ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ОБЖИГА ВЕРМИКУЛИТОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ И СЫПУЧИХ МИНЕРАЛОВ

Полезная модель относится к области переработки сыпучих минералов, а именно к технологическому оборудованию для термообработки вермикулитовых концентратов и конгломератов, содержащих сунгулит [Терещенко С.В. Направления комплексного использования отходов добычи флогопита / С.В. Терещенко, С.А. Алексеева и др. // Экологическая стратегия развития горнодобывающей отрасли - формирование нового мировоззрения в освоении природных ресурсов: сб. докл. Всеросс. науч.-техн. конф. 13-15 октября 2014 г.: В 2 т. РАН, Горный ин-т Кольского научного центра. - Апатиты. СПб.: «Реноме». - 2014. - Т. 1. - С. 272-279] и других сыпучих, в частности, серпентиновых минералов, проявляющих химическую активность после термообработки (термоактивации) [Кременецкая И.П. Аморфизация серпентиновых минералов в технологии получения магнезиально-силикатного реагента для иммобилизации тяжелых металлов / И.П. Кременецкая, А.Т. Беляевский, Т.Н. Васильева и др. // Химия в интересах устойчивого развития. - 2010. - №1. - С. 41-49] и используемых в качестве реагентов для детоксикации техногенно загрязненных водных и почвенных объектов.
Известен технологический комплекс и печь для обжига вермикулита (RU №47082, МПК F27B 15/00, опубликовано 10.08.2005), который содержит печь для обжига вермикулита, выполненную в виде противней из огнеупорного материала, установленных друг по отношению к другу под углом, при этом противни снабжены электрическими нагревателями.
Общими признаками заявляемой полезной модели с аналогом являются противни из огнеупорного материала, установленные друг по отношению к другу под углом, при этом противни снабжены электрическими нагревателями.
Указанная печь обладает следующими недостатками. Вспучивание вермикулита в такой печи происходит при температуре 650-750°C в течение 2-3 сек. Однако, вермикулитовый концентрат (слюда) поступает в печь в виде тонких пластинок, толщиной не более 1 мм, поэтому их прогрев идет быстро. И хотя в процессе вспучивания толщина частиц концентрата многократно увеличивается, щелевидная структура формирующихся вермикулитовых зерен позволяет проникать тепловому излучению вглубь зерен со всех сторон через образующиеся щели. Поэтому для вспучивания вермикулита достаточно 2-3 сек. Однако такой продолжительности будет недостаточно, если температурной обработке (термоактивации) подвергается сыпучие минералы, например, сунгулит, не вспучивающийся и сохраняющий неизменным средний условный диаметр частиц 3-5 мм. Оптимальным режимом термообработки сунгулита и других серпентиновых минералов, к группе которых он относится, является нагрев частиц с максимальной скоростью до температуры 650-720°C (в зависимости от вида материала) и выдержка в нагретом состоянии в течение нескольких минут [Кременецкая И.П. Аморфизация серпентиновых минералов в технологии получения магнезиально-силикатного реагента для иммобилизации тяжелых металлов / И.П. Кременецкая, А.Т. Беляевский, Т.Н. Васильева и др. // Химия в интересах устойчивого развития. - 2010. - №1. - С. 41-49]. Поэтому указанная печь, созданная для обжига вермикулита при температуре 650-750°C и продолжительности термообработки 2-3 секунды, не сможет нагреть сыпучий минерал до требуемой температуры к моменту выхода из печи из-за недостатка времени температурного воздействия, а также не обеспечит возможности выдержки сыпучего минерала при требуемой температуре в течение заданного времени.
Известна так же электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов (RU №2351862, МПК F27B 9/00, опубликовано 10.04.2009), содержащая противни, выполненные из огнеупорного материала и установленные друг по отношению к другу под углом, снабженные электрическим нагревателями и крышками со съемными элементами, а электрические нагреватели выполнены в виде лент, установленных на ребро и размещены под крышками на поверхностях противней продольно, так что пространства между соседними нагревателями образуют продольные камеры.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противни, выполненные из огнеупорного материала и установленные друг по отношению к другу под углом, снабженные крышками и электрическим нагревателями.
