Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МУЛЛИТА

Изобретение относится к установкам высокотемпературной обработки топазового концентрата для получения муллита и может быть использовано в промышленности при производстве керамических, огнеупорных и строительных материалов, а также в химической промышленности.

Известен промышленный обжиг кусковых топазовых руд во вращающихся печах. Содержание муллита в получаемых материалах было невысоким, так как получалась смесь муллита с кристобалитом (Pole G.J., J. Amer. Soc., 1944, v.27 №6).

Известен способ получения муллита из топазового концентрата обжигом во вращающейся барабанной печи (Заявка РФ №2000103140, МПК В03В 7/00, опубл. 10.01.2002).

Конструктивное оформление этого способа не позволяет обеспечить оптимальные условия массообмена и теплообмена между газовой фазой и топазовой рудой, что отрицательно сказывается на качестве получаемого муллита.

Известен способ получения муллита по патенту США №5340516, МПК В32В 3/12; С04В 35/10, 1994 г., согласно которому используют гранулятор для формования гранул заданной формы, сушильную печь для высушивания гранул и печь для обжига гранул с получением целевого муллитосодержащего продукта.

Однако конструктивное оформление процесса, приведенное в описании к патенту, не обеспечивает получение продукта в промышленном масштабе.

Задачей изобретения является разработка установки для получения муллита из топазового концентрата, обеспечивающей получение муллита в виде наиболее ценных форм - волокнистых и (или) игольчатых кристаллов, при высоком содержании целевого вещества в конечном продукте.

Поставленная задача решается тем, что в установке печь синтеза муллита выполнена из внешней и внутренней шахт, размещенных соосно с образованием греющей камеры, и снабжена генераторами плазмы, сообщенными выходами с греющей камерой, и контуром циркуляции газа противотоком движению гранул, включающим побудитель расхода, при этом греющая камера снабжена группами сопел, подключенных к побудителю расхода и размещенных с обеспечением горизонтальной и вертикальной циркуляции газа в греющей камере и его подачи в слой гранул через отверстия, выполненные в стенке внутренней шахты. Печь синтеза муллита сообщена входом с выходом печи сушки гранул, а выходом - с приемным бункером, оборудованным контуром циркуляции охлаждающего гранулы газа. Внутренняя шахта выполнена с чередующимися попарно выступами, под которыми размещены отверстия, сообщающие внутреннюю шахту с греющей камерой, при этом каждая последующая пара выступов смещена относительно предыдущей на 90°.

На фиг.1 схематично изображена предлагаемая установка; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.3; на фиг.5 - разрез Г-Г на фиг.1.

Установка содержит гранулятор 1, вращающуюся барабанную сушильную печь 2 с дозирующим узлом загрузки 3, сообщенную выходом с шахтной печью 4 синтеза муллита в движущемся слое гранул. Сушильная печь 2 снабжена штуцером 32 для отвода отходящих газов из печей 2 и 4.

Печь синтеза муллита 4 содержит вертикальный металлический корпус 5, внутри которого размещены соосно внешняя 6 и внутренняя 7 керамические шахты с образованием между боковыми стенками шахт 6 и 7 греющей камеры 8.

Между внешней шахтой 6 и металлическим корпусом 5 размещен слой теплоизоляции 9.

Внутренняя шахта 7 выполнена с выступами 10, чередующимися попарно по высоте, при этом каждая последующая пара выступов смещена относительно предыдущей на 90°.

Нагрев печи осуществляется газом, нагреваемым с помощью охлаждаемых водой генераторов плазмы 11, подаваемым в греющую камеру 8 через отверстия 12 в шахте 7, экранированные защитными керамическими кольцами 13 (фиг.2 и 3), охлаждаемыми газом (не показано).

Камера 8 сообщена с внутренней полостью шахты 7 системой отверстий 14, выполненных непосредственно под выступами 10.

