ШАХТНАЯ ГАЗОВЯ ПЕЧЬ БОЛЬШОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ ОБЖИГА КУСКОВОГО МАТЕРИАЛА
SHAFT GAS FURNACE

Изобретение относится к шахтным газовым печам для обжига кускового материала, например известняка, и может быть использовано в черной и цветной металлургии, химической, строительной, содовой и сахарной промышленности.
Известно, что для равномерного распределения топлива поперечное сечение шахты может быть круглой или эллипсовидной, реже прямоугольной формы (http://lib.tr200.net/v.php?id=267191&sp=1).
Известно, что для увеличения площади сечения печи ей придают овальную форму. При большом диаметре осуществляют периферийную и центральную подачу газа, а при овальном сечении шахты - только периферийную подачу на двух уровнях (http://www.ntds.ru/statyi/025_shahtnye_pechi.pdf).
Известна шахтная печь для обжига известняка, содержащая футерованную шахту, выносные топки и керамический керн, состоящий из простенков и центрального столба, снабженного металлическими газоохлаждаемыми балками-фиксаторами. В центральном столбе футеровке шахты печи имеются вертикальные пазы, в которые входят простенки с возможностью свободных температурных деформаций относительно футеровки шахты и центрального столба керна. Печь имеет также кожух, водоохлаждаемые опорные балки под керн, простенки которого имеют каналы, сообщающиеся с выносными топками, и сообщающиеся с рабочим пространством печи через окна (патент RU №2194931, F27B 1/02, 2001).
Это известное устройство имеет ряд недостатков. Металлические газоохлаждаемые балки-фиксаторы, входящие в тело керна (и простенков и центрального столба), ослабляют его за счет различных температурных расширений металла и керамики. Наличие в зоне обжига водоохлаждаемых опорных балок под керн и, как следствие, потери части тепла в зоне обжига печи с охлаждающей водой требует наличия водооборотного цикла с химводоочисткой.
Известна шахтная газовая печь для обжига кусковых материалов, включающая футерованную шахту с зонами подогрева, обжига и охлаждения, содержащая воздухоохлаждаемую балку с окнами для подачи охлаждающего воздуха в пространство печи, расположенную в зоне охлаждения, керновые и периферийные топливосжигающие устройства, установленные в два яруса, крестообразный в поперечном сечении газораспределительный керн, включающий простенки с выполненными внутри каждого их них жаровыми каналами с отверстиями для выхода газов в слой материала, из которых два противоположных простенка выполнены в форме арок, одним крылом опирающийся на футеровку шахты с зазором для возможных температурных деформаций в местах стыковки, из двух других противоположных простенков, разделенных температурным швом, выполнена и размещена своим основанием на воздухоохлаждаемой балке поперечина с пазами, в которых каждый со своей стороны расположен другим крылом простенки в форме арок, опирающиеся на поперечину с зазором для возможных температурных деформаций в местах стыковки, при этом газораспределительный керн выполнен из огнеупорного материала на специальной связке - самораспространяющегося высокотемпературного синтеза СВС-мертеля на 2-3 м выше уровня верхнего яруса топливосжигающих устройств (патент RU №123507, F27B 1/00, C04B 2/12, 27.12.2012). Принято за прототип.
Однако данное устройство имеет недостаток, а именно:
- в связи с тем, что по практическим и теоретическим данным наилучшее сгорание природного газа и, следовательно, обжиг известняка проходит в шахтных печах на расстоянии 0,8-1 м от стен шахты, а дальнейшее распространение тепла >1 м затруднено сопротивлением кускового материала и температура при этом резко падает, тем самым получаются малообожженные куски материала (недопал) (Фильшин В.Е., «Исследование шахтных известково-обжигательных печей». - М.: «Химия», 1964 г. 192 с.), производительность печи с крестообразным керамическим керном не может превышать 200-250 тонн извести в сутки, так как диаметр шахты печи не может быть больше 4,5 м по вышеуказанным соображениям. При дальнейшем увеличении производительности и росте диаметра шахты печи качество получаемой извести падает.
