Шахтная печь для обжига кусковых материалов

Изобретение может быть использовано в металлургической и химической отраслях промышленности, в промышленности строительных материалов, в сахарной промышленности. Шахтная печь состоит из зон подготовки, обжига и охлаждения, содержит загрузочное и разгрузочное устройства и футерованную шахту, снабженную газораспределительным керамическим керном в зоне обжига, состоящим из центрального столба и простенков, образующих сектора. Центральный столб выполнен полым. Сектора газораспределительного керна представляют собой замкнутые керамические конструкции с горизонтальными каналами, сообщающимися с помощью отверстий с полостью центрального столба. Кладка секторов не связана с кладкой шахты и центрального столба для обеспечения их свободного перемещения относительно друг друга по вертикали, а в горизонтальной плоскости между ними предусмотрены температурные швы. Изобретение обеспечивает повышение равномерности прогрева материала, повышение строительной надежности конструкции печи, упрощение конструкции и автоматизации системы отопления печи. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение предназначено для применения в металлургической и химической отраслях промышленности, в промышленности строительных материалов, в сахарной промышленности - в отраслях, использующих шахтные печи для термообработки кусковых материалов: известняка, фосфоритов, сидеритов, железных руд и т.п.

Известна шахтная печь, оснащенная выносной топкой и содержащая камеры, образованные вертикальными стенками, арки для подачи теплоносителя и короба для подвода охлаждающего воздуха, установленные над коробами для отвода воздуха, при этом короба для подвода охлаждающего воздуха расположены перпендикулярно осевым плоскостям арок, а короба для отвода воздуха установлены по отношению к аркам в шахматном порядке (патент SU №1299072 А1, кл. C04B 2/08, F27B 1/02, 1984).

Недостатками известной печи является низкая надежность и эффективность конструкции, ее сложность и сложность системы автоматизации, высокие удельные капитальные затраты на единицу производимой продукции.

Известен способ обжига кусковых материалов (известняка) в шахтной печи, по которому подогрев его проводят в противотоке продуктов горения топлива, а обжиг - в прямотоке. При этом процессы осуществляют в двух разных шахтах. Рабочий режим в обеих шахтах чередуется регулярными интервалами. Топливо и воздух подаются в верхнюю часть шахт. Продукты горения в прямотоке с опускающимся материалом передают тепло и обжигают и затем через переходный канал поступают во вторую шахту, в которой в противотоке с материалом подогревают его, при этом охлаждающий воздух в переходном канале смешивается с продуктами горения, поступающими из обжиговых шахт. В последующей фазе процесса чередуется роль шахт, цикл периодически повторяется.

Топливо и воздух подают попеременно в обе шахты: топливо - вертикальными горелочными трубами, входящими в столб материала; воздух вдувают из атмосферы. Материал загружают в обе шахты также попеременно. Отходящие печные газы удаляются из шахты подогрева материала (патент Швейцарии №647313, кл. F27B 1/00, 1980).

Недостатками известной прямоточно-противоточной шахтной печи является сложная система автоматизации процесса термообработки, связанная с циклическими переключениями клапанов подачи воздуха и топлива в печь, отвода отходящих газов и загрузки материала; отложение пыли в переходном канале между шахтами, приводящее к остановкам печи для чистки канала; сложность конструкции в целом и высокие удельные капитальные затраты на единицу производимой продукции.

Известен способ обжига материалов в шахтной печи, при котором материал подогревают и обжигают в плотном движущемся слое в противотоке продуктов горения топлива, подачу воздуха осуществляют в зону охлаждения, ввод топлива производят в слой, охлаждение обожженного материала происходит в противотоке воздухом, сжигание топлива - в слое охлаждающим воздухом. При этом топливо (газообразное, жидкое) вводят в слой при помощи различных устройств: периферийных, центральных, сопловых горелок, расположенных в воздухоохлаждаемых балках поперек печи, газификаторов мазута. Воздух в зону охлаждения или вдувают вентилятором или засасывают дымососом, установленным над печью. Загрузку материала в печь осуществляют периодически по датчикам уровня слоя, установленным в верхней части шахты. Выгрузку обожженных и охлажденных материалов проводят непрерывно или периодически выгрузочными устройствами. Отходящие печные газы удаляют из печи с верхней части шахты непрерывно (Табунщиков Н.П. Производство извести. - М.: Химия, 1974, с.141-145, 149-150).

