СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗВЕСТИ Российский патент 2003 года по МПК C04B2/12 F27B1/00 

Изобретение относится к области производства извести из кускового карбонатного материала в шахтных печах и может быть использовано в черной и цветной металлургии, в химической и строительной отраслях промышленности.

Известен способ получения извести в шахтной печи производительностью 150 т/сутки, включающий загрузку кускового известняка через загрузочное устройство печи, производимую на всю площадь поперечного сечения печи, его последующий обжиг продуктами сгорания топлива в режиме противотока при вводе газообразного топлива через пять газовых балок, расположенных на одном уровне, и выгрузку готового продукта (см. патент РФ 2155726, МПК⁷ C 04 B 2/12, опубл. 10.09.2000 г., "Способ производства извести").

Ввод газообразного топлива в рабочее пространство печи через балочные горелки позволяет достаточно равномерно распределить топливо по сечению печи. Однако балочные горелки, перекрывая поперечное сечение печи, служат препятствием для движущегося слоя материала, что приводит к образованию застойных зон и зон ускоренного схода материала и в результате к неравномерному распределению температур, давлений и скоростей газовых потоков и, как следствие, - к неравномерному обжигу известняка. Большой перепад температур в пределах сечения печи требует охлаждения балок большим количеством воды, что делает горелки опасными в эксплуатации.

Известен способ получения извести в шахтной печи производительностью 200 т/сутки и диаметром в зоне обжига 4,3 метра, включающий загрузку кускового известняка через загрузочное устройство печи, производимую на всю площадь поперечного сечения печи, его последующий обжиг продуктами сгорания топлива в режиме противотока при периферийном вводе газообразного топлива через два яруса водоохлаждаемых консольных фурменных горелок и центральном вводе газообразного топлива в осевую часть печи через центральную (подовую) конусную горелку и выгрузку готового продукта (см. книгу Монастырева А.В. Производство извести. - М.: Высшая школа, 1978, с. 133 и 134).

Ввод газообразного топлива в осевую часть печи большого диаметра (более двух метров) позволяет более равномерно распределить топливо по сечению печи и обеспечить достаточно высокое качество производимой извести. Однако, с другой стороны, при вводе топлива через центральную подовую горелку, расположенную на рассекателе выгрузочного механизма, то есть через неподвижное тело, расположенное в рабочем объеме печи, нарушается равномерность схода материала, что способствует образованию застойных зон и зон ускоренного схода материала и в результате приводит к неравномерному распределению газового потока и неравномерному обжигу известняка. Кроме того, выход из строя центральной горелки приводит к полной остановке печи на длительное время, розжиг такой горелки достаточно сложен, установка ее на подине печи не позволяет использовать современные разгрузочные питатели, в итоге известный способ не обеспечивает эффективный обжиг известняка за счет ее неритмичной работы.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения извести в шахтной печи производительностью 100 т/сутки и диаметром в зоне обжига 3,2 метра, включающий загрузку кускового известняка через загрузочное устройство печи, производимую на всю площадь поперечного сечения печи, его последующий обжиг продуктами сгорания топлива в режиме противотока при периферийном вводе газообразного топлива в рабочее пространство печи через два яруса, в верхнем ярусе - через консольные фурменные горелки в пристенную область зоны обжига и в нижнем ярусе - через консольные фурменные горелки в приосевую область зоны охлаждения, и выгрузку готового продукта (см. книгу Монастырева А.В. Производство извести. -М.: Высшая школа, 1978, с. 129-131).

При осуществлении известного способа обеспечивается достаточная равномерность схода материала, однако продукты сгорания топлива не достигают осевой части печи большого диаметра (более двух метров), что приводит к неравномерному радиальному распределению температур, давлений и скоростей газовых потоков и в результате отрицательно сказывается на производительности процесса и качестве получаемой извести (степень обжига составляет 75-80%).

Заявляемое изобретение предусматривает увеличение производительности процесса при одновременном повышении качества извести, то есть уменьшения недожога и пережога, за счет обеспечения равномерного распределения продуктов сгорания топлива и обжига известняка по всему сечению печи большого диаметра (более двух метров).

