Шахтная печь для обжига сыпучего материала
SHAFT KILN FOR LOOSE MATERIAL CALCINATION

Изобретение относится к технологии производства сахара, а именно к оборудованию по получению сатурационного газа, используемого для очистки диффузионного сока, и может найти широкое применение при получении извести в шахтных печах в промышленности строительных материалов, химической и металлургической промышленности.
Известна шахтная печь для обжига сыпучего материала (см. патент РФ №2489658, МПК F27B 1/00, опубл. 10.08.2013. Бюл. №22) с получением сатурационного газа, используемого для очистки диффузионного сока, содержащая цилиндрическую футерованную 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, соединенном с нагнетательным патрубком газового насоса, и выходами на «холодном» конце для отвода холодного потока углекислого газа и на «горячем» конце, соединенном с патрубком подачи воздуха из вентилятора в печь, причем 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, при этом газовый насос снабжен приводом с регулятором скорости вращения и блоком управления, причем блок управления включает регулятор температуры с датчиком температуры и регулятор расхода с датчиком расхода, при этом каждый из регуляторов состоит из блоков сравнения и задания, электронного усилителя с блоком нелинейной обратной связи и магнитного усилителя, соединенного с регулятором скорости вращения, который выполнен в виде блока порошковых магнитных муфт.
Недостатком является снижение производительности печи для производства сатурационного газа из-за уменьшения скорости обжига известкового сырья, что обусловлено возрастанием аэродинамического сопротивления перемещения дымовых газов по внутреннему объему цилиндрической футерованной шахты при изменяющемся атмосферном давлении, а также наличии осадков в виде дождя, снега и тумана в зоне расположения загрузочного устройства.
Известна шахтная печь для обжига сыпучего материала (см. патент РФ №2553157, МПК F27B 1/00, опубл. 10.06.2015. Бюл. №6) с получением сатурационного газа, используемого для очистки диффузионного сока, содержащая цилиндрическую футерованную шахту, загрузочное и выгрузочное устройства, короб отсоса печных газов, газовый насос, соединенный всасывающим патрубком с коробом печных газов и нагнетательным патрубком - с коллектором печного сатурационного газа, вентилятор для подачи воздуха в печь, вихревую трубу с входом на ее «холодном» конце, соединенном с нагнетательным патрубком газового насоса, и выходами на «холодном» конце для отвода холодного потока углекислого газа и на «горячем» конце, соединенном с патрубком подачи воздуха из вентилятора в печь, причем вихревая труба снабжена конденсатосборником с устройством удаления сконденсировавшейся влаги и соединенным входом с выходом на «холодном» конце вихревой трубы, а выходом - с коллектором печного сатурационного газа, при этом газовый насос снабжен приводом с регулятором скорости вращения и блоком управления, причем блок управления содержит регулятор температуры с датчиком температуры и регулятор расхода с датчиком расхода, при этом каждый из регуляторов состоит из блоков сравнения и задания, электронного усилителя с блоком нелинейной обратной связи и магнитного усилителя, соединенного с регулятором скорости вращения, который выполнен в виде блока порошковых магнитных муфт, цилиндрическая футерованная шахта в верхней части соединена с полым валом, асимметрично расположенным над загрузочным устройством, причем на полом валу укреплены ветроколесо и крыльчатка, а лопасти ветроколеса и крылья крыльчатки при синхронном перемещении образуют суживающийся конус вращения, при этом соединительные элементы в количестве не менее четырех между верхней частью цилиндрической футерованной шахты и полым валом размещены по его периметру равномерно, а между ветроколесом и крыльчаткой выполнены в полом валу выпускные окна.
Недостатком является энергоемкость производства сатурационного газа из-за дополнительных затрат топлива на нагрев поступающего из загрузочного устройства известкового сырья до температуры обжига, особенно при наличии атмосферных воздействий в виде отрицательных температур окружающей среды, а также увлажнения известкового сырья осадками.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат на тепломассообменный процесс получения сатурационного газа путем поддержания заданного температурного режима внутри печи без дополнительных затрат топлива на подогрев известкового сырья от температуры окружающей среды, особенно при низких и отрицательных значениях и с увлажнением атмосферными осадками, до температуры обжига. Это достигается за счет покрытия наружной поверхности цилиндрической футерованной шахты тонковолокнистым базальтовым материалом, выполненным в виде закрученных жгутов и расположенных вытянутыми по высоте от короба отсоса печных газов до загрузочного устройства.