Камера 8 снабжена соплами 15, обеспечивающими горизонтальную циркуляцию греющего газа в камере, а также соплами 16, обеспечивающими вертикальную циркуляцию греющего газа в камере. Для интенсификации вертикальной циркуляции греющего газа предусмотрены каналы 17, выполненные в шахте 6 или образованные с помощью вертикальной перегородки 18.

Печь снабжена контуром циркуляции газа в противотоке движению гранул, включающим сопла 19, штуцер 22 отбора газа, расположенный в верхней части шахты 7, и штуцер 31 подачи газа, расположенный в нижней части печи, а также сообщенную с коллектором 30 и штуцером 31 систему трубопроводов с побудителем расхода 20 и теплообменником 21.

Дополнительно к циркулирующему потоку газа через гранулы организована подача греющего газа в объем движущихся гранул непосредственно из камеры 8, для чего предусмотрены сопла 19, сориентированные в сторону отверстий 14 и подключенные к газовому коллектору 30. Коллектор 30 размещен в слое теплоизоляции 9.

Нижней частью печь сообщена с приемным бункером 23 целевого продукта, снабженным механизмом регулируемой выдачи продукта 24 в транспортный контейнер 25. Приемный бункер оборудован контуром циркуляции воздушно-газовой смеси для охлаждения целевого продукта, включающим верхний штуцер 29 отбора газа и нижний штуцер 28 подачи газа в бункер, а также побудитель расхода 26 и теплообменник 27.

Все детали, соприкасающиеся с газом при температуре выше 300°С, выполнены из алундовой или муллитовой керамики.

Установка обеспечена приборами (температуры, расхода, давления и др.) для замера различных параметров и регулирования процессов в печи (не показано).

Печь работает следующим образом.

Из топазового концентрата в грануляторе 1 формируют гранулы в виде колец или чешуек с толщиной стенок от 1,5 до 3 мм, которые направляют в сушильную печь 2 через дозирующий загрузочный узел 3. Сушильная печь должна быть разогрета до 300°С, а из штуцера 32 проводят отбор образующихся при нагреве газов.

Гранулы, прошедшие сушильную печь 2, попадают в печь 4 и ссыпаются в бункер 23. Для предотвращения перегрева разгрузочного устройства 10 его заполняют при включенном контуре охлаждения гранул.

После наполнения бункера 23 включают плазменный нагрев печи.

Разогрев начинают при работе генераторов плазмы 11 на сжатом воздухе с последующей заменой воздуха на газ, образующийся в печи синтеза, при включенном контуре циркуляции газов с теплообменником 21 и побудителем расхода 20. Отбор газов в контур циркуляции производят через штуцер 22.

Газ из побудителя расхода 20, поданный в коллектор 30, распределяется в сопла горизонтальной циркуляции 15, вертикальной циркуляции 16 и сопла 19 подачи газа в объем движущихся гранул. Кроме того, газ из побудителя расхода 20 подается в штуцер 31, в генераторы плазмы 11, на защиту колец 13 (спутно плазменной струе) в отверстия 12.

Печь для получения муллита 4 предварительно разогревают до 800°С. Нагреваемый в генераторе плазмы воздух со среднемассовой температурой более 3500°С, а при дальнейшей работе газ попадает через штуцер 13 в греющую камеру 8. В штуцере 13 и камере 8 плазмоид смешивается с движущимся в них потоком газа и отдает ему и стенкам камеры избыточное тепло, а при дальнейшей работе и гранулам внутри печи. Движение газа в камере и подача его во внутреннюю полость печи осуществляется группами сопел. Сопла 15 вращают газ в камере, сопла 16 возвращают «остывший» газ из верхней части камеры в зоны штуцеров 13, а сопла 19 нагнетают «горячий» газ во внутреннюю полость печи через отверстия 14, расположенные в нижней части камеры 8. Через отверстия 14, расположенные в верхней части камеры 8, «остывший» газ из внутренней полости печи частично возвращается в камеру 8.

