ПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ Российский патент 2003 года по МПК F27B1/00 F27B1/08 F27B1/16 

Изобретение относится к устройствам для получения цементного клинкера на основе огненно-жидкого шлака металлургических печей и может быть использовано в металлургии и цементной промышленности.

Известно устройство для получения плавленого цементного клинкера с использованием огненно-жидкого металлургического шлака, выполненное в виде центробежной машины с приемной камерой для огненно-жидкого шлака и известняка. Под камеры выполнен в виде диска с возможностью вращательного движения. Отверстие для выхода готового продукта направлено на гранулятор расплава, выполненный в виде отражательного щита-экрана (Х.С. Воробьев и Д.Я. Мазуров "Теплотехнические расчеты цементных печей и аппаратов", М., 1962 г., стр. 108-109, рис. 45).

Недостатками устройства являются невысокая производительность из-за периодичности процесса, низкое качество клинкера (марка не выше "М 300").

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является плавильная печь для получения строительных материалов преимущественно цементного клинкера на основе огненно-жидкого шлака металлургических печей, содержащая плавильную камеру с футерованными стенами, подом и сводом, над которым смонтирован канал отходящих газов, погружными фурмами для ввода в расплав топлива и окислителя и гранулятор расплава (X.С. Воробьев и Д.Я. Мазуров "Теплотехнические расчеты цементных печей и аппаратов", М., 1962 г., стр. 106-107, рис. 44).

Недостатки указанного устройства следующие: периодический режим работы и по этой причине невысокая производительность, высокий удельный расход тепла из-за отсутствия узла утилизации высокотемпературных газов для тепловой обработки холодного сырья перед подачей в плавильную камеру; недостаточно высокое качество клинкера из-за недостаточно хорошего локального перемешивания расплава, создаваемого фурмами, расположенными в цилиндрической камере на значительном расстоянии друг против друга; гранулятор расплава, выполненный в виде изложниц, не обеспечивает быстрого и регулируемого охлаждения клинкера.

В основу настоящего предлагаемого изобретения положена задача повышения производительности печи, снижения удельного расхода топлива и окислителя, повышение качества клинкера.

Согласно предлагаемому изобретению задача решается тем, что плавильная камера выполнена в виде тоннеля с шириной между фурмами, установленными в боковых стенах по длине плавильной камеры, равной 0,1÷0,4 L (где L - длина тоннеля), канал над сводом разделен по длине на три вертикальные камеры, которые, в свою очередь, разделены по высоте решетками на отдельные отсеки, служащие для прохода отходящих газов, одни из которых в периферийных вертикальных камерах снабжены переливными каналами, центральная камера изолирована от периферийных футеровкой и снабжена патрубками для ввода и вывода охлаждающего воздуха, причем решетки выполнены из замурованных в стены вертикальных камер тепловых труб - термосифонов с испарительными частями, расположенными в периферийных каналах и конденсационными - в центральном канале, а в торцевых стенах выполнены окна для ввода огненно-жидкого шлака и вывода готового продукта, при этом последнее входит в обогреваемую камеру, в нижней части которой смонтированы профилированные вальцы гранулятора расплава; на решетке могут быть установлены шурующие планки в виде гребенок, закрепленных на штоках, соединенных вне камер с приводами возвратно-поступательного движения.

Кроме того, профилированные вальцы гранулятора могут быть выполнены полыми и могут быть закреплены на полых водопроводящих валах, а внутри полости заполнены металлическими шарами и полками, смонтированными на внутренней поверхности вальцов, причем профили вальцов образованы ячейками, например, в виде полусфер, каждая из которых сообщается водяными каналами с внутренним пространством вальцов.

На фиг.1 изображен продольный вид плавильной печи. Условно показано подсоединение ее к металлургической печи. Плавильная камера в приведенном примере снабжена двумя одинаковыми теплообменными вертикальными каналами (по всей длине камеры).

На фиг. 2 показан продольный вид теплообменного канала под сводом плавильной камеры с продольным разрезом одной из камер в верхней (входной для твердого компонента) части канала.

На фиг.3 дан поперечный разрез теплообменного канала.

