ВРАЩАЮЩАЯСЯ НАКЛОННАЯ БАРАБАННАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ МОДИБДЕНСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
ROTATING TILTED DRUM FURNACE FOR OXIDATING PROCESSING OF MATERIALS CONTAINING MODIBDENS

Изобретение относится к вращающимся печам барабанного типа с малым наклоном, нагреваемым изнутри для окислительной предварительной обработки руд, содержащих молибден, и может применяться в качестве лабораторной установки для отработки технологических процессов окисления сульфидов металлов.
Из уровня техники известная вращающаяся печь (RU 177653 U1, МПК F27B 7/10, опубл. 05.03.2018), которая содержит барабан, выполненный с возможностью вращения, и неподвижный кожух с каналами теплоносителя, установленный снаружи концентрично барабану. При этом неподвижный кожух образован внешней оболочкой, полость между ней и барабаном разделена чередующимися бетонными и кирпичными перегородками на несколько секций, а каждая секция имеет канал теплоносителя с двумя входными и одним выходным патрубком.
Недостатком известного технического решения является сложность адаптации печи для переработки отработанных катализаторов нефтехимической промышленности.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признана вращающаяся печь для обжига материала, содержащего молибден (RU 2398895 C2, МПК С22В 1/04, С22В 7/00, опубл. 10.02.2010). Печь содержит камеру обжига, в которую в качестве обрабатываемого материала загружают материал, содержащий С и S, горелку, размещенную со стороны загрузки материала камеры обжига, и трубопровод для ввода кислородсодержащего газа в камеру обжига, причем направление, вдоль которого перемещается материал в камере обжига, и направление потока кислородсодержащего газа, поступающего в камеру обжига, устанавливается параллельно друг другу.
Недостатком известной вращающейся печи является ее низкая технологичность, связанная со сложностью конструкции. Кроме того, печь предназначена для переработки молибденсодержащего материала в промышленных масштабах и не может быть адаптирована для применения в лабораторных условиях.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка лабораторной установки, обеспечивающей возможность проведения управляемых экспериментов по оптимизации технологических процессов переработки отработанных катализаторов нефтехимической промышленности.
Указанная задача решена тем, что лабораторная установка для отработки технологического регламента переработки отработанных катализаторов нефтехимической промышленности содержит металлический барабан с внутренней огнеупорной футеровкой, снабженный кольцевыми бандажами и приводной венцовой шестерней. Бандажи барабана установлены на опорных роликах, закрепленных на раме, а венцовая шестерня соединена механической передачей с выходным валом редуктора, входной вал которого соединен с валом ротора электродвигателя. Передний торец барабана совмещен с топочной камерой, снабженной автоматической газовой горелкой и разгрузочным лючком, а задний торец барабана совмещен с газоотводной камерой и загрузочным устройством, при этом барабан установлен под углом так, что задний торец находится выше переднего. Отличает лабораторную установку от известных аналогов то, что Со стороны переднего торца внутрь барабана введен патрубок с форсункой для подачи в зону горения кислорода, снабженный электромеханическим клапаном, на поверхности барабана равноудаленно друг от друга закреплены беспроводные датчики измерения температуры, а в газоотводной камере установлен кислородный датчик. Лабораторная установка снабжена блоком управления с возможностью регистрации измерений, выполненных датчиками, закрепленным на раме, при этом его первый силовой выход подключен к электродвигателю, второй силовой выход подключен к узлу управления автоматической газовой горелки, третий силовой выход подключен к электромеханическому клапану патрубка, а к измерительному входу посредством операционного усилителя подключен кислородный датчик. Блок управления дополнительно снабжен Wi-Fi-модулем, к которому с помощью беспроводной сети подключены датчики измерения температуры, а также блоком ввода данных и модулем индикации.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков лабораторной установки, является возможность проведения с ее помощью управляемых экспериментов по отработке технологического регламента переработки отработанных катализаторов нефтехимической промышленности. Упомянутая возможность достигается за счет применения в конструкции установки датчиков температуры и кислородного датчика, позволяющих контролировать параметры протекания реакции окисления молибденсодержащего сырья, а также блока управления, выполненного с возможностью регистрации параметров и регулирования процесса протекания переработки, за счет возможности изменения скорости вращения барабана и контроля интенсивности пламени горелки.
