Газораспределительное устройство многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка

Изобретение относится к технике обжига материалов в кипящем слое и может быть использовано в металлургической, химической и строительной промышленности. Техническим результатом от использования предлагаемой конструкции газораспределительного устройства многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка является повышение эксплуатационных характеристик, выражающееся в обеспечении снижения расхода топлива на процесс, повышения качества извести, при снижении выхода пылевидной извести, снижении простоев печи. Предлагаемая конструкция газораспределительного устройства многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка содержит горизонтальную металлическую перфорированную плиту, размещенную в цилиндрическом футерованном металлическом корпусе, отличающееся тем, что плита перфорирована отверстиями с конфигурацией в виде перевернутого усеченного конуса с разностью величин диаметров верхнего и нижнего основания 0,26h ÷2,15h, где h - толщина плиты, и снабжена периферийным неперфорированным кольцом, закрепленным конгруэнтно в кольцеобразной обойме С-образного профиля, образованной тремя совмещенными, примыкающими к корпусу, металлическими кольцами, с возможностью горизонтального смещения по отношению к нижнему и верхнему кольцам и в пределах температурного зазора по отношению к среднему кольцу обоймы, при этом верхнее опорное кольцо выполнено с возможностью перемещения относительно корпуса, и на нем жестко закреплена металлическая цилиндрическая вставка, обращенная вверх и прилегающая внешней поверхностью к футеровке. Перфорированная часть плиты между отверстиями снабжена ребрами жесткости, обращенными вниз. В отверстиях подины снизу закреплены тонкие пластины с отверстиями, концентрически сориентированными по отношению к отверстиям плиты. Обращенная вовнутрь кромка отверстий пластин выполнена зубчатой. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано в печах кипящего слоя эндотермического обжига известняка на известь для сталеплавильного производства, в частности для внепечной обработки стали.

Известно газораспределительное устройство печи для термообработки сыпучего материала в кипящем слое с керамическими арками, установленными в цилиндрическом футерованном металлическом корпусе с промежутками, газораспределительной системой, выполненной из металлических корытообразных вставок, полки которых опираются на арки и прижаты к ним металлическими брусьями и огнеупорными кирпичами, а внешние донные перфорированные части образуют горизонтальную рабочую поверхность газораспределительного устройства (Авторское свидетельство СССР №977292, кл. F 27 В, 1980).

К недостаткам известного устройства относится его неустойчивость к термическим деформациям в процессе термической диссоциации карбонатов кальция и магния (обжиг известняка), происходящей в интервале температур 950-1100°С, что сокращает срок его эксплуатации, кроме того, значительная протяженность каналов для прохода запыленных продуктов горения газа, включающих арки (на их высоту) и металлические вставки (на высоту подъема донных частей), способствует интенсивному образованию отложений пылевидной извести, склонной к адгезионно-когезеонному воздействию на контактирующие с нее поверхности, усиливающемуся по мере роста их протяженности до такой степени, что становится невозможной дальнейшая эксплуатация устройства.

Известно газораспределительное устройство печи кипящего слоя с несущими керамическими арками, установленными с промежутками в цилиндрическом футерованном металлическом корпусе, газораспределительной системой, выполненной из металлических корытообразных вставок, вставленных в промежутки арок, полками, опирающимися на арки, а донными частями, образующими горизонтальную рабочую поверхность газораспределительного устройства в виде каналов, ориентированных параллельно аркам (Патент РФ №1735693, кл. F 27 В, 1989). Данное газораспределительное устройство печи кипящего слоя выбрано в качестве прототипа.

К недостаткам известного газораспределительного устройства печи кипящего слоя относятся следующие: значительная протяженность каналов для прохода запыленных газовых струй в межарочных промежутках (включающих высоту подъема донных частей, совмещенную в данном варианте, с высотой арок), что, как указывалось выше, способствует интенсивному образованию отложений известковой пыли, препятствующих нормальной эксплуатации газораспределительного устройства (Нехлебаев Ю.П. Экономия топлива при производстве извести. М.: Металлургия, 1987, c.95-119); нестабильная работа устройства при характерных мгновенных изменениях концентраций материала по объему кипящего слоя (Гельперин Н.И. и др. Основы техники псевдоожижения. М.: Химия, 1967, с.45-49, 271-275), а также затрудняет профилактические ремонты из-за труднодоступности к рабочей поверхности отверстий устройства.

Данное изобретение направлено на усовершенствование конструкции газораспределительного устройства многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка, что достигается за счет повышения надежности работы устройства, снижения простоев печи на его чистку, снижения выхода пылевидной извести и обеспечивает снижение расхода топлива на процесс и повышение качества извести.