Задачей, решаемой данным предложением, является повышение производительности шахтной газовой печи более 250 тонн готового продукта в сутки с сохранением его качества, путем обеспечения равномерного распределения продуктов горения по объему шахты, устранения сводообразования, повышения надежности и долговечности керна. Для этого внесены изменения в конструкцию шахтной газовой печи и использованы современные кладочные материалы:
- исходя из условия распространения наилучшего горения - 0,8-1 м от стенок шахты для увеличения площади поперечного сечения печи ее форма принята эллипсовидной размером по малой оси не более 3,6 м, а по большой оси - необходимого размера при условии сохранения расстояния между соседними простенками, расположенными по малым осям, не более 1,5 м, а от крайних простенков до футеровки шахты - не более 2 м;
- газораспределительный керн выполнен в виде, по меньшей мере, двух прямых цельных перегородок, расположенных по малой оси эллипсовидного поперечного сечения шахты, и пересекающегося с ними стенового элемента, выполненного из отдельных простенков в форме арок, расположенных по большой оси эллипсовидного поперечного сечения шахты;
- газораспределительный керн выполнен на 2-3 м выше уровня верхнего яруса топливосжигающих устройств из огнеупорного материала на специальной связке - самораспространяющегося высокотемпературного синтеза СВС-мертеля;
- оптимизирована работа топливосжигающих устройств.
Технический результат заключается в повышении производительности шахтной газовой печи более 250 тонн готового продукта в сутки с сохранением его качества, повышении эффективности печи, повышении надежности и долговечности керна, исключении сводообразования, увеличении срока работы печи между капремонтами.
Сущность изобретения заключается в том, что в шахтной газовой печи большой производительности для обжига кускового материала, содержащей футерованную шахту с зонами, подогрева, обжига и охлаждения, воздухоохлаждаемую балку с окнами для подачи охлаждающего воздуха, расположенную в зоне охлаждения, газораспределительный керамический керн, расположенный в зоне обжига, выполненный из огнеупорного материала на специальной связке самораспространяющегося высокотемпературного синтеза СВС-мертеля на 2-3 м выше уровня верхнего яруса топливосжигающих устройств, включающий опирающуюся основанием на воздухоохлаждаемую балку прямую цельную перегородку из двух простенков, разделенных температурным швом, и пересекающийся с ней стеновой элемент из двух отдельных простенков в форме арок, каждый одним крылом опирающийся на футеровку шахты, а другим крылом входящий в пазы, выполненные с двух сторон на цельной перегородке с зазорами для возможных температурных деформаций в местах стыковок, выполненный с жаровыми каналами с отверстиями для выхода газа внутри каждого указанного простенка, керновые и периферийные топливосжигающие устройства, установленные в несколько ярусов, особенность состоит в том, что футерованная шахта в поперечном сечении выполнена эллипсовидной формы, газораспределительный керн дополнительно снабжен, по меньшей мере, второй прямой цельной перегородкой, каждая из которых выполнена опирающейся основанием на отдельную воздухоохлаждаемую балку с окнами для подачи охлаждающего воздуха, дополнительно размещенные в зоне охлаждения в соответствии с количеством дополнительных цельных перегородок, все цельные перегородки расположены ориентированными по малой оси футерованной шахты, а пересекающийся с ними стеновой элемент расположен вдоль большой оси футерованной шахты, для этого он дополнительно снабжен, по меньшей мере, одним отдельным простенком в форме арки, каждый из которых выполнен сплошным внутри и расположен между соседними цельными перегородками входящими крыльями в соответствующие пазы, выполненные на них с зазорами для возможных температурных деформаций в местах стыковок. Кроме этого, газораспределительный керамический керн может быть выполнен из огнеупорного кирпича. Также газораспределительный керамический керн может быть выполнен из огнеупорных блоков. Особенность и в том, что топливосжигающие устройства преимущественно установлены в два яруса. В качестве периферийных топливосжигающих устройств могут быть использованы диффузионные газовые горелки. Но могут быть использованы в качестве периферийных топливосжигающих устройств горелки полного сжигания газа. Желательно, чтобы размеры поперечного сечения футерованной шахты по малой оси были выполнены не более 3,6 м, между соседними цельными перегородками - не более 1,5 м, между футеровкой шахты и соответствующей ей цельной перегородкой - не более 2 м. В частном случае газораспределительный керн включает две цельные перегородки, а размер футерованной шахты по большой оси поперечного сечения составляет 7,5 м. Совокупность данных существенных признаков позволяет получить указанный технический результат.