Конструкция лабораторной установки поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен ее общий вид в изометрической проекции, а на фиг. 2 приведена упрощенная структурная схема блока управления лабораторной установки.
Основой лабораторной установки является металлический барабан 1 с внутренней огнеупорной футеровкой, снабженный кольцевыми бандажами 2 и приводной венцовой шестерней 3. Бандажи 2 барабана 1 установлены на опорных роликах 3, закрепленных на раме 4, а венцовая шестерня 3 соединена механической передачей с выходным валом 5 редуктора 6, входной вал которого соединен с валом ротора электродвигателя 7. В качестве механической передачи целесообразно использовать зубчатую передачу. Передний торец барабана 1 совмещен с топочной камерой 8, снабженной автоматической газовой горелкой 9 и разгрузочным лючком 10, а задний торец барабана 1 совмещен с газоотводной камерой 11 и загрузочным устройством 12, при этом барабан 1 установлен под углом так, что задний торец находится выше переднего. Угол наклона барабана целесообразно выбрать в пределах от 2 до 3 градусов.
Со стороны переднего торца внутрь барабана введен патрубок 13 с форсункой, для подачи в зону горения кислорода, снабженный электромеханическим клапаном, на поверхности барабана равноудаленно друг от друга закреплены беспроводные датчики измерения температуры 14, а в газоотводной камере установлен кислородный датчик.
1
1
2
2
Беспроводные датчики температуры могут быть выполнены на основе погружных термопар с коммутационной головкой TПL045 или ТПК045( Погружные термопары с коммутационной головкой TПL045 и ТПК045 // КИП-Сервис.URL: https://kipservis.ru/termodatchiki.htm (Дата обращения: 11.02.2020))., при этом выход каждой термопары через операционный усилитель подключен к аналого-цифровому преобразователю индивидуального промышленного контроллера, снабженного автономным источником питания и Wi-Fi-модулем беспроводной связи, и закрепленного на барабане. Целесообразно на барабане установить от 4 до 6 однотипных беспроводных датчиков температуры. В качестве кислородного датчика может быть применен датчик модели GoldProbe GP205(Датчики Gold Probe // SuperSystems. URL: http://supersystems.ru/catalog/detail.php?SECTION_ID=2&ID=4 (Дата обращения: 11.02.2020)).
3
3
Лабораторная установка снабжена блоком управления 15, выполненным с возможностью регистрации измерений, выполненных датчиками, закрепленным на раме 4, при этом его первый силовой выход 16 подключен к электродвигателю 7, второй силовой выход 17 подключен к узлу управления автоматической газовой горелки 9, третий силовой выход 18 подключен к электромеханическому клапану патрубка 13, а к измерительному входу 19 посредством операционного усилителя 20 подключен кислородный датчик 21. Блок управления 15 дополнительно снабжен Wi-Fi-модулем 22, к которому посредством беспроводной сети подключены беспроводные датчики измерения температуры 14, а также блоком ввода данных 23 и модулем индикации 24. Узел управления автоматической газовой горелки 9 может представлять собой блок розжига и автоматического управления газовой горелкой МРА101( Блок управления газовой горелкой МРА 101 х (Германия) // Алетейя. Салон автоматики. URL: https://www.kip72.ru/katalog/kipia/avtomatika-gorelok/blok-upravleniya-gazovoi-gorel/ (Дата обращения 11.02.2020))., а силовые выходы блока управления 15 могут быть выполнены на основе транзисторных или тиристорных ключей.
