ВНУТРЕННЕЕ ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ
ROTARY KILN INTERNAL HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к технологии процесса обжига сырьевого материала, например «сырого» кокса, во вращающихся печах, и может быть использовано, например, в металлургической промышленности в производстве анодной массы для самообжигающихся анодов алюминиевых электролизеров, в производстве огнеупорных материалов, а также в электродной промышленности.
Известно внутреннее теплообменное устройство вращающихся печей, представляющее собой завесы в виде стальных цепей, прикрепленных одним концом к футеровке печи либо обоими концами, образуя при этом цепные «гирлянды» [1, 2].
Недостатками известного теплообменного устройства являются значительное повышение пыления материала и, следовательно, увеличение пылевыноса из печи, а также уменьшение срока службы футеровки. Еще одним недостатком можно считать невозможность использования устройства в зоне высоких температур печи, а именно в этой зоне, процесс теплообмена в наибольшей степени влияет на эффективность работы печи. В процессе работы печи происходит быстрый износ цепей.
Известно внутреннее теплообменное устройство вращающихся печей, представляющее собой расположенные по длине печи теплообменные элементы, прикрепленные основаниями к ее внутренней поверхности и выполненные в виде сочлененных у основания лопастей корытообразного профиля с выпуклой поверхностью, обращенной к газовому потоку [3].
Недостатком известного теплообменного устройства является невозможность использования устройства во вращающихся печах алюминиевой промышленности, поскольку оно имеет достаточно сложную конструкцию. Конструкция выполняется из металла и приваривается к футеровке, что недопустимо при существующих температурных режимах вращающихся печей для прокаливания материала и протекающих в них физико-химических процессах.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является внутреннее теплообменное устройство вращающихся печей алюминиевой промышленности, футерованных огнеупорным кирпичом, с загрузочным и разгрузочным торцами, включающее теплообменные элементы для перемешивания материала. Теплообменные элементы представляют собой кирпичные полки, установленные в два ряда в зоне прокаливания печи на участке длиной 6,7 м и предназначенные для интенсификации теплообмена материала с газовым потоком и футеровкой [4].
Устройство-прототип обладает следующими недостатками.
Кирпичные полки, выполненные в виде выступов в футеровке вращающейся печи и расположенные непосредственно в зоне прокаливания, подвергаются значительному термическому и механическому воздействию, что является причиной их быстрого износа. Это приводит к значительному удорожанию футеровки зоны прокаливания печи, которая сама по себе является слабым местом футеровки вращающейся печи в целом и требует частого ремонта. Неизбежные разрушения футеровки приводят к загрязнению производимого продукта оксидом кремния. Обломки в дальнейшем переходят также в анодную массу и ухудшают качество анода.
Еще одним недостатком кирпичных полок является их форма, которая способствует значительному повышению уноса пыли из вращающейся печи. При движении полок через слой материала некоторая его часть захватывается боковой стенкой полки и начинает подниматься вместе с ней по мере вращения вращающейся печи. Далее этот материал достигает верхней части вращающейся печи, под действием силы тяжести соскальзывает с боковой стенки полки и попадает в газовый поток, подхватывается им и покидает вращающуюся печь вместе с отходящими газами. При этом унос пыли часто составляет величину, сопоставимую с производительностью вращающейся печи.
Кроме того, необходимо отметить, что устройство по прототипу не способствует активному перемешиванию материала и изменению гранулометрического состава по высоте слоя, а эти технологические факторы отрицательно сказываются не только на качестве готового продукта, но и снижают производительность вращающейся печи.
Задачей изобретения является повышение производительности вращающейся печи, улучшение теплотехнических параметров и повышение пылеподавляющей способности.
Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемого устройства, состоит в интенсификации процесса перемешивания материала, его теплообмена, в повышении надежности работы вращающейся печи и стойкости ее футеровки.
Поставленная цель достигается тем, что во внутреннем теплообменном устройстве для вращающихся печей алюминиевой промышленности, футерованных огнеупорным кирпичом, с загрузочным и разгрузочным торцами, включающем теплообменные элементы для перемешивания материала, согласно заявляемому решению теплообменные элементы выполнены в виде зубцов с основанием в форме треугольника, большая сторона которого ориентирована в направлении, противоположном разгрузочному торцу вращающейся печи, причем угол между большей стороной и смежными с ней составляет не менее 45°, а теплообменные элементы расположены на участках в зоне подогрева материала во вращающейся печи параллельными рядами в шахматном порядке относительно друг друга и соседних участков.
Устройство дополняют частные отличительные признаки, направленные на решение поставленной задачи.
Теплообменные элементы расположены на двух участках в четыре параллельных ряда на каждом участке, в шахматном порядке, причем в двух противоположных рядах расположено по пять зубцов, в остальных двух - по четыре зубца.
