Печь для сушки и прокалки материалов

3
2
4
Полезная модель предназначена для сушки и прокалки различных материалов (тригидрат фтористого алюминия AlF-3HO, гидроксид титана Ti(OH) и др.) в химической, пищевой и др. отраслях производства.
Наиболее часто, в качестве аппаратов для прокалки материалов используются печи с вращающимися барабанами. Конструктивно печь выполняется в соответствии с требованиями, которые предъявляются стандартами к конструкциям печей химических производств с вращающимися барабанами общего назначения (ГОСТ 27120-86 Печи химических производств с вращающимися барабанами общего назначения).
Для достижения заданной температуры прокалки материала на выходе из печи используется способ противотока. Печь с вращающимися барабанами обеспечивают технологически требуемую длительность пребывания материала в зоне прокаливания при заданных температурных условиях. Как правило, топка у прокалочных печей располагается со стороны разгрузочной камеры печи.
Исходный материал (паста или сыпучий полупродукт) подлежащий прокаливанию содержит свободную влагу и связанную (кристаллогидратную). Влажность исходного материала по свободной влаге в разных процессах колеблется от 5 до 40%.
Обычно для конкретного материала, подлежащего сушке и прокаливанию в печи, термогравиметрическими исследованиями определяют температурный порог удаления свободной и кристаллогидратной влаги. Эти процессы предшествуют процессу собственно прокалки материала в печи.
Таким образом, процесс обработки материала в печи можно условно разделить на три зоны:
- зону удаления свободной влаги (поверхностной и капиллярной);
- зону удаления связанной (кристаллогидратной) влаги;
- зону прокалки - выдержки материала по времени в заданных температурных условиях.
Удаление свободной влаги проходит при нагреве материала до температуры 120…150°С, удаление связанной (кристаллогидратной) влаги, в зависимости от прочности связи молекул воды с материалом, проходит при температурах 230…500°С.
Первые две зоны могут быть объединены в зону дегидратации. В зоне дегидратации, где протекают процессы нагрева всей массы материала до температуры испарения свободной и связанной влаги, затрачивается дополнительно тепло на отрыв молекул воды кристаллогидратной влаги, перегрев паров воды до температуры дымовых газов.
Как показывают расчеты теплового баланса процессов прокалки в зоне дегидратации расходуется основная доля тепловой энергии, затрачиваемой на процесс.
4
Например, при прокаливании гидроокиси титана Ti(OH) в зоне дегидратации затрачивается ≈85% тепла от общего, а в зоне прокаливания ≈15%, с учетом потерь тепла через ограждения.
4
2
2
Причем, при переходе гидроокиси титана Ti(OH) в аморфную форму TiO, в прокалочной зоне требуется выдержать полученную двуокись титана не менее 6 часов при постоянной температуре ≈900°С для перехода в TiO кристаллический.
В известных применяемых для прокалки материалов аппаратах с вращающимися барабанами топка располагается только со стороны разгрузочной камеры. Она рассчитывается на полную тепловую мощность, что не позволяет правильно поддерживать температурный режим в зонах печи.
При отклонении температурного режима в зоне дегидратации, например, вследствие изменения количества подаваемого материала или влажности материала, устранение возникшего отклонения в зоне дегидратации осуществляется через зону прокалки, что нарушает температурный режим зоны прокалки.
4
Например, резкое увеличение подачи пасты гидрата двуокиси титана Ti(OH) в печь требует увеличение расхода газа, чтобы не упала температура в холодном конце печи (со стороны камеры загрузки), а увеличение расхода газа вызывает подъем температуры в горячем конце печи (камера разгрузки), что ведет к перекалке продукта, в противном случае - пойдет недопрокал. В том и другом случае неизбежно получится бракованная продукция.
Задачи, которые решаются в заявляемом устройстве:
- доставка тепла в зону, где это необходимо без нарушения температурного режима в другой зоне;
- повышение интенсивности тепломассообменных процессов в зоне дегидратации;
- уменьшение массово-габаритных размеров печи.
Поставленные задачи решаются тем, что заявляется печь для сушки и прокалки материалов, в которой корпус выполнен из двух цилиндрических частей разного диаметра и длины, соединенных жестко между собой конической вставкой; со стороны загрузочной камеры печи установлена горелка с трубой, расположенной коаксиально корпусу и вращающейся совместно с корпусом, причем длина трубы равна длине цилиндрической части корпуса печи в этой зоне.
Со стороны разгрузочной части печи установлена коаксиально корпусу труба байпасного потока, вращающаяся совместно с корпусом, с открытыми концами и возможностью изменения проходного сечения со стороны разгрузочной камеры, причем длина трубы не более половины длины цилиндрической части корпуса печи в этой зоне.
По необходимости, со стороны загрузочной камеры цилиндрическая часть печи снабжается подающей, взвешивающей и пересыпной насадкой известных конструкций, причем конструкция и последовательность их установки зависит от влажности и свойств поступающего в печь материала.
