ШАХТНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ОБЖИГА СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА
SHAFT FURNACE FOR ROASTING OF BULK MATERIAL

Изобретение относится к шахтной печи для обжига сыпучего материала, например известняка, и может быть использовано в технологии производства сахара как оборудование по получению сатурационного газа, используемого для очистки диффузионного сока, а также может найти применение при получении извести в шахтных печах в промышленности строительных материалов, химической и металлургической промышленности.
Известна шахтная печь для обжига сыпучего материала (патент РФ №2431096, кл. F27B 1/00, опубл. 10.10.2011), содержащая цилиндрическую футеровочную шахту, загрузочное и выгрузочное устройства, короб отсоса печных газов, газовый насос, соединенный всасывающим патрубком с коробом печных газов и нагнетательным патрубком - с коллектором печных газов, вентилятор для подачи воздуха в печь. Печь также содержит вихревую трубу с входом на ее «холодном» конце, соединенным с нагнетательным патрубком газового насоса, и выходом на «горячем» конце, соединенным с трубопроводом подачи воздуха из вентилятора в печь. Вихревая труба снабжена конденсатосборником с устройством удаления сконденсировавшейся влаги и соединенным входом с выходом на «холодном» конце вихревой трубы, а выходом - с коллектором печных газов.
Однако, эта шахтная печь для обжига сыпучего материала, например известняка, не обеспечивает принудительного газообмена между основными газовыми потоками - печными газами в зонах обжига сыпучего материала и газами в порах отдельных кусков сыпучего материала и в закрытых объемах между кусками сыпучего материала, находящихся в шахтной печи.
Технический результат изобретения - интенсификация газообмена между основными газовыми потоками - печными газами в зонах обжига сыпучего материала и газами в порах сыпучего материала и в закрытых объемах между кусками сыпучего материала, находящихся в шахтной печи, за счет установления на коробе отсоса печных газов датчика разрежения, программного управляющего устройства в блоке управления, электрического моторного исполнительного механизма, механического редуктора и регулирующего органа на трубопроводе, соединенным с одной стороны с коробом отсоса печных газов, а с другой - с всасывающим патрубком газового насоса отсоса печных газов, которые составляют программную систему управления и обеспечивают периодические изменения разрежения в коробе отсоса печных газов и в верхней части шахтной печи для обжига сыпучего материала с частотой 5-15 колебаний в минуту и с амплитудой 20-40 Па.
Поставленная задача решается тем, что шахтная печь для обжига сыпучего материала с получением сатурационного газа, используемого для очистки диффузионного сока, содержащая цилиндрическую футеровочную шахту, загрузочное и выгрузочное устройства, короб отсоса печных газов, газовый насос, соединенный всасывающим патрубком с коробом печных газов и нагнетательным патрубком - с коллектором печных газов, вентилятор для подачи воздуха в печь, вихревую трубу с входом на ее «холодном» конце, соединенным с нагнетательным патрубком газового насоса, и выходом на «горячем» конце, соединенным с трубопроводом подачи воздуха из вентилятора в печь, при этом вихревая труба снабжена конденсатосборником с устройством удаления сконденсировавшейся влаги и соединенным входом с выходом на «холодном» конце вихревой трубы, а выходом - с коллектором печных газов снабжена датчиком разрежения, расположенным на коробе отсоса печных газов, программным управляющим устройством в блоке управления, электрическим моторным исполнительным механизмом, механическим редуктором и регулирующим органом, расположенных на трубопроводе, соединенным с одной стороны с коробом отсоса печных газов, а с другой - с всасывающим патрубком газового насоса отсоса печных газов, которые составляют программную систему управления и обеспечивают периодические изменения разрежения в коробе отсоса печных газов и в верхней части шахтной печи для обжига сыпучего материала с частотой 5-15 колебаний в минуту и с амплитудой 20-40 Па.
Изменение разрежения в коробе отсоса печных газов и в верхней части печи для обжига сыпучего материала между основными газовыми потоками - печными газами в зонах обжига сыпучего материала и газами в порах отдельных кусков сыпучего материала и в закрытых объемах между кусками сыпучего материала, находящихся в шахтной печи, обеспечивает принудительную интенсификацию газообмена между основными потоками печных газов в печи и газами внутри пор отдельных кусков сыпучего материала и в закрытых объемах между кусками сыпучего материала, находящихся в печи.