Поставленная задача достигается тем, что в газораспределительном устройстве многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка, содержащем горизонтальную металлическую перфорированную плиту, размещенную в цилиндрическом футерованном металлическом корпусе, плита перфорирована отверстиями с конфигурацией в виде перевернутого усеченного конуса с разностью величин диаметров верхнего и нижнего основания 0,26 h÷2,15 h, где h - толщина плиты, и снабжена периферийным неперфорированным кольцом, закрепленным конгруэнтно в кольцеобразной обойме С-образного профиля, образованной тремя совмещенными, примыкающими к корпусу, металлическими кольцами, с возможностью горизонтального смещения по отношению к нижнему и верхнему кольцам и в пределах температурного зазора по отношению к среднему кольцу обоймы, при этом верхнее опорное кольцо выполнено с возможностью перемещения относительно корпуса, и на нем жестко закреплена металлическая цилиндрическая вставка, обращенная вверх и прилегающая внешней поверхностью к футеровке.

Также отличиями предлагаемого газораспределительного устройство многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка является то, что перфорированная часть плиты между отверстиями снабжена ребрами жесткости, обращенными вниз, в отверстиях подины снизу закреплены тонкие пластины с отверстиями, концентрически сориентированными по отношению к отверстиям плиты; а обращенная вовнутрь кромка отверстий выполнена зубчатой.

Техническим результатом от использования газораспределительного устройство многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка является снижение расхода топлива на процесс, простоев печи, повышение качества и выхода кусковой и снижения выхода пылевидной извести.

Этот результат достигается следующим образом.

Перфорированная металлическая плита, выполненная без керамических опор и промежуточных креплений, а также без подвижных сочленений в качестве модуля составной конструкции, является монолитной конструкцией, не подверженной разнородным термическим напряжениям, т.е. термические напряжения не передаются на смежные конструкции. Дополнение плиты периферийным неперфорированным кольцом позволяет использовать его как крепежный элемент путем размещения его в С-образном кольцевом зазоре. В данном случае снабжение плиты периферийным неперфорированным кольцом применимо по отношению к уже имеющейся плите, так как при изготовлении новой плиты всю конструкцию выполняют монолитной, за исключением случаев, когда периферийное неперфорированное кольцо плиты изготовлено из других материалов или является специальной конструкцией и отличается от основной плиты по геометрическим параметрам, например по толщине. В предлагаемом устройстве нижнее опорное кольцо выступает в качестве опоры для плиты, опирающейся на нее периферийным неперфорированным кольцом, среднее - в качестве прокладки (равной по толщине плите или периферийному неперфорированному кольцу) и торцевого ограничителя горизонтальных перемещений подины, а верхнее - в качестве накладки, изолирующей плиту от вышерасположенной керамической кладки. Верхнее и среднее опорные кольца примыкают к металлическому корпусу, также предусмотрено их жесткое крепление к корпусу, а также между собой. Нижнее кольцо как несущее основную нагрузку крепится к корпусу и снизу усиливается кронштейнами. Верхнее опорное кольцо опирается на среднее и перемещается относительно него (при термических деформациях) и относительно плиты вместе с несомой керамической кладкой без разрушительного воздействия на кладку. Торцевым ограничителем для верхнего и среднего кольца служит собственно металлический корпус, относительно которого оно размещено с зазором (отсутствие жесткого крепления верхнего кольца с корпусом и подиной позволяет с наименьшими трудозатратами производить ремонт газораспределительного устройства или замену его плиты). Профиль периферийного неперфорированного кольца плиты, при таком конструктивном исполнении крепления, повторяет его С-образную конфигурацию, т.е. кольцо конгруэнтно относительно него, что, при наличии зазора, обеспечивает возможность (ограниченного внутренней торцевой поверхностью среднего кольца) смещения всей плиты относительно верхнего и нижнего опорных колец при возникающих в нем температурных напряжениях.

Выполнение перфорации отверстий с конфигурацией в виде перевернутого усеченного конуса позволяет производить их чистку сверху, сокращая простои печи и теплозатраты, одновременно не препятствует естественному раскрытию вверх газовой струи, выходящей из отверстия, препятствуя ее турбулизации на этом участке и образованию отложений пыли извести на стенках отверстий плиты и затрудняющей дальнейшую эксплуатацию газораспределительного устройства из-за роста его газодинамического сопротивления. При этом обеспечивается равномерное псевдоожижение, увеличивающее выход кусковой и сокращение пылевидной извести. Минимальный угол наклона стенки отверстия к вертикали составляет 7,5° и равен половине минимального (15°) угла раскрытия струи из плоского отверстия (Н.И.Гельперин и др. Основы техники псевдоожижения. М.: Химия, 1967). Максимальный угол наклона стенки отверстия к вертикали выбирается по углу естественного откоса (к горизонтали), равного 43° для извести и известняка класса 3-30 мм, тогда соответствующий смежный угол или угол наклона стенки отверстия относительно вертикали будет равен 47°. Разность диаметров верхнего и нижнего оснований усеченного конуса, соответствующего по конфигурации профилю отверстия плиты, будет равна 2h·tg7,5°÷2h·tg47° или 0,26h÷2,15° h.