Острые углы зубцов теплообменных элементов срезаны во избежание их скалывания при работе печи.
Сущность изобретения заключается в том, что конструкция теплообменных устройств и их конфигурация в печи разработаны таким образом, чтобы обеспечить максимально возможное перемешивание материала по мере его движения в печи, тем самым обеспечивая интенсификацию теплообмена и при этом минимальное пылеобразование.
При активном перемешивании материала выравниваются его гранулометрический состав и температура по высоте слоя, обеспечивается высокая пылеподавляющая способность теплообменных элементов для предотвращения пылеуноса из печи и снижения ее производительности.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналогов и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию «новизна».
На фиг.1 показана схема установки в печь теплообменных устройств, на фиг.2 - развертка печи с расположением на ней теплообменных элементов, на фиг.3 - форма зубца теплообменного элемента.
Предлагаемое внутреннее теплообменное устройство вращающейся печи 1 с установленными на ней бандажами 2 и венцовой шестерней 3 состоит из отдельных теплообменных элементов 4, основания которых являются частью общей футеровки печи. Теплообменные элементы 4 выполнены в виде зубцов, изготовленных с основаниями в форме треугольников. Большие стороны которых направлены так, чтобы при вращении вращающейся печи материал, попадая на них, отбрасывался в противоположном своему движению направлении. Боковая сторона зубца теплообменного элемента находится под углом к движущемуся потоку материала. Внутри вращающейся печи теплообменные элементы располагаются на двух участках футеровки 5 (фиг.1), расположенных в зоне подогрева материала, в четыре параллельных ряда на каждом участке под углом 90° друг к другу (фиг.2). Зубцы теплообменных элементов в рядах по направлению вращения вращающейся печи располагаются в шахматном порядке и распределены равномерно вдоль каждого участка. В двух противоположных рядах расположено по 5 зубцов, в остальных двух - по 4 зубца. Расположение теплообменных элементов непосредственно в зоне прокаливания привело бы к значительному уменьшению срока их службы из-за высоких температур и механического воздействия на них материала, а это связано с дополнительными затратами на замену футеровки.
Приведен конкретный пример установки теплообменных элементов на двух участках. Количество участков, теплообменных элементов и их количество может варьироваться в зависимости от конструктивных характеристик вращающихся печей.
При работе вращающейся печи 1 теплообменные элементы 4 погружаются в слой материала и перемещаются в нем по мере вращения печи. Одновременно происходит перемещение материала между параллельными рядами поочередно по окружности вращающейся печи и под углом относительно образующей печи и отбрасывание движущегося материала к загрузочному торцу вращающейся печи (против движения материала), что способствует увеличению времени нахождения материала во вращающейся печи.
При вращении печи зубцы теплообменных элементов перемещаются через слой материала и происходит разделение основного его слоя на пульсирующие потоки. При этом, учитывая комплексное расположение теплообменных элементов параллельными рядами по окружности, наблюдается ускоренное разнопоточное перемещение материала, что способствует увеличению хорды сегмента и площади слоя материала, а наличие переменной формы слоя способствует интенсификации процесса перемешивания, выравнивает температуру материала в слое, что обеспечивает снижение разнородности в прокаливании мелкого и крупного материала, улучшение теплообмена и повышение производительности вращающейся печи.
В предложенном теплообменном устройстве теплообменные элементы изготавливаются из огнеупорного армированного бетона (фиг.3). Нижняя часть теплообменного элемента является частью общей футеровки, поэтому выполнена в виде трапеции. Внутри кирпича располагается металлический анкер для придания прочности зубцу теплообменного элемента. Острые углы зубца заранее срезаны во избежание их скалывания при воздействии температуры и массы материала. Кроме того, у зубцов теплообменных элементов угол между большей стороной и смежными с ней составляет не менее 45°, что обеспечивает задержку материала во вращающейся печи на некоторое время, и при этом происходит активное импульсно-подпорное перемешивание. При этом имеет место положительное влияние этого угла на пылеподавляющую способность. Установлено, что значительное уменьшение пыления материала достигается при угле наклона боковой стороны зубца элемента не менее 45° к потоку материала.
Литература
1. Ходоров Е.И. Печи цементной промышленности. - Л.: Изд-во литературы по строительству, 1968.
2. Ходоров Е.И. Движение материала во вращающихся печах. - М.: Промстройиздат, 1957. - 64 с.
3. Патент РФ №2035022. М.кл. F27B 7/18, 1995.
4. В.Г.Лисиенко, Я.М.Щелоков, М.Г.Ладыгичев. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология. - М.: Теплотехник, 2004. - 592 с.