На фигуре 1 схематично изображена шахтная печь для обжига сыпучего материала.
k
На фигуре 2 изображена схема поры или закрытого объема между кусками сыпучего материала объемом V, соединенной через пневматическое сопротивление канала с основным газовым потоком печных газов в зонах обжига сыпучего материала в печи.
На фигуре 3 приведен график изменения расхода газов через пневматическое сопротивление канала в газовую пору отдельных кусков сыпучего материала или закрытый объем между кусками сыпучего материала, расположенных в зоне обжига сыпучего материала в шахтной печи, в зависимости от частоты переменного разрежения основных потоков печных газов в зоне обжига сыпучего материала в шахтной печи.
Шахтная печь для обжига сыпучего материала состоит из цилиндрической футеровочной шахты 1 с загрузочным распределительным устройством 2 в верхней его части и выгрузочным устройством 3 в нижней части. В горизонтальных сечениях футеровочной шахты 1 печи установлены короб отсоса печных газов 4 и короб 5, работающий в режиме подачи воздуха, установленный на фланце 6. Газовый насос 7 своим всасывающим патрубком посредством трубопровода 8 соединен с коробом отсоса печных газов 4, а нагнетательным патрубком через трубопровод 9 - с коллектором печных газов 10. Вентилятор 11 своим нагнетательным патрубком через трубопровод 12 соединен с коробом 5, а всасывающим патрубком - с калорифером (не показано).
Блок управления 13 электрически соединен с управляемыми клапанами 14, 15, 16, 17, с выгрузочным устройством 3, электрическим моторным исполнительным механизмом 28, а также с датчиками температуры 18, расхода 19 и разрежения 27.
Вихревая труба 20 соединена через управляемый клапан 14 с трубопроводом 9, ее «холодный» конец 24 через управляемый клапан 15 соединен с коллектором печных газов 10, а «горячий» конец 26 через управляемый клапан 17 - с трубопроводом 12, в котором происходит смешивание воздуха, нагнетаемого вентилятором 11, с горячим периферийным потоком вихревой трубы 20.
Конденсатосборник 21 снабжен устройством удаления сконденсировавшейся влаги и загрязнений 22, при этом конденсатосборник 21 соединен своим входным трубопроводом 23 с «холодным» концом 24 вихревой трубы 20, а выходом - через трубопровод 25 и управляемый клапан 15 с коллектором печных газов 10.
Датчик 27 разрежения, расположен на коробе 4 отсоса печных газов, программное управляющее устройство расположено в блоке управления 13, электрический моторный исполнительный механизм 28, механический редуктор 29 и регулирующий орган 30, расположенны на трубопроводе 8, соединенным с одной стороны с коробом отсоса печных газов 4, а с другой - с всасывающим патрубком 8 газового насоса 7 отсоса печных газов, которые составляют программную систему управления и обеспечивают периодические изменения разрежения в коробе 4 отсоса печных газов и в верхней части шахтной печи 1 для обжига сыпучего материала с частотой 5-15 колебаний в минуту и с амплитудой 20-40 Па.
Шахтная печь работает следующим образом.
Определенное количество сыпучего материала, например, известняка и твердого топлива, через загрузочное распределительное устройство 2 подается в футеровочную шахту 1 печи. Подогретый в калорифере воздух на горение поступает в шахтную печь от вентилятора 11 через короб 5, установленный на фланце 6. Из короба 4 отсоса печных газов через регулирующий орган 30 и трубопровод 8 печные газы с температурой, регистрируемой датчиком 18 и фиксируемой блоком управления 13, выносятся газовым насосом 7 через управляемый клапан 16 к коллектору печных газов 10.
