СПОСОБ ОБЖИГА КУСКОВЫХ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД В ДВУХШАХТНОЙ ПРЯМОТОЧНО-ПРОТИВОТОЧНОЙ ПЕЧИ Российский патент 1997 года по МПК F27B1/02 C04B2/12 

Изобретение относится к способам эндотермического обжига карбонатсодержащего материала (известняка, доломита, магнезита, дунита и др.) и может быть использовано в металлургической, химической, строительной отраслях.

Известен способ производства извести в прямоточно-противоточной регенеративной печи [1] Способ включает подогрев и обжиг известняка в режиме прямотока и охлаждения извести в режиме противотока. Топливо и воздух для его сжигания подают в одну шахту сверху в прямотке. Одновременно воздух для охлаждения извести подают в каждую шахту снизу в противотоке. Продукты сгорания топлива, диссоциации карбонатов, а также воздух после охлаждения извести, через переходной канал направляют в противоточную шахту и далее через систему газоочистки выбрасывают в атмосферу. Функции шахт периодически меняют. Объем печных газов непрерывно возрастает по ходу движения: так, объем печных газов, покидающих печь, почти вдвое превышает объем подаваемого на горение воздуха. Воздух для горения и охлаждения подают в шахты раздельно от двух групп ротационных воздуходувок (типа Рутса), которые характеризуются стабильностью характеристики: развиваемый напор равен сопротивлению столба материала в печи. Ротационные воздуходувки имеют производительность по воздуху до 8 тыс. м³/ч при напоре до 40 кПа. Более мощные ротационные воздуходувки не изготавливают в связи с техническими трудностями.

Недостаток способа состоит в том, что при большой единичной мощности агрегата (более 500 т/сут) количество ротационных воздуходувок увеличивается, что увеличивает капитальные затраты и усложняет их эксплуатацию. Так, для ППР-печи производительностью 600 т/сут требуется десять воздуходувок [2]
Известен способ обжига карбонатных пород в двухшахтной прямоточно-противоточной регенеративной печи, согласно которому воздух на горение и охлаждение извести подают с помощью турбовоздуходувок [3] Процесс осуществляют при параллельной работе двух или трех воздуходувок, воздух из которых поступает в общий коллектор. Давление в коллекторе несколько превышает давление в верхней части печи. Из коллектора воздуха распределяют по двум воздухопроводам: для горения топлива (около 60% объема) и для охлаждения (остальной). Воздух для охлаждения извести дросселируют с целью понижения его давления до уровня, равного сопротивлению зоны охлаждения и отводящей шахты. Оба процесса (горение топлива и охлаждение извести), как и в ранее описанном способе, протекают одновременно.

Недостатком способа является необходимость развивать турбовоздуходувками напор, превышающий фактические сопротивления шахт печи, что требует дросселирования воздушного потока. Это связано с тем, что сопротивление зоны охлаждения извести значительно ниже, чем остальных зон. Поэтому, воздуходувки должны развивать напор, рассчитанный на большее сопротивление (более 40 кПа). Удельный расход электроэнергии, в этой связи, будет на 50-100% превышать таковой при использовании ротационных воздуходувок. Кроме того, печь необходимо оснащать по развиваемому напору и производительности турбовоздуходувками, что увеличивает капитальные затраты. Данный способ взят в качестве прототипа, характеризующего существующий уровень техники.

Задача изобретения состоит в том, чтобы при использовании мощных турбовоздуходувок для подачи воздуха в печь добиться снижения энергетических и капитальных затрат.

Известный способ обжига кусковых карбонатных пород включает подачу воздуха в печь турбовоздуходувками в течение цикла, сжигание топлива в прямотоке, охлаждение извести воздухом в противотоке, отвод газообразных продуктов из печи и переключение шахт.

Сущность изобретения состоит в том, что сжигание топлива и охлаждение извести в цикле осуществляют поочередно. Дополнительно предлагается образующиеся во время охлаждения извести газообразные продукты отводить через обе шахты одновременно, а охлаждение извести в цикле проводить перед сжиганием топлива.

Перечисленные признаки нового способа отсутствуют в современном уровне техники, что свидетельствует о новизне предлагаемого технического решения.

Изобретательский уровень данного способа характеризуется совокупностью осуществляемых операций, не вытекающих явно из существенного уровня техники. Поскольку параметры воздуха горения и охлаждения (расход и давление) различны, то сжигание топлива и охлаждение извести в цикле осуществляют поочередно. Неочевидными являются также дополнительные признаки, развивающие основной: отвод образующихся во время охлаждения извести газообразных продуктов через обе шахты одновременно и охлаждение извести в цикле перед сжиганием топлива. При чередовании периодов сжигания топлива и охлаждения извести воздуходувки работают по самому рациональному режиму, определяемому условиями сжигания топлива: напор воздухонадувок близок к нормальному, определяемому сопротивлению столба обжигаемого материала, а расход воздуха определяется характеристикой воздуходувки. В период охлаждения извести расход воздуха возрастает вследствие уменьшения сопротивления охлаждаемого слоя. Благодаря этому полностью используется развиваемый напор воздуходувок. Соотношение между расходом воздуха V, полезным напором воздуходувки P^* (напором, который расходуется на преодоление сопротивления собственно печи) и сопротивлением столба материала P описывается уравнением:

и отношение расходов воздуха в периоды горения топлива (V^I) и охлаждение извести (V^II) составляет:

где
R^I сопротивление столбов зон подогрева и обжига обеих шахт;
R^II сопротивление зон охлаждения (в параллельном режиме) и зон обжига и охлаждения прямоточной шахты.