Недостатком способа и печи, в которой он реализуется, является неравномерность обжига материала по сечению печи из-за неравномерного распределения газового потока по объему слоя, что обуславливает повышение удельного расхода топлива на обжиг и снижение качества обожженного материала.

Известная шахтная печь для обжига кусковых материалов содержит футерованную шахту с загрузочным и разгрузочным устройствами, установленные на двух уровнях шахты топливосжигающие устройства и дымосос, соединенный нагнетательной трубой с топливосжигающими устройствами нижнего уровня (Монастырев А.В. и др. Печи для производства извести: Справочник. - М.: Металлургия, 1979, с.68-71).

Недостатками известных способов обжига кусковых материалов в шахтной печи и шахтной печи для обжига кусковых материалов являются неравномерность газораспределения по объему слоя вследствие образования пустот в шахте, что обуславливает неравномерность распределения температур по толщине опускающегося слоя и получение извести неоднородного качества (известь содержит как пережженные куски, так и недообожженные); трудность создания печи высокой производительности из-за небольшой толщины опускающегося слоя в зоне обжига между стенами шахты, вызванной малой глубиной проникновения газов в слой; сложная конфигурация шахты в зоне обжига усложняет футеровочные работы; неравномерность износа футеровки приводит к снижению коэффициента использования печи и, как следствие, к повышению удельного расхода тепла на обжиг.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является шахтная печь для обжига известняка, содержащая футерованную шахту, выносные топки и керамический керн, состоящий из простенков и центрального столба, в котором выполнены вертикальные пазы, а также - пазы в футеровке шахты печи, в которых свободно двигаются простенки при температурных деформациях (патент RU №2194931 С2, кл. 7 F27B 1/02, 2001).

В известной конструкции выравнивание температурного поля по сечению печи производится за счет оснащения зоны обжига газораспределительным керном, который представляет собой вертикальные плоскости, через которые вводят топливный газ или полугаз в двух уровнях.

Задача выравнивания температурного поля решается путем усиления "пристенного" эффекта и использования его в центральной части печи.

Кроме того, газораспределительный керн изменяет направление движения материала при входе его в сектора керна, что приводит к перемешиванию материала и способствует усреднению температуры кусков.

Недостатками известной печи являются низкая надежность и эффективность конструкции, ее сложность и сложность системы автоматизации, высокие удельные капитальные затраты на единицу производимой продукции.

Техническим результатом настоящего изобретения являются повышение равномерности прогрева материала, повышение строительной надежности конструкции печи, упрощение конструкции системы отопления печи, упрощение автоматизации системы отопления печи.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной шахтной печи для обжига кусковых материалов, состоящих из зон подготовки, обжига и охлаждения и содержащей загрузочное и разгрузочное устройства и снабженную газораспределительным керном в зоне обжига, состоящим из центрального столба и простенков, образующих сектора:

- центральный столб выполнен в зоне обжига полым. Внутренняя центральная камера служит для сжигания топлива и распределения газов по каналам зоны обжига;

- сектора газораспределительного керна в зоне обжига представляют собой замкнутые керамические конструкции, снабженные горизонтальными каналами, сообщающимися с помощью отверстий с полостью центрального столба и внутренним пространством секторов;

- кладка секторов не связана с кладкой шахты и центрального столба, поэтому они могут свободно перемещаться относительно друг друга по вертикали, а в горизонтальной плоскости между ними предусмотрены температурные швы;

- полость центрального столба зоны обжига (топка) снабжена устройством для подвода топливного газа и рециркулята;

- устройство для подвода топливного газа и рециркулята выполнено с возможностью вдувания пылевидного углерода;

- шахту печи оснащают максимально возможным числом секторов, исходя из условия исключения зависания материала;

- зона охлаждения снабжена устройством для отвода горячего воздуха и подводом его в верхние каналы зоны обжига;

- размер отверстий, соединяющих каналы керна с рабочей поверхностью сектора, в 1,5-2 раза меньше куска обрабатываемого материала.

