RO138117A0 - Procedeu şi instalaţie de calcinare continuă - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu şi o instalaţie de calcinare continuă destinată calcinării brichetelor de materie primă. Instalaţia, conform invenţiei, are în componenţa sa un buncăr (1) de stocare brichete, un dozator (2), un buncăr (3) intermediar, un senzor (4) de nivel, o tubulatură (5) cu clapetă, un ghidaj (6) cu presetupă de etanşare, un împingător (7), un cilindru (8) pneumatic, un cuptor (9) electric de calcinare cu o izolaţie (10) termică, nişte rezistori (11) susţinuţi de nişte cărămizi (12), un tub (13) de calcinare, un tub (14) de protecţie, un subansamblu (15) de răcire cu apă şi purjare cu azot, un mecanism (16) oscilare, o clapetă (17) sibar, un recipient (18) pentru colectarea pigmentului, un fund (19) mobil, o placă (20) orizontală, nişte coloane (21) de ghidare, un cărucior (22), o piuliţă (23), un şurub (24), un burduf (25), un motoreductor (26), o placă (27) şi o platformă (28) de lucru .

Description

RO 138117 AO

ORCIUL DE STAT PENTRU INVSNTiS ?î MĂRCI Cerere de brevet de invenție

MIM.............1? -ti- aa

PROCEDEU SI INSTALAȚIE DE CALCINARE CONTINUA

Invenția se refera la un procedeu si o instalație de calcinare continua a materiilor prime destinata obținerii pigmentului ultramarin dar se poate aplica si in alte domenii in care este necesara calcinarea unor materiale prăfoase sau/si granulare.

Este cunoscuta si practicata de foarte multi ani tehnologia de producere la scara industriala a pigmentului ultramarin. In acest sens, in mod curent se utilizează ca materii prime mai multe tipuri de materiale prafoase/granulare care sunt supuse unor operatii tehnologice pregătitoare in vederea calcinarii: brichetarea si uscarea materialelor umede, dozarea adecvata a fiecărui tip de material, amestecarea/macinarea/omogenizarea materiilor prime. După operația de macinare/omogenizare, materialul rezultat are o granulație foarte fina si o densitate aparenta foarte mica. Acest lucru înseamnă ca, printre granulele de material exista o mare cantitate de aer. In vederea obținerii pigmentului, materiile prime macinate/omogenizate trebuiesc calcinate. In industria pigmentilor se utilizează procedeul de calcinare discontinua, in cuptoare tip camera. Operația de calcinare implica încălzirea, menținerea si racirea materiilor prime după o anumita diagrama de calcinare. La începutul diagramei de calcinare reacțiile chimice dintre componentele materiilor prime sunt endoterme si apoi devin exoterme. In urma reacțiilor chimice menționate, rezulta pigmentul dorit. Pentru a obține acest pigment, este extrem de important ca aceste reacții chimice sa aiba loc in absenta oxigenului sau intr-o atmosfera cat mai saraca in oxigen. De aceea, înainte de calcinare, materiile prime se compactează, de regula sub forma de brichete, astfel incat printre granulele de material sa ramana cat mai puțin aer. După compactare, brichetele de materii prime se pun in creuzete speciale, realizate din ceramica refractara cu densitate mare. De obicei, masa unui creuzet gol este aproximativ egala cu masa materiilor prime care se pun in acel creuzet. Apoi, mai multe creuzete se aseaza in stiva pe paleti speciali, realizati din otel refractar. Folosind motostivuitorul, acești paleti se stivuiesc in cuptorul de calcinare. De regula, un astfel de cuptor este echipat cu instalație de ardere a gazului metan. Deoarece, in timpul calcinarii, din reacțiile chimice menționate anterior se produc si gaze foarte corozive si toxice, precum si diverse pulberi, nu este tehnic posibila recuperarea eficienta a căldurii gazelor arse pentru preincalzirea aerului de combustie necesar arzătoarelor. înainte de a fi evacuate in atmosfera, aceste gaze se neutralizează in instalatii speciale.

