ПЕЧЬ ВЕРТИКАЛЬНАЯ КИПЯЩЕГО СЛОЯ
VERTICAL FLUIDISED-BED FURNACE

Изобретение относится к конструкциям печей с псевдоожиженным слоем для обработки сыпучих материалов в инертной, восстановительной или окислительной средах. Патентуемая печь предназначена для работы до 1000°С для производства порошка диоксида кремния чистоты не менее 99,95% из рисовой лузги.
Технические требования к оборудованию для производства высокочистых порошков (с содержанием основного материала не менее 99,95%) - высокие по отношению к чистоте материалов, из которых выполнены детали, с которыми соприкасаются порошки, а также к конструктивным особенностям, которые предусматривают минимизацию числа движущихся деталей с целью исключения истирания их и попадания примесей в производимые материалы.
Требования к оборудованию для высокотемпературного обжига рисовой лузги с целью получения высокочистого порошка диоксида кремния таковы: детали аппарата, соприкасающиеся с получаемым порошком (реактор, патрубки загрузочный, разгрузочный и сжижающего газа, бункер приема готового продукта), необходимо выполнить из неокисляющегося, твердого, износостойкого в абразивных высокотемпературных газовых потоках материала; отсутствие вращающихся, трущихся деталей; обеспечение перемешивания лузги для ускорения процесса окисления и удаления дыма; температура зоны загрузки сырья (нижняя часть вертикального реактора) в момент загрузки должна быть не выше 100°С; нагрев реактора наружный (недопущение горючих газов и продуктов его сгорания внутрь рабочего пространства печи); регулируемая скорость подъема температуры; быстрое охлаждение реактора и нагревателя печи.
Наилучшими материалами для таких условий для реактора и патрубков являются кварцевое стекло и карбид кремния.
Специализированного оборудования для высокотемпературной обработки рисовой лузги с указанным выше исполнением нет. Использование имеющегося оборудования для термообработки сыпучих материалов малоэффективно по производительности и не обеспечивает чистоту конечного продукта.
Известны конструкции одно- и многокамерных печей с псевдоожиженным слоем с непрерывной загрузкой и выгрузкой, состоящие из вертикальной колонны с 1-5 горизонтальными решетками и перетоками, с подводящим исходное вещество патрубком в верхней части колонны, с подводом сжижающего газа в нижней торцовой части колонны, с подводящим патрубком газообразного топлива в средней или нижней части колонны, с выхлопной трубой отработанного газа в верхней торцовой части колонны. Внутренняя часть колонны выполнена из керамики (См. К.Е.Махорин, А.Т.Тищенко «Высокотемпературные устаноки с кипящим слоем». Киев. «Техника», 1966. Рис.1, рис.15).
Недостатком указанных конструкций при использовании их для обработки рисовой лузги является то, что горизонтальная решетка обусловливает образование застойных зон и формирование свода из частиц образующегося порошка.
Для устранения свода и застойных зон требуется создать пульсацию ожижающего газа; однако, в момент максимума подъема давления сжижающего газа в импульсе и увеличения скорости потока сжижающего газа, наиболее легкая и парусящая часть частиц порошка поднимается на большую высоту и с потоком газа уносится в выхлопную трубу - происходит большая потеря продукта.
Вторым недостатком является устройство перетоков. Попадание в перетоки именно тех частиц, которые прошли данную стадию термической обработки, - трудно регулируемый процесс; в перетоки попадают также свежие частицы, которые не прошли нужную стадию термообработки, в итоге снижается чистота конечного продукта.
Третий недостаток - введение топлива вовнутрь колонны, что недопустимо ввиду снижения чистоты конечного продукта.
Известен аппарат с непрерывной загрузкой и выгрузкой (см. А.С. №4884792/06 от 21.11.90 г.), отличительной особенностью которого является возможность изменения производительности процесса за счет изменения сечения выгрузочной трубы и за счет эффекта эжекции.
Изготовить аппарат такой конструкции из керамики или кварцевого стекла не представляется возможным, кроме того, конструкция аппарата не предусматривает возможность изменения продолжительности процесса термообработки.
Известно устройство (см. А.с. №4725390 от 27.07.89 г.) для термообработки зернистого материала в кипящем слое, содержащее корпус, разделенный перегородками на камеру обжига и камеру охлаждения с перегородками между ними, в котором с целью регулирования продолжительности процесса термообработки установлены поворачивающиеся в горизонтальной и вертикальной плоскостях перегородки.
Данное устройство выполнить из кварцевого стекла или керамики не представляется возможным, так как неизбежны поломки поворачивающихся перегородок, а неизбежные неплотности в системах поворота перегородок приведут к потере мелких фракций порошка диоксида кремния.
Наиболее просто соблюсти требования по созданию условий получения высокой чистоты конечного продукта можно в аппаратах периодического действия.
Известен вертикальный аппарат кипящего слоя периодического действия (см. К.Е.Махорин, А.Т.Тищенко «Высокотемпературные установки с кипящим слоем». Киев. «Техника». 1966. Рис.35) с загрузкой сверху и выгрузкой снизу.
Недостатками указанной конструкции является то, что не предусмотрена очистка канала реактора перед процессом разгрузки; обогрев производят за счет подачи горячего газа внутрь реактора; не предусмотрено ускоренное охлаждение нагревателя печи и реактора.
Наиболее близким по технической сущности является вертикальный аппарат кипящего слоя с внешним обогревом, с загрузкой и выгрузкой через нижнюю часть реактора посредством шнекового питателя, с конусным входом для сжижающего газа без колосниковой решетки (см. рис.70 в кн. К.Е.Махорина/ А.Т.Тищенко «Высокотемпературные установки с кипящим слоем». Киев. «Техника». 1966.).
Недостатками такого аппарата являются: 1) процесс охлаждения реактора длителен, так как он проводится совместно с нагревательной камерой, а это снижает производительность аппарата; 2) не предусмотрена очистка разгрузочного патрубка перед процессом разгрузки, что ведет к загрязнению продукта необработанными частицами, прилипшими к верхней низкотемпературной части аппарата; 3) наличие вращающихся деталей, соприкасающихся с порошком; 4) отсутствие колосниковой решетки.
Целью данного изобретения является создание печи с кипящим слоем вертикального исполнения без движущихся деталей, с внешним нагревом и быстрым охлаждением нагревателей и реактора до 30-100°С, с колосниковой решеткой, предотвращающей образование застойных зон из обрабатываемого порошка, с загрузочной трубой, производящей очистку стенки реактора от исходного и недоработанного порошков.
2
Поставленная задача достигается тем, что вертикальная нагревательная камера с электрическими нагревателями выполнена из двух равных частей, раскрывающихся на 180 градусов в вертикальной плоскости; реактор в виде трубы, зауженной внизу, с конусовидной колосниковой решеткой и двумя рассекателями воздуха (все выполнены из кварцевого стекла) закреплен неподвижно на общем держателе с нагревательной камерой; колосниковая решетка выполнена в виде усеченного конуса с периодически расположенными отверстиями по боковой поверхности и на усеченной вершине диаметром 0,2-0,3 мм по 6 штук на 1 см: реактор снабжен загрузочным устройством, выполненным в виде пластмассовой трубы с буртиками, между которыми закреплен эластичный непылящий материал, выполняющий роль уплотнения и очистителя; разгрузочное устройство выполнено в виде вакуумного отсоса с баком-собирателем; возможна ручная разгрузка посредством съема кварцевого реактора после остывания. Для ускорения процесса остывания предусмотрен обдув воздухом от общей сети сжатого воздуха или от отдельного вентилятора.
Возможен вариант реактора, с расширением в верхней части в виде раструба с отбойниками частиц порошка. Расширение предназначено для снижения скорости восходящего потока сжижающего газа и предотвращения уноса легких частиц (раструб и отбойники выполнены из жаростойкой стали). Применение раструба позволяет уменьшить длину кварцевого реактора.
Раскрывая печь после окончания процесса, реактор и нагревательная камера с нагревателями охлаждаются с помощью потока холодного воздуха до температуры начала следующего цикла термообработки (до 30-100°С), и чем больше диаметр кварцевого реактора, чем больше мощность нагревателей, чем больше слой теплоизоляции, тем значительней выигрыш в продолжительности охлаждения по сравнению с нераскрывающейся печью такого же диаметра.
Конусообразная колосниковая решетка предотвращает образование застойных зон и свода из обрабатываемого вещества над отверстиями, так как радиальные потоки сжижающего газа из боковых отверстий разрушают образующиеся скопления порошка. Происходит автопульсация газа в радиальном направлении за счет нерегулируемого, но периодического перекрытия боковых отверстий падающими частицами.
Загрузочное устройство, в момент введения в реактор очищает стенки реактора, сбрасывая вниз налипшие частицы, и предохраняет боковую поверхность реактора (среднюю и верхнюю части) от загрязнения частицами загружаемого порошка в процессе загрузки. После загрузки порции порошка загрузочное устройство вынимают и стенки реактора остаются чистыми.
Перед разгрузкой реактора стенки его верхней и средней части очищают от налипших частиц порошка (возможно, не прошедших стадию высокотемпературной обработки), чтобы не загрязнять продукцию. Очистку выполняют специальным банником.
При втором варианте выполнения печи процесс очистки выполнить проще, так как раструб - верхняя металлическая часть реактора - снимается перед разгрузкой.
Разгрузку можно осуществлять двумя способами: 1) после охлаждения реактора и нагревательной камеры реактор вынимают вручную и ссыпают порошок через верхнюю часть реактора; 2) с помощью вакуумного отсоса. Разгрузочное устройство с вакуумным отсосом позволяет быстро выгрузить холодный или горячий порошок.
На фиг.1 показана компоновка печи, состоящая из следующих основных узлов: 1 - печь; 2 - загрузочное устройство; 3 - патрубок разгрузочный вакуумный; 4 - баллон с сжижающим газом (возможен вариант воздушного компрессора); 5 - бак-собиратель; 6 - вакуумный насос; 7 - кран вакуумный отсасывающий; 8 - кран вакуумный, всасывающий порошок; 9 - шлюз разгрузочный; 10 - пульт управления; 11 - источник питания.
На фиг.2 изображена схема печи, состоящая из: 1 - корпус печи; 12 - реактор; 13 - держатель реактора нижний; 14 - нагреватели; 15 - термоизоляция; 16 - держатель камеры и реактора.
На фиг.3 изображены варианты реактора: а) кварцевый реактор цельный; б) реактор сборный кварцево-металлический; 12 - корпус реактора; 17 - колосниковая решетка; 18, 19 - рассекатели потока сжижающего газа; 20 - патрубок подвода сжижающего газа; 21 - раструб; 22 - отбойник порошка; в) реактор кварцевый разборный; 23 - съемная часть реактора.
Принцип действия печи следующий: при раскрытой нагревательной камере вставляют очищенный реактор; закрывают нагревательную камеру; устанавливают загрузочной устройство; подают сжижающий газ половинного напора; насыпают порцию порошка; увеличивают расход сжижающего газа до нормы; включают нагрев и поднимают температуру по заданной программе; после завершения процесса отключают нагрев; раскрывают нагревательную камеру и охлаждают потоком воздуха; при достижении температуры 30-50°С в реакторе: а) в первом варианте очищают среднюю и верхнюю части реактора специальным банником; устанавливают патрубок вакуумного отсоса; закрывают кран 8 и шлюз 9; включают вакуумный насос - создают разрежение в баке-приемнике; закрывают кран 7 и открывают кран 8 (происходит отсос порошка); или же вручную вынимают реактор и ссыпают порошок в приемный бункер; б) во втором варинте снимают раструб 20; очищают его; вручную или с помощью вакуумного отсоса разгружают реактор.
Данное устройство можно использовать для темообработки различных порошков (металлических, керамических, органических) в нейтральной/ восстановительной или в окислительных средах.