На фиг. 4 показан поперечный разрез одного из отсеков вертикальных каналов (вид А-А-А).

На фиг. 5 показан фрагмент разреза решетки одного из отсеков с изображением гребенки шурующей планки для очистки труб решетки.

На фиг. 6 показан фрагмент трубы решетки с поперечным разрезом шурующей планки.

На фиг.7 и 8 показаны соответственно поперечный разрез гранулятора расплава и вид сверху на входную часть гранулятора.

Печь состоит из плавильной камеры 1, выполненной в виде тоннеля с шириной между фурмами 2, вмонтированными в боковые стенки 3, равной 0,1-0,4 L, где L - длина тоннеля от загрузочной стенки 4 до переливной стенки 5. Над сводом 6 канал для отходящих газов 7 разделен по длине на три вертикальные камеры 8, 9, 10. Две из них (периферийные камеры) 8 и 10 служат для прохода отходящих газов из плавильной печи, а центральная - для прохода охлаждающего решетки воздуха. Камера 9 в нижней части снабжена входным патрубком 11, а в верхней выходным патрубком 12. Стены камеры 9 выполняются из жаропрочного бетона.

Все три камеры 8, 9, 10 разделены решетками 13 на отдельные отсеки 14, сообщающиеся между собой через щели 15 в решетках 13 и переливные каналы 16. Решетки выполнены из отдельных колосников в виде тепловых труб (термосифонов) 17. Трубы изготовляются из жаростойкой стали. Торцы труб имеют герметичные заглушки. Внутреннее пространство труб заполнено легкоплавким (по сравнению с жаростойкой сталью) металлом или их сплавами, например медью, бронзой, латунью, алюминием, оловом (баббитом). Указанные металлы обладают по сравнению со сталью не только более низкой температурой плавления, но и более высокой теплопроводностью, что очень важно для "работы" тепловой трубы.

В конце описания приводится таблица указанных значений.

Чем выше температура газов, входящих в решетку, тем более тугоплавким металлом заполнены тепловые трубы соответствующей решетки. Трубы нижней решетки заполнены, например, медью, средней, например, алюминием, а верхней баббитом с максимальным количеством олова в нем.

Тепловые трубы пересекают все три вертикальные камеры 8, 9, 10, причем концы труб находятся в периферийных камерах 8 н 10, а центральные части в воздушной камере 9. Над трубами 17 решеток 13 устанавливаются шурующие планки, выполненные в виде гребенок 18, зубья которых входят в щели решеток. Ширина зуба зависит от ширины щели. Как показано на фиг.2, 3, длина решетки 13 практически равна длине плавильной камеры (L), а ширина - ширине плавильной камеры (0,1-0,4 L). Зазоры между решетками уменьшаются по длине плавильной камеры с целью подачи в приемную часть камеры 1 мелкодисперсной извести, а далее по длине камеры - более крупных фракций. Гребенка 18 с помощью штока 19 подсоединена к мотор-редуктору 20 привода шурующей планки. Для осуществления возвратно-поступательного движения гребенки шток 19 имеет на торце вне газохода внутреннюю трапециеидальную резьбу, являясь, по существу, ходовой гайкой. Приводной винт 21 через муфту соединен с валом мотор-редуктора. В неработающем состоянии (исходном) гребенки находятся в нишах 22 огнеупорной футеровки каналов-газоходов 8, 10. Все детали шурующих планок кроме привода изготавливаются из жаропрочной стали.

Каналы 8, 10 в выходной части объединяются в общий газоход 23 отходящих газов, который подсоединяется к циклону-осадителю (на чертеже условно не показан). Циклон-осадитель своей течкой для охлаждения мелкодисперсной извести подсоединен к входной части плавильной камеры 1. К торцевой стенке входной части плавильной камеры 1 подсоединен переточной канал 24 для огненно-жидкого шлака, а последний подключен к сливному отверстию металлургической печи 25 (металлургическая печь показана условно).

Переливное отверстие для расплава клинкера ограничено верхней отметкой переливной стенки 5, сводом 6 и боковыми стенками 3. То есть переливное отверстие имеет ширину плавильной камеры (0,1-0,4 L).

