ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР Российский патент 2001 года по МПК C22B9/22 H05B7/18 F27B14/06 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для одновременного получения расплава вяжущих веществ, например цементного клинкера, расплава и возгонов редких металлов, и может быть использовано в цементной промышленности.

Известно устройство для плавления материала, преимущественно цементного клинкера, содержащее цилиндрическую камеру, стержневой электрод, проходящий в камеру сквозь верхнюю ее крышку, отверстия для ввода сырьевых материалов в своде и вывода в поде, две электромагнитные катушки, охватывающие камеру (авторское свидетельство СССР N 1020738, МКИ F 27 B 14/06, 1981 г.)
Недостатком указанного устройства является неудовлетворительное локальное перемешивание расплава и, как следствие, неудовлетворительное качество получаемого продукта, ненадежность системы слива расплава и разделения его на вяжущие и металлы, т.к. летка общая.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является плазменный реактор для получения различных расплавов, содержащий цилиндрическую камеру, стержневые электроды, проходящие в камеру сквозь верхнюю ее крышку, отверстия для ввода реагентов в своде камеры и вывода в поде, две электромагнитные катушки, охватывающие камеру и расположенные одна над другой по ее высоте (а.с. N 537459, кл.² H 05 В 7/18, 1976 г.)
Недостатками указанного устройства являются: недостаточное перемешивание расплава, невозможное разделение расплава на вяжущие и металлы внутри реактора, низкая производительность из-за неудовлетворительной тепловой подготовки сырьевых материалов перед вводом в плазменную дугу и расплав.

В основу настоящего изобретения положена задача повышения производительности печи, качества готового продукта, снижение энергозатрат и получение попутных вяжущих редких металлов в виде расплава и возгонов.

Согласно предлагаемому изобретению задача решается тем, что в плазменном реакторе для получения вяжущих веществ и редких металлов в виде расплава и возгонов, содержащем цилиндрическую камеру, стержневые электроды, проходящие в камеру сквозь верхнюю ее крышку, отверстия для ввода реагентов в своде камеры и вывода расплава в поде, две электромагнитные катушки, охватывающие камеру и расположенные одна над другой по ее высоте, верхняя катушка соединена с приводом для ее перемещения относительно продольного и поперечного сечения цилиндрического корпуса камеры, причем между отверстием для вывода расплава в поде и нижней катушкой установлен дополнительный канал для вывода расплава более легкого вяжущего вещества, электроды выполнены полыми, а в их полостях вмонтированы задерживающие падение сырьевого материала теплообменные элементы, реактор снабжен роликами и кольцом, причем кольцо выполнено с переменной высотой относительно его нижней поверхности с образованием на его верхней поверхности копирной дорожки, контактирующей с нижней плоскостью верхней катушки посредством роликов, а нижняя поверхность кольца оперта на ряд роликов, один из которых является ведущим и соединен с приводом верхней катушки, обеспечивающим кольцу вращательное движение относительно нее, задерживающие теплообменные элементы выполнены в виде наклонных пересыпных полок; задерживающие теплообменные элементы выполнены в виде шнека.

Плазменный реактор состоит (см. чертеж) из водоохлажденной цилиндрической камеры 1, стержневых полых графитовых электродов 2 и 3, проходящих в камеру 1 сквозь верхнюю ее крышку 4. Крышка 4 снабжена также каналом 5 для ввода сырьевых материалов (реагентов) и каналом 6 для эвакуации отходящих газов и в том числе возгонов редких металлов. По высоте шахты одна над другой установлены электромагнитные катушки: нижняя 7 и верхняя 8.

В подовой части 9 камеры 1 размещен клапан 10, прикрывающий летку для вывода расплава металлов, а между нижней катушкой 7 и клапаном 10 размещен канал 11 для вывода расплава вяжущих, например цементного клинкера. (Запирающий канал 11, клапан условно не показан). Верхняя электромагнитная катушка 8 снабжена роликами 12, опирающимися на плоскость копирной дорожки 13. Нижняя часть копирной дорожки 13 в свою очередь опирается на ролики 14, установленные на подшипниках 15. Подшипники 15 вмонтированы в опорное кольцо 16, жестко закрепленное к корпусу камеры 1. Один из роликов 17, на которые опирается копирная дорожка 13, является ведущим и соединен валом 18 с мотор-редуктором 19.