Указанная печь обладает теми же недостатками. Она способна быстро (2-3 сек.) вспучивать вермикулит, но не может обеспечить достаточной продолжительности термообработки для термоактивации, например, сунгулита или других серпентиновых минералов, а также не обеспечивает возможности выдержки после термообработки сыпучих минералов при заданной температуре в течение требуемого времени.
За прототип принята электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов (RU №154263, МПК F27B 9/06, опубликовано 20.08.2015) содержащая корпус, установленные в нем под углом друг к другу электрифицированные противни из огнеупорного материала с электрическими нагревателями и термокрышками, снабженные рекуператорами тепловой энергии с перфорированными всасывателями, и не электрифицированный противень, расположенный под нижним электрифицированным противнем, имеющий верхние и нижние тепловые камеры, перфорированные всасыватели соединены трубопроводами с верхними и нижними тепловыми камерами не электрифицированного противня, которые в его нижней части соединены трубопроводами с бункером-осадителем с вытяжным вентилятором, не электрифицированный противень имеет Г-образную форму, а в полостях между его тепловыми камерами и пространством обжига размещен термоизоляционный материал.
Общими признаками заявляемой полезной модели с прототипом являются, корпус, установленные в нем под углом друг к другу электрифицированные противни из огнеупорного материала с электрическими нагревателями и термокрышками, снабженные рекуператорами тепловой энергии с перфорированными всасывателями, не электрифицированный противень, расположенный под электрифицированным, имеющий верхние и нижние тепловые камеры, перфорированные всасыватели соединены трубопроводами с верхними и нижними тепловыми камерами не электрифицированного противня, которые в его нижней части соединены трубопроводами с бункером-осадителем с вытяжным вентилятором, не электрифицированный противень имеет Г-образную форму, а в полостях между его тепловыми камерами и пространством обжига размещен термоизоляционный материал.
Прототип обладает следующими недостатками. Вспучивание вермикулита в такой печи происходит не при температуре 650-750°C, а при несколько сниженной температуре, например, при температуре 600-650°C, за счет того, что процесс вспучивания продолжается и окончательно завершается в пространстве обжига неэлектрифицированного противня, но время нахождения вермикулита под действием теплового излучения теперь больше, чем 2-3 секунды на 25-30% за счет неэлектрифицированного Г-образного противня, именно поэтому температура нагревателей электрифицированных противней снижена до 600-650°C. Однако, вермикулитовый концентрат поступает в печь в виде пластинок, толщиной не более 1 мм, поэтому их прогрев идет быстро. И хотя в процессе вспучивания толщина частиц концентрата многократно увеличивается, щелевидная структура вермикулитовых зерен позволяет проникать тепловому излучению вглубь зерен со всех сторон через образующиеся щели. Поэтому для вспучивания вермикулита даже при понижении температуры до 600-650°C достаточной будет продолжительность температурного воздействия 2,5-4,5 секунд (увеличено за счет неэлектрифицированного противня на 25%).
Но и этого, увеличенного на 25% времени температурной обработки будет недостаточно, если температурной обработке (термоактивации) подвергается сыпучие минералы, например сунгулит, не вспучивающийся и сохраняющий неизменным исходный средний условный диаметр частиц 3-5 мм. Оптимальным режимом термообработки сунгулита и других серпентиновых минералов, к группе которых он относится, является нагрев с максимальной скоростью до температуры 650-720°C (в зависимости от вида материала) и выдержка в нагретом состоянии в течение нескольких минут [Кременецкая И.П. Аморфизация серпентиновых минералов в технологии получения магнезиально-силикатного реагента для иммобилизации тяжелых металлов / И.П. Кременецкая, А.Т. Беляевский, Т.Н. Васильева и др. // Химия в интересах устойчивого развития. - 2010. - №1. - С. 41-49]. Указанная печь при пониженном температурном режиме и недостаточном времени температурного воздействия на сыпучий материал не обеспечивает возможности его нагрева до вышеуказанной температуры к моменту выхода из печи из-за недостаточной продолжительности температурного воздействия на него, а также не обеспечивает возможности выдержки нагретых минералов в течение требуемого времени.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании электрической печи для обжига вермикулитовых концентратов и сыпучих минералов, требующих термоактивации и выдержки в нагретом состоянии.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении достаточной продолжительности термообработки (обжига, термоактивации) сыпучих минералов для их нагрева до заданной температуры и последующей выдержки в течение требуемого времени при обеспечении энергосбережения в процессе термообработки за счет применения комбинации электрифицированных, работающих с пониженным температурным режимом, и не электрифицированных противней, собранных в блоки, последовательно расположенные один над другим применения термоизолированного бункера-накопителя с тепловой рубашкой.
