ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР-СЕПАРАТОР Российский патент 2003 года по МПК C22B9/22 F27B14/04 

Изобретение относится к электродуговым плазменным реакторам для одновременного получения расплавов тугоплавких материалов металлических и тугоплавких неметаллических материалов, возгонов и может быть использовано в строительной промышленности, конкретнее производство цемента, химической промышленности и металлургии.

Плазменный реактор-сепаратор содержит камеру с цилиндрическим корпусом, полые стержневые электроды, проходящие в камеру сквозь верхнюю герметичную ее крышку, а в их полостях вмонтированы задерживающие падение сырьевого материала теплообменные элементы, отверстие для вывода металлического расплава в поде, верхняя и нижняя 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. 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, обеспечивающих кольцу вращательное движение относительно нее. Между отверстием для ввода металлического расплава в донной части и нижней катушкой установлен дополнительный канал для вывода расплава более легкого вяжущего вещества. Четыре боковых питателя расположенны в стенах камеры под углом 90^o на одной горизонтальной плоскости относительно друг друга в верхней части камеры над поверхностью расплава для ввода сырьевой шихты (10% от общего количества питания печи), в результате на зеркале расплава образуется гарнисаж в виде конусных откосов. Что исключает термохимическую коррозию футеровки. Изобретение позволяет значительно увеличить надежность работы и производительность реактора, качество готового продукта, снизить энергозатраты на 30%.

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для одновременного получения тугоплавких, металлических и неметаллических материалов и возгонов, преимущественно специальных видов клинкеров искусственных вяжущих, например цементного клинкера, имеющих высокую степень вязкости расплава и сопутствующих сплавов 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 1020738, МКИ Е 27 В 14/06, 1981 г.).

Недостатком указанного устройства является неудовлетворительное локальное перемешивание расплава и, как следствие, неудовлетворительное качество получаемого продукта, ненадежность системы расплава и разделения его на вяжущие и металлы, так как летка общая.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является плазменный реактор для плавления материала, преимущественно цементного клинкера, 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 (патент РФ 2176277, С 22 В 9/22, 27.11.2001 г. Бюл. 33, заявка от 28.12.2000 г. (авторы Ю.А. Бурлов и др.)).

Недостатком указанного устройства является отсутствие герметичности установки, что обуславливает наличие подсосов воздуха и создание окислительной атмосферы в рабочей зоне реактора, что приводит к понижению стойкости электродов, повышению термохимической коррозии, отрицательно влияющей на футеровку (имеют место прогары футеровки на границе с зеркалом расплава), понижению температуры в зоне реактора.

В основу настоящего изобретения положена задача повышения стойкости футеровки, повышения надежности работы, производительности печи, качества готового продукта, снижение энергозатрат, получение и селективное разделение попутных вяжущих, цветных металлов в виде расплава и возгонов.

Согласно предлагаемому изобретению задача решается тем, что в плазменный реактор для одновременного получения расплавов тугоплавких металлических материалов и тугоплавких неметаллических материалов и возгонов содержит цилиндрическу камеру, стержневые полые электроды, проходящие в камеру сквозь верхнюю ее крышку, а в их полостях вмонтированы задерживающие падение сырьевого материала теплообменные элементы, отверстия для вывода расплава тугоплавких металлических материалов в донной части, верхнюю и нижнюю электромагнитные катушки, охватывающие камеру, расположенные одна над другой по ее высоте, верхняя катушка соединена приводом для ее перемещения относительно продольного и поперечного сечения цилиндрического корпуса камеры и кольцо, 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, причем канал для вывода расплава тугоплавких неметаллических материалов, расположенный между отверстием для вывода расплава тугоплавких металлических материалов и нижней катушкой, четыре боковых питателя с каналами для ввода части сухого сырьевого материала и создания горнисажа на футеровке в виде конусных откосов на границе зеркала расплава, при этом каналы расположены под углом 90^o на одной горизонтальной плоскости относительно друг друга в верхней части камеры над поверхностью расплава. Он снабжен гранулятором для охлаждения и грануляции расплава тугоплавких неметаллических материалов и выполнен в виде вращающихся вокруг своей оси в противоположные стороны друг от друга водоохлаждаемых изнутри металлических цилиндров.

Плазменный реактор-сепаратор состоит (см. фиг.1) из водоохлажденной цилиндрической камеры 1, стержневых полых графитовых электродов 2 и 3, проходящих в камеру 1 сквозь верхнюю ее крышку 4, а в их полостях вмонтированы, задерживающие падение сырьевого материала теплообменные элементы, выполненные в виде наклонных пересыпных полок 5. 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 6. Крышка 4 снабжена также каналом 7 для эвакуации отходящих газов и в том числе возгонов цветных металлов.

В донной части 9 камеры 1 размещен клапан 10, прикрывающий летку для вывода расплава металлов. По высоте шахты одна над другой установлены верхняя 11 и нижняя 12 электромагнитные катушки, охватывающие камеру 1 и расположенные одна над другой по ее высоте, верхняя катушка 11 соединена с приводом для ее перемещения относительно продольного и поперечного сечения цилиндрического корпуса камеры 1. Верхняя электромагнитная катушка 11 снабжена роликами 13, опирающимися на плоскость копирной дорожки 14. Нижняя часть копирной дорожки 14, в свою очередь, опирается на ролики 15, установленные на подшипниках 16. Подшипники 16 вмонтированы в опорное кольцо 17, жестко закрепленное к корпусу камеры 1. Один из роликов 18, на которые опирается копирная дорожка 14, является ведущим и соединен валом 19 с мотор-редуктором 20. Между нижней катушкой 12 и клапаном 10 размещен канал 21 для вывода расплава вяжущих, например цементного клинкера. (Запирающий канал 21, клапан условно не показан).

Плазменный реактор-сепаратор снабжен четырьмя боковыми питателями 22 с каналами (см. фиг. 2) для ввода сырьевой шихты (10% от общего количества питания печи) и создания гарнисажа на футеровке в виде конусных откосов на границе зеркала расплава, при этом каналы расположены под углом 90^o на одной горизонтальной плоскости относительно друг друга в верхней части камеры над поверхностью расплава.

Под каналом 21 установлены металлические длинные цилиндры 25, вращающиеся вокруг своей оси в противоположные стороны друг от друга, и водоохлаждаемые изнутри, выполняющие роль теплообмена и грануляции расплава вяжущих.

Плазменный реактор-сепаратор работает следующим образом.

Боковыми питателями 22 по каналу 23, расположенными в стенах камеры 1, под углом 90^o на одной горизонтальной плоскости относительно друг друга в верхней части камеры над поверхностью расплава для создания гарнисажной футеровки из самого материала на границе зеркала расплава вводится сухая сырьевая шихта, в результате образуется гарнисаж в виде конусных откосов на зеркале расплава, тем самым исключается термохимическая коррозия футеровки. Вводимая сухая сырьевая шихта в камеру 1 содержит в расчетном количестве химические соединения, обеспечивающие при их плавлении получение искусственных вяжущих, например цементного клинкера.

При применении в качестве сырья отходов, например, химических производств, а также металлургических производств в отходах содержится некоторое количество цветных металлов.

Концы электродов внутри камеры сводят и опускают в нижнюю часть камеры 1 ниже нижней катушки 12. 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. За счет этого материал в камере нагревается до температуры плавления. При обжиге клинкера температура расплава достигает 2000-2100^oС.

При подъеме уровня расплава выше нижней 12 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^oС, подают материал через полости электродов 2, 3. При этом в электроде 2 сырьевой материал пересыпается с полки на полку 5, которые нагреты до температуры, близкой к температуре электрода. При относительно медленном (по сравнению с вертикальным падением) перемещении материала и непосредственном контакте 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 большей 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 12 подается напряжение на последнюю. При этом включают мотор-редуктор 20. Через вал 19 передается вращательное движение на ролик 18, который плотно контактируя с нижней поверхностью копирной дорожки 14, в свою очередь, приводит последнюю во вращательное движение на роликах 15 относительно опоры роликов 17 цилиндрической поверхности камеры 1 и катушки 12, благодаря тому, что катушка 12 установлена на ролики 13, контактирующие с верхней поверхностью копирной дорожки 14, удержанию катушки от поворота вокруг корпуса камеры 1 (механизм удержания катушки на чертеже условно не показан). При вращении копирной дорожки происходит колебательное движение катушки 12 в плоскостях, пересекающих продольную (вертикальную) ось печи. При колебательных движениях катушки 12 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 12.

