Способ и устройство охлаждения ячеек камерной печи - RU2260158C1

Чертежи

Описание

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к области так называемых камерных печей с "вращающимся пламенем", предназначенных для обжига содержащих углерод блоков, в частности, камерных печей открытого типа. Более конкретно настоящее изобретение относится к способу и устройству, предназначенным для охлаждения ячеек таких печей перед осуществлением ремонтных работ или технического обслуживания.

Область техники

Камерные печи с вращающимся пламенем открытого типа хорошо известны и описаны, в частности, во французских патентных документах FR 2600152 (соответствует американскому патентному документу US 4859175) и FR 2535834 (соответствует британскому патентному документу GB 2129918).

Печь с вращающимся пламенем содержит ряд расположенных вдоль одной линии камер, причем каждая из этих камер содержит несколько ячеек удлиненной формы, отделенных друг от друга полыми и обеспечивающими нагревание перегородками.

Цикл обжига содержащих углерод блоков для такой камеры печи обычно включает загрузку ячеек камеры необработанными содержащими углерод блоками, нагревание этой камеры до температуры обжига загруженных и содержащих углерод блоков (эта температура обычно имеет величину в диапазоне от 1100 до 1200°С), охлаждение камеры до температуры, которая позволяет извлечь обработанные содержащие углерод блоки, и последующее охлаждение камеры до достижения ею температуры окружающей среды. Принцип вращающегося пламени состоит в последовательном осуществлении цикла нагревания камер печи в результате перемещения средств нагревания (таких, например, как рампы горелок) и средств всасывания.

Таким образом, камера печи последовательно проходит через периоды предварительного нагревания, обжига и охлаждения. Обычно в печи подобного рода примерно десять камер одновременно являются "активными": при этом четыре камеры находятся в так называемой зоне охлаждения, три камеры находятся в так называемой зоне нагревания и три камеры находятся в так называемой зоне предварительного нагревания. Эти активные камеры образуют то, что называют "пламенем".

Однако время, необходимое для охлаждения ячеек после извлечения содержащих углерод блоков, которое является весьма продолжительным, ограничивает производительность печей подобного рода в том случае, когда требуется вмешательство в работу данной печи, в частности, замена перегородок между ячейками камер, поскольку по санитарным соображениям запрещается работа операторов внутри ячеек печи до того, как температура их стенок не станет ниже примерно 30°С, что требует соответствующего ожидания, продолжительность которого обычно превышает 3 суток.

Таким образом, была предпринята попытка найти простые и пригодные для промышленного использования технические решения, предназначенные для ускорения процесса охлаждения ячеек печи подобного рода.

Описание изобретения

Объектом настоящего изобретения является способ охлаждения ячейки печи с вращающимся пламенем, включающий создание потока F охлаждающей текучей среды внутри ячейки, при этом по меньшей мере некоторая часть Fr упомянутого потока F текучей среды протекает по существу вертикально вдоль поверхностей, определяемых стенками ячейки.

Объектом настоящего изобретения также является устройство охлаждения ячейки печи с вращающимся пламенем, содержащее:

- по меньшей мере одно первое средство, обеспечивающее создание потока F охлаждающей текучей среды внутри ячейки, например, вентиляционное средство;

- по меньшей мере одно второе средство, обеспечивающее создание течения по существу в вертикальном направлении по меньшей мере некоторой части Fr потока F вдоль поверхностей, определяемых стенками ячейки, например, средство ограничения объема потока.

Объектом настоящего изобретения также является способ охлаждения ячейки печи с вращающимся пламенем, в котором используется устройство в соответствии с настоящим изобретением.

Было обнаружено, что течение по существу в вертикальном направлении потока охлаждающей текучей среды в непосредственной близости от стенок ячейки печи позволяет существенно увеличить скорость охлаждения этой стенки. Таким образом, настоящее изобретение позволяет в некоторых случаях исключить одну огневую камеру в печи промышленных размеров.

Настоящее изобретение будет лучше понятно из приведенного ниже подробного описания примера его реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

- на Фиг.1 изображен схематический перспективный вид в частичном разрезе печи с вращающимся пламенем;

- на Фиг.2 изображен схематический вид сверху (то есть вид по оси Z) одного ряда печи с вращающимся пламенем;

- на Фиг.3 изображен схематический вид предпочтительного примера реализации устройства в соответствии с настоящим изобретением в положении ожидания, причем в положении (а) показан вид этого устройства с его узкой стороны (то есть вид по оси Х), а в положении (b) показан вид этого устройства с его широкой стороны (то есть вид по оси Y);

- на Фиг.4 изображен схематический вид предпочтительного примера реализации устройства в соответствии с настоящим изобретением в развернутом положении, причем в положении (а) показан вид этого устройства с его узкой стороны (то есть вид по оси Х), а в положении (b) показан вид этого устройства с его широкой стороны (то есть вид по оси Y);

- на Фиг.5 и 6 изображено схематически движение потока охлаждающей текучей среды, полученного при использовании предпочтительного примера реализации настоящего изобретения.

