способ, реактор и установка для термообработки порошкообразного материала

Формула изобретения

1. Способ термообработки порошкообразного материала, преимущественно гидроокиси алюминия, включающий предварительную прямоточную сушку влажной гидроокиси алюминия в восходящем потоке отходящих газов, циклонную сепарацию высушенной порошкообразной гидроокиси алюминия, предварительный прямоточный нагрев порошкообразной гидроокиси алюминия в потоке отходящих газов, подачу нагретой порошкообразной гидроокиси алюминия в реакционную камеру и ее обжиг во взвешенном состоянии смесью продуктов сгорания топлива и предварительно нагретого потока воздуха, циклонную сепарацию полученного глинозема, его многоступенчатое прямоточное охлаждение потоком воздуха, подаваемого к реакционной камере, и окончательное охлаждение с получением товарного глинозема, отличающийся тем, что подаваемую в реакционную камеру смесь продуктов сгорания топлива и предварительно нагретый потоком воздух приготавливают отдельно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что от подаваемого в реакционную камеру потока воздуха отбирают контролируемую часть потока воздуха и подают ее в восходящий поток отходящих газов, подаваемых на сушку влажной гидроокиси алюминия.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что часть потока воздуха перед подачей в восходящий поток отходящих газов предварительно подогревают путем сжигания дополнительного топлива.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что упомянутая часть потока воздуха составляет 5...25% от упомянутого потока воздуха.

5. Реактор для обжига порошкообразного материала, содержащий вертикальную цилиндрическую реакционную камеру с коническим днищем, по крайней мере, с одним нижним боковым входным отверстием для порошкообразного сырьевого материала, нижним центральным входным отверстием для газовой фазы и верхним выходным отверстием для газово-суспензионной фазы и горелочное устройство, расположенное в нижней части реакционной камеры, отличающийся тем, что горелочное устройство выполнено в виде цилиндрической форкамеры, снабженной несколькими тангенциально расположенными горелками, равномерно распределенными по цилиндрической поверхности, имеет нижнее центральное входное отверстие для воздуха и верхнее центральное выходное отверстие для смеси продуктов сгорания и воздуха, состыкованное с нижним центральным входным отверстием реакционной камеры, при этом форкамера соосно соединена с нижней частью реакционной камеры.

6. Установка для термообработки порошкообразного материала, преимущественно гидроокиси алюминия, содержащая устройство для предварительной сушки влажной гидроокиси алюминия в восходящем потоке отходящих газов, циклонный сепаратор высушенной порошкообразной гидроокиси алюминия, устройство для предварительного прямоточного нагревания порошкообразной гидроокиси алюминия в потоке отходящих газов, реактор для обжига порошкообразного материала во взвешенном состоянии смесью продуктов сгорания топлива и предварительно нагретого потока воздуха, циклонный сепаратор полученного глинозема, многоступенчатое циклонное устройство для охлаждения глинозема и нагревания воздуха, подаваемого к реактору для обжига порошкообразного материала, охладитель товарного глинозема, нагнетатель для подачи воздуха к реактору и дымосос для отвода отработанных газов в атмосферу, отличающаяся тем, что реактор для обжига порошкообразного материала во взвешенном состоянии смесью продуктов сгорания топлива и предварительно нагретого потока воздуха выполнен по п.5 и снабжен дополнительным нагнетателем для подачи воздуха к горелочному устройству.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что она снабжена воздуховодом, посредством которого вход устройства для сушки гидроокиси алюминия соединен с воздушным трактом устройства для охлаждения глинозема и нагревания воздуха, с возможностью контролируемого отбора части подаваемого к реактору воздуха.

8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной горелкой с автономным нагнетателем для подачи воздуха в устройство для сушки гидроокиси алюминия, установленной на его входе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии переработки порошкообразных материалов и непосредственно касается способа, реактора и установки для термообработки преимущественно гидроокиси алюминия. Область эффективного использования изобретения охватывает промышленность строительных материалов, химическую и металлургическую промышленность, прежде всего отрасль приготовления металлургического сырья для производства алюминия.