В заявляемой конструкции отопление печи производится посредством одной центральной топки, в которой можно полностью сжигать топливный газ, получать полугаз или готовить смесь топливного газа с рециркулятом.

Из топки газ распределяется по каналам керна, из которых через отверстия попадает в пристенную область секторов.

Конструкция реализует идею полного сжигания топлива в пристенной области секторов зоны обжига.

Центральное расположение топки и один подвод топливного газа минимизирует тепловые потери и предельно упрощает автоматику системы отопления.

Геометрия секторов керна и центрального столба определяет строительную прочность конструкции при обычных требованиях к эксплуатационным свойствам кладочного раствора.

Ввод пылевидного углерода позволяет производить десульфурацию извести в пристенном слое секторов.

Механизм десульфурации.

Сера, содержащаяся в известняке в виде пирита (FeS₂), окисляется до SO₂ по реакции

FeS₂+О=FeS+SO₂. (1)

С момента образования на поверхности обжигаемого материала слоя СаО происходит поглощение им SO₂ с образованием прочного сульфата кальция (CaSO₄). Эта реакция протекает в атмосфере СО₂, образующейся от разложения известняка, по схеме

СаО+SO₂+СО₂=CaSO₄+СО. (2)

Сульфат кальция является термодинамически устойчивым соединением с температурой начала разложения 1375°С. Такой уровень температуры характерен для зоны обжига печи, в которой при создании восстановительной (слабоокислительной) атмосферы могут быть реализованы условия для более полного разложения сульфатов и обеспечения низких концентраций серы в извести.

Характер атмосферы в печи обычно определяется соотношением парциальных давлений двуокиси и окиси углерода (Рсо₂/Рсо). Для получения наибольшей полноты десульфурации извести в печах величина этого показателя должна изменяться в пределах 100-300. Однако на практике при нормальных условиях сжигания топлива отношение Рсо₂/Рсо значительно (на порядок и выше) превышает указанную величину, так как СО в отходящих газах практически отсутствует. Снижение же значения Рсо₂/Рсо за счет неполного сжигания топлива экономически нецелесообразно. Более простым и эффективным средством является дополнительный ввод в зону обжига печи углеродосодержащих материалов, которые, взаимодействуя в слое извести с СО₂ и образуя СО, изменяют тем самым характер атмосферы (снижают Рсо₂/Рсо), способствуя десульфурации извести.

Ввод углеродсодержащих материалов в зону обжига печи обеспечивает двойной положительный эффект. Часть углерода, сгорая в присутствии избыточного кислорода до СО₂, позволяет повысить температуру в зоне обжига и увеличивает влияние температурного фактора на разложение сульфатов. Возгонка же угля за счет СО₂ печных газов до СО создает восстановительную (слабоокислительную) атмосферу (снижает Рсо₂/Рсо), смещая равновесие реакции (2) влево, т.е. способствует разложению сульфатов. Одновременно повышается степень использования углеродсодержащих материалов, так как их окисление (возгонка) с образованием восстановительной атмосферы происходит на локальном участке печи в непосредственном контакте с известью, обогащенной сульфатными соединениями серы. После прохождения этого участка известь вплоть до выхода из печи не подвергается воздействию сернистых соединений, что повышает эффективность ее десульфурации.

Количество подаваемых в зону обжига углеродсодержащих материалов определяется на основании уравнения реакции

С+СО₂=2СО (3)

с учетом объема выделяющихся из печи отходящих газов и содержания в них CO₂. Для печей объем выделяющихся отходящих газов составляет 25÷35·10³ нм³/ч, а содержание СО₂ в них 18÷22%. Расчет с использованием средних значений приведенных показателей показывает, что расход углеродсодержащих материалов должен составлять 1,0÷1,5 кг/т извести или 0,1÷0,15%. Ввод углеродсодержащих материалов в зону обжига печи осуществляется пневмотранспортными устройствами.