На фиг.1 и 2 показана печь с вращающимся пламенем, которая содержит ряд камер (10, 11, 12,...), расположенных последовательно друг за другом. При этом каждая камера содержит расположенные чередующимся образом в поперечном направлении (то есть в направлении вдоль оси Y) ячейки (2) удлиненной формы и полые нагревающие перегородки (3), расположенные в продольном направлении (то есть в направлении оси Х). Необходимо отметить, что пунктирная линия (1), показанная на фиг.1, ограничивает одну из камер, которая содержит несколько ячеек (2), расположенных параллельно друг другу и отделенных одна от другой при помощи перегородок (3).

Ячейки (2) разделены при помощи нагревающих перегородок (3), опор поперечных стенок (4) и донной плиты (24). Эти нагревающие перегородки (3) и опоры поперечных стенок (4) представляют собой по существу вертикальные стенки (2А, 2В), а донная плита (24) образует по существу горизонтальную донную часть (2С). Концы нагревающих перегородок (3) обычно содержат поперечные стенки (5), снабженные отверстиями (6). Нагревающие перегородки (3) содержат также тонкие боковые стенки (9), обычно разделенные поперечными перемычками (7) и зигзагообразно установленными перегородками (8). Эти нагревающие перегородки (3) снабжены средствами доступа (20), которые называют "отдушинами" и которые служат, в частности, для введения средств нагревания, таких, например, как инжекторы горелок (на приведенных в приложении фигурах не показаны) или средств всасывания (21, 22). Описанные выше элементы (2, 3, 4, 5, 24) печи выполнены из огнеупорных материалов, обычно из огнеупорных кирпичей. Каждая ячейка (2) обычно имеет глубину 5 м.

На фиг.1 показан типичный пакет содержащих углерод блоков (31) в ячейке (2) вместе с порошком нанесения покрытия (32) в ходе операции обжига этих блоков.

Камеры образуют длинный пролет в направлении С распространения пламени. Печь с вращающимся пламенем обычно содержит два параллельных пролета, каждый из которых имеет длину порядка сотни метров. Пролеты обычно ограничены боковыми стенками (23).

В ходе операций обжига газовый поток, образованный воздухом, газами нагревания, парами, выделяемыми содержащими углерод блоками, или газами сгорания (или, чаще всего, смесью этих газообразных сред), движется в направлении вдоль печи (то есть вдоль оси Х) в последовательно расположенном ряду полых нагревающих перегородок (3), которые сообщаются между собой. Этот газовый поток вдувается с передней части активных камер и отсасывается с их задней части. Тепловая энергия, создаваемая в результате сгорания газа, передается к содержащим углерод блокам (31), которые расположены в ячейках (2), что обеспечивает обжиг этих блоков.

Подробное описание изобретения

В соответствии с настоящим изобретением создан способ охлаждения ячейки (2) печи с вращающимся пламенем, причем ячейка (2) содержит стенки (2А, 2В), при этом он включает создание потока F охлаждающей текучей среды внутри ячейки (2), причем по меньшей мере некоторая часть Fr потока F протекает по существу вертикально вдоль поверхностей, определяемых стенками (2А, 2В) ячейки (2).

Внутреннее пространство такой ячейки соответствует пространству, обычно занятому содержащими углерод блоками (31) и порошком нанесения покрытия, или "угольной пылью", (32) в процессе осуществления операции обжига.

По существу вертикальное течение охлаждающей среды представляет собой течение, для которого вертикальная составляющая газового потока F является определенно более значительной, чем горизонтальные составляющие этого потока (при том, что обычно вертикальная составляющая этого газового потока примерно в десять раз превышает его горизонтальные составляющие), таким образом, чтобы обеспечить максимальный поток тепловой энергии, поглощаемой от стенок и отводимой за пределы ячейки. Это течение предпочтительно является малотурбулентным и еще более предпочтительно является по существу ламинарным. При этом вертикальное течение может быть как восходящим, так и нисходящим.

Поток F охлаждающей текучей среды обычно представляет собой принудительно созданный поток, который формируется, например, посредством нагнетания или, наоборот, отсасывания соответствующей текучей среды.