Procedeul de calcinare discontinua are mai multe dezavantaje majore:

RO 138117 AO

a) Randamentul energetic al unui cuptor de calcinare tip camera este foarte mic. Calcule termotehnice detaliate pot demonstra ca doar ~ 10% din căldură rezultata din arderea gazului metan in cuptor, este căldură utila, acumulata in materiile prime ce se calcineaza, deoarece:

• ~ 50% din căldură produsa din arderea gazului metan, se pierde la fiecare șarja deoarece este evacuata din cuptor prin gazele arse rezultate din arderea gazului metan dar si prin gazele si pulberile care rezulta din reacțiile chimice produse in timpul calcinarii.

• ~ 30% din căldură produsa din arderea gazului metan, este acumulata in creuzetele ceramice, in paletii metalici si in izolația termica a cuptorului. Aceasta căldură nu este o căldură utila si se pierde la fiecare șarja.

• ~10% din căldură produsa din arderea gazului metan, la fiecare șarja, este pierduta prin izolația termica a cuptorului, prin scurtcircuite termice si neetanseitati, chiar daca aceasta izolație se executa din materiale moderne si este corect realizata.

b) Cheltuielile de exploatare impuse de procedeul de calcinare discontinua sunt foarte mari si pentru ca:

• Durata de viata a creuzetelor ceramice este mica. Aceasta durata de viata mica este cauzata de încălzirea lor ciclica dar si de manipulări neatente in timpul încărcării, transportului si descărcării. De regula, acestea se fisurează si se sparg după cateva cicluri de calcinare si nu se mai pot utiliza. Aceste creuzete sunt foarte scumpe.

• Durata de viata a paletilor metalici este scurta. Acești paleti metalici sunt foarte scumpi deoarece sunt turnati din otel refractar. Durata lor de viata este mica tot datorita încălzirii ciclice si manipulărilor neatente. După mai multe cicluri de calcinare, paletii se deformează, se fisurează, se rup si nu se mai pot utiliza.

• Acest procedeu de calcinare discontinua impune si un consum specific de manopera foarte mare ( pentru manipularea creuzetelor, paletilor, s.a.).

c) Poluarea mediului este semnificativa. Chiar daca instalația de ardere a cuptorului este realizata cu echipamente moderne, bine reglate, gazele arse rezultate din arderea gazului metan conțin si noxe (CO, NOx, s.a.) care poluează mediul si afecteaza si sanatatea oamenilor.

Instalația de calcinare continua, conform invenției, înlătură dezavantajele menționate mai sus, prin aceea ca, are in componenta sa un buncăr de stocare a

RO 138117 AO brichetelor de materii prime la baza caruia este montat un dozator (care funcționează si ca închizător al acestui buncăr), din care brichetele de materii prime curg intr-un buncăr intermediar cu forma speciala, la partea superioara a acestui buncăr intermediar fiind montat un impingator acționat de un cilindru pneumatic. Tot in partea superioara a buncărului intermediar, langa dozatorul celular este montat un senzor de nivel. In partea laterala superioara a tronsonului intermediar este racordat un tronson de tubulatura pe care este montata o clapeta, prin care gazele produse in timpul calcinarii sunt evacuate către statia de neutralizare. Partea inferioara a buncărului intermediar este cilindrica si intra in cuptorul de calcinare, prin partea superioara a acestuia, printr-un sistem de etansare cu fibra ceramica. Cuptorul de calcinare este cilindric, vertical, echipat cu instalație de încălzire electrica, cu rezistori. Pentru o buna acuratețe a controlului temperaturii, rezistorii cuptorului sunt grupati in 3 sau mai multe zone termice, dispuse pe verticala. Fiecare zona termica este prevăzută cu un termocuplu pentru reglarea temperaturii si un termocuplu pentru supratemperatura. Rezistorii fiecărei zone sunt alimentati prin contactori statici, ceea ce permite un reglaj foarte precis al temperaturii si o buna fiabilitate. In axa cuptorului este prevăzut un tub de calcinare realizat din cuart sau ceramica refractara densa. Acest tub are forma cilindrica. Porțiunea cilindrica a buncărului intermediar menționat anterior, pătrunde in partea superioara a tubului de calcinare si astfel brichetele de materii prime curg prin tubul de calcinare. In timpul calcinarii, exista riscul ca brichetele sa adere de tub. Pentru a preveni acest lucru, este prevăzut impingatorul menționat anterior. Forța lui de împingere se reglează la cea minima necesara, printr-un regulator de presiune adecvat, montat in instalația pneumatica ce alimentează cilindrul impingatorului. In exteriorul tubului de calcinare, coaxial cu el, este prevăzut un tub de protecție realizat din otel refractar. Tubul de calcinare si tubul de protecție ies din cuptor prin izolația termica de la baza acestuia si sunt fixate de un ansamblu special de răcire cu apa si purjare cu gaz inert (azot). Acest ansamblu asigura racirea pigmentului care iese din cuptor dar si protecția pigmentului contra oxidarii. Riscul oxidarii pigmentului exista atunci când acesta are temperatura ridicata. La baza acestui ansamblu de răcire si purjare este prevăzută o clapeta tip sibar, actionata de un cilindru pneumatic. Când este închisa, aceasta clapeta poate susține întreaga coloana de material aflat in tubul de calcinare. Tubul de calcinare, tubul de protecție, ansamblul de răcire si purjare cu azot si clapeta sibar sunt susținute de un mecanism de oscilare pe verticala, prevăzut cu doua axe cu excentrice si 4 biele,