В полость стержневого графитового электрода 2 вмонтированы задерживающие падение сырьевого материала элементы в виде наклонных пересыпных полок 20. При этом для простоты исполнения электрод выполняется прямоугольной в поперечном сечении формы, а полки могут вставляться в отверстия в стенках стержня. Электрод 3 в своей полости может иметь задерживающий падение сырьевого материала элемент в виде шнека 21.

Плазменный реактор работает следующим образом.

По каналу 5 в камеру 1 вводится сухая сырьевая шихта, содержащая в расчетном количестве химические соединения, обеспечивающие при их плавлении получение вяжущих, например цементного клинкера.

При применении в качестве сырья отходов, например, химических производств, в отходах содержится некоторое количество редких металлов: никеля, золота, серебра, лития и т.д.

Концы электродов внутри камеры сводят и опускают в нижнюю часть камеры 1 ниже нижней катушки 7. При поднятии уровня сырьевого материала до концов электродов на последние подается напряжение, например, постоянного тока от преобразователя.

Концы электродов сводят до контакта. При разведении электродов образуется электрический дуговой разряд (дуга), представляющий собой низкотемпературную плазму. При этом в электроды подают плазмообразующий газ, например азот или диоксид углерода. Материал в камере нагревается до температуры плавления. При обжиге клинкера температура расплава достигает 2000-2100^oC.

При подъеме уровня расплава выше нижней катушки подается напряжение на ее обмотку. Стенки камеры выполняются из немагнитного материала, например стали, содержащей большое количество никеля, хрома и титана. Образующееся в результате прохождения тока через катушку электромагнитное поле воздействует на расплав, который в жидком состоянии становится токопроводным. Индуктивный ток поддерживает температуру на достигнутом (благодаря дуговому разряду) уровне. При наборе некоторой массы расплава и разогреве электродов внутри камеры выше 1000^oC подают материал через полости электродов 2, 3. При этом в электроде 2 сырьевой материал пересыпается с полки на полку 20, которые нагреты до температуры, близкой к температуре электрода. При относительно медленном (по сравнению с вертикальным падением) перемещении материала и непосредственном контактом с нагретой поверхностью полок происходит передача тепла от полок к материалу и последний (предварительно подогретый), доведенный до температуры диссоциации карбонатов, попадает на поверхность расплава и расплавляется с большой скоростью, т.к. в этом случае идут уже экзотермические реакции, проходящие с выделением тепла. При этом производительность камеры плавления повышается. Тот же процесс подогрева сырьевого материала происходит в электроде 3, но в этом случае подогрев происходит при движении материала по винтовой поверхности. При подъеме расплава выше катушки 8 подается напряжение на последнюю. При этом включают мотор-редуктор 19. Через вал 18 передается вращательное движение на ролик 17, который, плотно контактируя с нижней поверхностью копирной дорожки 13, в свою очередь приводит последнюю во вращательное движение на роликах 14 относительно опоры роликов 16 цилиндрической поверхности камеры 1 и катушки 8, благодаря тому, что катушка 8 установлена на ролики 12, контактирующие с верхней поверхностью копирной дорожки 13, и удержанию катушки от поворота вокруг корпуса камеры 1 (механизм удержания катушки на чертеже условно не показан). При вращении копирной дорожки происходит колебательное движение катушки 8 в плоскостях, пересекающих продольную (вертикальную) ось печи.

При колебательных движениях катушки 8 меняет свое положение и магнитное поле, образующееся внутри токопроводного расплава, который активно перемешивается и дополнительно нагревается. В результате перемешивания расплава за счет вращающегося магнитного поля, создаваемого трехфазной катушкой и колебательного движения самой катушки происходит гомогенизация расплава, что активно способствует увеличению производительности установки и повышению качества основной продукции, например цементного клинкера. Скорость перемешивания задается скоростью изменения магнитного поля и зависит от частоты и мощности переменного тока и скорости механических колебаний катушки, которая в свою очередь зависит от скорости вращения копирной дорожки. Скорость перемешивания регулируется в зависимости от вязкости расплава, а последняя - от его температуры. Имея данные по температуре расплава, задают и скорость колебаний катушки 8.