Блок управления 15 целесообразно выполнить на основе микроконтроллера 25, содержащего микропроцессорное ядро 26, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 27, SRAM-памятью данных 28, аналого-цифровым преобразователем 29, USB-контроллером 30, Ethernet-контроллером 31, модулем LCD-интерфейса 32, интерфейсом ввода-вывода общего назначения, сгруппированного в четыре восьмиразрядных GPI/O-порта ввода-вывода 33, 34, 35 и 36, и модулем подключения SD-карты 37. При этом к аналого-цифровому преобразователю 29 подключен измерительный вход 19 блока управления 15, Ethernet-контроллер 31 подключен к Wi-Fi-модулю 22, к модулю LCD-интерфейса 32 электрически подключен модуль индикации 24, выполненный на основе TFT-дисплея, первый восьмиразрядный GPI/O-порт ввода-вывода 33 подключен к первому силовому выходу 16, второй восьмиразрядный GPI/O-порт ввода-вывода 34 подключен ко второму силовому выходу 17, третий восьмиразрядный GPI/O-порт ввода-вывода 35 подключен к третьему силовому выходу 13, к четвертому восьмиразрядному GPI/O-порту ввода-вывода 36 подключен блок ввода данных 23, выполненный в виде кнопочной клавиатуры, а в слот модуля подключения SD-карты 37 вставлена и электрически соединена с модулем SD-карта 38.
4
4
5
5
6
6
В качестве микроконтроллера может быть использована любая известная микросхема на микропроцессорном ядре Cortex-M4F/R, ориентированном на создание высокопроизводительных систем реального времени для ответственных применений. В качестве такой микросхемы может быть использован отечественный микроконтроллер K1921BK01T( Практический курс микропроцессорной техники на базе процессорных ядер ARM-Cortex-M3/M4/M4F [электронный ресурс]: учебное пособие - электрон. текстовые дан. (12 Мб) / В.Ф. Козаченко, A.C. Анучин, Д. И. Алямкин и др.; под общ. ред. В.Ф. Козаченко. - М.: Издательство МЭИ, 2019. - 543 с. Режим доступа: http://motorcontrol.ru/wp-content/uploads/2019/04/Практический_курс_микропроцессор.pdf.); в качестве Wi-Fi-модуля может быть использована сборка ESP8266-01( Модуль ESP8266-01 WiFi // MCU Store. URL: https://mcustore.ru/store/moduli-svyazi/modul-wifi-esp8266/?gclid=CjwKCAiA58fvBRAzEiwAQW-hzezFoQo60DEhZStdn7fMT-5DeNRZ2oJB_f8dkNm5re0i2KGbfe3YFBoCu08QAvD_BwE.), а в качестве TFT-дисплея - модель RPI LCD( 3.2 inch RPi LCD// ChipDip.ru URL: https://www.chipdip.ru/product/3.2inch-rpi-lcd-b (дата обращения: 12.12.2019)). с резистивным сенсорным экраном и диагональю 8,1 см.
Лабораторную установку используют следующим образом.
Первоначально установку готовят к работе, установив в предварительно выполненные в корпусе барабана 1 отверстия погружные термопары и подключив их коммуникационные выходы к аналого-цифровым преобразователям промышленных контроллеров, закрепив последние на внешней поверхности барабана. В газоотводную камеру 11 устанавливают кислородный датчик, а его выход подключают к измерительному входу 19 блока управления 15. Со стороны переднего торца в барабан 1 вводят патрубок 13 таким образом, чтобы его форсунка была расположена максимально близко к заднему торцу барабана и оказалась в зоне подачи молибденсодержащего сырья загрузочным устройством 12, а затем подключают патрубок 13 к кислородной станции (на фигурах условно не показана). Силовые выходы 16,17 и 18 блока управления 15 подключают, соответственно, к электродвигателю 7, узлу управления газовой горелки 9 и электромеханическому клапану патрубка 13. На последнем этапе настраивают беспроводное соединение между датчиками измерения температуры 14 и микроконтроллером 25 блока управления. После выполнения указанных действий установка готова к эксплуатации.
2
После включения лабораторной установки микропроцессорное ядро 26 микроконтроллера 25 на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ 27 с использованием SRAM-памяти данных 28, реализует алгоритм автоматического регулирования работы установки по окислению сульфида молибдена MoS, содержащегося в молибденсодержащем сырье, подаваемым загрузочным устройством 12, которое может представлять собой, например, шнековый транспортер.