RO 138117 AO acționate sincron de un motoreductor. Acest mecanism de oscilare asigura o mișcare de oscilare pe verticala a acestor subansambluri si, împreuna cu impingatorul menționat anterior, previne lipirea pigmentului de tubul de calcinare. Sub clapeta sibar, la distanta foarte mica de aceasta, exista un recipient de colectare a pigmentului, care se poate deplasa ghidat pe o placa orizontala de susținere adecvata. Deplasarea ghidata se realizează cu un cilindru pneumatic, astfel încât este posibila golirea recipientului de pigment prin gaura existenta in placa de susținere menționata anterior. Pigmentul colectat in recipientul de colectare este deversat intr-un buncăr adecvat sau alt utilaj tehnologic amplasat adecvat procesării ulterioare a pigmentului. Recipientul de colectare este prevăzut cu un fund mobil, tip piston. Acest fund mobil este ridicat/coborat in interiorul recipientului de colectare cu ajutorul unui mecanism tip surub-piulita, echipat cu un motoreductor de tip melc-roata melcata, cu raport de reducere mare, cu autofranare. Pentru acuratețea deplasării, se recomanda utilizarea unui șurub cu piulița cu bile. Piulița mecanismului este montata pe un cărucior care se poate deplasa ghidat pe verticala, pe 4 coloane de ghidare fixate de placa de susținere a recipientului de colectare a pigmentului menționata anterior. Fundul mobil este fixat de acest cărucior, coaxial cu piulița menționata anterior. La partea inferioara, cele 4 coloane de ghidare sunt fixate de o alta placa pe care este montat motoreductorul de antrenare a șurubului cu bile. Axul de ieșire al acestui motoreductor este coaxial cu piulița cu bile. Acest motoreductor este alimentat prin convertizor de frecventa, comandat de PLC. Viteza de coborâre a fundului mobil in timpul calcinarii trebuie sa fie extrem de mica, astfel incat sa poata fi respectat timpul de reacție necesar pentru materiile prime existente in tubul de calcinare. Atunci când fundul mobil ajunge la capat de cursa in poziția inferioara, se oprește oscilarea pe verticala si apoi, intr-un timp foarte scurt, clapeta sibar se închide si recipientul de colectare a pigmentului este împins in poziția de golire. După golire, recipientul de colectare a pigmentului este readus in poziția de lucru, coaxial cu tubul de calcinare. Apoi fundul mobil trebuie ridicat cu viteza mare in poziția superioara, clapeta sibar se deschide, se reporneste oscilarea si ciclul se reia. Raportul intre viteza maxima si viteza minima cu care trebuie sa se deplaseze fundul mobil este foarte mare, depinzând de productivitatea cuptorului si poate fi de ordinul a 10000. Trecerea de la viteza minima la cea maxima si invers trebuie sa se poata face cat mai repede posibil. Pentru a respecta aceste cerințe dar si pentru ca investiția sa nu implice costuri mari, la coborârea fundului mobil, șurubul cu bile va fi acționat cu turatia minima admisa de

RO 138117 AO

V motor, in multi pași mici, urmati de pauze lungi astfel încât timpul total de calcinare sa fie respectat. La urcarea fundului mobil, șurubul cu bile va fi acționat continuu, in sens invers, la turatia maxima admisa de motor. Problema se poate rezolva si cu un mecanism tip diferențial dar aceasta soluție este substanțial mai scumpa si nu are avantaje. Instalația este prevăzută cu senzori adecvati, conectati la PLC care da comenzile necesare.