На фиг. 1 показаны внешние конструктивные элементы печи. Здесь: I - зона дегидратации, II - зона прокалки, III - конусная вставка. 1 - опора на загрузочном конце печи; 2 - опора на разгрузочном конце печи; 3 - привод печи; 4 - разгрузочная камера; 5 - загрузочная камера; 6 - лоток; 7 - штуцер отвода дымовых газов; 8 - топка; 9 - горелка; 10 - штуцер ввода дымовых газов в разгрузочную камеру; 11 - люк-лаз.
На фиг. 2 показаны внутренние конструктивные элементы печи. Здесь: 12 - труба, 13 - труба байпасного потока, 14 - опоры; 15 - приемно-винтовая насадка; 16 - (подъемно-лопастная) взвешивающая насадка, 17 - радиальная пересыпная насадка.
Устройство работает следующим образом. Материал через узлы дозирования и питатель подается на лоток 6 и попадает в пространство печи зоны I, где располагается приемно-винтовая насадка 15. Приемно-винтовой насадкой, при вращении печи, материал продвигается вдоль печи и по мере высвобождения от поверхностной влаги попадает на участок, где располагается подъемно-лопастная насадка 16. Цель применения такого типа насадок - поднимать и взвешивать материал поперек потока дымовых газов, интенсифицировать процесс его нагрева и удаления свободной и частично связанной влаги. Материал в этой части печи приобретает сыпучесть, становится подвижным, в связи с этим возрастает унос мелкой фракции с дымовыми газами. Далее материал перемещается на участок расположения радиальной насадки 17. Радиальная насадка ворошит материал в завале, поднимает его на небольшую высоту и способствует обновлению поверхности контакта материала с дымовыми газами, что способствует дальнейшему его нагреву и удалению остатков связанной влаги.
На подходе материала к конусной вставке III, процесс дегидратации материала должен быть закончен, что контролируется измерением температуры материала термодатчиками, установленными в критических точках по всей длине печи.
Последовательная установка перечисленных насадок учитывает свойства обрабатываемого материала, интенсифицирует тепло-массообменные процессы на стадии удаления свободной и связанной влаги, способствует завершению процессов удаления влаги на меньшей длине печи с более глубоким использованием тепла дымовых газов.
Из конусной вставки III материал перемещается в прокалочную зону II, где корпус имеет меньший диаметр. Как правило, в зоне прокаливания необходимо выдержать определенное время пребывания материала при заданной температуре, что обеспечивается коэффициентом заполнения материалом барабана и температурой дымовых газов, получаемых в топке 8, установленной со стороны разгрузочной части печи.
Если на всей длине зоны прокаливания II необходимо поддерживать заданную высокую температуру прокаливания (порядка 800…1000°С), то часть дымовых газов с высокой начальной температурой перепускается через трубу байпасного потока 13. В процессе пуско-наладочных работ возможно диафрагмирование отверстия трубы байпасного потока 13 со стороны разгрузочной камеры печи, частичный перепуск горячих газов и за счет этого поддержание заданной температуры материала на всей длине прокалочной зоны.
Как ранее отмечалось, большая часть тепловой энергии затрачивается в зоне дегидратации материала. Необходимая тепловая энергия для завершения процесса в этой зоне получается путем смешения дымовых газов, покидающих зону прокалки II (меньшая часть тепловой энергии) и дымовых газов, полученных от сжигания топлива в горелке 9. Дымовые газы, полученные в горелке 9, пройдя через трубу 12, смешивается с дымовыми газами прокалочной зоны II и с заданной температурой смешения обеспечивают процесс дегидратации материала в зоне I.
Любые возмущения, возникающие в процессе дегидратации, связанные с поступлением материала в большем или меньшем количестве, с изменением его температуры, влажности, приводят к изменению температуры материала на выходе из зоны дегидратации I.
Возмущения в системе устраняется путем воздействия на горелку 9, когда изменением количества сжигаемого топлива и температуры дымовых газов, температура материала на выходе из зоны дегидратации стабилизируется на заданном уровне.
Установка в прокалочной печи помимо топки 8 горелки 9 позволяет стабилизировать независимо процессы дегидратации и прокалки материала, обеспечить качество получаемых продуктов.
Увеличение диаметра корпуса в зоне дегидратации I и оснащение внутренней поверхности корпуса насадкой позволяет:
-за счет увеличения коэффициента заполнения материалом в этой зоне увеличить время пребывания материала;
- снижать скорость дымовых газов до приемлемой величины и унос мелкой фракции пыли из печи;
- установить трубу для прохода дымовых газов;
- сократить геометрические размеры зоны дегидратации по длине.
Благодаря принятым конструктивным изменениям в прокалочной печи достигается уменьшение габаритных размеров и веса. Независимое распределение тепла по зонам дегидратации и прокалки обеспечивает стабильность заданных технологией температурных условий процесса, а следовательно, и качества получаемых продуктов.