Технический результат достигается тем, что шахтная печь для обжига сыпучего материала с получением сатурационного газа, используемого для очистки диффузионного сока, содержащая цилиндрическую футерованную шахту, загрузочное и выгрузочное устройства, короб отсоса печных газов, газовый насос, соединенный всасывающим патрубком с коробом печных газов и нагнетательным патрубком - с коллектором печного сатурационного газа, вентилятор для подачи воздуха в печь, вихревую трубу с входом на ее «холодном» конце, соединенном с нагнетательным патрубком газового насоса, и выходами на «холодном» конце для отвода холодного потока углекислого газа и на «горячем» конце, соединенном с патрубком подачи воздуха из вентилятора в печь, причем вихревая труба снабжена конденсатосборником с устройством удаления сконденсировавшейся влаги и соединенным входом с выходом на «холодном» конце вихревой трубы, а выходом - с коллектором печного сатурационного газа, при этом газовый насос снабжен приводом с регулятором скорости вращения и блоком управления, причем блок управления содержит регулятор температуры с датчиком температуры и регулятор расхода с датчиком расхода, при этом каждый из регуляторов состоит из блоков сравнения и задания, электронного усилителя с блоком нелинейной обратной связи и магнитного усилителя, соединенного с регулятором скорости вращения, который выполнен в виде блока порошковых магнитных муфт, кроме того, цилиндрическая футерованная шахта в верхней части соединена с полым валом, асимметрично расположенным над загрузочным устройством, причем на полом валу укреплены ветроколесо и крыльчатка, а лопасти ветроколеса и крылья крыльчатки при синхронном перемещении образуют суживающийся конус вращения, при этом соединительные элементы в количестве не менее четырех между верхней частью цилиндрической футерованной шахты и полым валом размещены по его периметру равномерно, а между ветроколесом и крыльчаткой выполнены в полом валу выпускные окна, при этом наружная поверхность цилиндрической футерованной шахты покрыта тонковолокнистым базальтовым материалом, выполненным в виде закрученных жгутов и расположенных вытянутыми по высоте от короба, работающего в режиме подачи воздуха, до загрузочного устройства.
На фиг. 1 изображена шахтная печь для обжига сыпучего материала.
Шахтная печь состоит из цилиндрической футерованной шахты 1 с загрузочным распределительным устройством 2 в верхней его части и разгрузочным устройством 3 в нижней части. В поперечном сечении корпуса 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, а также с датчиком температуры 18 и датчиком расхода 19. Вихревая труба 20 соединена через управляемый клапан 14 с трубопроводом 9; ее «холодный» конец через управляемый клапан 15 соединен с коллектором печных газов 10, а «горячий» конец 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 входом 23 с «холодным» концом 24 вихревой трубы 20, а выходом 25 с коллектором печных газов 10.
Газовый насос 7 снабжен приводом 26 с регулятором скорости вращения 27 и блоком управления 13, который включает регулятор температуры 28 с датчиком температуры 18 и регулятор расхода 29 с датчиком расхода 19. Регулятор температуры 28 состоит из блока сравнения 30 и блока задания 31, электронного усилителя 32 с блоком нелинейной обратной связи 33 и магнитного усилителя 34, соединенного с регулятором скорости вращения 27 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Регулятор расхода 29 состоит из блока сравнения 35 и блока задания 36, электронного усилителя 37 с блоком нелинейной обратной связи 38 и магнитного усилителя 39, также соединенного с регулятором скорости вращения 27.
Цилиндрическая футерованная шахта 1 в верхней части соединена с полым валом 40, асимметрично расположенным над загрузочным распределительным устройством 2, причем на полом валу 40 укреплены ветроколесо 41 и крыльчатка 42, а лопасти 43 ветроколеса 41 и крылья 44 крыльчатки 42 при синхронном перемещении образуют конус вращения 45. Кроме того, соединенные элементы 46, количеством не менее четырех между верхней частью цилиндрической футерованной шахты 1 и полым валом 40 размещены по его периметру равномерно, а между ветроколесом 41 и крыльчаткой 42 в полом валу 40 выполнены выпускные окна 47.