Датчик 27 разрежения, подключенный к коробу 4 отсоса печных газов, измеряет в коробе 4 и верхней части печи разрежение и передает сигнал на программное управляющее устройство, входящее в блок управления 13, которое формирует периодически изменяемые по частоте и амплитуде сигналы управления. Эти сигналы управления подаются на электрический моторный исполнительный механизм 28 с механическим редуктором 29 и регулирующий орган 30. Регулирующий орган 30, установленный на трубопроводе 8, периодически непрерывно частично открывается, а потом закрывается исполнительным механизмом 28 по сигналам от программного устройства блока управления 13 и непосредственно периодически изменяет разрежение в коробе 4 отсоса печных газов и в верхней части шахтной печи 1 обжига сыпучего материала с частотой 5-15 колебаний в минуту и с амплитудой 20-40 Па.
Программное управляющее устройство, входящее в блок управления 13, периодически изменяет разрежение в коробе 4 отсоса печных газов и в верхней части шахтной печи 1 для обжига сыпучего материала с частотой 5-15 колебаний в минуту и с амплитудой 20-40 Па.
Блок управления 13 подает команду на управляемый клапан 14, установленный на трубопроводе 9, соединяющем выходной патрубок газового насоса 7 и вход вихревой трубы 20. В результате этого печные газы из трубопровода 9 через управляемый клапан 14 (управляемый клапан 16 закрыт) поступают в тангенциальный вход вихревой трубы 20, в которой происходит их термодинамическое расслаивание на «горячий» периферийный и «холодный» осевой потоки (см. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: 1969, 365 с.).
В связи с тем, что углекислый газ обладает плотностью большей, чем плотность других компонентов печных газов, то вследствие термодинамического расслаивания в вихревой трубе 20 наблюдается следующее.
Частично загрязненный углекислый газ, сконденсировавшийся из парообразного состояния водяной пар и мелкодисперсная влага процесса термодинамического охлаждения с загрязнениями в виде ржавчины и окалины из выхода 24 вихревой трубки 20 направляются во входной трубопровод 23 конденсатосборника 21, где собираются и по мере накопления через устройство удаления сконденсировавшейся влаги и загрязнений 22 выбрасываются в окружающую среду вручную или автоматически (не показано). Очищенный от загрязнений углекислый газ в виде «холодного» потока направляется по трубопроводу 25 через открытый управляемый клапан 15 в коллектор печных газов 10. При этом количество поступающего газа регистрируется датчиком расхода 19. Одновременно «горячий» периферийный поток из выхода 26 вихревой трубы 20 через открытый управляемый клапан 17 поступает в нагнетательный патрубок 12 вентилятора 11. Полученная газовоздушная смесь имеет температуру, обеспечивающую эффективное сгорание топлива, в результате чего отпадает необходимость подогрева воздуха калорифером непосредственно до температуры обжига сыпучего материала, что способствует снижению затрат, связанных с использованием калорифера. При повышении температуры отходящих газов блок управления 13 подает команду для увеличения числа оборотов выгрузочного устройства 3 до достижения заданного значения температуры.
В случае уменьшения поступления диоксида углерода в коллектор печных газов 10, например при использовании последнего в технологическом процессе очистки диффузионного сока на I и II сатурации в сахарном производстве, датчик расхода 19 регистрирует данное уменьшение и подает сигнал на блок управления 13, который для поддержания нормированного расхода углекислого газа в свою очередь подает команду на открытие управляемого канала 16, и часть печных газов из нагнетательного патрубка газового насоса 7 дополнительно направляется в коллектор печных газов 10, а частично - через управляемый клапан 14 на вихревую трубу 20. В результате на сатурацию подается смесь, состоящая из охлажденного углекислого газа, поступающего от вихревой трубы 20 в виде «холодного» потока и части необработанных печных газов.
О влиянии внешних факторов (например, землетрясений) на поровое давление в различных подпочвенных отложениях, через которые проходят скважины (и на уровень воды в скважинах) отмечается в статье Болдина С.В., Копылова Г.Н. «Гидрогеодинамические эффекты землетрясений в системе скважина-резервуар (на примере скважины ЮЗ-5, Камчатка)». Материалы ежегодной конференции КС и ГИК, П. - Камчатский, 2006 г. стр. 122-130.
k
Рассмотрим пору объемом V в куске сыпучего материала или в закрытом объеме между кусками сыпучего материала, соединенную с основными газовыми потоками - печными газами в зонах обжига сыпучего материала в шахтной печи в виде схемы, приведенной на фигуре 2. Эта схема состоит из пневматического сопротивления канала 2, через который протекают печные газы из зоны обжига 3 сыпучего материала в шахтной печи в выделенную газовую пору 1.