Часть Fr этого потока F движется обычно в так называемом сечении "течения" S, расположенном в непосредственной близости от стенок ячейки, и характеризуется быстрым течением текучей среды в направлении, по существу параллельном этим стенкам. Предпочтительно поток Fr движется в узком объеме V, который находится в непосредственной близости от стенок, что позволяет обеспечить эффективное отведение тепловой энергии от стенок при обеспечении приемлемых расходов охлаждающей текучей среды (обычно имеющих величину в диапазоне от 1 до 10 Нм³/с).

Поток F обычно содержит две основные составляющие, а именно часть Fr, которая как бы "смачивает" стенки данной ячейки, и часть Fo, которая вводит охлаждающую текучую среду в данную ячейку. В соответствии с предпочтительным способом реализации настоящего изобретения эти потоки Fr и Fo являются по существу параллельными друг другу и движутся в противоположных направлениях так, как это схематически показано на фиг.6. При этом расходы потоков Fr и Fo обычно являются по существу идентичными.

Предпочтительно текучая среда представляет собой газ или смесь газов. В данном случае предпочтительно использовать воздух для того, чтобы ограничить эксплуатационные расходы, то есть предпочтительно, чтобы текучая среда содержала воздух. Эта охлаждающая текучая среда предпочтительно является влажной, то есть она предпочтительно содержит воду (обычно в виде пара или мелких капелек), таким образом, чтобы повысить удельную теплоемкость этой среды. Степень влажности охлаждающей текучей среды может быть отрегулирована, например, в функции температуры стенок данной ячейки. В соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения используемая охлаждающая текучая среда представляет собой смесь воздуха и влаги. Обычно охлаждающая текучая среда, которая вводится в подлежащую охлаждению ячейку печи, представляет собой воздух, имеющий температуру окружающей среды и в большей или меньшей степени насыщенный влагой.

Поток охлаждающей текучей среды может двигаться в разомкнутом контуре, т.е. он отводится в окружающую атмосферу после поглощения части тепловой энергии от стенок ячейки печи в процессе течения этого потока внутри данной ячейки.

В соответствии с настоящим изобретением создано устройство охлаждения (100) ячейки (2) печи с вращающимся пламенем, причем ячейка (2) содержит стенки (2А, 2В) и донную часть (2С), при этом устройство содержит:

- по меньшей мере одно первое средство (101), обеспечивающее создание потока F охлаждающей текучей среды внутри ячейки (2);

- по меньшей мере одно второе средство (103), обеспечивающее создание по существу вертикального течения по меньшей мере некоторой части Fr потока F вдоль поверхностей, определяемых стенками (2А, 2В) данной ячейки (2).

Первое средство (101) обычно представляет собой средство вентиляции, такое, например, как средство всасывания или средство нагнетания.

Второе средство (103) предпочтительно представляет собой средство ограничения объема, обеспечивающее уменьшение поперечного сечения S течения потока F в непосредственной близости от стенок ячейки таким образом, чтобы создать быстрое течение охлаждающей текучей среды в направлении, по существу параллельном стенкам этой ячейки. При этом поток F движется в узком объеме V, расположенном в непосредственной близости от стенок.

Поперечное сечение течения S приблизительно определяется соотношением L × Р, где L представляет собой ширину ограниченного пространства, а Р представляет собой средний внутренний периметр ячейки печи. Ширина L предпочтительно составляет величину в диапазоне от 5 до 25 см и еще более предпочтительно составляет величину в диапазоне от 10 до 20 см. Слишком малая величина этой ширины приводит к значительным потерям напора. Слишком большая величина этой ширины приводит к малой скорости течения потока и, следовательно, к недостаточной скорости охлаждения.

Предпочтительно ограничение объема потока F также влечет за собой увеличение скорости течения Ve охлаждающей текучей среды. Скорость течения этой охлаждающей среды в части Fr потока F предпочтительно составляет величину в диапазоне от 2 до 20 м/с. При этом слишком малая скорость течения не позволяет уменьшить время охлаждения ячейки. Зато очень большая скорость течения требует использования дорогостоящих средств вентиляции и значительного расхода электрической энергии. Расход охлаждающей текучей среды в потоке обычно составляет величину в диапазоне от 1 до 10 Нм³/с для промышленных печей.

