EA004394B1 - Технологическая печь с контролируемой рабочей средой - Google Patents

Abstract

Технологическая печь с контролируемой рабочей средой, включающая рабочую камеру, топочную камеру, теплоизоляционную обмуровку рабочей камеры и топочной камеры, источник рабочей среды, канал для подвода рабочей среды в рабочую камеру, по меньшей мере один из участков которого расположен в топочной камере, канал для отвода отработанной среды из рабочей камеры, канал для отвода топочных газов и систему датчиков температуры, которая дополнительно содержит по меньшей мере одну пару отопительных элементов, каждый из которых выполнен в виде трубопровода со змеевиком, один конец которого соединен с источником среды, а второй имеет выход в рабочую камеру, канал для подвода рабочей среды содержит по меньшей мере один патрубок, расположенный в рабочей камере, противолежащий каналу для отвода отработанной среды и снабженный по меньшей мере одной парой выпускных отверстий, расположенных симметрично относительно плоскости вертикального сечения патрубка, при этом рабочая камера и топочная камера выполнены смежными.

Description

Заявляемое изобретение относится к технологическим печам и может быть использовано, например, в технологических печах различных производств, а также в печах для переработки органосодержащих ресурсов и/или отходов, в которых происходит термическая деструкция исходных материалов или органосодержащих ресурсов и/или отходов под действием высокой температуры и газообразной рабочей среды. При этом к органосодержащим ресурсам и/или отходам в рамках настоящего изобретения относятся, например, твердые и жидкие бытовые и промышленные отходы, резинотехнические изделия, полиэтилен, пластик, опилки, кора, лигнин, торф, бурые угли низкой степени углефикации и т.д.

Технологические печи являются достаточно широким классом тепловых устройств, в которых получаемое тепло передается находящемуся в печи материалу, в результате чего протекают физико-химические процессы с образованием заданного продукта. Для такого типа устройств особенно важной является эффективность получения и использования тепловой энергии, которая, в свою очередь, является основным фактором протекающих в печи процессов. Существует большое количество конструкций отдельных узлов технологических печей, связанных с обеспечением тепловой энергией и/или утилизацией остаточной тепловой энергии процесса. К таким узлам можно отнести, прежде всего, рабочие камеры, топочные устройства, различного рода котлы-утилизаторы и т.п. Однако наиболее существенным, с точки зрения повышения эффективности работы технологической печи, является создание из отдельных узлов и элементов связанной, согласованно функционирующей системы - технологической печи в целом.

Наиболее близкой по своей сущности из известных к заявляемой является технологическая печь с контролируемой рабочей средой, включающая рабочую камеру, выполненную в виде камеры термообработки, топочную камеру, выполненную в виде печи активации, теплоизоляционную обмуровку рабочей камеры и топочной камеры, выполненную в виде нагревательной рубашки, источник рабочей среды, выполненный в виде парогенератора, канал для подвода рабочей среды в камеру термообработки, один из участков которого расположен в печи активации, канал для отвода отработанной среды из камеры термообработки, выполненный в виде патрубка вывода газообразных продуктов разложения, канал для отвода топочных газов и систему датчиков температуры [1]. В печи предусмотрен замкнутый контур циркуляции среды. Описанная технологическая печь используется для переработки резиновых отходов, в частности изношенных шин. Она позволяет утилизировать тело протекающей термохимической реакции, контролировать и поддерживать за данные физико-химические параметры рабочей среды. Однако такая технологическая печь имеет достаточно большое время вхождения в рабочий режим (разогрев до рабочих температур). При этом температура предварительного разогрева рабочей среды перед подачей ее в камеру термообработки значительно превосходит реальную рабочую температуру рабочей среды и достигает 1000°С, что связано с большими энергетическими затратами.

Таким образом, анализ состояния уровня техники показывает необходимость дальнейшего развития и совершенствования технологических печей, в частности печей, в которых протекают процессы термической деструкции обрабатываемого материала в присутствии рабочей среды, в частности, с точки зрения увеличения эффективности использования тепловой энергии.