Наружная поверхность 48 цилиндрической футерованной шахты 1 покрыта тонковолокнистым базальтовым материалом 49, выполненным в виде закрученных жгутов и расположенных вытянутыми по высоте от короба 5, работающего в режиме подачи воздуха, до загрузочного устройства 2.
Шахтная печь работает следующим образом.
Известковое сырье располагается рядом с печью и преимущественно на территории без защиты от атмосферных осадков, имеет температуру, равную температуре окружающей среды и в зависимости от времени года низкую положительную или даже отрицательную. Следовательно, наблюдается существенная разница температуры известкового сырья, поступающего с загрязнениями, с температурой его обжига внутри печи, что требует энергозатрат в виде дополнительного расхода топлива для поддержания нормированного теплообменного процесса получения сатурационного газа в заданном температурном режиме.
Покрытие наружной поверхности 48 цилиндрической футерованной шахты 1 тонковолокнистым базальтовым материалом 49 обеспечивает дополнительную теплоизоляцию. А выполнение тонковолокнистого базальтового материала 49 в виде закрученных жгутов, расположенных вытянутыми по высоте от короба 5, работающего в режиме подачи подогретого воздуха от вентилятора 11, до загрузочного устройства 3, приводит к аккумулированию теплоты сгораемого топлива, которая перемещается от зоны обжига в сторону загрузочного устройства 3 (см., например, волокнистые материалы из базальтов Украины. Киев: Техника, 1971. 76 с.).
В результате отдачи суммарной теплоты саккумулированной в закрученных жгутах тонковолокнистого базальтового материала 49, а также перемещающихся печных газов к коробу отсоса 4, известковое сырье в загрузочном распределительном устройстве 2 подогревается до температуры, превышающей температуру окружающей среды, высушивается от атмосферных осадков без дополнительных затрат топлива на выделение теплоты, необходимой для нагрева.
Следовательно, теплота процесса обжига известкового сырья, саккумулированная в тонковолокнистом базальтовом материале 49, обеспечивает поддержание нормированного теплообменного процесса получения сатурационного газа в заданном температурном режиме при перемещении известкового сырья из загрузочного распределительного устройства 2.
Происходящие при длительной эксплуатации печи, над загрузочным распределительным устройством 2 погодно-климатические воздействия в виде перепадов атмосферного давления и осадков (дождь, снег и/или туман) приводят к увеличению аэродинамического сопротивления, перемещению газовых потоков во внутреннем объеме цилиндрической футерованной шахты 1, что ухудшает процесс горения топлива и обжига сырья, и, как следствие, уменьшается производство сатурационного газа. Поддержание постоянства заданной скорости перемещения газовых потоков во внутреннем объеме цилиндрической футерованной шахты 1 обеспечивается тем, что одна часть газового потока, выходящего из загрузочного распределительного устройства 2, поступает в полость полого вала 40 и через выпускные окна 47 выбрасывается в атмосферу, приводя во вращение движение крыльчатку 42. Другая часть газового потока, выходящая из загрузочного распределительного устройства 2, проходит между соединительными элементами 46, симметрично расположенными количеством не менее четырех, и омывает ветроколесо 41, приводя его во вращательное движение. Профили полостей 43 ветроколеса 41 и крыльев 44 крыльчатки 2 выполнены таким образом, что при синхронном перемещении ветроколеса 41 и крыльчатки 42 образуется суживающийся конус вращения 45, обеспечивающий зону разрежения над загрузочным распределительным устройством 2 (см., например, Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т.2. М.: Наука, 1992. - 567 с.). В результате образовавшегося разрежения поддерживается постоянство заданных скоростей перемещения газовых потоков во внутреннем объеме цилиндрической футерованной шахты 1 в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации печи, что и способствует нормированному производству сатурационного газа.
Определенное количество сырья и топлива через загрузочное распределительное устройство 2 подается в шахту печи. Подогретый в калориферах воздух на горение поступает от вентилятора 11 в короб 5 для осуществления процесса обжига. Из короба отсоса печных газов 4 по трубопроводу 8 печные газы с температурой, регистрируемой датчиком 18 и фиксируемой блоком управления 13, выносятся газовым насосом 7 через управляемый клапан 16 к коллектору печного газа 10.
