печь кипящего слоя кс-55

Формула изобретения

Печь кипящего слоя, содержащая последовательно соединенные между собой по материалу два параллельно включенных попарно диаметрально противоположных друг другу по загрузке и выгрузке клапанных переточных устройства с цилиндрическими патрубками на входе и выходе, бункер известняка и две зоны подогрева известняка, зону обжига известняка на известь, зону охлаждения извести, расположенные в футерованном цилиндрическом корпусе, с кипящими слоями на плоских газораспределительных решетках в основаниях зон, и бункер извести, характеризующаяся тем, что оси патрубков параллельно включенных переточных устройств ориентированы под углом 38-65° к горизонтали и 52-90° между собой, а проекции продолжений осей патрубков переточных устройств на поверхности газораспределительных решеток зон пересекаются на расстоянии 0,256-0,375 диаметра зон от их центра, причем в зонах соединены загрузочные и выгрузочные переточные устройства, диаметрально не противоположные друг другу, а углы открытия клапанов устройств, расположенных по печи от бункера известняка в направлении движения материала, составляют 0-60°, 0-58°, 0-56°, 0-54°, 0-52° к горизонтали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано в печах кипящего слоя эндотермического обжига извести для производства и внепечной обработки чугуна и стали.

Известно переточное устройство многозонной печи кипящего слоя, содержащее выполненную с приливом клапанную коробку, в которой клапан установлен на поворотном рычаге, с осью, расположенной в полости клапанной коробки, входной и выходной цилиндрические патрубки, снабженные герметичными кожухами и соединяющим их воздуховодом, выход которого сообщается с полостью клапанной коробки (А.с. СССР №977916, МКИ³ F 27 B 15/00. Опубл. в Б.И. №44, 1982 г.).

Известное переточное устройство выходным патрубком подключено к основанию нижерасположенной зоны, что затрудняет непрерывную передачу и движение материала в ее кипящем слое. Движение материала в импульсном режиме образует проскок необработанных частиц от загрузки к выгрузке и снижение качества и количества производимой продукции, повышение расхода топлива на процесс из-за незавершенности теплообмена между газом и материалом в кипящих слоях технологических зон. Выполнение на элементах переточного устройства герметичных кожухов снижает ремонтоспособность устройств из-за затруднительного доступа к основным конструкциям устройства, подверженным термическим разрушениям в условиях высокотемпературного (˜1000°С) воздействия печных газов.

Известна печь кипящего слоя для обжига сыпучего материала, содержащая скиповый подъемник с загрузочным бункером, воздуходувку, дымосос, футерованный корпус с зонами подогрева, обжига и охлаждения, разделенными решетками, формирующими кипящие слои материала, снабженная переточными устройствами в виде двух параллельно установленных трубопроводов с цилиндрическими патрубками, соединяющих смежные кипящие слои, циклон и глухую перегородку, установленные между зоной обжига известняка и второй по ходу материала зоной подогрева, решетку на глухой перегородке в виде труб с вертикальными отверстиями в их верхней части, подключенную к воздуходувке (А.с. СССР №924488, МКИ³ F 27 В 15/00. Опубл. в Б.И. №16, 1982). Данная печь выбрана в качестве прототипа.

К недостаткам известной многозонной печи кипящего слоя для обжига сыпучего материала следует отнести ее низкую тепловую эффективность и недостаточный выход готовой продукции. Интенсивность теплообмена между газом и материалом определяется режимом псевдоожижения и взаиморасположением загрузки и выгрузки. Наличие в известной печи плоской перфорированной решетки и использование относительно крупного (0,012-0,025 м) сырья предполагает наличие кипящего слоя частиц, характеризуемого числами псевдоожижения от 1,3 до 2,0 (также см. Патент России №1762095, МКИ³ F 27 В 15/00. Опубл. в Б.И. №34, 1992). Этот режим характеризуется значительной незавершенностью теплообмена между воздухом (60-100°С) и известью (950-1050°С). При этом разность температур между кипящим слоем извести и отходящим из него воздухом достигает 150-200°С (см. Сыромятников Н.И. и др. Тепло- и массообмен в кипящем слое. М.: Химия, 967, с.67-73). В прототипе не предусмотрена организация направленного движения материала от загрузки к выгрузке по максимально возможной траектории, поэтому перемещение материала в кипящих слоях зон происходит по кратчайшему пути, наименее эффективному по тепловым характеристикам. Некоторые частицы при этом практически сразу из загрузки попадают в выгрузку. При этом для теплообмена не используется весь объем кипящего слоя, а приблизительно 70% его, что уменьшает степень тепловой обработки, качество и количество производимой продукции, расход топлива на процесс.