Задачей настоящего изобретения является создание технологической печи с контролируемой рабочей средой, которая обеспечивала бы сокращение времени вхождения в рабочий режим технологической системы в целом, сокращение энергозатрат, а также полную утилизацию тепловой энергии и среды-теплоносителя. Технологическая печь должна обеспечивать также возможность создания замкнутого цикла движения среды-теплоносителя.

Поставленная задача решается за счет того, что технологическая печь с контролируемой рабочей средой, включающая рабочую камеру, топочную камеру, теплоизоляционную обмуровку рабочей камеры и топочной камеры, источник рабочей среды, канал для подвода рабочей среды в рабочую камеру, по меньшей мере один из участков которого расположен в топочной камере, канал для отвода отработанной среды, из рабочей камеры, канал для отвода топочных газов и систему датчиков температуры, дополнительно содержит по меньшей мере одну пару отопительных элементов, каждый из которых выполнен в виде трубопровода со змеевиком, один конец которого соединен с источником среды, а второй имеет выход в рабочую камеру, канал для подвода рабочей среды содержит по меньшей мере один патрубок, расположенный в рабочей камере, противолежащий каналу для отвода отработанной среды и снабженный по меньшей мере одной парой выпускных отверстий, расположенных симметрично относительно плоскости вертикального сечения патрубка, при этом рабочая камера и топочная камера выполнены смежными.

Такая конструкция технологической печи обеспечивает возможность наиболее эффективного подвода разогретой до необходимой температуры рабочей среды непосредственно к подвергаемому обработке материалу, ее равномерное распределение по максимально возможной поверхности материала. Кроме того, наличие дополнительных отопительных элементов, устанавливающих температуру среды, проходящей в них, отличную от температуры среды в канале для подвода рабочей среды в рабочую камеру, с учетом рассчитанного или подобранного экспериментальным путем положения этих отопительных элементов в системе технологической печи позволяет наиболее эффективным образом регулировать контролируемые физикохимические параметры.

В предлагаемой технологической печи патрубок канала подвода рабочей среды, расположенный непосредственно в рабочей камере, предпочтительно снабжен торцевой заглушкой. Это обеспечивает более равномерное распределение выхода рабочей среды через выпускные отверстия, а следовательно, и более равномерное распределение рабочей среды по объему рабочей камеры.

Еще более равномерное распределение рабочей среды по объему рабочей камеры может быть достигнуто при условии, что канал для подвода рабочей среды содержит несколько горизонтальных патрубков, предпочтительно два, расположенных в рабочей камере и снабженных выпускными отверстиями.

Для повышения надежности и долговечно сти технологической печи в целом, а также для более эффективного управления процессом нагрева среды участок канала подвода рабочей среды, расположенный в топочной камере, предпочтительно снабжен защитным экраном. При этом защитный экран может быть выполнен из любого известного специалисту в данной области техники огнестойкого материала, например жаропрочной стали.

Для более эффективной утилизации тепла топочных газов теплоизоляционная обмуровка в области сопряжения топочной камеры и рабочей камеры предпочтительно снабжена каналами для топочных газов, по которым дополнительное тепло от топочных газов поступает к стенкам рабочей камеры, обеспечивая ее дополнительный обогрев.

В одном из предпочтительных вариантов реализации заявляемой технологической печи канал для подвода рабочей среды и канал для отвода отработанной среды выполнены в виде замкнутого контура циркуляции среды. Циркуляция среды, одновременно являющейся основным теплоносителем в технологическом процессе, по замкнутому контуру значительно повышает эффективность теплообменных процессов и позволяет сократить непроизводственные потери тепловой энергии.

Предлагаемая конструкция технологической печи с контролируемой рабочей средой ниже более подробно будет описана на примере одного из возможных предпочтительных, но не ограничивающих, вариантов реализации со ссылкой на позиции чертежей, на которых представлены:

фиг. 1 - схематическое изображение технологической печи (вид сбоку) с частичным разрезом по линии А-А по фиг. 2;

фиг. 2 - схематическое изображение фрагмента технологической печи (вид спереди) в разрезе по линии Б-Б по фиг. 1.