Способ иллюстрируется фиг. 1-3.

Вследствие того, что R^I > R^II, то всегда имеет место V^II > V^I (фиг.1). В случае отвода воздуха в период охлаждения через обе шахты одновременно сопротивление (R^III) уменьшится, так как образуется, по существу, два параллельных отводящих тракта. В этом случае V^III > V^II > V^I, т.е. еще более возрастает эффективность работы воздуходувок. Вариант, при котором охлаждение извести в цикле предшествует горению топлива, исключает необходимость установки дополнительных горелок для подогрева отходящих газов с целью недопущения их охлаждения ниже точки росы 55-60^oC. Это объясняется тем, что операция охлаждения извести приводит в конечном итоге к переносу тепла из зоны охлаждения в зону подогрева и подъему температуры известняка, особенно верхнего свежезагруженного слоя, на 50-10^oC. Температура выходящего из печи воздуха, как и печных газов, будет выше 60^oC, а точка росы воздуха не превышает 10^oC, поэтому при его подаче вспомогательная горелка не нужна. В последующей же операции сжигания топлива температура газообразных продуктов с первых секунд будет не менее 80^oC, поскольку верхние слои известняка окажутся прогретыми в предыдущей операции охлаждения извести.

Существо изобретения вытекает из рационального использования характеристик турбовоздуходувок, представленных на графике (фиг.2). Кроме характеристик, на график нанесены также кривые зависимости сопротивления печи от расхода воздуха и крупности известняка для двух вариантов: отвода воздуха после охлаждения извести через одну и через две шахты. Оптимальный расход воздуха определяется в точке пересечения характеристики воздуходувок и кривой сопротивления печи. В этом случае развиваемый напор воздуходувок и фактическое сопротивление печи будут одинаковы и воздушный поток не придется подвергать дросселированию. Фигуративные точки, определяющие расход воздуха, следующие: расход воздуха на горение А (A^I); расход воздуха на охлаждение извести при отводе его через одну шахту B (В^I); то же, но с отводом воздуха через две шахты C (С^I). Для всех случаев наблюдается равенство напора воздуходувок и аэродинамического сопротивления печи. Кроме того, расходы воздуха соотносятся как V_A< V_B< V_C, что означает интенсификацию теплообмена при охлаждении извести и сокращение этого периода. В период горения расход топлива (например природного газа) определяют по фактическому расходу воздуха с учетом коэффициента его избытка (α1,1 - 1,2).

Проверка разработанного способа проведена на модели двухшахтной прямоточно-противоточной печи ППР-480 Западно-Сибирского металлургического комбината. Печь рассчитана на известняк крупностью (40-80) мм. Топливо - природный газ с удельной теплотой сгорания 35 МДж/м³. Цикл включает в себя следующие операции:
сжигание топлива в прямотоке за счет подачи воздуха сверху в шахту, работающую в прямотоке; при этом расход воздуха устанавливается автоматически в соответствии с сопротивлением печи (фиг.2) так, в соответствии с графиком расход воздуха на горение определяется точками А (две турбовоздуходувки ТВ-200-1,4), соединенные параллельно) или А^I (3 воздуходувки ТВ-200-1,4) или другими точками, расположенными на кривой зависимости печи от расхода воздуха при заданной средней крупности карбонатных пород; отходящие газы из прямоточной шахты по переходному каналу переходят в отходящую противоточную шахту, а затем покидают печь;
охлаждение извести за счет подачи воздуха в нижнюю часть обеих шахт в противотоке; поскольку сопротивление печи при отводе воздуха в противотоке через одну (противоточную) шахту меньше, чем при сжигании топлива, то фактический расход воздуха на охлаждение будет значительно выше, чем в первой операции (точки В и В^I); при отводе же воздуха будет еще меньше и фактический расход воздуха на охлаждение возрастет (точки C и C^I); операция охлаждения в цикле может предшествовать сжиганию топлива;
переключение шахт, во время которого происходит загрузка известняка и выгрузка извести, а также переход к работе с новым направлением газовых потоков; прямоточная шахта становится противоточной и наоборот.