Ребра жесткости устанавливаются снизу плиты, между ее отверстиями, и предназначены для компенсации нагрузок со стороны кипящего слоя (сверху) и со стороны восходящего газового потока (снизу). Ребра при этом равноудалены от отверстий и не образуют протяженных газовых каналов.

Верхнее опорное кольцо выполнено с возможностью перемещения относительно корпуса, т.е. свободно лежит на среднем опорном кольце, принимает на себя вес кладки и вместе с ней смещается относительно плиты (или плита по отношению к нему) при температурных расширениях, т.о. предотвращается разрушение огнеупорной кладки, т.к. сдвиг и трение происходит между однородными металлическими элементами.

В верхнем опорном кольце жестко закреплена металлическая цилиндрическая вставка, обращенная вверх. Вставка прилегает к футеровке внешней стороной и служит ограничителем перемещения плиты в горизонтальном направлении, а также предохраняет кладку от абразивного воздействия газовых струй на высоту подъема вставки относительно плиты.

В отверстиях подины снизу закреплены тонкие пластины с отверстиями, концентрически сориентированными по отношению к отверстиям плиты. Пластины воспринимают основную нагрузку при контакте с запыленным газовым потоком, обеспечивая минимальную площадь контактирующей поверхности (эффект "острой кромки"), уменьшая вероятность образования известковых отложений пыли. Также улучшаются условия профилактической чистки отверстий. Выполнение обращенной вовнутрь кромки отверстий пластин зубчатой турбулизирует газовый поток в отверстиях, препятствуя образованию отложений пылевидной извести.

На фиг. 1,2 представлена предлагаемая конструкция газораспределительного устройства многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка, состоящая из металлического корпуса 1 с футеровкой 2, металлических колец 3 (нижнее), 4 (среднее) и 5 (верхнее), образующих кольцеобразную обойму С-образного профиля, в которой, конгруэнтно с зазором и с возможностью горизонтального смещения по отношению к кольцам 3, 5, и в пределах выбранного температурного зазора 11, по отношению к кольцу 4, периферийным неперфорированным кольцом 12, размещена плита 6 с отверстиями 7, имеющими конфигурацию перевернутого усеченного конуса, снабженными тонкими металлическими пластинами 8 с отверстиями с зубчатой обращенной вовнутрь кромкой, концентрически сориентированными по отношению к отверстиям 7 плиты 6, металлической цилиндрической вставки 9, обращенной вверх и ребер жесткости 13, обращенных вниз. Кипящий слой обжигаемого известняка 10 находится в пространстве, образованном горизонтальной поверхностью плиты 6 и внутренней поверхностью вставки 9.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Известняк поступает в рабочую зону, образованную внутренним пространством футерованного корпуса и газораспределительным устройством, где образует кипящий слой 10 под воздействием газовых струй, выходящих из отверстий пластин 8 и отверстий 7 плиты 6. Угол раскрытия отверстий 7, выполненных с конфигурацией в виде перевернутого усеченного конуса с разностью величин диаметров верхнего и нижнего основания 0,26h÷2,15h, где h - толщина плиты, соответствует углу раскрытия газовых струй, что препятствует образованию застойных зон и возникновению известковых отложений. Этой же цели способствует размещение в основании отверстий 7 тонких металлических пластин 8 с отверстиями, концентрически сориентированными по отношению к отверстиям 7, при этом обращенная вовнутрь кромка отверстий пластин может быть выполнена зубчатой, что турбулизирует газовый поток в отверстиях 7 и позволяет сокращать негативное действие застойных зон и образования в них известковых отложений. Расположение плиты 6 периферийным неперфорированным кольцом 12 в С-образном кольцевом зазоре конгруэнтно по отношению к нему позволяет избежать разрушающего воздействия температурных напряжений, возникающих в плите 6. Этой же цели служит и температурный зазор 11. Цилиндрическая металлическая вставка 9 предохраняет от истирания рабочую поверхность футеровки 2 в зоне действия кипящего слоя 10 и ограничивает горизонтальные смещения плиты 6. После обработки в кипящем слое 10 известняк направляется в нижерасположенные зоны подогрева многозонной печи кипящего слоя, зону обжига и далее - потребителю.

Газораспределительное устройство по предлагаемому изобретению оказывается подвижно сочлененным с остальными элементами печи, что при работе компенсирует тепловые напряжения в ней и повышает ее ремонтоспособность, сокращая простои печи. При этом ограничение условий интенсивного образования известковых отложений приводит к снижению расхода топлива и повышению качества кусковой извести с повышением ее выхода и сокращением выхода пылевидной извести.