Из предшествующего уровня техники (заявка RU 98117484, публ. 20.06.2000) известен способ получения порошкообразных продуктов, включающий тангенциальную подачу сырья, воздуха и горючего в обжиговую печь, обжиг сырья, отвод готового продукта и отходящих газов из обжиговой печи и сепарацию готового продукта. Подачу сырья, воздуха и горючего осуществляют снизу обжиговой печи, причем сырье и воздух предварительно нагревают, обжиг сырья производят в восходящем двухфазном потоке, сепарацию готового продукта выполняют без предварительного охлаждения, а отвод отходящих газов из обжиговой печи осуществляют из ее верхней части, при этом предварительный нагрев сырья и воздуха производят в прямотоке фаз теплом отходящих газов и готового продукта соответственно.

Аналогичный упомянутому способ применительно к получению глинозема был известен ранее как способ термообработки гидроокиси алюминия (брошюра "Newsfront" фирмы F.L. Smidth & Co., статья "GSC plant for alumina", публ. июнь 1987 - ближайший аналог), включающий предварительную прямоточную сушку влажной гидроокиси алюминия в восходящем потоке отходящих газов, циклонную сепарацию высушенной порошкообразной гидроокиси алюминия, предварительное прямоточное нагревание гидроокиси алюминия в потоке отходящих газов, подачу нагретой гидроокиси алюминия в реакционную камеру и ее обжиг во взвешенном состоянии смесью продуктов сгорания топлива с предварительно нагретым воздухом, циклонную сепарацию полученного глинозема, его многоступенчатое прямоточное охлаждение потоком воздуха, подаваемого к реакционной камере, и окончательное охлаждение товарного глинозема.

В этом способе сжигание топлива и смешивание продуктов сгорания с предварительно нагретым воздухом осуществляется непосредственно в реакционной камере, причем в той ее области, где непосредственно сжигается топливо и куда одновременно подается для обжига высушенная гидроокись алюминия. В результате имеет место значительная неоднородность температурного поля, особенно вблизи открытого пламени, приводящая как к неоправданному перерасходу топлива, так и к локальному перегреву сырьевого материала с соответствующим образованием нежелательной модификации - альфа-глинозема или корунда (-Al₂O₃) в количестве до 16% и более от общего количества глинозема. Поскольку оптимальные с точки зрения дальнейшего металлургического передела свойства глинозема, главным образом определяющие его качество, достигаются при содержании в нем корунда около 2. . .5% (остальное гамма-глинозем, -Al₂O₃), желательно более однородное температурное поле в рабочем объеме реакционной камеры с соответствующим оптимальным уровнем температуры, что способствовало бы также повышению экономичности процесса обжига.

С другой стороны, сушку влажной гидроокиси алюминия осуществляют в этом способе отходящими газами, состоящими из смеси продуктов сгорания топлива и технологических газов, в том числе водяного пара, количество которого значительно и может составлять до 800 г/кг сухого дыма. Это снижает эффективность процесса сушки, лимитируемого главным образом разностью парциальных давлений водяного пара в поверхностном слое высушиваемого материала и в объеме сушильного агента. Недостаточная эффективность процесса сушки означает ее неполноту; оставшаяся свободная влага удаляется при последующем предварительном нагревании гидроокиси алюминия, что снижает температуру предварительного нагревания и дополнительно увеличивает парциальное давление водяного пара в сушильном агенте. Вследствие этого эффективность процесса сушки еще более снижается, что вынуждает компенсировать это снижение соответствующим увеличением расхода топлива, сжигаемого а реакционной камере, поскольку это единственная возможность оперативного управления тепловым процессом, предусмотренная данным способом. Ухудшая экономичность процесса в целом, это приводит также к повышению температуры в реакционной камере, что может способствовать соответствующему ухудшению качества товарного глинозема из-за увеличения содержания в нем корунда. С учетом этого желательна возможность независимого управления тепловыми режимами процессов сушки и обжига.

Из предшествующего уровня техники (патент US 4026295) известен также стационарный реактор для обжига порошкообразного материала, содержащий вертикальную цилиндрическую реакционную камеру с коническим днищем, по крайней мере одним нижним боковым входным отверстием для порошкообразного сырьевого материала, нижним центральным входным отверстием для газовой фазы и верхним выходным отверстием для газово-суспензионной фазы и расположенное в нижней части реакционной камеры горелочное устройство. Последнее выполнено в виде одной или двух горелок, расположенных сравнительно близко к одному или двум отверстиям для подачи порошкообразного сырьевого материала. При таком выполнении реактора в процессе его работы имеет место значительная неоднородность температурного поля, особенно вблизи открытого пламени, приводящая к локальному перегреву сырьевого материала. Применительно к обжигу гидроокиси алюминия это приводит к ухудшению качества получаемого глинозема, описанному выше.

Из предшествующего уровня техники (см. выше "Newsfront") известна также установка для термообработки гидроокиси алюминия, содержащая устройство для предварительной сушки влажной гидроокиси алюминия в восходящем потока отходящих газов, циклонный сепаратор высушенной гидроокиси алюминия, устройство для предварительного нагревания гидроокиси алюминия в потоке отходящих газов, реактор для обжига гидроокиси алюминия во взвешенном состоянии смесью продуктов сгорания топлива с воздухом, циклонный сепаратор полученного глинозема, многоступенчатое циклонное устройство для охлаждения глинозема и нагревания воздуха, подаваемого к реактору, охладитель товарного глинозема, нагнетатель для подачи воздуха к реактору и дымосос для отвода отработанных газов в атмосферу. Реактор для обжига порошкообразного материала выполнен в этой установке аналогично описанному выше реактору согласно патенту US 4025295 и поэтому ей присущи все вышеописанные недостатки.

Задача настоящего изобретения состоит в создании таких способа, реактора и установки для термообработки порошкообразного материала, преимущественно гидроокиси алюминия, которые позволяют повысить качество товарного глинозема и экономичность процесса в целом.

Поставленная задача решается предлагаемым способом термообработки порошкообразного материала, преимущественно гидроокиси алюминия, который включает, как и вышеописанный известный, предварительную прямоточную сушку влажной гидроокиси алюминия в восходящем потоме отходящих газов, циклонную сепарацию высушенной порошкообразной гидроокиси алюминия, предварительное прямоточное нагревание гидроокиси алюминия в потоке отходящих газов, подачу нагретой гидроокиси алюминия в реакционную камеру и ее обжиг во взвешенном состоянии смесью продуктов сгорания топлива с предварительно нагретым воздухом, циклонную сепарацию полученного глинозема, его многоступенчатое прямоточное охлаждение потоком воздуха, подаваемого к реакционной камере, и окончательное охлаждение товарного глинозема. Согласно основной форме воплощения способа в реакционную камеру подают отдельно приготовленную смесь продуктов сгорания топлива с предварительно нагретым воздухом.

Благодаря такой локализации процесса приготовления рабочей смеси открытое пламя непосредственно в реакционной камере отсутствует, и в ее рабочем объеме формируется относительно однородное температурное поле с возможностью поддержания оптимального уровня температуры, например, в диапазоне 1050... 1150^oС. Тем самым достигается возможность снижения доли альфа-глинозема (корунда) до предпочтительной величины 2...5% с соответствующим повышением качества товарного глинозема и экономичность процесса обжига.

Согласно предпочтительным формам воплощения способа от общего потока воздуха, направляемого к реакционной камере, отбирают контролируемый частичный поток и подают его в восходящий поток отходящих газов, направляемых на сушку гидроокиси алюминия. Благодаря этому отходящие газы разбавляются воздухом, например, на 5...25% и соответственно снижается содержание водяного пара в получающемся сушильном агенте. Это позволяет повысить эффективность процесса сушки и соответственно экономичность процесса в целом с учетом того, что количество подаваемого в реакционную камеру воздуха обычно оказывается избыточным из-за необходимости надлежащего охлаждения получаемого глинозема.

Поставленная задача решается также предлагаемым реактором для обжига порошкообразного материала, позволяюшим реализовать предлагаемый способ, описанный выше, и представляющим неотъемлемую составную часть общего изобретательского замысла. Этот реактор, как и вышеописанный известный, содержит вертикальную цилиндрическую реакционную камеру с коническим днищем, по крайней мере одним нижним боковым входным отверстием для порошкообразного сырьевого материала, нижним центральным входным отверстием для газовой фазы и верхним выходным отверстием для газово-суспензионной фазы и расположенное в нижней части реактора горелочное устройство. Согласно изобретению последнее выполнено в виде цилиндрической форкамеры, которая соосно соединена с нижней частью реакционной камеры и имеет нижнее центральное входное отверстие для воздуха и верхнее центральное выходное отверстие для смеси продуктов сгорания и воздуха, состыкованное с нижним центральным входным отверстием реакционной камеры, и снабжена несколькими тангенциально расположенными горелками, равномерно распределенными по цилиндрической поверхности.

Поставленная задача решается также предлагаемой установкой для термообработки порошкообразного материала, преимущественно гидроокиси алюминия, позволяющей реализовать предлагаемый способ, описанный выше, и представляющей неотъемлемую составную часть общего изобретательского замысла. Эта установка, как и вышеописанная известная, содержит устройство для предварительной сушки влажной гидроокиси алюминия в восходящем потоке отходящих газов, циклонный сепаратор высушенной гидроокиси алюминия, устройство для предварительного нагревания гидроокиси алюминия в потоке отходящих газов, реактор для обжига гидроокиси алюминия во взвешенном состоянии смесью продуктов сгорания топлива с воздухом, циклонный сепаратор полученного глинозема, многоступенчатое циклонное устройство для охлаждения глинозема и нагревания воздуха, подаваемого к реактору, охладитель товарного глинозема, нагнетатель для подачи воздуха к реактору и дымосос для отвода отработанных газов в атмосферу. Согласно основной форме воплощения установки реактор для обжига гидроокиси алюминия во взвешенном состоянии смесью продуктов сгорания топлива с воздухом выполнен как вышеописанный реактор согласно изобретению и снабжен дополнительным нагнетателем для подачи первичного воздуха к горелочному устройству.

Согласно предпочтительной форме воплощения установки вход упомянутого устройства для сушки гидроокиси алюминия соединен с воздушным трактом упомянутого устройства для охлаждения глинозема и нагревания воздуха посредством воздухопровода с возможностью контролируемого отбора части подваемого к реактору воздуха. На входе в устройство для сушки гидроокиси алюминия может быть установлена дополнительная горелка с автономным нагнетателем для подачи к ней первичного воздуха.

Другие особенности изобретения изложены в нижеследующем подробном описании примеров его осуществления со ссылками на схематические чертежи, на которых представлены:

фиг.1 - упрощенная технологическая схема установки согласно изобретению;

фиг.2 - то же, вариант выполнения;

фиг.3 - конструкция реактора согласно изобретению, общий вид с частичным разрезом;

фиг.4 - поперечное сечение I-I (фиг.3).

Способ термообработки порошкообразного материала, преимущественно гидроокиси алюминия Аl(ОН)₃, включает предварительную прямоточную сушку влажной гидроокиси алюминия в восходящем потоке отходящих газов, осуществляемую в устройстве для сушки 1 (фиг.1, 2), циклонную сепарацию высушенной гидроокиси алюминия в циклоне 2, предварительное прямоточное нагревание гидроокиси алюминия в потоке отходящих газов, осуществляемое в устройстве для нагревания 3, подачу нагретой гидроокиси алюминия в реакционную камеру 4 и ее обжиг во взвешенном состоянии смесью продуктов сгорания топлива с предварительно нагретым воздухом, циклонную сепарацию полученного глинозема в циклоне 5, многоступенчатое прямоточное охлаждение глинозема потоком воздуха, подаваемого к реакционной камере 4, при помощи циклонного устройства 6...9, и окончательное охлаждение товарного глинозема с помощью, например, водяного охладителя 10.

Согласно основной форме воплощения способа в реакционную камеру 4 падают отдельно приготовленную в форкамере 11 смесь продуктов сгорания топлива с предварительно нагретым воздухом с более широкой возможностью регулирования ее теплотехнических параметров, таких как средняя температура смеси и ее теплосодержание. Предварительное нагревание воздуха, подаваемого к форкамере 11, осуществляется с помощью циклонного устройства 6...9, используемого для охлаждение глинозема этим же воздухом.

Согласно предпочтительной форме воплощения способа от общего потока воздуха, направляемого к реакционной камере 4, через воздухопровод 12 отбирают контролируемый частичный поток воздуха и подают его в восходящий поток отходящих газов, направляемых на сушку гидроокиси алюминия, осуществляемую в устройстве для сушки 1.

Согласно другой предпочтительной форме воплощения способа отбираемый частичный поток воздуха предварительно подогревают перед его подачей в восходящий поток отходящих газов, направляемых на сушку гидроокиси алюминия, путам сжигания дополнительного топлива в горелке 13 (фиг.2).

Согласно наиболее предпочтительной форме воплощения способа частичный поток воздуха отбирают в количестве 5...25% от общего потока воздуха, направляемого к реакционной камере 4.

Реактор (фиг. 3, 4) для обжига порошкообразного материала содержит вертикальную цилиндрическую реакционную камеру 4 с коническим днищам 14, по крайней мере одним нижним боковым входным отверстием 15 для порошкообразного сырьевого материала, нижним центральным входным отверстием 16 для газовой фазы и верхним боковым выходным отверстием 17 для газово-суспензионной фазы и расположенное в нижней части реакционной камеры горелочное устройство.

Согласно изобретению горелочное устройство выполнено а виде цилиндрической форкамеры 11, которая соосно соединена с нижней частью реакционной камеры 4 и имеет нижнее центральное входное отверстие 18 для предварительно нагретого воздуха и верхнее центральное выходное отверстие 19 для смеси продуктов сгорания и воздуха, состыкованное с входным отверстием 16 реакционной камеры 4. Форкамера 11 имеет также несколько тангенциально расположенных горелок 20, равномерно распределенных по ее цилиндрической поверхности, например шесть горелок, по две в каждом из трех горизонтальных рядов (на фиг.3 горелки 20 условно показаны расположенными радиально). Внутренние поверхности реактора 4,11 снабжены огнеупорной теплоизоляцией.

Описанный реактор 4, 11 работает следующим образом. Предварительно нагретый сухой порошкообразный сырьевой материал, в частности гидроокись алюминия, подается в реакционную камеру 4 через одно или предпочтительнее несколько равномерно распределенных по окружности входных отверстий 15 в направлении, параллельном образующей конического днища 14. На уровне входного отверстия 16 реакционной камеры 4 порошкообразный материал подхватывается входящим горячим газовым потоком с образованием взвешенного осесимметричного вихревого слоя газово-суспензионной фазы. Последняя покидает реакционную камеру 4 через верхнее выходное отверстие 17. Горячий газовый поток генерируется в отделенном от рабочего пространства реакционной камеры 4 горелочном устройстве форкамеры 11, куда через входное отверстие 18 подается предварительно нагретый воздух, а через выходное отверстие 19, состыкованное с входным отверстием 16 реакционной камеры 4, а последнюю подается смесь продуктов сгорания и воздуха.

Установка для термообработки порошкообразного материала, преимущественно гидроокиси алюминия (фиг. 1, 2), содержит устройство 1 для предварительной сушки в восходящем потоке отходящих газов влажной гидроокиси алюминия, подаваемой в загрузочное устройство 21, например, шнекового типа; циклонный сепаратор 2 высушенной гидроокиси алюминия; устройство 3 для предварительного нагревания гидроокиси алюминия в потоке отходящих газов, состоящее из газового канала 22 и циклонного сепаратора 23; реактор 4, 11 для обжига гидроокиси алюминия во взвешенном состоянии смесью продуктов сгорания топлива с воздухом; упомянутый циклонный сепаратор 23 полученного глинозема; многоступенчатое циклонное устройство для охлаждения глинозема и нагревания воздуха, подаваемого к реактору 4, 11, состоящее из циклонов 6...9; охладитель товарного глинозема 10, например, водяного типа; нагнетатель 24 для подачи воздуха к реактору 4, 11 через циклонное устройство 6...9; дымосос 25 для отвода отработанных дымовых газов в атмосферу через пылеулавливатель 26, например, электростатического типа.

Согласно основной форме воплощения установки реактор для обжига гидроокиси алюминия во взвешенном состоянии смесью продуктов сгорания топлива с воздухом выполнен как реактор 4, 11 согласно изобретению и снабжен дополнительным нагнетателем 27 для подачи первичного воздуха к горелкам 20 горелочного устройства.