Привод 26 находится в режиме потребления энергии при эксплуатации газового насоса, который обеспечивает при заданной температуре, регистрируемой датчиком температуры 18, необходимое количество углекислого газа, определяемым датчиком расхода 19 на коллекторе печного газа 10. После запуска блока управления 13 он подает команду на управляемый клапан 14, установленный на трубопроводе 9, соединяющем выходной патрубок газового насоса 7 и вход вихревой трубы 20.
В результате 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.
В связи с тем, что углекислый газ обладает плотностью большей, чем плотность других компонентов печного газа, 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 трубы 20 направляется во вход 23 конденсатосборника 21, где собирается и по мере накопления через устройство удаления сконденсировавшейся влаги и загрязнений 22 выбрасывается в окружающую среду вручную или автоматически (на фиг. 1 не показано). Очищенный от загрязнений углекислый газ в виде «холодного» потока направляется через открытый управляемый клапан 15 в коллектор печного газа 10. При этом количество поступающего газа регистрируется датчиком расхода 19. Одновременно «горячий» периферийный поток из вихревой труб 20 через открытый управляемый клапан 17 поступает в нагнетательный патрубок 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 печных газов, выходящих из короба 4, что регистрируется датчиком температуры 18, соответствующий сигнал от него поступает на регулятор температуры 28 блока управления 13 и становится большим, чем сигнал блока задания 31. В результате на выходе блока сравнения 30 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 32 одновременно с сигналом нелинейной обратной связи 33. Сигнал с выхода электронного усилителя 32 поступает на вход магнитного усилителя 34, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на вход магнитного усилителя 34, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на выход магнитного усилителя 34, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 27 в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода 26.
Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 32 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 34. В результате момент, передаваемый регулятором скорости вращения 27 от привода 26 на газовый насос 7, уменьшается, снижая количество подаваемых с повышенной температурой печных газов в коллекторе 10. Одновременно для снижения температуры печных газов блок управления 13 подает команду для увеличения числа оборотов выгрузочного устройства 3 до достижения заданного значения температуры.
Снижение относительно нормативного количества поступающих печных газов в коллектор 10 фиксируется датчиком количества 19, и соответствующий сигнал от него поступает на регулятор расхода 29 блока управления 13 и становится меньшим, чем сигнал блока задания 36. В результате на блоке сравнения 35 появится сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 37 одновременно с сигналом нелинейной обратной связи 38. Сигнал с выхода электронного усилителя 37 поступает на вход магнитного усилителя 39, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 27 в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода 26. Положительная полярность сигнала электронного усилителя 37 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 39. В результате момент, передаваемый регулятором скорости вращения 27 от привода 26 на газовый насос 7, увеличивается, повышая количество печных газов, подаваемых из нагнетательного патрубка через трубопровод 9 в коллектор 10.
При последующем понижении температуры печных газов, выходящих из короба 4 из-за увеличивающегося их количества поступающих в коллектор 10, что регистрируется датчиком температуры 18, соответствующий сигнал от него поступает на регулятор температуры 28 блока управления 13 и становится меньшим, чем сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 32 одновременно с сигналом нелинейной обратной связи 33.
В случае уменьшения поступления диоксида углерода в коллектор печного газа 10, например, при использовании последнего в технологическом процессе очистки диффузионного сока на I и II сатурации в сахарном производстве, датчик расхода 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 направляются в коллектор печного газа 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.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключатся в снижении энергозатрат на производство сатурационного газа, особенно при эксплуатации печи с низкими положительными и отрицательными значениями температуры окружающей среды и наличием атмосферных осадков на известковом сырье, что достигается путем покрытия наружной поверхности цилиндрической футерованной шахты тонковолокнистым базальтовым материалом, выполненным в виде закрученных жгутов и расположенных вытянутыми по высоте от короба, работающего в режиме подачи воздуха, до загрузочного устройства, что обеспечивает поддержание нормированного теплообменного процесса и заданного температурного режима в загрузочном устройстве без дополнительного сжигания топлива.