1
Принимаем, что разрежение печных газов P(t), Па, в зоне обжига сыпучего материала и в коробе 4 отсоса печных газов в шахтной печи изменяются согласно выражению
0
x
x
-1
где Р - статическая составляющая разрежения печных газов в зоне обжига сыпучего материала и в коробе 4 отсоса печных газов в шахтной печи, Па; P(t)⋅sinωt - переменная составляющая разрежения печных газов в зоне обжига сыпучего материала и в коробе 4 отсоса печных газов в шахтной печи, Па; P(t), ω - амплитуда и частота переменной составляющей разрежения печных газов в зоне обжига сыпучего материала и в коробе 4 отсоса печных газов из шахтной печи, Па, с; t - время, с.
к
Теоретически установлено, что разрежение газов P(t) в выделенной поре 1 отдельного куска сыпучего материала или в закрытом объеме между кусками сыпучего материала (фигура 2) определяется выражением
x
1
k
1
1
k
1
2
-2
-1
где P(t) - амплитуда колебательного разрежения в точке А (фигура 2), Т=V/(α⋅RT) - постоянная времени для поры 1, заполненной печными газами, с пневматическим сопротивлением канала 2, который имеет проводимость α=V/(T⋅RT), R - газовая постоянная печных газов, мсК; Т - абсолютная температура печных газов, К.
1
Расход газов G(t) в выделенную пору 1 отдельного куска сыпучего материала или в закрытый объем между кусками сыпучего материала (фигура 2) определяется выражением
На фигуре 3 приведен график изменения расхода печных газов через пневматическое сопротивление канала в газовую пору отдельного куска сыпучего материала или в закрытый объем между кусками сыпучего материала, в зависимости от частоты переменного разрежения печных газов в зоне обжига сыпучего материала и в коробе отсоса печных газов из шахтной печи.
1
-1
Как видно из графика на фигуре 3 максимальное значение расхода печных газов G(t) отмечается при частоте изменения переменного разрежения газов ω=1,1 с. Известно, что ω=2πƒ, где ƒ - частота колебаний, Гц. ƒ=1/Т, где Т - период колебания, с. Из этих выражений определяем ƒ=ω/2π=1,1/6,28=0,175 Гц  и T=1/ƒ=1/0,175=5,71 с.
Период колебания T=5,71 с соответствует 60 с/5,71 с=10,5 колебаний в минуту.
1
Формулы (2) и (3) и кривая на фигуре 3 показывают, что только при наличии периодических колебаний (при ω>0) разрежения в зоне обжига сыпучего материала и в коробе отсоса печных газов из шахтной печи обеспечивается принудительный газообмен - расход печных газов G(t) [фигура 2 и формула (3)] между основными газовыми потоками в шахтной печи и газами в порах отдельных кусков сыпучего материала или в закрытых объемах между кусками сыпучего материала.
1
Принудительный газообмен - расход печных газов G(t) между основными газовыми потоками в шахтной печи и газами в порах отдельных кусков сыпучего материала или в закрытых объемах между кусками сыпучего материала, обеспечивает равномерный по всему объему верхней части шахтной печи прогрев и обжиг сыпучего материала и уменьшает возможность появления спекшейся массы сыпучего материала, так называемых «козлов», образующих в футеровочной шахте 1 печи своды, препятствующие прохождению сыпучего материала.
1
Если отсутствуют периодические колебания (при ω=0) разрежения в зоне обжига сыпучего материала, расположенной в цилиндрической футеровочной шахте 1 выше короба 5 подачи воздуха в печь, и в коробе 4 отсоса печных газов из шахтной печи, тогда отсутствует принудительный газообмен - расход печных газов G(t)=0 между основными газовыми потоками в шахтной печи и газами в порах отдельных кусков сыпучего материала или в закрытых объемах между кусками сыпучего материала.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемая шахтная печь для обжига сыпучего материала позволяет интенсифицировать газообмен между основными газовыми потоками в шахтной печи и газами в порах отдельных кусков сыпучего материала или в закрытых объемах между кусками сыпучего материала.