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения извести, включающем загрузку кускового известняка через загрузочное устройство печи, производимую на всю площадь поперечного сечения печи, его последующий обжиг продуктами сгорания топлива в режиме противотока при периферийном вводе газообразного топлива в рабочее пространство печи и выгрузку готового продукта, согласно изобретению после загрузки известняка дополнительно загружают твердое топливо в осевую часть печи, недоступную для проникновения продуктов сгорания газообразного топлива, причем удельный расход твердого топлива в осевой части печи устанавливают по формуле
К₀ = К_печи•(F₀/F_печи), кг/т извести,
где К₀ - удельный расход твердого топлива в осевой части печи, кг/т извести;
К_печи - удельный расход твердого топлива, приходящийся на общую площадь поперечного сечения печи, равный 150-230 кг/т извести;
F₀ - площадь поперечного сечения осевой части печи в зоне обжига, м²;
F_печи - общая площадь поперечного сечения печи, м²,
а удельный расход газообразного топлива изменяют пропорционально удельному расходу твердого топлива в осевой части печи с учетом теплотворных способностей твердого и газообразного топлива на величину, определяемую по формуле:
V = К₀•А, м³/т извести,
где V - величина изменения удельного расхода газообразного топлива, м³/т извести;
К₀ - удельный расход твердого топлива в осевой части печи, кг/т извести;
А - коэффициент, равный отношению теплотворных способностей твердого и газообразного топлива,
причем в качестве твердого топлива используют кокс, или антрацит, или уголь, или углеродистые отходы.

Известно, что при периферийном вводе газообразного топлива в рабочее пространство шахтной печи через горелки интенсивное перемешивание газа с воздухом, то есть его равномерное распределение, происходит лишь на небольшом участке на расстоянии 0,8-1,0 метра от стенки печи (см. книгу Табунщикова Н. П. Производство извести. - М.: Химия, 1974, с. 63 и 64).

Известный периферийный ввод газообразного топлива обеспечивает сравнительно равномерное распределение газов от периферии к центру печи лишь в печах с внутренним диаметром до двух метров, а в печах большого диаметра (с диаметром от 2,1 до 4,5 метра) и, соответственно, высокой производительности остается осевая часть, недоступная для проникновения продуктов сгорания газообразного топлива, не обеспечивается равномерный обжиг материала, причем, чем больше диаметр печи, тем сильнее затрудняется процесс обжига.

Горение газообразного топлива при его периферийном вводе обеспечивает подвод тепла и процесс обжига в периферийном (пристенном) кольце толщиной до одного метра, а в оставшейся осевой части печи эндотермический процесс обжига согласно заявляемому изобретению обеспечивается за счет горения твердого топлива, загружаемого после загрузки известняка через то же загрузочное устройство.

При удельном расходе добавляемого твердого топлива в количестве 150-230 кг/тонну извести, приходящемся на общую площадь поперечного сечения печи, тепловой баланс печи, а именно количество расходуемого тепла на тонну получаемой извести, сохраняется постоянным при соответствующем изменении удельного расхода газообразного топлива с учетом теплотворных способностей твердого и газообразного топлива.

Пределы изменения количества вводимого твердого топлива зависят от качества обжигаемого карбонатного материала - известняка или доломита (то есть от содержания в материале СаСО₃) и режима работы шахтной печи, при котором расход твердого топлива на одну тонну получаемой извести зависит от степени обжига (чем выше степень обжига, тем больше расход твердого топлива) и температуры отходящих газов (чем выше температура, тем больше расход топлива). В табл. 1 представлены значения удельного расхода твердого топлива, приходящегося на общую площадь поперечного сечения печи, для различных режимов работы шахтных печей.

Минимальный удельный расход добавляемого твердого топлива соответствует работе печи со степенью обжига менее 85% и пониженной температуре отходящих газов менее 250^oС при минимальном расходе загружаемого известняка И = 1750 кг/т извести.

Максимальный удельный расход добавляемого твердого топлива соответствует работе печи с высоким качеством извести (степень обжига более 95%) и с температурой отходящих газов более 350^oС при максимальном расходе загружаемого известняка И = 1900 кг/т извести.

Уменьшение или увеличение указанных пределов приводит к нарушению теплового баланса печи, что отражается на производительности процесса и на качестве получаемой извести.

Тепловой баланс печи сохраняется при использовании в качестве твердого топлива кокса или антрацита, или угля, или углеродистых отходов.