Указанный технический результат достигается тем, что электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов и сыпучих минералов, содержащая корпус, установленные в нем под углом друг к другу электрифицированные противни из огнеупорного материала с электрическими нагревателями и термокрышками, снабженные рекуператорами тепловой энергии с перфорированными всасывателями, неэлектрифицированные противни, имеющие верхние и нижние тепловые камеры, причем перфорированные всасыватели рекуператоров соединены трубопроводами с верхними и нижними тепловыми камерами неэлектрифицированных противней, которые в своих нижних частях соединены трубопроводами с бункером-осадителем с вытяжным вентилятором, неэлектрифицированные противни имеют Г-образную форму, а в полостях между их тепловыми камерами и пространствами обжига размещен термоизоляционный материал, согласно полезной модели, она выполнена в виде блоков электрифицированных и неэлектрифицированных противней, которые последовательно расположены один над другим с возможностью пересыпания термообрабатываемого сыпучего материала из одного блока в другой, при этом верхний блок собран из последовательно расположенных двух электрифицированных и одного неэлектрифицированного противней, а последующие, ниже установленные блоки, собраны из последовательно расположенных одного электрифицированного и одного неэлектрифицированного противней, при этом перфорированный всасыватель верхнего рекуператора электрифицированного противня верхнего блока соединен трубопроводом с тепловой рубашкой бункера-накопителя с двойными стенками.
Собранные в блоки электрифицированные и неэлектрифицированные противни, последовательно расположенные один блок над другим, обеспечивают увеличение продолжительности термообработки (обжига, термоактивации) за счет дополнительного времени прохождения термообрабатываемых сыпучих минералов в неэлектрифицированных противнях. В них, если например термообрабатывается вермикулит-суегулитовый конгломерат, вспучивание вермикулита и нагрев сунгулита продолжается, но уже не от внешнего источника излучения, так как горячий воздух в тепловых камерах (380-420°C) лишь уменьшает утечки тепла из пространства обжига, а за счет переноса тепловой энергии от внешних, уже прогретых слоев частиц вермикулита и сунгулита, к внутренним, относительно «холодным» слоям. В них также идет перенос лучистой энергии от мелких прогревшихся частиц, уже не поглощающих эту энергию, а излучающих и отражающих ее на соседние, более крупные частицы.
Верхний блок содержит два последовательно расположенных электрифицированных и один неэлектрифицированный противень, так как на верхний электрифицированный противень сыпучие минералы поступают с температурой окружающей среды и, что бы нагреть их до температуры, при которой в неэлектрифицированном противне верхнего блока начнутся процессы переноса теплоты от внешних слоев частиц, к внутренним, относительно «холодным» слоям и переноса лучистой энергии от мелких прогревшихся частиц, к более крупным частицам, необходимы два электрифицированных противня.
Так как перфорированный всасыватель верхнего рекуператора электрифицированного противня верхнего блока соединен трубопроводом с тепловой рубашкой термоизолированного бункера-накопителя с двойными стенками, то в тепловой рубашке поддерживается температура 380-420°C, а это значительно снижает утечки тепла из бункера-накопителя, где термообработанный сыпучий минерал выдерживается в течение заданного времени под высокой температурой, до которой он был нагрет при выходе из печи.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются собранные в блоки комбинации электрифицированных и неэлектрифицированных противней, блоки последовательно расположены один над другим с возможностью пересыпания термообрабатываемого материала из одного блока в другой, верхний блок собран из последовательно расположенных двух электрифицированных и одного неэлектрифицированного противней, а последующие, ниже установленные блоки собраны из последовательно расположенных одного электрифицированного и одного неэлектрифицированного противней, при этом перфорированный всасыватель верхнего рекуператора электрифицированного противня верхнего блока соединен трубопроводом с тепловой рубашкой термоизолированного бункера-накопителя с двойными стенками.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 приведена схема электрической печи для обжига вермикулитовых концентратов и сыпучих минералов.