Над стенкой 5 в своде переливного канала 26 установлены обогревающие горелки 27, а к нижней части канала 26 подсоединена входная часть 28 гранулятора расплава клинкера 29, который выходной частью подсоединен к входной камере холодильника клинкерных гранул 30.

Холодильник 30 снабжен разгружателем 31, под которым установлены транспортеры 32 холодного кондиционного клинкера. В верхней части каналов 8, 10 по всей длине верхней решетки 13 установлен питатель 33, например, ячейкового типа, над которым закреплен питающий бункер 34, а под питателем установлена течка 35. Последняя выполнена в виде короба по всей длине решетки, выходная часть которого расположена непосредственно над арочным сводом воздушной камеры 9. Над бункером 34 установлены ленточные транспортеры 36 для подачи известняка в бункеры 34 печи. В приведенном примере транспортеров 36 четыре (условно показан один). Первый предназначен для подачи фракций, например, до 2 мм в канал, установленный над загрузочной частью плавильной камеры, второй для подачи, например, фракций до 4 мм во второй канал, третий для подачи фракций до 5 мм в третий канал и четвертый для подачи фракций до 7 мм в четвертый канал.

Для подачи известняка на транспортеры 36 установлен элеватор 37.

Гранулятор расплава 29 снабжен полыми профилированными валками 38. Профили валков 38 образованы ячейками 39 на поверхности валков, например, в виде полусфер или "полуподушечек" (как изображено на фиг.7,8). Приводные валы 40 валков 38 выполнены полыми для возможности подачи охлаждающей воды в полость валков 38. Через скользящие уплотнения 41 валы соединены со стационарным водопроводом 42. Привод 43 обеспечивает вращение валов 40 и соответственно валков 38 навстречу друг другу.

Полости валков 38 и ячеек 39 сообщены между собой посредством сверлений 44, обеспечивающих подачу воды в пространство между валками на поверхность расплава. Выходная часть валов 38 снабжена патрубками 45 для слива основной массы горячей воды из полостей валков 38 в систему оборотного водоснабжения. Внутри полостей валков 38 могут быть установлены полки 46 для подъема и сброса шаров 47 при вращении валков.

Печь работает следующим образом.

Перед началом работы плавильной печи, а именно перед впуском огненно-жидкого шлака в плавильную камеру, последнюю разогревают с помощью обогревающих горелок 27 и фурм 2, работающих в режиме разогрева с небольшим расходом газа и окислителя. С целью исключения перегрева системы эвакуации горячих отходящих газов в период розжига последние направляют в атмосферу через специальный розжиговый канал (на чертеже условно не показан).

После разогрева плавильной камеры 1 до 1350-1400^oС в нее подают огненно-жидкий шлак непрерывным потоком с расходом, обеспечивающим заданную производительность по клинкеру, и с температурой 1350^oС. В процессе перелива шлак перегревают с помощью дополнительных горелок до 1500-1600^oС (дополнительные горелки условно не показаны). По мере накопления шлака в плавильной камере, когда его уровень примерно на 1 м превысит уровень сопел фурм 2, через последние увеличивают расход горючей смеси, обеспечивая активный барботаж расплава шлака и повышение температуры от входа до выхода из камеры. Одновременно в расплав подают известь, образованную в результате разогрева и декарбонизации известняка на решетках 13 теплообменных каналов 8, 10.

Благодаря выполнению плавильной камеры в виде тоннеля, расстояние между боковыми стенками позволяет обеспечить достаточно интенсивный барботаж расплава по всей поверхности расплава, а значит провести хорошее усреднение состава клинкера и температуры. Выбор соотношения ширины и длины плавильной камеры зависит в основном от производительности печи Чем больше производительность, тем больше соотношение Так, для печи производительностью 50 тонн в час наиболее приемлемое соотношение 0,1 L (где L - длина тоннеля). При длине тоннеля 10 метров ширина составляет 1 метр.

Разогрев и декарбонизация известняка осуществляется следующим образом.