После разогрева печи до температуры 800°С возобновляют подачу гранул в печь, продолжая нагрев.

Для исключения зависания гранул в зоне активной муллитизации наполнение печи гранулами проводят с одновременным отбором части гранул из разгрузочного устройства 23. После заполнения печи отбор гранул уравнивают с загрузкой и разогревают печь до обеспечения температуры в движущихся гранулах не менее 1300°С. Так как выгруженные при заполнении гранулы не прошли полного цикла обработки, их возвращают в узел загрузки подмешиванием к исходным гранулам.

В установившемся стационарном режиме задают время выдержки гранул в печи, регулируя их отбор и загрузку по результатам анализа прошедших термохимическую обработку гранул.

Разгрузку гранул из печи осуществляют в транспортный контейнер 25.

При разогреве и муллитизации выделяется более 60 кг газа на 100 кг загруженных гранул, состоящего из смеси фтористого водорода, четырехфтористого кремния, паров воды и др. В установившемся процессе в печи эта смесь, содержащая фтористый водород, является необходимой для превращения топазового концентрата в муллит. Подачу смеси обеспечивает циркуляционный контур, отбирая газ из штуцера 22 и распределяя его в штуцер 31, в генераторы плазмы 11, во все сопла и на охлаждение колец 13 с помощью побудителя расхода 20.

Плазменный нагрев позволяет многократно использовать выделяющиеся при муллитизации газы с минимальным их разбавлением, а система сопел обеспечивает интенсификацию тепломассообмена в печи.

Пример.

При мощности двух генераторов плазмы до 65 кВт каждый и загрузке в печь 100 кг гранул в час, контуром циркуляции газа выводится из печи около 80 кг/час газа с температурой около 300°С, который охлаждается в теплообменнике 21 и далее с помощью побудителя расхода распределяется следующим образом:

25-30 кг газа поступает в генераторы плазмы, нагревается до температуры более 3500°С и подается в камеру 8, являясь энергетическим источником нагрева печи 4;

10-12 кг газа поступает на защиту колец 13 от излучения плазмоида;

до 15 кг газа поступает в штуцер 31 для рекуперации тепла от движущихся навстречу гранул.

Остальные 25-30 кг газа распределяются из коллектора 30 в сопла, обеспечивая передачу полученной от побудителя расхода 20 энергии газа непосредственно в контурах горизонтального и вертикального движения газа в камере 8, а также в контуре циркуляции газа через объем гранул. При этом газ, проходя путь по коллектору 30 и нагретым до 500-800°С соплам, нагревается до 400-600°С и далее смешивается в соотношении 1:8-12 с объемами газа в контурах циркуляции внутри печи (в разных контурах свой коэффициент эжектирования), нагретыми до 1400°С-1600°С, приобретая рабочую температуру.

Образовавшаяся в печи 4 избыточная часть газа поступает в сушильную печь 2, отдает тепло исходным гранулам и вместе с газами, полученными в сушильной печи (в основном, парами воды), отбирается из штуцера 32 на дальнейшую переработку для выделения ценных компонентов.

Такое выполнение позволяет обеспечить условия для получения качественных волокнистых и (или) игольчатых кристаллов муллита в непрерывном режиме, так как установка обеспечивает:

а) температурный режим в печи от 300°С до 1400°С;

б) поддержание на всех стадиях преобразования гранул в муллитосодержащий материал необходимого для протекания реакций состава газовой смеси с обеспечением противотока газа и гранулированного материала;

г) применение в качестве исходного материала гранулированного с добавлением органической связки топазового концентрата;

д) выдержку гранулированного материала длительное время при стабилизированной температуре, обеспечивающей максимальное преобразование исходного состава гранул в волокнистый и (или) игольчатый муллит через химические реакции с циркулирующим фторсодержащим газом.