Scopurile invenției sunt: creșterea randamentului energetic al procesului de calcinare, scăderea cheltuielilor de exploatare cu materialele consumabile ( de uzura) si cu manopera precum si reducerea poluării mediului.

Avantajele principale ale invenției sunt:

a) Randamentul energetic al instalației de calcinare continua este mult mai bun fata de cel realizat prin calcinarea discontinua in cuptoare tip camera. In cazul instalației de calcinare continua, randamentul energetic poate fi in jur de 80%, deoarece:

- se folosește încălzirea electrica, cu rezistori. Nu exista gaze arse provenite din arderea gazului metan care ar evacua din cuptor o cantitate de căldură foarte mare.

- producerea gazelor prin reacțiile chimice din timpul calcinarii este inevitabila, dar, la calcinarea discontinua, in cuptoare tip camera, aceste gaze sunt evacuate din cuptor la temperatura atmosferei din cuptor, deci, prin ele, se pierde o importanta cantitate de căldură. In cazul instalației de calcinare continua, conform invenției, aceste gaze sunt evacuate printre brichetele de materii prime reci, aflate in buncărul intermediar si cedeaza căldură acestor brichete. De aceea, la evacuarea din cuptor, cantitatea de căldură pierduta prin aceste gaze este minima.

- nu se folosesc creuzete ceramice si nici paleti din otel refractar care sa absoarba căldură la fiecare șarja. Deoarece are funcționare continua, izolația termica a cuptorului absoarbe căldură doar la pornirea acestuia. In mod normal, instalația, fiind cu funcționare continua, trebuie sa lucreze 24/7.

b) Cheltuielile de exploatare se pot reduce foarte mult deoarece:

- instalația se poate integra intr-un flux tehnologic complet automatizat, cu scăderea drastica a consumului de manopera.

Astfel, incarcarea buncărului de stocare a brichetelor de materii prime se poate face automat, cu un elevator cu cupe, transportor cu snec sau alt sistem. Pigmentul din recipientul de colectare poate fi deversat direct intr-un alt utilaj (mașina de maruntit bulgarii de pigment, transportor cu banda, etc.).

RO 138117 AO

- numărul reperelor consumabile (de uzura) este mult mai mic. Practic, doar tubul de calcinare este cel mai expus uzurii. Dar, deoarece viteza de coborâre a brichetelor prin tub este mica si temperatura in cuptor este mica, se poate estima ca tubul de calcinare are o durata de viata mare.

c) Poluarea mediului se reduce. Deoarece cuptorul de calcinare este prevăzut cu sistem de încălzire electric, cu rezistori, nu exista noxe rezultate din arderea gazului metan. In plus, încălzirea electrica se recomanda si avand in vedere ca, pentru limitarea încălzirii globale, exista tendința la nivel mondial de a se limita arderea combustibililor fosili si de a se utiliza mai mult energia electrica deoarece aceasta se poate produce si din surse regenerabile, nepoluante.

Se da in continuare un exemplu de realizare a invenției, in legătură si cu fig. 1, fig.2 si fig.3.

In fig. 1 se prezintă o secțiune verticala prin instalație in care se pot observa principalele subansambluri componente ale acesteia. In fig.2 se prezintă o alta secțiune verticala parțiala prin instalație (perpendiculara pe cea din fig. 1) in care se pot observa unele subansambluri care nu s-au putut reprezenta in fig.l. In fig.3 se prezintă o secțiune orizontala prin subansamblul de răcire cu apa si purjare cu azot deoarece unele detalii ale acestui subansamblu nu s-au putut reprezenta in fig.l si fig.2.