В основе данного изобретения лежит решение задачи по усовершенствованию конструкции печи кипящего слоя и оптимизации взаиморасположения и сочетания ее элементов, за счет чего и обеспечивается снижение расхода топлива на процесс, повышение выхода извести.

Поставленная задача достигается тем, что в печи кипящего слоя КС-55, содержащей последовательно соединенные между собой по материалу двумя параллельно включенными, попарно диаметрально противоположными друг другу по загрузке и выгрузке клапанными переточными устройствами с цилиндрическими патрубками на входе и выходе, бункер известняка и две зоны подогрева известняка, зону обжига известняка на известь, зону охлаждения извести, расположенные в футерованном цилиндрическом корпусе, с кипящими слоями на плоских газораспределительных решетках в основаниях зон, и бункер извести, оси патрубков параллельно включенных переточных устройств ориентированы под углом 38-65° к горизонтали и 52-90° между собой, а проекции продолжений осей патрубков переточных устройств на поверхности газораспределительных решеток зон пересекаются на расстоянии 0,256-0,375 диаметра зон от их центра, причем в зонах соединены загрузочные и выгрузочные переточные устройства, диаметрально не противоположные друг другу, а угол открытия клапанов устройств, расположенных по печи от бункера известняка в направлении движения материала, составляет 0-60, 58, 56, 54, 52° к горизонтали.

Техническим результатом от использования предлагаемой конструкции печи кипящего слоя КС-55 является снижение расхода топлива на процесс, повышение качества готовой извести.

Этот результат достигается следующим образом.

