Способ нагревания печи или другого промышленного технологического устройства
METHOD FOR HEATING FURNACE OR OTHER INDUSTRIAL PROCESS DEVICE

Предлагаемый способ позволяет строить электрические печи, химические реакторы и другие технологические устройства, предназначенные для нагрева продуктов переработки до высоких температур в условиях минимального загрязнения реакторного пространства посторонними агентами.
Преобразование электрической энергии в тепловую энергию в электропечах и других технологических устройствах осуществляется при использовании различных физических принципов. Так высокочастотное электромагнитное поле может непосредственно разогревать продукт или какой-то промежуточный электропроводящий носитель. Электрическая дуга, возбуждаемая между электродами или между электродом и продуктом, может разогревать рабочее пространство реактора. Широко распространены нагревательные элементы, тепло в которых выделяется при прохождении через них электрического тока. Это металлические нагревательные спирали или нагревательные стержни из проводящих керамических материалов. Предлагаемый способ нагревания печи или другого промышленного технологического устройства с помощью электрической энергии отличается тем, что в качестве нагревательного элемента используется проводящий порошок.
Известны различные конструкции электрических печей с использованием криптола, проводящего порошка графита (криптоловые печи). По предлагаемому способу проводящий порошок помещается внутри горизонтально расположенного цилиндрического барабана, изготовленного из термостойкого изоляционного материала. Существенным является то, что барабан заполняется порошком не полностью и порошок помещается в нижней части барабана.
Наиболее важным признаком предлагаемого способа является то, что проводящий порошок непрерывно пересыпается в результате постоянного медленного вращения барабана. Это обстоятельство позволяет устранить главный недостаток криптоловых печей - неравномерность разогрева порошка графита при прохождении по его объему электрического тока, приводящая к прогоранию огнеупоров и снижению возможной температуры нагрева печи. Эта неравномерность вызывается колебаниями плотности и соответственно проводимости порошка в отдельных частях конструкции печи. Другим преимуществом заявляемого способа является возможность использования в качестве проводящего порошка не только графита, отличающегося особенностью не спекаться до очень высоких температур, но и других проводящих порошков таких, как порошки тугоплавких металлов и электропроводных керамических материалов.
Предлагаемый способ отличается тем, что через порошок посредствам системы электродов пропускается электрический ток. Конструкция печи такова, что при вращении барабана проводящий порошок постоянно контактирует с электродами, через которые подводится напряжение от источника питания. Например, это могут быть два кольцевых электрода, расположенные на концах барабана. Таким образом, создаются условия для непрерывного и равномерного тепловыделения. Волна пересыпающегося по внутренней поверхности барабана порошка отдает тепло огнеупорной керамике, как путем непосредственного контакта, так и через излучение.
Особенностью предлагаемого способа является то, что выделение тепла происходит не только вследствие омического сопротивления материала порошка, но также за счет микродуговых разрядов между отдельными зернами пересыпающегося порошка. По сути, механизм тепловыделения занимает промежуточное положение между принципом действия дуговой печи и омического нагревателя. Множество возникающих и сразу же гаснущих микродуговых разрядов создают особые условия для химических контактных аппаратов. На фоне общей высокой температуры реактора внутри объема пересыпающегося порошка постоянно существуют микрообъемы сильно перегретой плазмы, в которых создаются специфические условия, которые можно использовать для химической реакции между вводимыми в реакторный аппарат газами.
Прототипом для настоящей заявки послужил принцип, использующийся в так называемых криптоловых печах. Криптол - это товарный продукт, представляющий из себя порошок графита или кокса разной степени помола. Криптоловые печи были широко распространены в лабораторной практике, а также использовались в технологических процессах в первой половине двадцатого века. Считалось, что они наиболее оправданы экономически для температур от 1000 до 1800 градусов Цельсия. Подробное описание конструкций и особенностей применения этого оборудования можно найти в работе. «Криптоловые печи Базилевич А.С. М. Стройиздат 1935 68 с. Графит (криптол) электропроводен, его температура плавления выше термостойкости любых огнеупорных материалов (3800 град. С), порошок графита не спекается до высоких температур. Эти свойства криптола используются для построения несложных электропечей различной конструкции: - огнеупорная кладка, муфель, графитовые или металлические электроды и засыпка межэлектродного пространства криптолом. Все варианты криптоловых печей имеют общий недостаток - неравномерный разогрев порошка графита внутри объема печи, как результат различной объемной плотности порошка и, как следствие - разрушение конструкции печи и невозможность достижения температур выше 1800 градусов.
Настоящая заявка предлагает иной способ использования проводящего порошка высокотемпературных материалов таких, как графит, тугоплавкие металлы и сплавы, проводящей керамики (карбиды бора и кремния, двуокись циркония, дисилицид молебдена и др.) для построения печей и химических реакторов. Помещенный на дно горизонтально расположенного, медленно поворачивающегося барабана из огнеупорного материала, порошок непрерывно перемешивается и пересыпается, образуя гряду постоянного сечения. Ток, подведенный через расположенные в углублениях на торцах барабана электроды, разогревает проводящий порошок до высокой температуры, а вращение барабана обеспечивает его равномерный прогрев. Внутренний объем барабана используется для размещения неподвижного муфеля с рабочей камерой.