Цикл автоматического регулирования включает в себя следующие этапы. Первоначально микроконтроллер 25 в соответствие с управляющей программой с помощью второго порта ввода-вывода 34 через силовой выход 17 активирует газовую горелку 9, после чего переключает первый порт ввода-вывода 33 в режим аппаратного ШИМ-модулятора и, реализуя алгоритм частотного управления, через силовой выход 16, приводит в действие электродвигатель 7, плавно увеличивая скорость вращения барабана 1. После выполнения указанных действий микроконтроллер 25 реализует цикл опроса бесконтактных датчиков температуры 14, регистрируя градиент температуры в печи. При достижении рабочей температуры t=800°C в области заднего торца барабана 1 микроконтроллер 25 отключает газовую горелку и с помощью третьего порта ввода-вывода 35 через силовой выход 18 открывает электромеханический клапан патрубка 13, обеспечивая подачу кислорода в зону подачи молибденсодержащего сырья. Одновременно с этим на модуль индикации 24 оператору установки выдается сообщение о возможности начала процесса переработки сырья, после чего оператор активирует загрузочное устройство 12, запуская технологический процесс.
При движении молибденсодержащего сырья в области заднего торца барабана в кислородсодержащей среде начинается окислительно-восстановительная реакция следующего вида:
При этом получившийся диоксид серы поступает в газоотводную камеру 11, а готовый продукт в виде оксида молибдена под действием силы тяжести и за счет вращения барабана 1 движется к его переднему торцу и отгружается через разгрузочный лючок 10.
Диоксид серы, поступивший в газоотводную камеру 11, в дальнейшем подается в мокрый циклон (на фигурах условно не показан), в котором с помощью форсунок создается туман, состоящий из мелкодисперсных капель известкового молока. При этом происходит реакция взаимодействия гидроксида кальция и оксида серы с получением сульфита кальция:
На выходе циклона сульфит кальция собирается с помощью мелкодисперсного фильтра и может использоваться в дальнейшем как дополнительный готовый продукт переработки, например, в пищевой промышленности.
Во все время осуществления технологического процесса переработки молибденсодержащего сырья микроконтроллер 25 осуществляет регистрацию изменения концентрации кислорода в газоотводной камере 11 с помощью кислородного датчика 21, опрашивая последний с помощью аналого-цифрового преобразователя 29, а также анализирует данные о температуре в печи, получаемые от беспроводных датчиков измерения температуры 14. При этом полученные значения автоматически выводятся на модуль индикации 24 блока управления 15.
В случае фиксации превышения концентрации кислорода в газоотводной камере предельного, установленного перед запуском установки значения, с одновременным снижением температуры внутри печи, микроконтроллер 25 для интенсификации протекания реакции в соответствии с управляющей программой снижает уровень подачи кислорода, частично перекрывая электромеханический клапан патрубка 13, включает газовую горелку 9 для дополнительного прокаливания печи и, управляя скоростью вращения электродвигателя 7, увеличивает скорость вращения барабана 1. При достижении нормальных значений показаний датчиков микроконтроллер 25 восстанавливает штатные состояния электромеханического клапана патрубка 13 и скорости вращения барабана 1.
Все пороговые значения показаний датчиков, приводящие к смене режимов работы установки, задаются оператором перед ее пуском с помощью устройства ввода данных 23 и контролируются визуально с помощью модуля индикации 24. Все результаты измерений, а также параметры режимов работы агрегатов установки, включая моменты времени переключения их режимов, сохраняются на SD-карту 38 или USB-накопитель, который может быть подключен к USB-контроллеру 30, и применимы в дальнейшем для их статистической обработки и численного моделирования процессов окисления сульфидов металлов, с целью разработки оптимальных технологических процессов переработки молибденсодержащего сырья с максимально возможным выходом готовой продукции в виде оксида молибдена.
Таким образом, рассмотренная в настоящей заявке лабораторная установка, является важной частью высокотехнологичного комплекса по переработке отработанных катализаторов нефтехимической промышленности. Применение инновационного подхода к регулированию процесса обжига позволит получить готовый продукт - отчищенный от коксовых отложений и серных соединений обожженный оксид молибдена, который может использоваться в качестве основного компонента при производстве легирующих добавок в металлургической промышленности.