Выполнение шахтной газовой печи в поперечном сечении эллипсовидной формы позволяет увеличить ее объем, создать оптимальные условия для равномерного распределения продуктов горения (0,8-1 м от стенок шахты). Это приводит к повышению производительности с сохранением качества обжига и качества готового материала.
Использование газораспределительного керна предлагаемой конструкции позволяет еще больше увеличить объем шахты, обеспечить равномерное распределение продуктов горения по объему шахты, а, значит, увеличить производительность печи без снижения качества обжига и качества обожженного материала, а также повысить прочность и устойчивость керна. В решении использованы новые технологии кладки наиболее напряженной и ответственной конструкции печи - газораспределительного керна. Использование в кладке для связывания огнеупорных материалов, таких как кирпич, блоки, известной специальной связки - самораспространяющегося высокотемпературного синтеза СВС-мертеля повышает механическую прочность и обеспечивает конструкции надежность и долговечность. Выполнение керна на обычной связке приводит к его разрушению примерно за год. СВС-мертель сваривает (СВС-процесс) огнеупорный материал кладки керамическим швом, причем прочность шва превышает прочность самого материала. Данное обстоятельство увеличивает прочность кладки, препятствует выпадению огнеупорного материала из кладки и образованию локальных мест прогара или перегрева газораспределительного керна шахтной печи. Новая связка обеспечивает увеличение прочности, устойчивости к деформациям и термоударам. Это приводит к увеличению межремонтного периода работы,стабилизирует технологический процесс, повышает степень обжига кускового материала. Причем эксплуатационные характеристики специальной связки - СВС-мертеля приобретаются в процессе рабочего режима, что обеспечивает технологичность ее использования в качестве кладочного раствора. Выполнение газораспределительного керна по высоте на 2-3 м выше уровня верхнего яруса топливосжигающих устройств обеспечивает его доведение до зоны более низких температур, что позволяет исключить сводообразование, а значит, повышает надежность и долговечность работы печи в целом. Замена периферийных топливосжигающих устройств с диффузионных газовых горелок на горелки полного сжигания газа, аналогичным керновым горелкам, но меньшей мощности, устраняет возможность спеков и сводообразования при высокотемпературных очагах горения. При этом обеспечивается равномерность обжига кускового материала по сечению шахты посредством равномерного распределения газового потока по объему слоя обжигаемого материала, что снижает удельный расход топлива на обжиг и увеличивает качество обожженного материала.
Таким образом, существенно повышается производительность работы шахтных газовых печей, их эффективность, обеспечивается получение готового продукта высокого качества.
На фиг.1 представлена шахтная газовая печь для обжига кускового материала, разрез А-А на фиг.3, общий вид; на фиг.2 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.3 - разрез В-В на фиг.1, вид сверху (поперечное сечение шахты).