Добавление твердого топлива влечет за собой снижение расхода подаваемого газообразного топлива, причем изменение расхода газообразного топлива осуществляют пропорционально удельному расходу твердого топлива с учетом теплотворных способностей твердого и газообразного топлива, представленных как отношение теплотворных способностей твердого и газообразного топлива в виде коэффициента А, что дает возможность сохранить тепловой баланс обжига для различных режимов работы шахтных печей, и, следовательно, сохранить тепловой режим обжига постоянным при изменении расходов твердого и газообразного топлива. Значение коэффициента А выражается следующей формулой:
A = Q^р _{нтв. топл}/Q^p _{нгаз. топл.},
где А - коэффициент, равный отношению теплотворных способностей твердого и газообразного топлива;
Q^р _{нтв. топл} - теплотворная способность твердого топлива, кДж/кг;
Q^р _{нгаз. топл} - теплотворная способность газообразного топлива, кДж/м³.

Совокупность заявляемых технологических операций, а именно совместная подача топлива, при которой осуществляется периферийный ввод газообразного топлива в пристенную часть печи толщиной до одного метра и центральный ввод сверху через загрузочное устройство в осевую часть печи твердого топлива в указанном количестве при пропорциональном уменьшении расхода газообразного топлива, - позволяет получить равномерное распределение продуктов сгорания топлива по всему сечению печи равномерный обжиг известняка и равномерный сход материала. В результате обеспечивается повышенная производительность процесса и одновременно улучшается качество извести.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности "новизна".

Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, хотя известны решения, содержащие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого изобретения.

Так, известен способ получения извести в шахтной печи, включающий подачу известняка и твердого топлива (кокса) через загрузочное отверстие печи (см. книгу Монастырева А. В. Производство извести. - М.: Высшая школа, 1978, с. 105).

Однако в данном случае твердое топливо используют как единственный вид топлива. Использование твердого топлива как единственного при сжигании его в слое известняка с подачей по всему сечению печи при довольно высокой производительности процесса не позволяет получить известь высоких параметров (степень обжига составляет не более 85%). При этом невозможно получить так называемую "мягкую" известь, время гашения которой составляет примерно 8 минут, что достигается при использовании газообразного топлива вследствие меньшего уровня температур. Кроме того, уровень управляемости процессом при использовании газообразного топлива гораздо выше.

В заявляемом же техническом решении совместное использование двух видов топлива - газообразного как основного при его периферийном вводе и твердого как дополнительного, загружаемого после известняка через загрузочное устройство в осевую часть печи, при указанном их количестве и соотношении позволяет получить неожиданный технический результат, а именно повышение производительности процесса в печах большого диаметра (более двух метров) при одновременном повышении качества извести.

Таким образом, выявленное техническое решение, хотя и имеет признаки, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, не обеспечивает заявленный технический результат, следовательно, можно сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Поскольку заявляемое изобретение обеспечивает технический результат, выражающийся в обеспечении равномерного распределения продуктов сгорания топлива и обжига известняка по всему сечению шахтной печи большого диаметра (более двух метров), способствующего увеличению производительности процесса при одновременном повышении качества извести (то есть уменьшения недожога и пережога), является работоспособным (см. раздел "Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения") и может быть использовано для получения извести, то можно сделать вывод, что оно соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Для подтверждения возможности осуществления изобретения проводилось получение извести заявляемым способом. Для получения извести использовали шахтные печи цилиндрического типа с разным внутренним диаметром. Изначально печи работали на природном газе, вводимом в них периферийно через два яруса консольных фурменных горелок. Печи оборудованы лотковым загрузочным устройством, позволяющим загружать материал в любую область уровня засыпи. Лоток при вращении рассыпает материал по окружности и имеет возможность изменять угол наклона. После загрузки четырех скипов известняка, распределенного по всей площади сечения на уровне засыпи, подают один скип кокса, загружая его в осевую часть печи. Обожженную известь выгружают из печи непрерывно работающим пластинчатым питателем. В табл. 2 отражены параметры технологического процесса получения извести заявляемым способом в шахтных печах различного диаметра, подтверждающие их работоспособность и достижение заявляемого технического результата.