Предварительно разделенный на фракции (указанные в описании устройства) известняк подается элеватором 37 на транспортеры 36, посредством которых направляется в бункеры 34, а из них дозатором 33 через каналы 35 на свод камеры 9 и далее на решетки 13 верхних секций 14 В результате высокой скорости высокотемпературных отходящих газов, пронизывающих решетки, гранулы известняка приводятся в состояние псевдоожижения ("кипящего" слоя) При этом происходит интенсивная теплопередача от газов к материалу, при которой температура газов и материала в слое практически выравниваются. По мере накопления материала на решетках 13 он "переливается" через переливные каналы 16 в нижележащую секцию 14 и далее, двигаясь в противотоке с высокотемпературными газами, выпадает в расплав в виде мелкокусковой извести.

Так как реакция декарбонизации практически завершилась (окончательно при температуре 1100^oС) за достаточно продолжительное время пребывания на решетках (порядка 20-30 минут), осевшая на расплав известь незначительно влияет на температурный режим расплава. Известь лишь перегревается до температуры расплава. Кроме того, снижению температуры препятствуют экзотермические реакции клинкерообразования.

Благодаря последовательной подаче все более крупных фракций извести во все более перегретый расплав, последний не имеет зон загустевания. Перегретый расплав клинкера с температурой 2000-2100^oС по мере накопления перетекает широкой лентой через переливную стенку 5. Горелки 27, установленные в задней стенке печи, не дают расплаву затвердеть. Расплав далее попадает на вальцы 38 гранулятора 29. Вальцы 38 охлаждаются водой, поступающей через сальниковые уплотнения 41 на приводных валах 40. Большая часть воды уходит в систему оборотного водоснабжения через патрубки 45, а другая часть вытекает через сверления 44 в ячейках 39 вальцов 38 на расплав, из которого формируются гранулы. Формирование гранул в виде шаров или "подушечек" происходит при сжатии ленты расплава между валками 38. Отрыв гранул от валков происходит либо самопроизвольно, либо принудительно при вибрации, которая создается при падении шаров 47 с полок 46, закрепленных внутри вальцов 38. Частично охлажденные по поверхности гранулы далее выпадают в шахтный холодильник 30, где в перекрестном токе с холодным воздухом охлаждаются до температуры 80-100^oС и выгружаются на транспортеры 32 с помощью разгружателя 31.

Работоспособность теплообменников кипящего слоя во многом зависит от основного узла - решетки 13, колосники которой перегорают, деформируются или забиваются обрабатываемым материалом. Предлагается конструкция решеток, колосниками которой служат тепловые трубы 17, обеспечивает работу при высоких температурах газов.

В тепловых трубах (термосифонах) подвергающаяся нагреву часть трубы называется "испарительной", так как в большинстве случаев трубы заполняют испаряющимися веществами (вода, тасол и др.). Охлаждаемую часть трубы называют "конденсационной".

В предлагаемом устройстве теплоноситель не испаряется и не конденсируется, а плавится и застывает. При изменении агрегатного состояния веществ происходит интенсивная теплоотдача и перенос тепла.

В приведенной конструкции металл, находящийся внутри стальной трубы в "испарительной" части (каналы 8 и 9), плавится, резко отбирая тепло от тела трубы и, тем самым, предохраняя ее от размягчения, а в "конденсационной" части (канал 10) застывает под действием охлаждающего воздуха, проходящего по каналу 10.

Через определенные промежутки времени (например, через 30-60 минут) включается привод шурующих планок. Винт 21 привода через ходовую гайку толкает шток 19 и последний перемещает гребенку 18, которая своими зубьями очищает поверхность трубы 17 и зазоры между трубами. После окончания полного хода гребенка 18 устанавливается приводом в нишу футеровки и поэтому не подвергается перегреву. Таким образом, работоспособность решетки, а значит и всей конструкции печи резко возрастает, что в конечном итоге приводит к снижению простоев печи и повышению ее производительности.

Практически полная декарбонизация известняка теплом отходящих газов также ведет к повышению производительности печи и к резкому снижению расхода топлива и окислителя.