На фиг. 2. показано поперечное сечение неэлектрифицированного противня.
Электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов и сыпучих минералов, показанная на фиг. 1, содержит корпус 1, барабанный дозатор со спусковым лотком (на фиг. не показаны), верхний блок с двумя электрифицированными 2 и 3 и одним неэлектрифицированным 4 противнями, трубопровод 5, соединяющий перфорированный всасыватель 6 с неэлектрифицированным противнем 4. Нижерасположенные блоки также содержат электрифицированные 7 и 8 (по одному в каждом блоке) и неэлектрифицированные 9 и 10 противни с трубопроводами 11 и 12, соединяющими перфорированные всасыватели 13 и 14 со своими неэлектрифицированными противнями 9 и 10. Все нижние патрубки 15, 16 и 17 неэлектрифицированных противней 4, 9 и 10, в точках а, б и в сообщены с бункером-осадителем с вытяжным вентиляторм (на фиг. не показаны). Под нижним неэлектрифицированным противнем 10 нижнего блока размещен бункер-накопитель для термообработанного сыпучего минерала, имеющий термоизоляционный слой 18 и полость 19 между двойными стенками. Полость 19 в нижней части бункера-накопителя патрубком 20 в точке г сообщена с бункером-осадителем с вытяжным вентилятором (на фиг. не показаны). Перфорированный всасыватель 21 верхнего электрифицированного противня верхнего блока соединен трубопроводом 22 с полостью 19 бункера-накопителя, в верхней части которого установлена термопара 23. Все неэлектрические противни, трубопроводы и бункер-накопитель снаружи покрыты термоизоляционным материалом (на фиг. не показан).
Неэлектрифицированный противень имеет пространство обжига 24, термоизоляционный материал 25, тепловые камеры 26 и переборки 27, обеспечивающие параллельность стенок пространства обжига 24, фиг. 2.
Электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов и сыпучих минералов (в дальнейшем - печь), фиг. 1, работает следующим образом. Для быстрого выведения печи в рабочее состояние по спусковому лотку, как это показано стрелкой на фиг. 1, барабанным дозатором непрерывно в верхний противень 2 верхнего блока подают гравелистый песок с размером частиц 3…5 мм. Пересыпаясь по двум (для более быстрого нагрева) электрифицированным противням 2 и 3 верхнего блока песок нагревается, но не до предельной температуры, и далее пересыпается в неэлектрифицированный противень 4 верхнего блока. Здесь песок нагревает его пространство обжига 24 (фиг. 2) окруженное термоизоляционным материалом 25 и тепловыми камерами 26. Переборки 27 обеспечивают параллельность стенок пространства обжига 24. Одновременно, благодаря перфорированному всасывателю 6, фиг. 1, второго электрифицированного противня 3, раскаленный воздух по трубопроводу 5 поступает в тепловые камеры 26 (фиг. 2) за счет разряжения, создаваемого вытяжным вентилятором бункера-осадителя (на фиг. не показаны), соединенного в точке а через патрубок 15, фиг. 1, с тепловыми камерами 26 (фиг. 2) в нижней части неэлектрического противня. Раскаленный воздух, проходящий через тепловые камеры, нагревается в перфорированных всасывателях до температуры 380-420°С, поэтому он не оказывает влияния на термообработку сыпучего материала, проходящего через пространства обжига 24 (фиг. 2) всех неэлектрифицированных противней печи, входящих в верхний и последующие блоки, фиг. 1. Но он позволяет значительно уменьшить утечки тепла из пространств обжига 24 (фиг. 2), чему способствует также термоизоляционный материал 25 и наружный слой термоизоляционного материала (на фиг. не показан).