Средство ограничения объема (103) обычно представляет собой специальный канал, например, жесткий или гибкий канал, или гибкую юбку, первый конец которого (которой) связан со средством (или с каждым из средств) вентиляции (101), а второй конец (104) может быть размещен внутри ячейки (2). В этом случае охлаждающая текучая среда, которая приводится в движение при помощи одного или нескольких средств вентиляции (101), направляется при помощи канала и вводится в ячейку (или всасывается из этой ячейки) при помощи по меньшей мере одного отверстия, расположенного на втором конце (104) канала. Этот канал обеспечивает сужение поверхности течения S потока, заставляя этот поток протекать между поверхностью канала и стенками (2А, 2В) ячейки.

Предпочтительно средство ограничения объема (103) выполнено съемным и/или удаляемым таким образом, чтобы облегчить размещение устройства в ячейке. Так, например, средство ограничения объема (103) может представлять собой жесткий съемный канал (то есть канал, поддающийся снятию с этого устройства (100)), который может быть размещен в ячейке печи и присоединен затем к средствам вентиляции (101) устройства.

Средство ограничения объема (103) может быть присоединено к средству вентиляции (101) при помощи средства соединения (102).

В соответствии с предпочтительным способом реализации настоящего изобретения средство ограничения объема (103) представляет собой втягиваемый или сжимаемый трубчатый канал, имеющий по меньшей мере одно втянутое или убранное положение (как это схематически показано на фиг.3) и по меньшей мере одно развернутое положение (как это схематически показано на фиг.4). При этом длина канала может быть переменной или регулируемой. Этот способ реализации обладает тем преимуществом, что он позволяет облегчить размещение устройства.

На фиг.3 и 4 показан убираемый трубчатый канал, выполненный в форме кузнечного меха (обычно в том случае, когда его поперечное сечение является по существу круглым или овальным) или в форме гармошки (обычно в том случае, когда его поперечное сечение является по существу прямоугольным или квадратным), что облегчает разворачивание этого канала. Канал также может иметь другую конструкцию, например, телескопическую конструкцию, образованную несколькими участками этого канала, вставленными один в другой с возможностью их относительного скольжения. Канал (103) может быть убран или развернут при помощи средств развертывания (106, 107), таких, например, как приводной двигатель или система тросов.

В предпочтительном варианте реализации канал (103) выполнен таким образом, что он может быть развернут до уровня, находящегося на относительно небольшом расстоянии D от донной части (2С) подлежащей охлаждению ячейки, причем это расстояние D предпочтительно составляет величину около 50 см. Обычно величина этого расстояния D составляет около 20 см.

Канал предпочтительно имеет такие размерные параметры, что среднее расстояние Е между этим каналом и стенками охлаждаемой ячейки составляет величину в диапазоне от 5 до 25 см и еще более предпочтительно составляет величину в диапазоне от 10 до 20 см. При этом слишком малая величина этого расстояния приводит к значительным потерям напора, которые могут оказаться неприемлемыми. Слишком же большая величина этого расстояния приводит к малой скорости течения и, следовательно, к недостаточной скорости охлаждения. Было установлено, что упомянутое выше расстояние, составляющее величину около 15 см, является вполне удовлетворительным.

В соответствии с одним из возможных вариантов реализации настоящего изобретения первые средства (которые обычно представляют собой средства вентиляции) обеспечивают создание нисходящего потока в одном или в каждом из каналов и вертикальное восходящее течение, проходящее вдоль стенок (2А, 2В) подлежащей охлаждению ячейки (2). В соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения первые средства обеспечивают создание восходящего потока в одном или в каждом из каналов и вертикальное нисходящее течение, проходящее вдоль стенок (2А, 2В) подлежащей охлаждению ячейки (2).

Средства вентиляции (101) представляют собой средства нагнетания, такие, например, как вентиляторы, в том случае, когда необходимо создать восходящее течение вдоль стенок (2А, 2В) ячейки, и представляют собой средства всасывания в том случае, когда необходимо создать нисходящее течение вдоль этих стенок (2А, 2В).

Предпочтительно в том случае, когда вертикальное течение является восходящим вдоль стенок (2А, 2В) ячейки (2) (и, соответственно, является нисходящим в одном или в нескольких каналах), так называемый "открытый" конец (104) одного (или каждого) канала (103) может быть снабжен диффузором (108), который обеспечивает отклонение в направлении вверх потока текучей среды, выходящей из канала через его свободный конец. Диффузор предпочтительно выполнен таким образом, чтобы он обеспечивал снижение потерь напора на так называемом открытом конце (104) одного (или каждого) канала (103).