Принцип непрерывно пересыпающегося проводящего порошка, по которому пропускается электрический ток, позволяет поддерживать постоянство удельного сопротивления материала, а значит равномерность его разогрева. Это дает возможность достижения более высоких температур печи, ограниченных только огнеупорностью футеровки. Постоянное движение порошка препятствует его спеканию, что открывает возможность использования не только графита, но и целого класса вышеперечисленных проводящих порошков.
Предлагаемый способ позволяет конструировать нагревательные печи различных конструкций. Равномерно разогретый барабан с огнеупорной футеровкой большого диаметра позволяет легко задвигать вовнутрь и извлекать керамический муфель, либо закрытую рабочую камеру из тугоплавкого металла, либо легкий тигель для плавления различных материалов. Или несколько последовательно расположенных вращающихся барабанов с общей длинной термостойкой трубой по оси образуют высокотемпературную конвейерную линию. Вакуумная печь или печь с атмосферой инертного газа допускают использование в качестве рабочего тела металлических порошков, вплоть до вольфрама, что позволяет выходить на очень высокие температуры. В простых лабораторных печах, не защищенных от атмосферы, целесообразно использовать порошки из высокотемпературной проводящей керамики, например, дисилицида молибдена. Такой наполнитель не будет постепенно выгорать и деградировать, как графитовый порошок.
Одной из особенностей прохождения тока через пересыпающийся проводящий порошок является образование множества микродуговых разрядов в объеме материала. Этот объемно распределенный генератор плазмы можно использовать в химических реакторных аппаратах, например, в процессе термического пиролиза углеводородного сырья. Так метан превращают в ацетилен и водород в электродуговых печах при температуре 2000-3000°C и при атмосферном давлении, напряжение между электродами 1000 В. Метан при этом разогревается до 1600°C. Расход электроэнергии составляет около 13000 кВт⋅ч на 1 тонну ацетилена, что относительно много, да и выход ацетилена составляет 50%. Гипотетический реактор представляет собой керамический поворачивающейся барабан на две трети заполненный проводящим порошком, через который пропускается электрический ток. В нижней части барабана находится неподвижная керамическая перфорированная или пористая труба, через которую подается метан. Неподвижное препятствие способствует пересыпанию порошка в заполненном на две трети барабане. Метан подвергается термическому пиролизу на зернах разогретого до 2000 градусов порошка, а также в микрообъемах высокотемпературной плазмы. Условия реакции могут оказаться более выгодными экономически, чем традиционный процесс.
На фиг. 1 представлена конструкция простой вращающейся печи, как пример реализации заявляемого способа. На рисунке цифрами обозначены:
1. Корпус
2. Огнеупорная футеровка
3. Муфель (рабочая камера)
4. Проводящий порошок
5. Наружная теплоизоляция
6. Устройство выдвижения муфеля
7. Кольцевые электроды
8. Токоприемные кольца
9. Внутренняя коммутация
10. Устройство для вращения печи
11. Токоподводящие щетки
12. Источник электропитания
Мною был построен и опробован рабочий макет такой печи. Внутренний диаметр огнеупорной футеровки 150 мм, глубина 250 мм, диаметр наружного корпуса 300 мм, вместо муфеля использовалась рабочая камера из нержавеющей стали толщиной 1 мм, диаметром 60 мм на всю глубину печи; печь приведена во вращение со скоростью 30 об/мин. Токоподводящие электроды - плоские кольца из нержавеющей стали, заглубленные в тело футеровки и выступающие на высоту 2-3 мм. В качестве рабочего тела пробовался сеяный графит, кокс, древесный уголь в чистом виде или с добавками сеяного алунда или керамики. Питание осуществлялось от сети 220 вольт с применением балластного сопротивления. Мощность на печи не превышала двух киловатт, рабочий ток в зависимости от материала засыпки и температуры рабочего тела не превышал 10 ампер. Рабочий порошок прогревался до белого каления за 7-10 минут, футеровка выходила на рабочий режим за 2 часа. В печи устанавливалась восстановительная атмосфера, на прикрытом отражателем входном окне постоянно горел небольшой факел угарного газа. Внутренние металлические конструкции из нержавеющей стали не подвергались окислению. Температура внутри рабочей камеры около 1200 градусов С. (плавилась медь). Порошок графита медленно выгорал, через 2-3 часа приходилось досыпать. При использовании кокса заметно портилась внутренняя футеровка, - происходило остекление из-за неконтролируемых легкоплавких примесей в исходном порошке. При соблюдении горизонтальности установки барабана тепловыделение в пересыпающемся валике порошка по его длине стабильно. Не наблюдалось зон перегрева, спекания, фрагментации или расслоения пересыпающейся массы порошка. Подводимая мощность периодически регулировалась вручную с помощью балластного сопротивления. Бóльшая температура в рабочей камере не была достигнута вследствие недостаточной теплоизоляции корпуса и ограниченной подводимой мощности.
В качестве прототипов для настоящей заявки найдены следующие материалы: А.С. 412265 от 11.02.1950 г. Е.В. Ермолаева «Криптоловая печь». Заявка на изобретение №: 123408, дата публикации: 27.12.2012. Кухтецкий Сергей Владимирович (RU), «Устройство для получения ацетилена из метана и углеводородов электронагревом»