При проведении экспериментов установлено, что дополнение плиты периферийным неперфорированным кольцом, закрепленным в кольцеобразной обойме С-образного профиля, образованной тремя опорными кольцами, конгруэнтно и с возможностью горизонтального смещения по отношению к крайним и, в пределах выбранного температурного зазора, по отношению к среднему опорному кольцу обеспечивает снижение расхода топлива, повышение качества извести в соответствии с данными таблицы. При выполнении отверстий плиты с конфигурацией в виде перевернутого усеченного конуса с разностью величин диаметров верхнего и нижнего основания <0,26 h происходит выпадение пылевидных частиц в пограничный ламинарный слой и адгезия их на внутреннюю поверхность отверстия с образованием отложений, затрудняющих истечение газовой струи, а при значениях этой разности >2,15 h отложения возникают за счет образования застойных зон, расположенных вне границы угла естественного откоса материала, также с нарушением газодинамических условий истечения газовых струй из отверстий плиты. Выполнение перфорированной части плиты с ребрами жесткости предохраняет ее от прогиба при температурных нагрузках. Без ребер жесткости прогиб достигает до 20-25% от диаметра плиты, что нарушает кипящий слой и может привести к обрушению плиты и аварийной ситуации. При выполнении верхнего опорного кольца с возможностью перемещения относительно корпуса обеспечивается его (и корпуса) сохранность при температурных расширениях, когда температура слоя может достигать 500-750°С. При выполнении металлической цилиндрической вставки, обращенной вверх, жестко закрепленной в верхнем опорном кольце, обеспечивается увеличение срока службы огнеупорной футеровки в условиях абразивного износа, например в температурных условиях первой зоны подогрева (450-550°С), в 3,5-4,5 раза.

При установке тонких пластин с отверстиями, концентрически сориентированных по отношению к отверстиям плиты и закрепленных в них снизу, на 70-90% снижается интенсивность образования карбонатных отложений при флуктуациях кипящего слоя за счет уменьшения протяженности поверхности адгезионного взаимодействия и образования отложений. При выполнении обращенной вовнутрь кромки отверстий пластин зубчатой на 40-60% снижается интенсивность образования карбонатных отложений на поверхности отверстий за счет резкой турбулизации газового потока в них и отрыва ранее налипших частиц.

В таблице приведены показатели газораспределительного устройства многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка по прототипу и предлагаемому изобретению.

Таблица
Показатель	Вариант устройства-прототипа	Вариант устройства печи ОАО «ТМЗ» КС-55	Оптимизированный вариант устройства по изобретению
1	2	3	4
Расход топлива, кг усл. топлива/т извести	155,5-157,5	135,0-155,0	130,0-151,0
Массовая доля CaO+MgO в кусковой извести,%	88-90	90-92	92-95
Выход пылевидной извести, т/т кусковой извести	0,25-0,30	0,15-0,25	0,10-0,23
Число простоев, усл.ед.	1,00	0,95	0,91

Т.о., предлагаемое техническое решение в оптимизированном варианте по сравнению с прототипом обеспечивает, при снижении в 1,1-3,0 раза выхода пылевидной извести и простоев печи на 9%, увеличение качества кусковой извести на 2-7% и снижение расхода топлива на 3,0-17,5%.

1. Газораспределительное устройство многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка, содержащее горизонтальную металлическую перфорированную плиту, размещенную в цилиндрическом футерованном металлическом корпусе, отличающееся тем, что плита перфорирована отверстиями с конфигурацией в виде перевернутого усеченного конуса с разностью величин диаметров верхнего и нижнего оснований 0,26h÷2,15h, где h - толщина плиты, и снабжена периферийным неперфорированным кольцом, закрепленным конгруэнтно в кольцеобразной обойме С-образного профиля, образованной тремя совмещенными, примыкающими к корпусу металлическими кольцами, с возможностью горизонтального смещения по отношению к нижнему и верхнему кольцам и в пределах температурного зазора по отношению к среднему кольцу обоймы, при этом верхнее опорное кольцо выполнено с возможностью перемещения относительно корпуса и на нем жестко закреплена металлическая цилиндрическая вставка, обращенная вверх и прилегающая внешней поверхностью к футеровке.

2. Газораспределительное устройство многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка по п.1, отличающееся тем, что перфорированная часть плиты между отверстиями снабжена ребрами жесткости, обращенными вниз.

3. Газораспределительное устройство многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка по п.1, отличающееся тем, что в отверстиях подины снизу закреплены тонкие пластины с отверстиями, концентрически сориентированными по отношению к отверстиям плиты.

4. Газораспределительное устройство многозонной печи кипящего слоя для обжига известняка по п.3, отличающееся тем, что обращенная вовнутрь кромка отверстий пластин выполнена зубчатой.