Технологические зоны печи круглого сечения характеризуются работой кипящего слоя в режиме смешения. При этом в режиме идеального смешения предполагается, что, теоретически, любая частица может находиться в любой точке кипящего слоя (см. Айнштейн В.Г. и др. Псевдоожижение. М.: Химия, 1991, с.23-132). При выборе зоны кипящего слоя с круглым сечением по конструктивным соображениям возникает необходимость в организации мероприятий для обеспечения максимального и равномерного времени пребывания всех частиц в кипящем слое зоны, что обеспечивает их максимальную и равномерную тепловую обработку, в данном случае - нагрев и обжиг известняка на известь и охлаждение извести. В известном техническом решении это частично достигается путем попеременного включения в работу накрест расположенных переточных устройств. В настоящем изобретении производится соединение переточных устройств, расположенных на одной линии. Одновременно предлагается решение этой проблемы путем оптимизации схемы взаимного расположения между собой параллельно установленных переточных устройств, а также загрузочных и выгрузочных переточных устройств. Схема расположения переточных устройств и условия, обусловившие ее выбор для решения задачи настоящего изобретения, иллюстрируются на фиг.1, где представлены проекции продолжения осей цилиндрических патрубков переточных устройств на горизонтальную поверхность газораспределительной решетки, например зоны подогрева 1 (ситуация аналогична для всех 4-х технологических зон). В качестве определяющих направлений движения материала выбираются оси патрубков переточных устройств. Точки А₁ и B₁ являются точками пересечения осей входных цилиндрических патрубков с образующей цилиндрического пространства зоны. Точки А₃ и В ₃ являются точками пересечения осей выходных цилиндрических патрубков с образующей цилиндрического пространства зоны. Поскольку при направленном движении в кипящем слое частиц имеется направление их преимущественного движения - русло, то благоприятным оказывается направление от точки B₁ к точке В₂ (соответственно от точки А₁ к точке А₂ и далее к точке А₃), расположенной на расстоянии D/4 от центра зоны (точка О), и далее к точке В₃ (далее мы будем рассматривать одно направление от точки B₁ ввиду симметричности направлений). Рассматривается ситуация, когда русло отстоит от направления B₁-В₂-В₃. При организации движения частиц по направлению B₁-В₂ ¹-В₃ часть частиц пройдет по кратчайшему пути - по прямой B₁В₃ (или по прямой B₁ А₃ - при крестообразном включении переточных устройств). При организации направления частиц левее точки В₂ ¹ количество таких частиц будет возрастать. При организации движения частиц по направлению B₁-В₁ ¹¹-В₃ движение части частиц пройдет в направлении точки М, что приведет к прямым соударениям частиц с огнеупорной футеровкой и ее последующим разрушением. При организации движения частиц правее точки В₂ ¹¹ разрушение футеровки будет более интенсивным. Таким образом, преимущественное движение частиц по направлению B₁-В₂-В₃ в русле, ограниченном прямыми B₁В₂ ¹, В₂ ¹B₃ и B₁ B₂ ¹¹, В₂ ¹¹B ₃, обеспечивает максимальную и равномерную тепловую обработку частиц, а также сохранность огнеупорной футеровки. Очевидно, что точки В₂ ¹, В₂ и В₂ ¹¹ отстоят от центра зоны в точке О на расстояниях D/8, D/4 и 3D/8. Для попадания частиц в развитый кипящий слой частицы должны загружаться в него на расстоянии не менее D/6, чтобы избежать образования застойной зоны материала на границе с футеровкой (Тодес О.М. и др. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1981, с.129-139). Тогда угол ОТВ₂ или ₀/2=arctg ОВ₂/ОТ=arctg3/4=36,9°. Тогда угол OTB₁ как смежный составит 180°-36,9°=143,1°. Из теоремы синусов определим угол OB₁T=х°:OB ₁/sin143,1°=ОТ/sinx°. Подставим в это уравнение численные значения: D/2/sin 143,1°=D/3/sin x°. Отсюда х°=arcsin(2/3·sin143,1°)=23,6°. Соответственно угол TOB₁=180°-143,1° -23,6°=13,3°. Углы TOB₁ и ОВ₁Е равны между собой как внутренние накрест лежащие. Тогда ОЕ=D/2sin13,3°=0,115D. Отсюда определим углы 2EB₁B₂ ¹ и 2EB₁B₂ ¹¹ (очевидно, что им соответствуют углы 2ОНВ₂ ¹ и 2ОКВ ₂ ¹¹ или согласно фиг.1 ₁ и ₂). Поскольку B₁E=D/2cos13,3°=0,49D, то ₁/2=arctg[(1/8+0,115)D/0,49D]=26°, а ₂/2=arctg[(3/8+0,115)D/0,49D]=45°. Окончательно ₁=52°, ₂=90°, что соответствует пределам, указанным в формуле изобретения. Они являются предельными углами, образующимися при взаимном пересечении проекций осей патрубков переточных устройств на поверхности газораспределительной решетки, то есть углами, ограничивающими русло направленного движения частиц в кипящих слоях зон от загрузки к выгрузке при включении не диаметрально противоположных друг другу переточных устройств (от B₁ к В₃ или от А₁ к А₃). Расстояние от центра зоны (точка О) до точки пересечения проекций осей патрубков на поверхности ее газораспределительной решетки при ₁=52° (величина отрезка ОК) составляет: 3D/8·tg45°=0,375D. Соответственно, величина отрезка ОН составляет: D/8/tg26°=0,256D. Т. о., по условиям рассмотренного выше предотвращения образования застойных зон материала около загрузки материала на границе с футеровкой, а также предотвращения разрушения футеровки необходимо, чтобы точка пересечения осей патрубков переточных устройств находилась на поверхности газораспределительной решетки в пределах 0,265D-0,375D от центра зоны, что соответствует пределам, указанным в формуле изобретения. Исходя из этого условия определяется угол наклона оси патрубков к горизонтали. С одной стороны, угол наклона патрубков к горизонтали должен превышать угол естественного откоса для полидисперсного известняка и извести, что составляет 38° и более (Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожижения. М.: Химия, 1967, с.17-91). С другой стороны, при стандартной толщине огнеупорной футеровки в зоне обжига, равной 0,5 м, находящийся в ней цилиндрический патрубок при угле наклона к горизонтали в 65° имеет протяженность контакта с футеровкой 1,0 м и при максимальной толщине стандартного огнеупорного кирпича в 0,09 м пересекает более 10 слоев футеровки по вертикали, что недопустимо. Выбор при ориентации парубка протяженности контакта и количества пересекаемых слоев больше указанных величин нарушает целостность огнеупорной кладки и ограничивает возможности ее длительной эксплуатации. Поэтому из вышеизложенных и конструктивных соображений угол оси патрубка переточного устройства ориентирован под углом 38-65° к горизонтали, что соответствует пределам, указанным в формуле изобретения.