При расплавлении шихты для получения цементного клинкера, в которой содержится небольшое количество редких металлов, некоторые их них, температура плавления которых несколько выше клинкерного расплава (кроме вольфрама и молибдена) оседают в подовой части 9 камеры 1 над клапаном 10 и периодически (по мере накопления) выпускаются в изложницы. Осаждение металлов идет за счет того, что их плотность минимум в два раза выше клинкерного расплава.

Пары легковозгоняемых редких металлов (например лития) вместе с диоксидом углерода, выделяемым в результате декарбонизации карбонатных компонентов клинкерной шихты, вылетают под действием разрежения, создаваемого в канале 6, в специальные разделительные и кондиционные устройства, где пары металлов конденсируются, переходя в металл или его соединения, а диоксид углерода может использоваться для получения сухого льда или специальным нагнетателем снова вводится в реактор через электроды. Легкие металлы или их соединения передаются на дальнейшую переработку для получения кондиционного продукта. Клинкерный расплав периодически или непрерывно (при согласованном вводе в камеру 1 сырья) выливают в холодильник или гранулятор, в которых утилизируют тепло расплава.

(Для снижения вязкости расплава клинкера во время периодического слива, катушку 7 можно перемещать в зону канала 11).

Остывший клинкер передают на измельчители для получения цемента.

Таким образом, предлагаемое устройство за счет предварительной тепловой обработки шихты позволяет повысить производительность, а за счет активного перемешивания расплава - качество готовых продуктов. Вместе с тем конструктивное выполнение реактора позволяет получать попутные продукты в виде их расплава и возгонов.

Изобретение относится к электродуговым плазменным реактором для одновременного получения расплава вяжущих веществ и возгонов редких металлов и может быть использовано в цементной, металлургической и химической промышленности. Плазменный реактор содержит цилиндрическую камеру, стержневые электроды, проходящие в камеру сквозь верхнюю ее крышку, отверстия для ввода реагентов в своде камеры и вывода в поде, две электромагнитные катушки, охватывающие камеру и расположенные одна под другой по ее высоте. Верхняя катушка соединена с приводом, обеспечивающим последней перемещение относительно продольного и поперечного сечения цилиндрического корпуса камеры реактора. Между отверстием для вывода расплава в поде и нижней катушкой установлен дополнительный канал для вывода более легкого расплава - вяжущего. Электроды выполнены полыми, а в их полостях вмонтированы задерживающие падение сырьевого материала теплообменные элементы. Изобретение позволяет повысить производительность печи, качество готового продукта, снизить энергозатраты. 3 з.п. ф-лы. 1 ил.

1. Плазменный реактор для получения вяжущих веществ и редких металлов в виде расплава и возгонов, содержащий камеру с цилиндрическим корпусом, стержневые электроды, проходящие в камеру сквозь верхнюю ее крышку, отверстия для ввода сырьевого материала в своде камеры и вывода расплава в поде, верхнюю и нижнюю электромагнитные катушки, охватывающие камеру и расположенные одна над другой, отличающийся тем, что верхняя катушка соединена с приводом для ее перемещения относительно продольного и поперечного сечения цилиндрического корпуса камеры, причем между отверстием для вывода расплава в поде и нижней катушкой установлен дополнительный канал для вывода расплава более легкого вяжущего вещества, стержневые электроды выполнены полыми, а в их полостях вмонтированы задерживающие падение сырьевого материала теплообменные элементы. 2. Плазменный реактор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен роликами и кольцом, причем кольцо выполнено с переменной высотой относительно его нижней поверхности с образованием на его верхней поверхности копирной дорожки, контактирующей с нижней плоскостью верхней катушки посредством роликов, а нижняя поверхность кольца оперта на ряд роликов, один из которых является ведущим и соединен с приводом верхней катушки, обеспечивающим кольцу вращательное движение относительно нее. 3. Плазменный реактор по п.1, отличающийся тем, что задерживающие теплообменные элементы выполнены в виде наклонных пересыпных полок. 4. Плазменный реактор по п.1, отличающийся тем, что задерживающие теплообменные элементы выполнены в виде шнека.