Расчет промышленной печи производительностью 400000 тонн клинкера в год или 50 тонн в час показал, что для получения такого количества клинкера в печи по прототипу, объем ее плавильной камеры должен составлять 120 м³, а в предлагаемой конструкции 48 м³, т. е. съем клинкера с единицы объема в предлагаемой печи будет в 2,5 раза выше, чем в прототипе.

В то же время удельный расход топлива и кислорода (в нм³/тонну клинкера) составляет соответственно 244 нм³ и 496 нм³ (прототип) и 68 нм³ и 140 нм³ в предлагаемой конструкции.

Расчетные потери тепла с охлаждением печи предлагаемой конструкции практически в два раза ниже, чем потери в печи по прототипу, а это очень существенно, так как для охлаждения стен плавильных камер используется вода.

Более высокие затраты на изготовление и эксплуатацию устройства окупаются при получении большой экономии.

Изобретение относится к устройствам для получения цементного клинкера на основе огненно-жидкого шлака металлургических печей и может быть использовано в металлургии и цементной промышленности. Технический результат: повышение производительности печи, повышение качества клинкера. Плавильная печь содержит плавильную камеру с футерованными стенами, подом и сводом, над которым смонтирован канал отходящих газов, погружными фурмами для ввода в расплав топлива и окислителя и гранулятор расплава. Плавильная камера выполнена в виде тоннеля с шириной между фурмами, установленными в боковых стенах по длине плавильной камеры, равной 0,1-0,4 L (где L - длина тоннеля). Канал над сводом разделен по длине на три вертикальные камеры, которые, в свою очередь, разделены по высоте решетками на отдельные отсеки, служащие для прохода отходящих газов, одни из которых в периферийных вертикальных камерах снабжены переливными каналами. Центральная камера изолирована от периферийных футеровкой и снабжена патрубками для ввода и вывода охлаждающего воздуха. Решетки выполнены в виде замурованных в стены вертикальных камер тепловых труб - термосифонов с испарительными частями, расположенными в периферийных каналах, и конденсационными - в центральном канале. В торцевых стенах выполнены окна для ввода огненно-жидкого шлака и вывода готового продукта, при этом последнее входит в обогреваемую камеру, в нижней части которой смонтированы профилированные вальцы гранулятора расплава. 2 з.п.ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Плавильная печь для получения строительных материалов, преимущественно цементного клинкера на основе огненно-жидкого шлака металлургических печей, содержащая плавильную камеру с футерованными стенами, подом и сводом, над которым смонтирован канал отходящих газов, погружными фурмами для ввода в расплав топлива и окислителя и гранулятор расплава, отличающаяся тем, что плавильная камера выполнена в виде тоннеля с шириной между фурмами, установленными в боковых стенах по длине плавильной камеры, равной 0,1÷0,4 L, где L длина тоннеля, канал над сводом разделен по длине на три вертикальные камеры, которые, в свою очередь, разделены по высоте решетками на отдельные отсеки, служащие для прохода отходящих газов, одни из которых в периферийных вертикальных камерах снабжены переливными каналами, центральная камера изолирована от периферийных футеровкой и снабжена патрубками для ввода и вывода охлаждающего воздуха, причем решетки выполнены из замурованных в стены вертикальных камер тепловых труб-термосифонов с испарительными частями, расположенными в периферийных каналах, и конденсационными - в центральном канале, а в торцевых стенах выполнены окна для ввода огненно-жидкого шлака и вывода готового продукта, при этом последнее входит в обогреваемую камеру, в нижней части которой смонтированы профилированные вальцы гранулятора расплава. 2. Плавильная печь по п. 1, отличающаяся тем, что на решетке установлены шурующие планки в виде гребенок, закрепленных на штоках, соединенных вне камер с приводами возвратно-поступательного движения. 3. Плавильная печь по п. 1, отличающаяся тем, что профилированные вальцы гранулятора выполнены полыми и закреплены на полых водопроводящих валах, а внутри полости заполнены металлическими шарами и полками, смонтированными на внутренней поверхности вальцов, причем профили вальцов образованы ячейками, например, в виде полусфер, каждая из которых сообщается водяными каналами с внутренним пространством вальцов.