Предпочтительно канал выполнен из гибкого материала, обладающего высоким модулем упругости, способного противостоять воздействию высоких температур, достигающих примерно 250°, и воздействию давления нагнетания, например, он может быть изготовлен из ароматического полиамидного волокна (например, волокна типа Kevlar®). Этот материал может быть композитным или составным, например, многослойным. Кроме того, этот материал предпочтительно является герметичным для того, чтобы, в частности, снизить потери напора вдоль канала. Для достижения этой цели материал может представлять собой, например, многослойный композит, содержащий гибкую ткань (например, ткань типа Kevlar®), и герметизирующий слой (например, слой алюминия). Использование многослойного материала, имеющего в своем составе гибкий слой и слой, изготовленный из алюминия (и выполненный на наружной поверхности канала), позволяет также обеспечить отражение теплового излучения, исходящего от стенок ячейки, и не допустить, таким образом, слишком значительного вторичного нагревания нижележащего гибкого слоя.

Предпочтительно устройство (100) в соответствии с настоящим изобретением выполнено съемным. Это устройство предпочтительно содержит опорные элементы (105), которые позволяют манипулировать этим устройством и устанавливать его в верхней части ячейки печи.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет обеспечить использование способа охлаждения в соответствии с этим изобретением.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано для охлаждения ячейки (2) печи с вращающимся пламенем и, в частности, может быть использовано при осуществлении способа охлаждения ячейки (2) печи с вращающимся пламенем, содержащего:

- размещение устройства охлаждения (100) в соответствии с настоящим изобретением;

- создание потока охлаждающей текучей среды внутри подлежащей охлаждению ячейки (2).

В частности, устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано при осуществлении способа охлаждения ячейки (2) печи с вращающимся пламенем, включающего:

- размещение устройства охлаждения (100) в соответствии с настоящим изобретением;

- разворачивание средства ограничения объема (103), в частности, внутри подлежащей охлаждению ячейки (2);

- создание потока охлаждающей текучей среды внутри ячейки (2) при помощи одного или нескольких средств вентиляции (101).

Обычно эти технологические операции осуществляются после удаления уже обожженных содержащих углерод блоков и порошка, находившихся в ячейке печи.

Разворачивание канала может осуществляться в соответствии с предварительно определенной последовательностью операций или может управляться в функции поддающихся измерению параметров, таких, например, как температура стенок подлежащей охлаждению ячейки.

Испытания

Испытания системы охлаждения ячейки печи с вращающимся пламенем осуществлялись с использованием устройства в соответствии с настоящим изобретением, подобного тому, которое схематически показано на фиг.3 и 4. В этих испытаниях рассматриваемая подлежащая охлаждению ячейка имела глубину 4,76 м и площадь внутреннего поперечного сечения 23,7 м². Используемая в испытаниях охлаждающая текучая среда представляла собой воздух, в большей или меньшей степени насыщенный влагой. Скорость движения потока этого воздуха обычно имела величину в диапазоне от 5 до 10 м/с. Расход охлаждающего воздуха в испытаниях имел величину порядка 3 м³/с на один вентилятор (то есть 6 м³/с в целом). Среднее расстояние Е между стенками ячейки печи и каналом (103) имело величину примерно 15 см. Поток охлаждающей текучей среды был нисходящим в каналах и восходящим вдоль стенок охлаждаемой ячейки.

Параметры охлаждения испытуемой ячейки измерялись при помощи термопар, внедренных в ее стенки. Исходная температура донной части испытуемой ячейки имела величину в диапазоне от 130 до 200°С в зависимости от положения в направлении движения пламени.

Без использования устройства охлаждения время, необходимое для того, чтобы температура донной части этой ячейки снизилась до 20°С, обычно составляло 40 часов. При использовании устройства охлаждения в соответствии с настоящим изобретением это время было доведено до величины порядка 10 часов.

Кроме того, устройство в соответствии с настоящим изобретением оказалось относительно малошумным.

Реферат

Изобретение относится к области камерных печей с "вращающимся пламенем", предназначенных для обжига содержащих углерод блоков, в частности, камерных печей открытого типа, а также к способам и устройствам, предназначенным для охлаждения ячеек таких печей перед осуществлением ремонтных работ или технического обслуживания. Технический результат: ускорение процесса охлаждения ячеек печи камерного типа. Способ охлаждения ячейки (2) печи с вращающимся пламенем, содержащей стенки (2А, 2В), включает создание потока F охлаждающей текучей среды внутри ячейки (2), при этом, по меньшей мере, некоторая часть Fr потока F этой текучей среды протекает по существу вертикально вдоль поверхностей, определяемых стенками (2А, 2В) ячейки (2). Также заявлены устройство для охлаждения ячеек камерной печи и способ охлаждения печи с использованием указанного устройства. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула