ПЕЧЬ ДЛЯ СУШКИ И ПРОКАЛКИ ПАСТЫ ТРИГИДРАТА ФТОРИСТОГО АЛЮМИНИЯ

Устройство предназначено для сушки и прокалки пасты тригидрата фтористого алюминия и используется в химической промышленности. Печь может использоваться в других отраслях производства для сушки и прокалки иных материалов, если температурные и другие параметры процесса близки к принятым, а коррозионная стойкость конструкционных материалов печи соответствует новым условиям.
3
Фтористый алюминий безводный (AlF) используется при получении алюминия в электролизных ваннах. Процесс получения фторида алюминия из кремнефтористоводородной кислоты возможно описать следующей последовательностью реакций (1-4).
В процессе кристаллизации фторида алюминия в реакции (2) образуется стабильный при стандартных условиях тригидрат фторида алюминия (ТФА). ТФА отделяют от раствора фильтрацией, после чего происходит его сушка и дегидратация
После осаждения кристаллов тригидрата фтористого алюминия, фильтрации и промывки, паста с влажностью 15…20% (по свободной влаге) направляется на операцию сушки и прокалки для удаления свободной и кристаллогидратной влаги из продукта.
2
2
Многочисленными гравиметрическими исследованиями установлены некоторые особенности процесса обезвоживания тригидрата фтористого алюминия. При нагреве материала до температуры 100…105°С испаряется свободная (поверхностная) влага, при температуре материала 230…250°С удаляется 2,5 НО молекулы кристаллогидратной влаги, на удаление 0,5HO требуется затратить существенно больше тепловой энергии и нагреть материал до температуры 450…600°С. Причем, на качество получаемого конечного продукта оказывает влияние, в каких условиях осуществляется процесс дегидратации на последней стадии. При непосредственном воздействии дымовых газов на материал на последней стадии дегидратации, параллельно с обезвоживанием идет реакция разложения продукта по реакции(5):
В промышленном производстве фтористого алюминия для этих целей используются различные комбинации аппаратов: сушильный барабан + труба-сушилка, сушильный барабан + сушилка кипящего слоя, сушильный барабан + прокалочная печь [1]. Наиболее часто используются печи В3-45. Такие печи использовались при производстве фтористого алюминия на Южно-Уральском криолитовом заводе (г. Кувандык, Оренбургской обл.), на Полевском криолитовом заводе (г. Полевской, Свердловской обл.), в настоящее время эксплуатируются в цехе фтористого алюминия(ЦФА) на АО «ФосАгро» (г.Череповец, Вологодская обл.).
Печь В3-45 с наружным диаметром 3,0 м и длиной 45 м выполнена в виде цилиндрического корпуса с постоянным диаметром по всей длине, снабжена загрузочной и разгрузочной камерами, опорными бандажами с опорными станциями, приводом и топкой, расположенной, как правило, по оси печи. Внутренняя поверхность печи частично или по всей длине футеруется жаропрочной и коррозионностойкой нержавеющей сталью.
Конструктивно печь выполнена в соответствии с требованиями, которые предъявляются стандартами к конструкциям печей химических производств с вращающимися барабанами общего назначения [2].
Следует указать на недостатки такой конструкции печи.
2
1. Поскольку внутренняя поверхность печи не снабжена какой-либо взвешивающей насадкой и материал преимущественно движется в нижнем секторе печи, в так называемом «завале», плохо развита поверхность контакта фаз материал-дымовые газы. Вследствие этого возрастает длина сектора печи, где происходит удаление свободной и 2,5HO молекулы кристаллогидратной влаги.
2. Низкая интенсивность взаимодействия фаз материал - дымовые газы приводит к неполному использованию тепла дымовых газов и они уходят из печи с температурой 250…300°С. Для снижения температуры отходящих из печи газов приходится дополнительно устанавливать рекуперативные теплообменники.
3. Непосредственный контакт материала с дымовыми газами на заключительной стадии высокотемпературной прокалки материала приводит к частичному разложению продукта и снижению его качества.
4. На разгрузочном конце печи температура корпуса повышенная из-за непосредственного контакта его с дымовыми газами с начальной высокой температурой, порядка 800…900°С, что сказывается на надежности работы опоры, расположенной в этой зоне.
5. Наблюдаются повышенные потери тепла через стенки печи в окружающее пространство.
6. Для функционирования печи требуется наличие трех опорных станций, что существенно повышает сложность обслуживания печи.
Низкая интенсивность взаимодействия материала с дымовыми газами требует увеличения времени пребывания материала в печи и увеличения ее длины, а плохое использование тепла дымовых газов приводит к необходимости повышать его температуру на входе и, следовательно, на выходе.
Наиболее близким к предлагаемому является тепло-массообменный аппарат, содержащий вращающийся барабан с зигзагообразными трубчатыми элементами, расположенными вдоль барабана в диаметральных плоскостях и подключенными по концам к входной и выходной распределительным камерам, и систему патрубков ввода и вывода теплоносителя [3]. Недостатком подобной конструкции является то, что из-за температурных напряжений и коррозионного воздействия трубы разрушались по сварным швам и прокаливаемый материал просыпался в межтрубное пространство. Попытка изолировать прокаливаемый материал от дымовых газов, пропуская его через зигзагообразные трубы, технологически была оправдана, но по техническим причинам не нашла применения в промышленном производстве при прокаливании ТФА.
Задачи, которые решаются в заявляемой печи:
- повышение надежности работы печи;
- повышение интенсивности тепло-массообменных процессов;
- уменьшение массово-габаритных размеров печи;
- снижение расхода природного газа на процесс сушки-прокалки пасты ТФА.
1
2
3
Поставленные задачи решаются тем, что заявляется печь для сушки и прокалки пасты тригидрата фтористого алюминия, в которой корпус выполнен из двух цилиндрических частей разного диаметра и длины - конвективной и кондуктивной, соединенных жестко между собой конической вставкой, причем в конвективной части установлены последовательно, начиная от загрузочного конца печи, приемно-винтовая L, лопастная L и радиальная L насадки, обратный шнек для возврата в зону прокалки унесенной из печи пыли, а кондуктивная часть выполнена в виде трубчатого теплообменника; для перемещения материала из конвективной части в межтрубное пространство кондуктивной установлены ковши, для разгрузки прокаленного продукта на разгрузочном конце печи установлены дистанционные трубки, высота которых «Н» определяет степень заполнения материалом межтрубного пространства, а в верхней части разгрузочной камеры установлен штуцер для отвода паро-газа, образующегося в межтрубном пространстве теплообменника в процессе прокалки материала.
В конструкции заявляемой печи в кондуктивной части предусматривается установка центральной трубы большего диаметра, по сравнению с трубами теплообменника, с открытыми концами, с возможностью изменения проходного сечения со стороны разгрузочной камеры.
Межтрубное пространство кондуктивной части путем установки нескольких кольцевых перегородок делится на секции.
В предлагаемом устройстве топка располагается под углом 90° к оси корпуса печи.
На фиг. 1 показаны внешние конструктивные элементы печи. Здесь: I - конвективная часть печи, II - кондуктивная часть печи, III - конусная вставка; 1 - опора на загрузочном конце печи, 2 - опора на разгрузочном конце печи, 3 - привод печи, 4 - разгрузочная камера, 5 - загрузочная камера, 6 - лоток, 7 - труба возврата уловленной пыли, 8 - штуцер отвода дымовых газов, 9 - штуцер вывода паро-газа, 10 - топка, 11 - штуцер ввода дымовых газов в разгрузочную камеру, 12 - люк-лаз.
На фиг. 2 показаны внутренние конструктивные элементы печи. Здесь: 13 - приемно-винтовая насадка, 14 - подьемно-лопастная насадка, 15 - радиальная насадка, 16 - обратный шнек, 17 - ковши, 18 - трубная решетка, 19 - кольцевая перегородка, 20 - центральная труба, 21 - трубы для прохода дымовых газов, 22 - трубки дистанционные разгрузочные, 23-кольцевая зона, образованная двумя кольцевыми дисками.
Устройство работает следующим образом. Работе печи предшествует загрузка пасты в расходный бункер и розжиг топки.
1
2
2
3
2
Влажная паста тригидрата фтористого алюминия через узлы дозирования и питатель подается на лоток 6 и попадает в пространство печи, где располагается приемно-винтовая насадка 13 на длине L печи. Приемно-винтовой насадкой, при вращении печи, материал продвигается вдоль печи и по мере высвобождения от свободной (поверхностной) влаги попадает в зону расположения подъемно-лопастной насадки 14, расположенной на длине печи L. На длине L возможна установка последовательно различных известных конструкций лопастных насадок, но основная цель применения такого типа насадок - поднять и взвесить материал поперек потока дымовых газов, интенсифицировать процесс его нагрева и удаления свободной и частично кристаллогидратной влаги. Материал в этой зоне приобретает сыпучесть, становится подвижным, в связи с этим возрастает унос мелкой фракции с дымовыми газами. Далее материал перемещается в зону, где располагается радиальный тип насадки 15 на длине L печи. Радиальная насадка ворошит материал в завале, поднимает его на небольшую высоту и, просыпая, способствует обновлению поверхности контакта материала с дымовыми газами, что способствует дальнейшему его нагреву и удалению 2,5HO молекул кристаллогидратной влаги. Конвективная часть печи I от радиальной насадки до конусной вставки III гладкая и материал продвигается только в завале.
Последовательная установка перечисленных насадок учитывает свойства обрабатываемого материала, интенсифицирует тепло-массообменные процессы на стадии удаления свободной и частично кристаллогидратной влаги, процессы завершаются на меньшей длине печи с более глубоким использованием тепла дымовых газов.
2
Как показали анализы унесенной из печи мелкой фракции материала, основная масса пыли уносится из зоны взвешивания и ворошения материала, имеет остаточную кристаллогидратную влагу 1,0…1,5НО молекулы воды. Поэтому уловленная в системе сухой газоочистки пыль из бункеров аппаратов самотеком, через трубу возврата уловленной пыли 7 просыпается в кольцевую зону 23 и обратным шнеком 16 возвращается в зону прокалки, а именно, в конвективную часть печи, за радиальную насадку 15.
2
Из конусной вставки III материал ковшами 17 перемещается в межтрубное пространство кондуктивной части печи II, где процесс дегидратации и удаления, в основном, 0,5НО молекулы воды проходит путем нагрева материала через трубы для прохода дымовых газов 21.
Прокаливание материала без контакта с дымовыми газами повышает качество прокаленного продукта, а уменьшение диаметра кондуктивной части печи и организация движения дымовых газов в трубах снижает температуру корпуса печи, повышает надежность работы опорной конструкции на этом участке.
Для устранения проскока материала от входа к выходу за счет образования сквозного потока, с целью обеспечения заданного времени пребывания его в зоне прокалки, межтрубное пространство кондуктивной части печи секционируется путем установки нескольких кольцевых перегородок 19. Изменением внутреннего диаметра кольцевых перегородок 19 регулируется степень заполнения материалом межтрубного пространства секций. Заполняемость материалом последней секции, перед выгрузкой продукта, определяется высотой разгрузочных дистанционных трубок 22. Количество разгрузочных трубок 22, их диаметр и высота «Н» определяется конструктивными расчетами.
Пары воды и фторгазы, выделяющиеся при прокалке материала на последней стадии, возможные газы подсоса, отводятся через штуцер выхода паро-газа 9 и попадают в газовый тракт отвода дымовых газов из печи в систему газоочистки (на фиг. 1 не показан).
Дымовые газы, полученные путем сжигания природного газа в топке 10 с начальной температурой 750…650°С (теплоноситель), через штуцер ввода дымовых газов 11 поступают в пространство разгрузочной камеры 4 и далее в трубы для прохода дымовых газов 21, где отдают тепло через стенку прокаливаемому материалу. Далее дымовые газы объединяются в общий поток и обеспечивают процесс сушки и дегидратации материала в конвективной части печи. Топка располагается под углом 90° к оси печи, что позволяет сделать разгрузочную камеру 4 откатной и открыть доступ к трубной решетке и трубам для прохода дымовых газов для осмотра, ремонта или замены труб.
При установленной центральной трубе 20, в процессе пуско-наладочных работ, возможно диафрагмирование отверстия центральной трубы со стороны разгрузочной камеры печи и частичный перепуск горячих дымовых газов в пространство конвективной части печи для поддержания в этой зоне оптимального температурного режима.
Люк-лаз 12 у передней стенки загрузочной камеры 5 обеспечивает доступ к внутреннему пространству печи, вплоть до ковшей 17 и трубной решетки 18.
3
Благодаря принятым конструктивным изменениям в печи 02,9/3,5-27 достигнуто уменьшение габаритных размеров и веса. Длина уменьшена на 18 метров, за счет применения подъемно-лопастной и радиальной взвешивающей насадки, а вес снижен на 50%. Повышена производительность печи в 1,5 раза за счет интенсификации всех стадий сушки-прокалки ТФА. За счет интенсификации процесса в конвективной части печи более полно используется тепло дымовых газов, снизилась температура отходящих после печи газов с 250…300°С до 100…115°С, температура дымовых газов, выходящих из топки снижена с 850…900°С до 650…750°С. За счет уменьшения площади контакта корпуса печи с дымовыми газами и теплоизоляции всего корпуса печи, снизились потери через ограждения в окружающее пространство, в целом снизился расход природного газа на тонну выпускаемого продукта с 200 до 165 м/т.
Улучшились условия работы опоры печи 2 на разгрузочном конце за счет снижения температуры корпуса печи в этой зоне.
Использованные источники.
1 Пилкаускас К.К. Усовершенствование технологии фторида алюминия на Кейдарском химическом заводе// Труды НИУИФа. №254. - БОНТИ - М, 1988 г. - С. 148-151.
2 ГОСТ 27120-86 Печи химических производств с вращающимися барабанами общего назначения.
3 Авторское свидетельство СССР по заявке №2969472, кл. F26D 11/04, 1980.