Шахтная газовая печь большой производительности для обжига кускового материала, например известняка, содержит заключенную в кожух 1 шахту 2 с футеровкой 3. Футерованная шахта 2 имеет технологические зоны подогрева (не показано), обжига (не указано) и охлаждения (не указано) и в поперечном сечении выполнена эллипсовидной формы (приближенной к форме прямоугольника со скругленными углами). Шахта 2 содержит газораспределительный керамический керн 4, который расположен в зоне обжига. Керн 4 включает, по меньшей мере, две прямые цельные перегородки 5 (их количество зависит от производительности печи), которые расположены ориентированными по малой оси шахты 2, и пересекающийся с ними стеновой элемент из двух отдельных простенков 6, 7 и, по меньшей мере, одного отдельного простенка 8, которые расположены вдоль большой оси шахты 2. Например, для печи производительностью 370-400 тонн извести в сутки требуется две цельные перегородки 5, при этом длина печи составляет 7,5 м по большой оси футеровки шахты печи. Каждая цельная перегородка 5 выполнена из двух простенков (не указано), разделенных температурным швом, и снабжена отдельной воздухоохлаждаемой балкой 9, на которую она опирается своим основанием. Количество воздухоохлаждаемых балок 9 (но, по меньшей мере, две) соответствует количеству цельных перегородок 5. Внутри цельных перегородок 5 и простенков 6, 7 выполнены верхние и нижние жаровые каналы 10 с отверстиями 11 для выхода продуктов сгорания в слой материала. Все воздухоохлаждаемые балки 9 расположены в зоне охлаждения и выполнены с узлом центрального подвода воздуха на охлаждение и окнами 12, через которые охлаждающий воздух подается в пространство шахты 2. Каждый простенок 8 выполнен сплошным внутри и расположен между соседними цельными перегородками входящим крыльями в пазы, выполненные на них. Простенки 6, 7, 8 выполнены в форме арок и входят крыльями (не указано) в соответствующие пазы (не указано), расположенные в местах стыковок с зазором для возможных температурных деформаций. При этом простенки 6, 7 опираются одним крылом на футеровку 3, другим - на соответствующую, цельную перегородку 5, а каждый простенок 8 опирается крыльями на соседние цельные перегородки 5. Таким образом, в газораспределительном керне 4 простенки 6, 7 и, по меньшей мере, один простенок 8 выполнены в форме арок и, по меньшей мере, две цельные перегородки 5 из простенков, разделенных температурным швом, выполнены с пазом на каждой стороне и размещены своим основанием на воздухоохлаждаемых балках 9. Исходя из условия распространения наилучшего горения (0,8-1 м от стенок шахты 2) желательно размер по малой оси поперечного сечения футерованной шахты 2 выполнить не более 3,6 м, по большой оси  можно выбирать необходимый при условии сохранения расстояния между соседними цельными перегородками 5 не более 1,5 м, а от соответствующей цельной перегородки 5 до края футеровки 3 шахты печи 2 - не более 2 м. Шахта 2 снабжена установленными в несколько ярусов, преимущественно в два яруса, керновыми и периферийными топливосжигающими устройствами 13, 14 соответственно и разгрузочными устройствами 15. Газораспределительный керн 4 выполнен из огнеупорного материала, например огнеупорного кирпича, огнеупорных блоков, на специальной связке - самораспространяющегося высокотемпературного синтеза СВС-мертеля на 2-3 м выше уровня верхнего яруса топливосжигающих устройств 13, 14. В частности, выполнен из огнеупорного кирпича на связке из СВС-мертеля (самораспространяющегося высокотемпературного синтеза) производства фирмы «МАВР», г.Жуковский. В качестве топливосжигающих устройств 13 используются горелки полного или неполного сжигания газа (выносные топки). В качестве периферийных топливосжигающих устройств 14 могут быть использованы диффузионные горелки, которые также можно заменить горелками полного сжигания газа аналогичным керновым горелкам (выносным топкам), но более низкой мощности.
Шахтная печь с газораспределительным керном 4 работает следующим образом. Известняк, поступающий из зоны подогрева печи, распределяется керном 4, по меньшей мере, на шесть секторов, где обжигается продуктами сгорания топлива, поступающими из керновых топливосжигающих устройств 13 через отверстия 11 жаровых каналов 10, и периферийных топливосжигающих устройств 14. Разность температур по сечению печи по опытным данным составляет 40-50°C, что позволяет достичь степени обжига 96-98%.
Технико-экономические преимущества предложенного технического решения состоят в следующем:
- повышена прочность и долговечность керна;
- повышена надежность работы керна и печи в комплексе;
- повышено качество обжига;
- снижена возможность сводообразования, тем самым повышена безаварийная работа печи в целом;
- увеличено время между капитальными ремонтами.
Изобретение позволит увеличить производительность печи более 250 тонн в сутки при максимальной эффективности процесса термообработки и высоком качестве обожженного материала.