В промышленных условиях расход известняка И колеблется от И = 1750 кг/т извести (при содержании СаСО₃ в известняке более 95-96%) до И = 1900 кг/т извести (при содержании СаСО₃ менее 95%). Соотношение количества твердого топлива в осевой части печи К₀ и количества известняка в осевой части печи И₀ (К₀/И₀) в зависимости от степени обжига и температуры отходящих газов меняется от 0,085 (степень обжига менее 90% и температура отходящих газов менее 200^oС) до 0,12 (степень обжига более 95% и температура отходящих газов более 350^oС). Поэтому пределы изменения удельного расхода твердого топлива К_печи, приходящегося на общую площадь поперечного сечения печи, меняются от 150 кг/т до 230 кг/т извести.

В представленных примерах 1 и 2 приведены конкретные параметры работы печей и расчет необходимого количества твердого топлива при одновременном снижении удельного расхода газообразного топлива по отношению к исходному удельному расходу газообразного топлива, определяемому из теплового баланса действующей печи по показателям ее работы без учета добавления твердого топлива.

Пример 1.

Применительно к шахтной печи производительностью 3,7 т/ч и внутренним диаметром 3,0 метра, работающей на периферийно вводимом природном газе, осуществлялся расчет расхода газообразного и твердого топлива при следующих исходных данных: расход обжигаемого известняка И = 1800 кг/т, степень обжига σ = 90%, температура выгружаемой извести t_и = 100^oC, расход отходящих газов V_и = 2000 м³/т, температура отходящих газов t_и = 220^oC. В осевую часть печи диаметром один метр, недоступную для проникновения продуктов сгорания газообразного топлива, дополнительно загружалось твердое топливо - кокс. Согласно табл. 2 для печей диаметром 3,0 метра отношение площади поперечного сечения осевой части печи к общей площади поперечного сечения печи (F₀/F_п) составляет 0,112, а удельный расход твердого топлива (кокса) в осевой части печи К₀ составит: 180•0,112 = 20 кг/т. В расчете согласно табл. 1 принята величина К_печи = 180 кг/т, так как печь работает с температурой отходящих газов в диапазоне 200-250^oС и высоким качеством извести (степень обжига 90%). Удельный расход природного газа снижается на величину
V = К₀•А = K₀•Q^р _{нтв. топл}/Q^р _{нгаз. топл} = 20•(27170/33858) = 16,1 м³/т извести
относительно исходного удельного расхода природного газа, определенного без учета загрузки твердого топлива,
где Q^p _{нтв. топл} - теплотворная способность твердого топлива - кокса, кДж/кг;
Q^p _{нгаз. топл} - теплотворная способность газообразного топлива - природного газа, кДж/м³.

Загрузку известняка (1800 кг/т) и кокса (20 кг/т) осуществляют последовательными циклами по системе 4:1, когда в печь загружают четыре скипа известняка весом 450 кг/т каждый, распределяя его по всей площади сечения печи на уровне засыпи, а затем - один скип кокса весом 20 кг/т, выгружая его только в осевую часть печи диаметром один метр.

Пример 2.

Применительно к шахтной печи производительностью 6,5 т/ч с внутренним диаметром 4,0 метра, работающей на периферийно вводимом природном газе, осуществлялся расчет расхода газообразного и твердого топлива при следующих исходных данных: расход обжигаемого известняка И = 1750 кг/т, степень обжига σ = 96%, температура выгружаемой извести t_и = 100^oC, расход отходящих газов V_г = 2000 м³/т, температура отходящих газов t_г = 300^oC. В осевую часть печи диаметром два метра загружалось твердое топливо - уголь Кузнецкого бассейна, разрез Анжерский. Согласно табл. 2 отношение площади поперечного сечения осевой части печи к общей площади поперечного сечения печи (F₀/F_п) составляет 0,25, а удельный расход твердого топлива (угля) в осевой части печи К₀ составит 210•0,25 = 52,5 кг/т. В расчете согласно табл. 1 принята величина К_печи = 210 кг/т, так как печь работает с температурой отходящих газов 300^oС и высоким качеством извести (степень обжига более 95%).

Удельный расход природного газа снижается на величину
V = K₀•A = К₀•Q^р _{нтв. топл}/Q^р _{нгаз. топл} = 52,5•(30514/33858) = 47,3 м³/т извести
относительно исходного удельного расхода природного газа, определенного без учета загрузки твердого топлива,
где Q^р _{нтв. топл} - теплотворная способность твердого топлива - угля, кДж/кг;
Q^р _{нгаз. топл} - теплотворная способность газообразного топлива - природного газа, кДж/м³.