Устройство для отвода горячего воздуха из зоны охлаждения и подвода его в верхние каналы зоны обжига позволяет управлять содержанием кислорода и двуокиси углерода в отходящих газах, а также - температурой извести.

Изобретение позволяет при минимальных капитальных затратах, связанных с усложнением зоны обжига противоточной печи, получить новый технический результат при соответствующем качестве известняка:

(СаО+MgO)акт, %	93-95
Расход топлива, кг.у.т./т извести	125÷135
Удельная производительность по извести, т/м2 сутки	25
Содержание СО2 в отходящих газах, %	До 40

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

фиг.1 - шахтная печь, разрез А-А, фиг.2;

фиг.2 - то же, разрез Б-Б, фиг.1;

фиг.3 - то же, разрез В-В, фиг.1;

фиг.4 - зона обжига, разрез Г-Г, фиг.2.

Шахтная печь имеет кожух 1, изоляционный слой 2 футеровки, рабочий слой 3 футеровки, канал 4, отверстия 5, сектора 6, футеровку сектора 7, центральный столб 8, топку 9, устройство 10 для подвода газа и рециркулята воздуха, устройство 11 для отбора горячего воздуха из зоны охлаждения и подачи его в зону обжига, центральный отбор 12 отходящих газов, загрузочное устройство 13, устройство выгрузки 14, канал 15 для запальника.

Шахтная печь работает следующим образом.

После сушки футеровки печь загружают кусковым материалом, например известняком. Через отбор 12 отсасывают воздух, подают воздух в зону охлаждения, через устройство 10 подают газ и воздух, который поджигают запальником через канал 15.

После выхода печи на температурный режим вместо воздуха в устройство 10 подают рециркулят. В топке 9 производят частичное сжигание топливного газа с коэффициентом избытка воздуха 0,65-0,85. Полугаз распределяется через каналы 4 и отверстия 5 на поверхности секторов, где догорает за счет воздуха, поступающего из зоны охлаждения.

Заданную температуру выгружаемой извести поддерживают количеством охлаждающего воздуха.

Избыток воздуха из зоны охлаждения отводят в верхнюю часть зоны обжига через устройство 11 для дожигания СО, топливного газа.

В случае повышенного содержания серы в известняке в топку 9 вдувают пылевидный углерод через устройство 10 для подвода топливного газа и рециркулята.

1. Шахтная печь для обжига кусковых материалов, состоящая из зон подготовки, обжига и охлаждения, содержащая загрузочное и разгрузочное устройства и футерованную шахту, снабженную газораспределительным керамическим керном в зоне обжига, состоящим из центрального столба и простенков, образующих сектора, отличающаяся тем, что центральный столб выполнен полым, а сектора газораспределительного керна представляют собой замкнутые керамические конструкции с горизонтальными каналами, сообщающимися отверстиями с полостью центрального столба.

2. Шахтная печь по п.1, отличающаяся тем, что кладка секторов не связана с кладкой шахты и центрального столба для обеспечения их свободного перемещения относительно друг друга по вертикали, а в горизонтальной плоскости между ними предусмотрены температурные швы.

3. Шахтная печь по п.1, отличающаяся тем, что полость центрального столба зоны обжига снабжена устройством для подвода топливного газа и рециркулята.

4. Шахтная печь по п.3, отличающаяся тем, что устройство для подвода газа и рециркулята выполнено с возможностью вдувания пылевидного углерода.

5. Шахтная печь по п.1, отличающаяся тем, что размер отверстий, соединяющих каналы керна с рабочей поверхностью сектора, в 1,5-2 раза меньше размера куска обрабатываемого материала.

6. Шахтная печь по п.1, отличающаяся тем, что шахта печи оснащена максимально возможным числом секторов, исходя из условий исключения зависания материала.

7. Шахтная печь по п.1, отличающаяся тем, что зона охлаждения снабжена устройством для отвода горячего воздуха и подводом его в верхние каналы зоны обжига.