Так как в раскаленном воздухе, проходящем по трубопроводам 5, 11 и 12, фиг. 1, и тепловым камерам неэлектрифицированных противней присутствует пыль, то все неэлектрифицированные противни печи 4, 9 и 10 в своих нижних частях в точках а, б и в, сообщены через патрубки 15, 16 и 17 с бункером-осадителем с вытяжным вентилятором (на фиг. не показаны), где пыль осаждается, а по мере накопления - утилизируется.
Из противней 2, 3 и 4 верхнего блока, фиг. 1, гравелистый песок поступает в последующие, нижерасположенные блоки (их может быть больше двух). В электрифицированных противнях 7 и 8 последующих блоков песок снова нагревается, а в неэлектрифицированных 9 и 10 - нагревает их пространства обжига 24 (фиг. 2), окруженное термоизоляционным материалом 25 и тепловыми камерами 26.
Постепенно бункер-накопитель наполняется разогретым гравелистым песком. Для поддержания температуры в нем в полость 19, фиг. 1, по трубопроводу 22 от перфорированного всасывателя 21 поступает раскаленный воздух. Поддержанию температуры в бункере-накопителе способствует также термоизоляционный слой 18 и наружное темоизоляционное покрытие бункера-накопителя (на фиг. не показано). Когда бункер-накопитель наполнится нагретым гравелистым песком, с помощью термопары 23 измеряют его температуру. Если она не достигла заданного значения, например 720°С, песок продолжают подавать дозатором, а из бункера-накопителя его частично ссыпают в специальный подвижный бункер (на фиг. не показан). При этом увеличивают температуру нагревателей электрифицированных противней 2, 3, 7 и 8. Когда температура достигнет 720°С, бункер-накопитель опорожняют, а в бункер барабанного дозатора насыпают вермикулит-сунгулитовый конгломерат, сунгулит или иной минерал, требующий термоактивации.
Таким образом печь выведена в рабочее состояние и запущен процесс термообработки сыпучего материала.
Аналогичным образом производится подготовка и выведение в рабочее состояние печи при обжига вермикулита.
Полость 19 бункера-накопителя в нижней части в точке г, через патрубок 20 сообщена с бункером-осадителем с вытяжным вентилятором (на фиг. не показаны).
Мелкие частицы сыпучего материала, нагревшиеся до температуры 720°С или большей, проходя по электрифицированным противням верхнего блока, находясь в пространстве обжига 24 (фиг. 2) верхнего блока будут излучать тепловую энергию, отдавая ее более крупным и, относительно «холодным» частицам. Мелкие прогревшиеся частицы отдают свое тепло и стенкам пространств обжига, которые, в свою очередь, излучают его на крупные и более «холодные» частицы. Потеряв часть тепловой энергии в неэлектрифицированном противне верхнего блока, они восполнят ее в электрифицированном противне 7, фиг. 1, следующего блока и опять будут излучать тепловую энергию, отдавая ее более крупным и относительно «холодным» частицам. За счет этого происходит дополнительная взаимная термообработка частиц сыпучего материала. С учетом того, что возрастает и продолжительность термообработки на каждом неэлектрифицированном противне на 25-30%, температура нагревателей электрифицированных противней 2, 3, 7 и 8, фиг. 1, может быть существенно уменьшена, по сравнению с той температурой, какой она была бы, если бы неэлектрифицированных противней 4, 9 и 10, фиг. 1, в печи не было.
Это позволяет снизить потребление электроэнергии и уменьшить энергоемкость процесса термообработки сыпучих материалов. Следовательно, такая печь работает в энергосберегающем режиме.
Указанные теплообменные процессы происходят в условиях практически полного отсутствия тепловых потерь из пространства обжига 24 (фиг. 2) при значительно большей их продолжительности по времени.
Таким образом, достигается технический результат полезной модели, заключающийся в обеспечении достаточной продолжительности термообработки (обжига, термоактивации) сыпучих минералов для их нагрева до заданной температуры и последующей выдержки в течение требуемого времени при обеспечении энергосбережения в процессе термообработки.