На фиг. 1 схематично изображены технологическая печь 1 с рабочей камерой 2, в которой находится подвергаемый обработке материал 3. Непосредственно под рабочей камерой 2 расположена смежная с ней топочная камера 4. В данном примере реализации может быть использована рабочая камера 2 технологической печи 1 любой подходящей широко известной конструкции. Рабочая камера 2 и топочная камера 4 расположены в теплоизоляционной обмуровке 5 с теплопроводящими зонами 6 и теплоизолирующими зонами 7. В топочной камере 4 размещен змеевик 8, который изолирован от прямого контакта с открытым пламенем посредством защитного экрана 9. Змеевик 8 представляет собой участок канала 10 для подвода рабочей среды в рабочую камеру 2 технологической печи 1, который расположен в топочной камере

4. По каналу 10 для подвода рабочей среды, в данном примере реализации водяного пара, водяной пар из источника рабочей среды, выполненного в виде парогенератора 11, через змеевик 8, расположенный в топочной камере 4, поступает непосредственно в рабочую камеру 2 технологической печи 1.

Топочные газы, образующиеся в результате сгорания топлива через каналы 12 для топочных газов, теплопроводящие зоны 6 теплоизоляционной обмуровки 5 и каналы 13 для отвода топочных газов поступают в дымовые трубы (на чертежах не изображены).

Канал 10 для подвода рабочей среды содержит участок с горизонтальным в данном примере реализации патрубком 14, расположенный в рабочей камере 2 технологической печи 1 и снабженный выпускными отверстиями 15. В представленном на чертежах варианте реализации технологической печи канал 10 для подвода рабочей среды содержит два патрубка 15. Рабочая среда через выпускные отверстия 15 поступает в рабочую камеру 2 технологической печи 1 в направлении 16.

В теплоизоляционной обмуровке 5 расположены дополнительные отопительные элементы 17 (в данном примере реализации предусмотрено два дополнительных отопительных элемента 17), которые представляют собой змеевик 18, один конец которого посредством входного трубопровода 19 соединен с парогенератором 11, а второй посредством выходного трубопровода 20 соединен с рабочей камерой 2 технологической печи 1.

Для контроля физико-химических параметров рабочей среды в рабочей камере 2 технологической печи 1 установлены датчики 21. В данном примере реализации датчики 21 пред ставляют собой датчики температуры, однако, в других возможных вариантах реализации могут быть использованы дополнительно к датчикам 21 температуры датчики, например, давления, химического состава среды, влажности и т.п.

Рабочая среда, пройдя через слой подвергаемого обработке материала 3, претерпевает изменение химического состава и на выходе из рабочей камеры 2 технологической печи 1 представляет собой отработанную среду - парогазовую смесь, включающую газообразные составляющие продукта термической переработки материала 3. Отработанная среда по каналу 22 отвода отработанной среды через систему 23 очистки может поступать на повторное использование, образуя тем самым замкнутый контур циркуляции среды. Так, очищенная в системе 23 очистки вода по каналу 24 отвода воды поступает в парогенератор 11, а выделенные в системе 23 очистки горючие жидкие компоненты по каналу 25 отвода жидких горючих компонентов могут быть направлены на сжигание в топочную камеру 4.

На фиг. 1 стрелками в общем случае указаны направления движения среды в процессе функционирования технологической печи.

На фиг. 2 более детально представлен один из возможных предпочтительных вариантов реализации канала 10 для подвода рабочей среды. Канал 10 для подвода рабочей среды содержит участок, выполненный в виде змеевика 8, который расположен в топочной камере 4, и участок, выполненный в виде горизонтального патрубка 14, который расположен в рабочей камере 2 технологической печи 1 и снабжен выпускными отверстиями 15, через которые рабочая среда равномерно поступает в направлении поверхности подвергающегося обработке материала 3.

