расположением спирали на расстоянии от реторты, равном 3-5 диаметрам витка, снабжение печи вытяжным вентилятором, сообщающимся с патрубком выхода газообразных продуктов. Технический результат: предложенная печь позволяет снизить на 25-35% энерго- и трудозатраты при ее эксплуатации и, особенно, при ремонте, а также повысить механическую прочность (до 89-94%) и адсорбционную емкость по стандартным веществам (на 20-30%) получаемых сорбентов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области производства активных углей и может быть использовано для термической обработки материалов в электроугольной, графитовой, строительной и других отраслях промышленности, а также для реактивации отработанных углеродных сорбентов.

Известна термическая печь для обработки углеродсодержащих материалов, включающая корпус, расположенную внутри него цилиндрическую реторту, нагревательные элементы, огнеупорную изоляцию и патрубки для входа и выхода газообразных реагентов, причем внутри футеровки дополнительно установлен патрубок подогрева газообразного реагента (см. а. с. СССР N 796629, опубл. 29.03.79, кл. A 27 B 5/16).

Недостатком известной печи является сложность изготовления, высокая энергоемкость, низкая производительность процессов карбонизации, активации и регенерации.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и количеству совпадающих признаков, т. е. прототипом, является печь для термической обработки углеродных материалов, содержащая корпус, установленный на опорах с расположенными внутри него цилиндрической ретортой, выполненной с соотношением длины к диаметру 1: 15 - 35, системой нагрева, выполненной в виде спиралей с соотношением диаметра проволоки к диаметру спирали, равным 1:34 - 4, которые удалены от реторты на расстоянии, равном 1 - 2 диаметром витка спирали, огнеупорную теплоизоляцию, загрузочное и выгрузочное устройства и патрубки для ввода и вывода газообразных реагентов (см. патент N 2023966, F 27 B 7/06, опубл. 30.11.94).

Недостатком прототипа является сложность ремонта и обслуживания печи, высокая энергоемкость и плохое качество получаемых продуктов, не соответствующих уровню возросших требований углеадсорбционных технологий.

Техническим результатом изобретения является снижение трудо- и энергозатрат при эксплуатации печи, особенно при ее ремонте, увеличение времени "пробега" печи и улучшение качества получаемых сорбентов как по механической прочности, так и адсорбционным свойствам по йоду и метиленовому голубому (за счет развития объема микропор).

Для эффективной термообработки углеродсодержащих материалов, при которой происходит максимальное развитие объемов сорбирующих микропор и минимальное растрескивание и истирание движущихся частиц, необходимо обеспечить как хороший контакт частиц с окисляющими агентами и глубокую их диффузию во внутреннюю поверхность материала, так и равномерный прогрев по всей длине, исключающий местные перегревы. При этом нагревательные элементы - спирали должны быть долговечными, характеризоваться малыми потерями тепла в окружающую среду, а их расположение должно предусматривать простоту и легкость замены без разрушения теплоизоляции и размонтирования реторты и загрузочного и выгрузочного устройств.

Технический результат достигается тем, что в известной печи, содержащей корпус, установленный на опорах с расположенными внутри него цилиндрической ретортой, нагревательными элементами в виде спирали, огнеупорной теплоизоляцией, загрузочное и выгрузочное устройства и патрубки для ввода и вывода газообразных реагентов, реторта выполнена с соотношением диаметра к длине, равным 1:10 - 18, а нагревательные элементы выполнены в виде спирали с соотношением диаметра проволоки к диаметру спирали, равным 1:6 - 10, и расположены на расстоянии от реторты, равном 3 - 5 диаметрам витка спирали.

Кроме того, печь дополнительно снабжена вытяжным вентилятором, сообщающимся с патрубком выхода газообразных реагентов.

Сущность предложенного изобретения заключается в следующем.

Для эффективной термообработки углеродсодержащих материалов, при которой происходит максимальное развитие объемов сорбирующих микропор и минимальное растрескивание и истирание движущихся частиц, необходимо обеспечить как хороший контакт частиц с окисляющими агентами и глубокую их диффузию во внутреннюю поверхность материала, так и равномерный прогрев по всей длине, исключающий местные перегревы. При этом нагревательные элементы - спирали должны быть долговечными, характеризоваться малыми потерями тепла в окружающую среду, а их расположение должно предусматривать простоту и легкость замены без разрушения теплоизоляции и размонтирования реторты и загрузочного и выгрузочного устройств.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где приведен общий вид печи для термообработки углеродсодеражщих материалов, и фиг. 2, где дан разрез по линии А-А.

Предложенная печь содержит корпус 1, установленный на опорах 2, расположенную внутри корпуса цилиндрическую реторту 3, имеющую длину L и диаметр D, нагревательные элементы 4 в виде спиралей с диаметром d₁, из проволоки с диаметром d₂, расположенные на расстоянии H от реторты, равном 3 - 5 d₁, огнеупорную теплоизоляцию 5, загрузочное устройство 6 для подачи исходного углеродсодержащего материала, выгрузочное устройство 7, патрубок 8 для ввода газообразных реагентов, вытяжной вентилятор 9, сообщающийся с патрубком выхода газообразных продуктов 10, причем сам корпус закрывается крышкой.