В процессе проверки опробованы следующие варианты технологии:
вариант 1 прототип (сжигание топлива и охлаждение извести совмещают во времени);
вариант 2 сжигание топлива и охлаждение извести в цикле осуществляют попеременно (раздельно во времени), с отводом газообразных продуктов через одну шахту;
вариант 3 то же самое, но газообразные продукты отводят через обе шахты одновременно;
вариант 4 то же самое, но охлаждение извести в цикле проводят перед сжиганием топлива.

Последовательность операций в каждом из трех вариантов следующая:
вариант I (прототип) одновременные сжигания топлива (в шахте 1) и охлаждение извести (в обеих шахтах); отвод газообразных продуктов через одну шахту (шахта II); выгрузка извести из обеих шахт; переключение шахт и загрузка известняка в шахту I; во втором цикле (в данном и во всех последующих вариантах) последовательность операций сохраняется, но меняются шахты, на которых они осуществляются;
вариант II сжигание топлива в шахте I; отвод газообразных продуктов через шахту II; отключение топлива на охлаждение извести через обе шахты и отвод газообразных продуктов через шахту II; выгрузка извести во время ее охлаждения из обеих шахт; переключение шахт и загрузка известняка в шахту I;
вариант III то же самое, что и вариант II, но отвод газообразных продуктов через обе шахты одновременно;
вариант IV то же самое, что и вариант II, но последовательность сжигания топлива и охлаждение извести (и сопутствующие им операции) меняются местами.

Схематически варианты изображены на фиг.3, а результаты проверки представлены в таблице.

Способ реализуется при оснащении печи турбовоздуходувками типа ТВ-200-1,4 (производительность 12000 м³/ч, напор 40 кПа) в количестве 4-х единиц, соединенных параллельно. В прототипе же предусмотрены дорогие воздуходувки типа ТВ-300-1,6 (производительность 18000 м³/ч, напор - 60 кПа) в количестве 3-х единиц. В первую очередь, определяли часовые расходы воздуха на сжигание топлива (точка А^I на фиг. 2), охлаждение извести с отводом газообразных продуктов через одну шахту (точка В^I) и охлаждение извести с отводом газообразных продуктов через обе шахты (точка С^I). Все указанные точки одновременно принадлежат характеристикам воздуходувок и кривым сопротивления шахт при обжиге материала крупностью 40-80 мм. Затем определяли напор воздуходувок (равный сопротивлению печи) и удельный расход электроэнергии (по развиваемой мощности воздуходувок). По часовому расходу воздуха определяли часовой расход природного газа, продолжительность операции в цикле, производительность печи.

Предлагаемый способ обеспечивает такую же, как в прототипе, или более высокую производительность агрегата при работе 4-х турбовоздуходувок.

Во всех заявленных вариантах в периоды сжигания топлива интенсивность подачи тепла в печь на 47,5% выше, чем в прототипе. Расход воздуха на охлаждение извести при отводе его через одну шахту (варианты 2 и 4) выше в 1,9 раза, а при отводе через обе шахты (вариант 3) выше в 2,3 раза. Благодаря этому производительность печи снижается, а в варианте III повышается на 4,4% Расход электроэнергии в предлагаемом способе уменьшается примерно вдвое.

При обжиге известняка более крупной фракции 60-100 мм представляется возможным интенсифицировать процесс.

Предложенный способ реализуется в проекте ППР-печей Западно-Сибирского металлургического комбината. Кроме того, он может быть реализован в аналогичных агрегатах, строящихся на других предприятиях России (Костомукшском ГОКе, Алапаевском МЗ). Проектирование и строительство ППР-печей предусмотрено также на Нижне-Тагильском и Белорецком металлургических комбинатах.

Использование: в металлургической, химической, строительной областях при эндотермическом обжиге карбонатсодержащего материала (известняка, доломита, магнезита, дунита). Сущность изобретения: для снижения энергетических и капитальных затрат при использовании мощных турбовоздуходувок в способе обжига кусковых карбонатных пород в двухшахтной прямоточно-противоточной печи, особенно большегрузной, включающем подачу воздуха в печь турбовоздуходувками в течение цикла, сжигание топлива в прямотоке, охлаждение извести в противотоке, отвод газообразных продуктов из печи и переключение шахт, сжигание топлива и охлаждение извести в цикле осуществляют поочередно. При этом образующиеся во время охлаждения извести газообразные продукты отводят через обе шахты одновременно, а охлаждение извести в цикле проводят перед сжиганием топлива. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ обжига кусковых карбонатных пород в двухшахтной прямоточно-противопоточной печи, преимущественно большегрузной, включающий подачу воздуха в печь турбовоздуходувками в течение цикла, сжигание топлива в прямотоке, охлаждение извести воздухом в противотоке, отвод газообразных продуктов из печи и переключение шахт, отличающийся тем, что сжигание топлива и охлаждение полученной извести в цикле осуществляют поочередно. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образующиеся во время охлаждения извести газообразные продукты отводят через обе шахты одновременно. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение извести в цикле проводят перед сжиганием топлива.