Топочная камера 4 размещена в теплоизоляционной обмуровке 5 и в представленном на фиг. 2 примере реализации содержит защитные экраны 9 (см. фиг. 1), каналы 12 для топочных газов, колосник 26, поддувало 27 и дверцы 28. Такая конструкция топочной камеры предусматривает использование в качестве топлива твердых топлив. В то же время, в рамках настоящего изобретения может быть реализована и иная конструкция топочной камеры, обеспечивающая достижение заявленных технических результатов в составе технологической печи в целом.

Работа заявляемой технологической печи с контролируемой средой будет описана ниже со ссылкой на позиции чертежей на примере одного не начального цикла технологического процесса.

В рабочую камеру 2 технологической печи 1 загружают материал 3, который подлежит термической обработке. В топочную камеру 4 на колосник 26 через дверцу 28 загружают твердое топливо. Для сгорания топлива через подду вало 27 обеспечивают приток воздуха. Тепло от сгорания топлива под действием естественных физических процессов в восходящем потоке распределяется по всему объему топочной камеры 4. При этом температура в зоне горения достигает 1000-1200°С.

Из парогенератора 11 в канал 10 для подвода рабочей среды подают пар. Участок канала 10 для подвода рабочей среды, выполненный в виде змеевика 8, расположен в топочной камере и защищен от воздействия открытого пламени посредством защитного экрана 9. Описанное выполнение канала 10 для подвода рабочей среды обеспечивает нагрев рабочей среды на выходе из канала 10 для подвода рабочей среды на участке горизонтального патрубка 14 до 770800°С. Далее рабочая среда, в данном примере реализации представляющая собой перегретый водяной пар, через выпускные отверстия 15, выполненные в горизонтальном патрубке 14 (в данном примере реализации канал 10 для подвода рабочей среды содержит два горизонтальных патрубка 14), поступает в рабочую камеру 2 технологической печи 1. Контроль параметров рабочей среды (в данном примере реализации в качестве контролируемого параметра рабочей среды рассматривается только температура рабочей среды) осуществляют по показаниями датчиков 21 (в данном примере - датчиков температуры).

Как было упомянуто выше, теплоизоляционная обмуровка 5 в области сопряжения топочной камеры 4 и рабочей камеры 2 снабжена каналами 12 для топочных газов. По этим каналам 12 для топочных газов высокотемпературные топочные газы поступают в теплопроводящую зону 6 теплоизоляционной обмуровки 5, в результате чего температура теплопроводящей зоны 6 достигает значения около 350°С. Как было уже также упомянуто выше, в теплопроводящей зоне 6 теплоизоляционной обмуровки размещены дополнительные отопительные элементы 17. Температура в теплопроводящей зоне 6 обеспечивает нагрев среды, проходящей в отопительных элементах 17, в данном примере реализации водяного пара, поступающего из теплогенератора 11 и имеющего начальную температуру около 100°С, до температуры около 300°С. Таким образом, с учетом требуемых в рамках конкретного технологического процесса температурных параметров рабочей среды, а также на основании данных датчиков 21 можно регулировать (поддерживать в заданных пределах) температуру рабочей среды в рабочей камере 2 технологической печи 1, например, путем изменения интенсивности подачи рабочей среды через дополнительный отопительный элемент 17. Система регулирования интенсивности подачи рабочей среды на участке входного трубопровода 19, змеевика 18 и выходного трубопровода 20 на чертежах не представлены и в рамках настоящей заявки не рассматриваются в связи с очевидностью возможных способов реализации такой системы для специалистов в данной области техники.

Кроме описанных выше преимуществ, использование дополнительного отопительного элемента 17 позволяет достигнуть заданных температурных параметров в труднодоступных зонах, например на торцевых участках слоя подвергающегося обработке материала 3.

