туннельная печь-утилизатор

Формула изобретения

Туннельная печь-утилизатор, преимущественно для изготовления теплозвукоизоляционных блоков из вспененной стекломассы, с температурными зонами вспенивания, резкого охлаждения, стабилизации и отжига и загрузочными кассетами для блоков, отличающаяся тем, что она выполнена двухярусной с температурными зонами вспенивания резкого охлаждения и стабилизации в первом ярусе, и зоной отжига в виде многозонного канала, образованного теплоизолированным металлическим кожухом, размещенного во втором ярусе, непосредственно на входе и выходе канала отжига размещены шлюзовые камеры, каждая зона канала отжига снабжена донными электронагревателями с независимой регулировкой мощности, над каждой зоной в теплоизоляции кожуха выполнены щелевые задвижки, в первой зоне канала отжига нагреватели дополнительно размещены и в потолочной части, причем площадь поперечного сечения первой зоны относится к площади максимального сечения блока в пределах 1,3 - 1,4, для последующих секций канала отжига это соотношение составляет 1,05 - 1,1, длина первой секции равна восьми длинам загрузочной кассеты с блоками, длина последующих секций канала отжига равна четырем длинам кассеты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству теплозвукоизоляционных блоков из пеностекла и может быть использовано в промышленности строительных материалов.

Известны туннельные печи с механическим перемещением обрабатываемого материала, широко использующиеся для производства строительной керамики [Свенчанский А. Д. Электротехнические промышленные печи. Ч. 1 М. "Энергия", 1975 г.]. Как правило, это большие стационарные сооружения на мощном фундаменте, занимающие значительные производственные площади и имеющие сложные системы перераспределения тепловой энергии теплоносителя. В некоторых случаях, для экономии производственных площадей и частичной утилизации неизбежных потерь от высокотемпературной зоны, их делают двух- или многоярусными [Патент РФ N 2004893, МПК F 27 B 9/02, Опубл. Бюлл. N 45-46]. Конструкции и температурные распределения описанных в известных источниках подобных печей, в силу их узкой специализации, не позволяют их использовать для производства теплозвукоизоляционных блоков из пеностекла.

Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату является туннельная печь - утилизатор для изготовления теплозвукоизоляционных блоков из вспененной стекломассы, с температурными зонами вспенивания, резкого охлаждения стабилизации и отжига. [Демидович Б.К. Пеностекло. Минск, "Наука и техника", 1975 г.].

Недостатками известных печей являются:

- громоздкость и большая капиталоемкость, большая тепловая инерционность, что делает практически невозможным быструю перенастройку температурно-временных режимов печи;

- необходимость работы подобных печей на строго определенном (и специально подготовленном для них) виде стеклосырья со стабильными химико-минералогическими параметрами; в известных литературных источниках это обстоятельство неизменно подчеркивается.

В рецептурном плане последнее, безусловно, является и достаточно сложной производственной проблемой - необходимость предварительной варки стекла строго определенного химико-минералогического состава требует обеспечения поставок чистого кварцевого песка, известняка, сульфата натрия и дефицитной в настоящее время соды. В то время любой крупный город (не говоря уж о мегаполисах) является практически неограниченным и возобновляемым источником стеклосырья в виде промышленных и бытовых отходов. Их утилизация путем превращения в строительные теплозвукоизоляционные блоки, несмотря на очевидную эколого-экономическую актуальность, до настоящего времени остается нерешенной задачей. Это обусловлено тем, что вспенивание стекломассы с физико-химической точки зрения представляет из себя неравновесную неоднородную многокомпонентную систему, причем неоднородность развивается как в подсистеме стекло - газовые пузыри (различной формы и размеров), так и в самом стекле (неоднородное распределение компонентов, аморфных и закристаллизовавшихся объемов и т. д.). Поэтому, если вспенить можно практически любой состав стекломассы, то получить из нее пригодный для строительства блок определенной прочности и с нужными свойствами технологически сложно. Развивающиеся в неоднородной стекломассе механические микронапряжения зарождают микротрещины, которые, развиваясь и сливаясь, превращаются в магистральные и разрушают полученный блок. В данном случае определяющим процессом в технологии производства блоков из пеностекла является отжиг, когда подбором температурно-временных режимов печи стараются максимально "залечить" созданные вспениванием и закалкой структурные дефекты и получить продукцию нужного качества. При этом, чем более неоднородна стекломасса в блоке, тем прочнее при отжиге необходимо обеспечивать требуемый температурный режим. Очевидно, что известные туннельные печи, в том числе и описанные в прототипе, настроенные на использование стеклосырья строго постоянного химико-минералогического состава, характеризуемые большой тепловой инерцией и низкой степенью изотермичности в поперечном сечении каналов вспенивания и отжига, невозможно использовать для утилизации разнообразных промышленных и бытовых отходов стекла.

Изобретение направлено на реализацию возможности утилизации промышленных и бытовых отходов стекла путем настройки температурно-временных режимов печи для производства теплозвукоизоляционных блоков из вспененной стекломассы, а также экономии энергоресурсов и производственной площади.

Технический результат достигается тем, что в известной туннельной печи-утилизаторе преимущественно для изготовления теплозвукоизоляционных блоков из вспененной стекломассы, с температурными зонами вспенивания, резкого охлаждения, стабилизации и отжига и загрузочными кассетами для блоков, отличающихся тем, что она выполнена двухярусной с температурными зонами вспенивания, резкого охлаждения и стабилизации в первом ярусе, и зоной отжига в виде многозонного канала, образованного теплоизолированным металлическим кожухом, размещенного во втором ярусе, непосредственно на входе и выходе канала отжига размещены шлюзовые камеры, каждая зона канала отжига снабжена донными электронагревателями с независимой регулировкой мощности, над каждой зоной в теплоизоляции кожуха выполнены щелевые задвижки, в первой зоне канала отжига нагреватели дополнительно размещены в потолочной части, причем площадь поперечного сечения зоны относится к площади максимального сечения блока в пределах 1,3 - 1,4, для последующих секций канала отжига это соотношение составляет 1,05 - 1,1, длина первой секции равна восьми длинам загрузочной кассеты с блоками, длина последующих секций канала отжига равна четырем длинам кассеты.

Результаты исследований, выполненных авторами заявляемого технического решения, показали, что неоднородные по составу стекломассы (испытывались отходы оконного стекла, бой бутылок, отходы специального медицинского стекла в различных взаимных сочетаниях) при надлежащем выборе вспенивающей присадки и температурно-временного этапа вспенивания и стабилизации позволяют получить хорошие структурные и теплофизические характеристики на образцах. Однако для обеспечения заданных прочностных свойств материала необходимо соблюдение следующих условий:

- практически идеально однородное температурное поле в поперечном сечении канала отжига;

- точное соответствие распределения температуры в продольном сечении канала отжига расчетной кривой технологического регламента.

Реализация этих условий в больших производственных печах представляет собой довольно сложную задачу, практически не решаемую стандартными теплотехническими решениями. Было установлено, что в туннельной печи из-за наличия конвективных тепловых потоков возникают паразитные тепловые градиенты, усиливающиеся в момент проталкивания очередной загрузочной кассеты, когда открываются шиберы на входе и выходе отжигового канала. Бороться с этим явлением путем создания сложной системы электронагревателей, принудительного теплообмена с помощью вентиляторов и т.п. бесперспективно в силу очевидных экономических причин. Кроме того, чем сложнее система обогрева, тем более она чувствительна к случайным отклонениям внешних факторов (например, частоты и амплитуды питающего тока) от номинальных значений.

Путем теплотехнических расчетов и модельных экспериментов авторами заявляемого технического решения было установлено, что наиболее оптимальным вариантом исполнения отжигового канала печи-утилизатора является секционированный металлический кожух с донным расположением электронагревателей, позволяющими управлять температурным градиентом в поперечном сечении канала обжига. Для регулировки теплообмена потолочной части секции с внешней средой в теплоизолирующем кожухе над каждой секцией выполнена щелевая задвижка. Комбинируя мощность донного нагревателя и величину раскрытия щелевой задвижки, для каждой секции практически всегда можно добиться нулевого вертикального термоградиента, что требуется по условиям технологического регламента. Этой же цели служат шлюзовые камеры, расположенные на входе и выходе обжигового канала и препятствующие образованию "сквозняков" во время проталкивания кассеты с блоками. При этом определяющую роль играет правильный подбор соотношения площади поперечного сечения секции к площади максимального сечения блока: для выбранной в заявленном техническом решении конструкции печи-утилизатора это соотношение находится в пределах 1,4 - 1,05. При величине, большей 1,4, не удается полностью подавить паразитные термоградиенты, а соотношение, меньшее 1,05, приводит к частичному разрушению блоков из-за их механического контакта с секциями металлического кожуха. При отсутствии специального регулирования паразитный термоградиент по абсолютной величине больше в высокотемпературной зоне отжигового канала (первая секция), что связано с периодическим открытием шлюзовой камеры при загрузке блоков в канал отжига. При этом быстрое устранение возникающего температурного градиента достигается за счет включения потолочного нагревателя и организацией конвективного теплообмена в пределах первой секции, выбор длины которой оптимизирован как с точки зрения минимального термоградиента, так и минимизации общей длины канала отжига.

В целом в заявляемом техническом решении для достижения конкретной технологической задачи - утилизации промышленных и бытовых отходов стекла - впервые было предложено изготавливать обжиговый канал в виде секционированного металлического кожуха с секциями, кратными длине загрузочной кассеты с блоками. Система независимых нагревателей секций с регуляторами теплообмена с внешней средой в виде щелевых задвижек в потолочной части каждой секции позволяет точно смоделировать нужное по регламенту температурное распределение в отжиговом канале. Эти технические решения непосредственно не следуют из известных в общедоступных источниках, получены в результате научно-экспериментальных и опытно-конструкторских работ, в совокупности позволяют более прецизионно настраивать температурно-временные характеристики отжигового канала, что, по мнению авторов, доказывает изобретательский уровень заявляемого технического решения. Таким образом, использование заявляемого технического решения с совокупностью вышеуказанных существенных признаков позволяет впервые реализовать важную технико-экономическую и экологическую задачу - получение качественного строительного теплозвукоизоляционного материала из бытовых и промышленных отходов стекла, ныне в большом количестве загрязняющих природу.

На фигуре 1 изображено продольное сечение тоннельной печи-утилизатора, на фигуре 2 - поперечное сечение первой секции металлического кожуха, на фигуре - 3 - поперечное сечение последующих секций кожухов. Инфраструктура печи (блоки питания электронагревателей, механизмы проталкивания, вагонетки, контрольные термопары) условно не показана.

Туннельная печь-утилизатор (фиг. 1) состоит из щелевого канала вспенивания, расположенного в нижнем ярусе, и канала отжига в верхнем. Канал вспенивания состоит из температурных зон вспенивания стекломассы, резкого охлаждения и стабилизации. Электронагреватели 1 обеспечивают необходимый по технологическому регламенту температурный профиль канала вспенивания. Стекломасса с добавкой вспенивания засыпана в жаростойкие формы 2. Канал отжига расположен в верхнем ярусе печи, непосредственно над каналом вспенивания, и изолирован от него огнеупорной теплоизоляцией. Канал отжига выполнен в виде набора теплоизолированных металлических кожухов 3, в донной и потолочной (первая секция) части которых имеются донные электронагреватели 4 с независимой регулировкой мощности. В потолочной части каждой секции предусмотрены щелевые задвижки 5. Блоки из пеностекла 6 загружены в загрузочные кассеты 7. Первая секция отжига, (по ходу движения блоков) имеет длину, равную восьми длинам загрузочной кассеты, последующие секции имеют длину, равную четырем длинам кассеты. На входе и выходе канала отжига имеются шлюзовые камеры 8 и 9 с шиберами 10 и 11 соответственно. Вход и выход канала отжига закрыты съемными крышками 12 и 13 соответственно. На фиг. 2 и 3 изображены поперечные разрезы канала отжига. В донной части каждой, а в первой - и в потолочной части секций расположены электронагреватели 4. Блоки из пеностекла 6, поставленные вертикально на ребро, загружены по 2 штуки в кассеты 7. В теплоизоляционном кожухе потолочной части каждой секции, кроме первой, выполнены щелевые задвижки 5.

Туннельная печь-утилизатор работает следующим образом. Предварительно, по данным лабораторных исследований, производится настройка температурно-временных режимов печи на стекломассу, поступающую из помольного участка в виде тонкодисперсного порошка. При этом канал вспенивания настраивается регулировкой мощности электронагревателей 1, а канал отжига - комбинированным взаимодействием мощности нагревателей 4 и степенью раскрытия щелевых задвижек 5. Стекломассу загружают в жаростойкие формы 2 и проталкивают с помощью гидроцилиндра через канал вспенивания. На выходе канала вспенивания (зона стабилизации) готовые блоки 6 вынимают из форм 2 и перегружают в кассеты 7, устанавливая их на узкую часть вертикально, по 2 штуки в кассете. Кассета 7 находится во входной шлюзовой камере 8, при этом входной и выходной шиберы 10 и 11 закрыты. Как только кассета 7 полностью заполнится, открывают шиберы 10 и 11 и при закрытых крышках 12 и 13 производят проталкивание ряда кассет в отжиговом канале. При этом очередная кассета 7 с блоками входит в первую секцию отжигового канала, а последняя в ряду выталкивается в выходную шлюзовую камеру 9. Далее шиберы 10 и 11 закрывают, крышки 12 и 13 открывают и производят разгрузку готовых отожженных блоков из шлюзовой камеры 9 и загрузку блоков в кассету в шлюзовой камере 8. Этот цикл затем повторяют по мере поступления блоков из канала вспенивания.

Предложенное изобретение реализовано в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов. Создан экспериментальный технологический модуль для переработки отходов стекла, включающий печь-утилизатор, шаровую мельницу и установку для резки блоков пеностекла. Печь-утилизатор выполнена сдвоенной, т.е. имеет два независимых канала вспенивания и обжига блоков. Такая конструкция наиболее оптимальна с точки зрения производительности и ремонтопригодности. Каналы вспенивания и обжига имеют длину 20 метров. Ширина печи 1,9 метра, высота - 2,3. Производственная площадь, занимаемая модулем, составляет 460 кв. м. Производительность модуля, с учетом плановых остановок на профилактический ремонт, составляет 4500 куб. м. пеностекла в год. Продукция выпускается по согласованным и утвержденным техническим условиям, успешно прошла испытания в сертификационных центрах, получены соответствующие сертификаты. Начаты серийные поставки продукции заказчикам.