При расплавлении шихты для получения цементного клинкера, в которой содержится небольшое количество редких металлов, некоторые из них, температура плавления которых несколько выше клинкерного расплава (кроме вольфрама и молибдена), оседают в донной части 9 камеры 1 над клапаном 10 и периодически 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 7, 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.

Четыре боковых питателя 22 через каналы 23, расположенные в стенах камеры 1 под углом 90^o на одной горизонтальной плоскости относительно друг друга в верхней части камеры над поверхностью расплава для ввода сырьевой шихты (10% от общего количества питания печи), в результате на зеркале расплава образуется гарнисаж в виде конусных откосов, исключающий термохимическую коррозию футеровки.

Клинкерный расплав периодически или непрерывно (при согласованном вводе в камеру 1 сырья) выливают в гранулятор для утилизации теплоты расплава и его грануляции. Гранулятор выполнен в виде вращающихся вокруг своей оси в противоположные стороны друг от друга водоохлаждаемые изнутри металлические цилиндры 25.

(Для снижения вязкости расплава клинкера во время периодического слива, катушку 11 можно перемещать в зону канала 14).

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 и регулирования скорости охлаждения расплава - качество, разнообразие свойств готовых продуктов. Вместе с тем, конструктивное выполнение реактора позволяет получать попутные продукты в виде их расплава и возгонов.

Изобретение относится к электродуговым плазменным реакторам для одновременного получения расплавов тугоплавких металлических материалов и тугоплавких неметаллических материалов и возгонов и может быть использовано в строительной промышленности, конкретно производство цемента, химической промышленности и металлургии. Плазменный реактор-сепаратор снабжен четырьмя боковыми питателями с каналами для ввода части сухого сырьевого материала и создания гарнисажа на футеровке в виде конусных откосов на границе зеркала расплава. При этом каналы расположены под углом 90^o на одной горизонтальной плоскости относительно друг друга в верхней части камеры над поверхностью расплава. Изобретение позволяет повысить стойкость футеровки, надежность работы, производительность печи, качество готового продукта, снизить энергозатраты и получать попутные продукты в виде их расплавов и возгонов. 3 з. п.ф-лы, 2 ил.

1. Плазменный реактор-сепаратор для одновременного получения расплавов тугоплавких металлических материалов и тугоплавких неметаллических материалов и возгонов, содержащий камеру с цилиндрическим корпусом, стержневые полые электроды, проходящие в камеру сквозь верхнюю герметичную ее крышку, теплообменные элементы, задерживающие падение сырьевого материала, вмонтированные в полости электродов, канал для эвакуации отходящих газов и возгонов, расположенный в герметичной крышке, отверстие для вывода расплава тугоплавких металлических материалов в донной части камеры, верхнюю и нижнюю электромагнитные катушки, охватывающие камеру и расположенные одна над другой по ее высоте, причем верхняя катушка соединена с приводом для ее перемещения относительно продольного и поперечного сечения цилиндрического корпуса камеры, канал для вывода расплава тугоплавких неметаллических материалов, расположенный между отверстием для вывода расплава тугоплавких металлических материалов и нижней катушкой, ролики и кольцо, 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, отличающийся тем, что он снабжен четырьмя боковыми питателями с каналами для ввода части сухого сырьевого материала и создания гарнисажа на футеровке в виде конусных откосов на границе зеркала расплава, при этом каналы расположены под углом 90^o на одной горизонтальной плоскости относительно друг друга в верхней части камеры над поверхностью расплава. 2. Плазменный реактор-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен гранулятором для охлаждения и грануляции расплава тугоплавких неметаллических материалов, выполненным в виде водоохлаждаемых изнутри металлических цилиндров, вращающихся вокруг своей оси в противоположные стороны друг относительно друга. 3. Плазменный реактор-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что теплообменные элементы выполнены в виде наклонных пересыпных полок. 4. Плазменный реактор-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что теплообменные элементы выполнены в виде шнека.