Согласно предпочтительной форме воплощения установки вход устройства 1 для сушки гидроокиси алюминия соединен с воздушным трактом устройства 6..9 для охлаждения глинозема и нагревания воздуха посредством воздухопровода 12 с возможностью контролируемого отбора части воздуха, подаваемого к реактору 4, 11, с помощью запорно-регулирующего органа 28. Отбор воздуха из воздушного тракта может производиться непосредственно на выходе из циклона 8 второй ступени нагревания воздуха (фиг.1).

Согласно другой предпочтительной форме воплощения установки на входе в устройство 1 для сушки гидроокиси алюминия установлена дополнительная горелка 13 с автономным нагнетателем 29 для подачи к ней первичного воздуха. В этом случае отбор воздуха из воздушного тракта производится непосредственно на выходе из циклона 9 первой ступени нагревания воздуха (фиг.2).

Установка содержит также промежуточный бункер 30 для предварительно охлажденного глинозема, поступающего из последней ступени его воздушного охлаждения - циклона 9, бункер-накопитель 31 товарного глинозема, поступающего от охладителя 10, запорно-регулирующие органы 32 и 33 соответственно воздушного нагнетателя 24 и дымососа 25, а также соединительные воздушные, газовые и дымовые каналы и топливопроводы.

Установка работает следующим образом. Пастообразная гидроокись алюминия с влажностью, например, 10% подается в загрузочное устройство 21 и поступает в устройство для сушки 1, где она подхватывается восходящим потоком отходящих газов и высушивается от свободной влаги на своем пути к циклону 2. Здесь сухая гидроокись алюминия отделяется от отходящих газов и под собственным весом поступает в устройство 3 для ее предварительного нагревания, состоящее из газового канала 22 и циклонного сепаратора 23. Отделившаяся в циклоне 23 нагретая гидроокись алюминия поступает в реакционную камеру 4, где осуществляется ее обжиг смесью продуктов сгорания топлива с воздухом, поступающей снизу от горелочного устройства форкамеры 11. Обожженный глинозем в виде газово-суспензионной фазы поступает в циклон 5 для сепарации и оттуда в циклонное устройство 6. ..9 для воздушного охлаждения, а отходящие газы из циклона 5 подаются в газовый канал 22 устройства 3 для предварительного нагревания гидроокиси алюминия и далее через циклон 23 поступают в устройство 1 для ее сушки. Далее предварительно охлажденный товарный глинозем из циклона 9 поступает в промежуточный бункер 30, затем в водяной охладитель 10 и, наконец, в бункер-накопитель 31 для дальнейшей отгрузки.

Воздух для работы реактора 4, 11, подаваемый нагнетателем 24, нагревается в циклонном устройстве 6...9 взвесью горячего глинозема и поступает из циклона в форкамеру 11. Определенное количество частично подогретого воздуха, контролируемое запорно-регулирующим органом 28, отбирается из воздушного тракта циклонного устройства 6. ..9 после циклона 8 (фиг.1) или циклона 9 (фиг. 2) и по воздухопроводу 12 поступает на вход устройства для сушки 1, уменьшая влагосодержание сушильного агента. Отбираемый из циклона 9 (фиг.2) воздух при необходимости подогревается дополнительной горелкой 13, первичный воздух к которой подается автономным нагнетателем 29. Первичный воздух для горелок 20 форкамеры 11 подается дополнительным нагнетателем 27. Дымовые газы отбираются дымососом 25 из циклона 2 и через пылеулавливатель 26 отводятся в атмосферу. Пылевая фракция из пылеулавливателя 26 подается на рециркуляцию (на чертежах не показана).

Управление тепловым режимом реакционной камеры 4 может осуществляться посредством регулирования подачи топлива к горелкам 20, изменения коэффициента избытка воздуха, подаваемого к горелкам 20 дополнительным нагнетателем 27, изменения производительности и нагнетателя 24 и дымососа 25 соответствующими запорно-регулирующими органами 32 и 33 и, кроме того, путем подачи части воздуха, контролируемой запорно-регулирующим органом 28, непосредственно в устройство для сушки 1, а также путем регулирования подачи топлива к дополнительной горелке 13.

В нижеследующей таблице представлен конкретный пример практической реализации изобретения применительно к производству товарного глинозема, осуществляемому в установившемся режиме.