Загрузку известняка (1750 кг/т) и кокса (52,5 кг/т) осуществляют последовательными циклами по системе 4:1, когда в печь загружают четыре скипа известняка общим весом 1750 кг/т, распределяя его по всей площади сечения печи на уровне засыпи, а затем - один скип кокса весом 52,5 кг/т, распределяя его лотковым загрузочным устройством только в осевую часть печи диаметром два метра.

Использование заявляемого способа получения извести обеспечивает по сравнению с ближайшим аналогом следующие преимущества:
- обеспечение равномерного распределения продуктов сгорания топлива и обжига известняка по всему сечению печи, способствующее увеличению производительности процесса при одновременном повышении качества извести (то есть уменьшения недожога и пережога);
- варьирование количеством применяемого твердого топлива в зависимости от его запасов на предприятии.

Изобретение относится к области производства извести из кускового карбонатного материала в шахтных печах и может быть использовано в черной и цветной металлургии, в химической и строительной отраслях промышленности. Технический результат: увеличение производительности процесса при одновременном повышении качества извести за счет обеспечения равномерного распределения продуктов сгорания топлива и обжига известняка по всему сечению печи большого диаметра (более двух метров). Способ получения извести включает загрузку кускового известняка через загрузочное устройство печи, производимую на всю площадь поперечного сечения печи, его последующий обжиг продуктами сгорания топлива в режиме противотока при периферийном вводе газообразного топлива в рабочее пространство печи и выгрузку готового продукта. После загрузки известняка дополнительно загружают твердое топливо в осевую часть печи, недоступную для проникновения продуктов сгорания газообразного топлива, причем удельный расход твердого топлива в осевой части печи устанавливают по формуле К₀=К_печи•(F₀/F_печи), кг/т извести, где К₀ - удельный расход твердого топлива в осевой части печи, кг/т извести; К_печи - удельный расход твердого топлива, приходящийся на общую площадь поперечного сечения печи, равный 150-230 кг/т извести; F₀ - площадь поперечного сечения осевой части печи в зоне обжига, м²; F_печи - общая площадь поперечного сечения печи, м², а удельный расход газообразного топлива изменяют пропорционально удельному расходу твердого топлива в осевой части печи с учетом теплотворных способностей твердого и газообразного топлива на величину, определяемую по формуле V= К₀•А, м³/т извести, где V - величина изменения удельного расхода газообразного топлива, м³/т извести; К₀ - удельный расход твердого топлива в осевой части печи, кг/т извести; А - коэффициент, равный отношению теплотворных способностей твердого и газообразного топлива. 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения извести, включающий загрузку кускового известняка через загрузочное устройство шахтной печи, производимую на всю площадь поперечного сечения печи, его последующий обжиг продуктами сгорания топлива в режиме противотока при периферийном вводе газообразного топлива в рабочее пространство печи и выгрузку готового продукта, отличающийся тем, что после загрузки известняка дополнительно загружают твердое топливо в осевую часть печи, недоступную для проникновения продуктов сгорания газообразного топлива, причем удельный расход твердого топлива в осевой части печи устанавливают по формуле
К₀=К_печи•(F₀/F_печи) кг/т извести,
где К₀ - удельный расход твердого топлива в осевой части печи, кг/т извести;
К_печи - удельный расход твердого топлива, приходящийся на общую площадь поперечного сечения печи, равный 150-230 кг/т извести;
F₀ - площадь поперечного сечения осевой части печи в зоне обжига, м²;
F_печи - общая площадь поперечного сечения печи, м²,
а удельный расход газообразного топлива изменяют пропорционально удельному расходу твердого топлива в осевой части печи с учетом теплотворных способностей твердого и газообразного топлива на величину, определяемую по формуле
V=К₀•А, м³/т извести,
где V - величина изменения удельного расхода газообразного топлива, м³/т извести;
К₀ - удельный расход твердого топлива в осевой части печи, кг/т извести;
А - коэффициент, равный отношению теплотворных способностей твердого и газообразного топлива. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве твердого топлива используют кокс, или антрацит, или уголь, или углеродистые отходы.