Топочные газы, проходя через теплопроводящие зоны 6 теплоизоляционной обмуровки 5 и передавая этим зонам большую часть своего тепла, далее поступают через канал 13 для отвода топочных газов на утилизацию, например, традиционными широко известными специалистам в данной области техники способами.

В рабочей камере 2 технологической печи 1 рабочая среда проходит через слой подвергаемого обработке материала 3. В результате термической деструкции подвергаемого обработке материала 3 отработанная среда представляет собой парогазовую смесь, состоящую из водяного пара и газообразных продуктов разложения подвергаемого обработке материала 3. Отработанная среда далее поступает через канал 22 отработанной среды в систему 23 очистки. В рамках настоящего изобретения может быть использована любая подходящая и известная специалистам в данной области техники система 23 очистки, в связи с чем подробно она рассматриваться не будет. Например, парогазовую смесь путем конденсации в системе 23 очистки разделяют на жидкие фракции продукта разложения материала 3 и воду. При этом воду по каналу 24 отвода воды подают в парогенератор 11, а жидкие фракции продукта разложения - по каналу 25 отвода жидких горючих компонентов в топочную камеру 4 для сжигания.

Таким образом, образуется замкнутый контур циркуляции среды (теплоносителя) в технологической печи, где специалист в данной области техники без особого труда может осуществлять контроль и регулирование различных физико-химических параметров среды, в частности рабочей среды, и, в первую очередь, температуры рабочей среды в рабочей камере 2 технологической печи 1.

Приведенное выше описание ярко иллюстрирует все достоинства и преимущества по сравнению с существующим уровнем техники заявляемой технологической печи с контролируемой рабочей средой. Если принять во внимание, что условия образования и движения парогазовых продуктов в процессах термической деструкции материалов влияют не только на качество конечных продуктов такой термической деструкции исходного материала, но и на эксплуатационные характеристики технологических печей в целом, то становится неоспоримым также и преимущество предлагаемой технологической печи, связанное с контролем и управлением газодинамикой процессов, протекающих в ней.

Заявленная технологическая печь при условии выбора конкретных конструкций отдельных узлов, не существенных в рамках настоящего изобретения, может быть широко использована в различных технологических процессах, связанных с высокими температурами и определенной рабочей средой: переработка различных органосодержащих отходов, технологический обжиг изделий, удаление поверхностных слоев на изделии (например, слоя краски) при подготовке поверхности изделия к дальнейшей обработке и т.п.

Использованная литература

1. ВИ 2142357 С1, опубл. 10.12.1999.

Claims (6)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Технологическая печь с контролируемой рабочей средой, включающая рабочую камеру, топочную камеру, теплоизоляционную обмуровку рабочей камеры и топочной камеры, источник рабочей среды, канал для подвода рабочей среды в рабочую камеру, по меньшей мере один из участков которого расположен в топочной камере, канал для отвода отработанной среды из рабочей камеры, канал для отвода топочных газов и систему датчиков температуры, отличающаяся тем, что дополнительно содержит по меньшей мере одну пару отопительных элементов, каждый из которых выполнен в виде трубопровода со змеевиком, один конец которого соединен с источником среды, а второй имеет выход в рабочую камеру, канал для подвода рабочей среды содержит по меньшей мере один патрубок, расположенный в рабочей камере, противолежащий каналу для отвода отработанной среды и снабженный по меньшей мере одной парой выпускных отверстий, расположенных симметрично относительно плоскости вертикального сечения патрубка, при этом рабочая камера и топочная камера выполнены смежными.
2. 2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что патрубок снабжен торцевой заглушкой.
3. 3. Печь по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что канал для подвода рабочей среды содержит два патрубка.
4. 4. Печь по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что участок канала подвода рабочей среды, расположенный в топочной камере, снабжен защитным экраном.
5. 5. Печь по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что теплоизоляционная обмуровка в области сопряжения топочной камеры и рабочей камеры снабжена каналами для топочных газов.
6. 6. Печь по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что канал для подвода рабочей среды и канал для отвода отработанной среды выполнены в виде замкнутого контура циркуляции среды.