Клапанные переточные устройства снабжены горизонтально ориентированным (закрытое положение) клапаном с возможностью его поворота на 90°. Угол открытия клапанов переточных устройств определяет проход по ним материала, т.е. их производительность. В связи с этим углы открытия переточных устройств, соединяющих бункер известняка и технологические зоны, а также бункер извести должны быть строго регламентированы и согласованы между собой, что особенно существенно при работе печи в автоматическом режиме. В процессе перемещения по печи и в результате тепловой обработки меняются линейные размеры и свойства (плотность) частиц материала. На фиг.2 представлена опытная зависимость изменения (в мм) среднего диаметра частиц материала (ось Y) от местонахождения подсоединения (1 - от бункера известняка, 2 - от 1-й зоны подогрева, 3 - от 2-й зоны подогрева, 4, 5 - от зон обжига и охлаждения) переточного устройства (ось X). Установлено, что среднестатистический диаметр частиц соответственно указанному порядку переточных устройств составляет: 24, 18, 16, 14 и 13 мм. Т. е. в зону подогрева 1 поступает известняк диаметром 24 мм, истирается в ней до 18 мм и поступает в зону подогрева 2, истирается в ней до 16 мм и поступает в зону обжига, истирается в ней до 14 мм, обжигается на известь и поступает в зону охлаждения, где окончательно истирается до 13 мм и перегружается в бункер извести.

Регулировка производительности переточных устройств возможна в интервале угла открытия клапана от 0° до предельного положения _п°, выше которого происходит лавинообразный и нерегулируемый сход материала. По переточным устройствам технологических зон определен интервал их регулирования, т.е. угол открытия клапана от 0 до _п°. Интервал угла открытия (в град.) переточных устройств представлен по оси Х на фиг.3 как функция соответствующих технологических зон (ось Y) и составляет соответственно 0-60, 58, 56, 54, 52° к горизонтали, что совпадает со значениями формулы изобретения.

На фиг.4 представлен чертеж технологической схемы, иллюстрирующий предлагаемое изобретение - печь кипящего слоя КС-55.

Технологическая схема печи кипящего слоя КС-55 включает зоны подогрева известняка 1, 2, зону обжига извести 3, расположенные в цилиндрическом футерованном корпусе, и отдельно стоящую зону охлаждения извести 4 с газораспределительными решетками, соответственно 5, 6, 7 и 8, воздуховод 9, соединяющий зону охлаждения 4 и зону обжига 3, параллельно включенные переточные устройства 10, 11, 12, соединяющие соответственно зону 1 с зоной 2, зону 2 с зоной 3, зону 3 с зоной 4, переточное устройство 13 из зоны 4, скиповый подъемник 14 с загрузочным бункером 15, загрузочное устройство 16 бункера 15, подключенное к верху зоны 1, дымосос 17, устройство 18 для подачи природного газа на горение в зону обжига, воздуходувную машину 19 и бункер извести 20.

Предлагаемая печь работает следующим образом. Известняк поступает в зоны подогрева 1, 2, зону обжига 3, где последовательно подогревается до 350-500, 650-800°С, обжигается на известь при 920-1100°С, известь охлаждается в зоне охлаждения 4 от 920-1100 до 150-300°С. Процесс тепловой обработки происходит в кипящих слоях на решетках 5-8. Материал перемещается по зонам посредством соответствующих переточных устройств 10-12. При этом загрузочные и выгрузочные патрубки переточных устройств попарно диаметрально противоположны. Однако соединение в каждой из зон 1-4 по настоящему изобретению осуществляется для недиаметрально противоположных переточных устройств. Готовая продукция выгружается из зоны 4 выгрузочным переточным устройством 13 в виде кусковой извести в емкость готовой продукции 20. Подача известняка в зону 1 осуществляется скипом 14 через загрузочный бункер 15 и загрузочное переточное устройство 16. Воздух подается в зону охлаждения извести 4 от воздуходувки 19, где нагревается, и через воздуховод 9 подается на горение газа, поступающего от устройства 18, в зону обжига 3. Дымовые газы совместно с СО₂ от диссоциации известняка и горения топлива из зоны обжига 3 поступают в зоны подогрева 1, 2, где отдают свое тепло известняку, охлаждаются и дымососом 17 транспортируются в газоочистку.