В целом, вся конструкция установлена на подвижной раме 11.

Печь работает следующим образом. С помощью электромотора 12 и редуктора 13 реторта 3 приводится во вращение и вращается на роликовых опорах. Затем в нагревательные элементы подается напряжение 380 В.

Процесс термообработки можно вести как смесью водяного пара и диоксида углерода, так и в среде одного из них.

После вывода печи на температурный режим и установления расхода газообразных реагентов через загрузочное устройство 6 внутрь реторты 3 шнековым питателем подается обрабатываемый зерненый материал (50-100 кг/час).

Проходя по реторте за счет естественного пересыпания, углеродсодержащий материал постепенно нагревается со скоростью подъема температуры 20-80 град/мин и при температурах 780-900^oC реагирует с водяным паром или углекислым газом и через выгрузочное устройство 7 подается на затаривание. Газообразные продукты реакции удаляются через патрубок 10 в вытяжной вентилятор 9.

Теплоизоляция 5 обеспечивает поддержание требуемой температуры внутри реторты.

В случае наладки или замены спиралей крышка легко убирается, а перегоревшие элементы заменяются новыми.

В результате многочисленных экспериментов при отработке конструкции печи показано, что достижение цели изобретения обеспечивается при выполнении реторты соотношением D:L, равным 1:10 - 18. Если это соотношение берется меньше 10, то увеличивается темп прогрева обрабатываемого материала и снижается время его пребывания в реакционной зоне, что ведет к существенному снижению механической прочности получаемых продуктов и адсорбционной емкости по стандартным веществам (за счет недостаточного, менее 0,3 см³/г развития объемов микропор).

При соотношении D: L большем, чем 18, происходит интенсивное окисление углерода по реакциям: C + H₂O ---> CO + H₂ C + CO₂ ---> 2CO, что обусловливает коррозию реторты и снижение "пробега" печи, т.е. увеличение трудовых и энергетических затрат на обслуживание и ремонт печи.

Расчеты и исследования по выбору спиралей 4 показали, что при соотношении d₂: d₁, равном 1:3 - 5, обеспечиваются наилучшие условия прогревания движущихся частиц и снижается корродируемость материала трубы-реторты. Равномерный прогрев способствует улучшению качества получаемых сорбентов.

Уменьшение или увеличение этого соотношения приводит к понижению механической прочности продукта, деформации и быстрому перегреву спиралей, частым ремонтам и большим трудозатратам.

Расположение нагревательных элементов на расстоянии, равном 3 - 5 диаметрам витка спирали, обеспечивает минимальные потери тепла в окружающую среду, снижает корродируемость реторты, улучшает адсорбционную емкость продуктов по йоду и метиленовому голубому.

Снабжение печи вытяжным вентилятором, сообщающимся с патрубком выхода газообразных продуктов, дает возможность, с одной стороны, повысить адсорбционную способность получаемых сорбентов вследствие своевременного удаления (вытяжки) продуктов реакции CO₂, CO, различных углеводородов, блокирующих входы в микропоры сорбентов, с другой, - минимизировать разрушение металла реторты.

Эксперименты показали, что при эксплуатации предлагаемой печи на 25-35% уменьшаются энергозатраты и на 40-45% трудозатраты на эксплуатацию и особенно ремонт печи; на 6-8 месяцев увеличивается ее пробег.

Механическая прочность адсорбентов составляет 89-94%, а адсорбционная емкость по йоду 100-105%, метиленовому голубому 270-340 мг/г, что на 25-30% выше, чем при использовании печи по прототипу, патент N 2023966, F 27 B 7/06.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а именно: снижение трудовых и энергетических затрат при ее эксплуатации и ремонте, увеличение "пробега" печи и улучшение качества получаемых сорбентов как по механической прочности, так и адсорбционным свойствам по йоду и метиленовому голубому, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.

Формула изобретения

1. Печь для термической обработки углеродсодержащих материалов, содержащая корпус, установленный на опорах с расположенными внутри него цилиндрической ретортой, нагревательными элементами в виде спирали, огнеупорной теплоизоляцией, загрузочное и выгрузочное устройства и патрубки для ввода и вывода газообразных реагентов, отличающаяся тем, что реторта выполнена с соотношением диаметра к длине, равным 1 : 10 - 18, а нагревательные элементы, выполненные в виде спирали, имеют соотношение диаметра проволоки к диаметру спирали, равным 1 : 6 - 10 и расположены на расстоянии от реторты, равном 3 - 5 диаметрам витка спирали.

2. Печь для термической обработки углеродсодержащих материалов по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена вытяжным вентилятором, сообщающимся с патрубком выхода газообразных реагентов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2