При этом, например, в условиях печи КС-55 ОАО "Тагмет" при уменьшении ориентации осей патрубков переточных устройств менее 38° к горизонтали происходит зависание материала и прекращается его равномерный сход, а при более 65° - стойкость футеровки в районе контакта с ней (точки А₁, А₃, B₁, B₃ на фиг.4) снижается на 35-40%. При ориентации осей патрубков переточных устройств менее 52° между собой обнаруживается прямой проскок частиц от загрузки к выгрузке, что снижает суммарную массовую долю оксидов кальция и магния (СаО+MgO)_общ в готовой извести, а при более 90° - стойкость футеровки в районе действия направленного движения материала (точки М и N на фиг.4) снижается на 15-25%. Уменьшение стойкости и износ футеровки сопряжены с повышенными эксплуатационными потерями тепла через кожух и с перерасходом топлива на охлаждение печи для проведения ремонта футеровки и последующий нагрев печи. Уменьшения расстояния от точки пересечения проекции продолжения осей патрубков переточных устройств на поверхности газораспределительных решеток до их центра менее 0,256 диаметра зон приводит к залеганию материала на участке, ограниченном отрезками B₁K, KB₁ и дугой А₁ (фиг.4), а более 0,375 - к прямому проскоку частиц от точки B₁ к точке В₃ и от точки А₁ к точке А₃, что снижает суммарную массовую долю оксидов кальция и магния (СаО+MgO)_общ в готовой извести и требует дополнительного расхода топлива.

Угол открытия всех переточных устройств, равный 0°, в условиях печи КС-55 ОАО "Тагмет" предполагает полное и гарантированное прекращение перемещения материала по зонам, поскольку в данном случае не образуется угол естественного откоса (для материала печи КС - 55 - известняка и извести фракции 3-12 (20)мм угол естественного откоса составляет 37-41°, зависит от гранулометрического состава известняка или извести внутри фракции и может условно характеризоваться средним диаметром частиц d_cp, определяемым гранулометрическим анализом) и, соответственно, не возникает движения материала под действием сил гравитации. В соответствии с результатами опытных данных увеличение интервала угла открытия переточных устройств свыше 60, 58, 56, 54 и 52° к горизонтали соответственно от бункера известняка (известняк с d_cp =14,5мм), от 1-й зоны подогрева (известняк, высушенный и очищенный от поверхностных примесей с d_cp=12,8 мм), от 2-й зоны подогрева (известняк скатанный с продиссоциированным карбонатом магния с d_cp=11,5 мм), от зоны обжига (известь с d _cp=9,1мм) и от зоны охлаждения (известь с d_cp =8,3мм) приводит к ненормируемому (из-за лавинообразного и нерегулируемого сход материала) перераспределению материала по технологическим зонам печи (влекущему за собой нарушение регламентированного по времени графика термической обработки), нарушению газодинамического и технологического режимов, снижению массовой доли (CaO+MgO) _общ в извести и перерасходу тепла на процесс.

Предлагаемое изобретение применительно к условиям ОАО "Тагмет" позволит обеспечить технике экономические показатели, представленные в таблице 1. При этом применение изобретения за счет оптимизации времени пребывания частиц обрабатываемого материала в зонах печи позволит повысить суммарную массовую долю оксидов кальция и магния (СаО+MgO)_общ на 2,50-6,95% и за счет повышения завершенности процессов теплообмена в кипящих слоях технологических зон снизить расход топлива на процесс получения металлургической извести на 5-25 кг усл. топлива/ т извести.

Таблица 1.
№п/п	Показатель	Печь по прототипу	Печь по изобретению в условиях ОАО "Тагмет"
1	2	3	4
1	Массовая доля (CaO+MgO) общ в извести, %	89,50÷92,00	92,00÷96,45
2	Расход топлива на процесс обжига извести, кг усл. топлива/ т извести	150÷155	130÷145