Instalația de calcinare continua a materiilor prime, conform invenției, se compune dintr-un buncăr de stocare brichete de materii prime (1) (amplasat la partea superioara a instalației), la baza acestui buncăr fiind atașat un dozator celular (2) care funcționează si ca închizător al buncărului de stocare. Atunci când dozatorul celular (2) este acționat, brichetele din buncărul de stocare (1) curg in buncărul intermediar (3). Nivelul materialului in acest buncăr este controlat de senzorul de nivel (4). In partea laterala din zona superioara a buncărului intermediar (3) exista racordata o tubulatura pe care este montata o clapeta (5). Aceasta clapeta se reglează astfel încât in interiorul buncărului intermediar (3) sa existe o mica suprapresiune pentru a preveni intrarea aerului in tubul de calcinare. Prin aceasta clapeta, gazele rezultate in timpul calcinarii sunt dirijate către o instalație de neutralizare si apoi sunt evacuate in atmosfera. In partea superioara a buncărului intermediar (3) este prevăzut un ghidaj cu presetupa de etansare (6) prin care trece impingatorul vertical (7), care este acționat de cilindrul pneumatic (8). In partea inferioara a buncărului intermediar (3), exista un tronson de tubulatura cilindrica, verticala, care pătrunde printr-un sistem de etansare in cuptorul de

RO 138117 AO calcinare (9) pe la partea superioara a acestuia. Cuptorul de calcinare (9) este de tip cilindric, vertical. Pentru a avea pierderi minime de căldură, izolația termica (10) se realizează cu fibra ceramica. Rezistorii spiralati (11) sunt susținuți de cărămizile profilate (12). Rezistorii sunt grupati in 3 zone termice, distribuite pe verticala, fiecare zona avand reglaj independent de temperatura. In interiorul cuptorului se afla tubul de calcinare (13). Acest tub are forma cilindrica si este realizat din cuart sau ceramica refractara densa. Este montat coaxial cu cuptorul, astfel încât, tronsonul de tubulatura cilindrica al buncărului intermediar (3) sa pătrundă in partea superioara a tubului de calcinare (13). In exteriorul tubului de calcinare (13), este prevăzut un tub de protecție (14), realizat din otel refractar, montat coaxial cu tubul de calcinare. Acest tub are rolul de a proteja rezistorii si izolația termica in cazul spargerii tubului de calcinare. La partea inferioara, atat tubul de calcinare cat si tubul de protecție, sunt fixate de subansamblul de răcire cu apa si purjare cu azot (15). Acest subansamblu asigura racirea pigmentului pana la o temperatura acceptabila pentru procesarea ulterioara. Azotul purjat ajuta la răcire dar cel mai important rol al lui este acela ca protejează pigmentul contra oxidarii. Deoarece are densitate mica, azotul are tendința naturala de ridicare. De aceea, azotul se va ridica si printre brichetele de materii prime aflate in tubul de calcinare si va preveni oxidarea acestora in timpul calcinarii. Tubul de calcinare, tubul de protecție si ansamblul de răcire si purjare cu azot sunt susținute de un mecanism oscilare (16) prevăzut cu doua axe cu excentrice si 4 biele, acționate sincron de un motoreductor. Acest mecanism de oscilare asigura o mișcare de oscilare pe verticala a acestor subansambluri si, împreuna cu impingatorul menționat anterior, previne lipirea pigmentului de tubul de calcinare. La partea inferioara a subansamblului de răcire cu apa si purjare azot (15) este fixata o clapeta sibar (17). Aceasta este actionata de un cilindru pneumatic. Atunci când este închisa, clapeta poate susține întreaga coloana de material din tubul de calcinare. Sub clapeta sibar (17), la distanta foarte mica de aceasta, este prevăzut recipientul (18) pentru colectarea pigmentului. Acesta este cilindric si este coaxial cu tubul de calcinare (13). Recipientul (18) este prevăzut cu fund mobil (19) ( tip piston) care poate culisa in interiorul recipientului (18). Când fundul mobil (19) este scos complet din recipientul (18), acest recipient se poate deplasa ghidat pe placa orizontala (20). De aceasta placa sunt fixate 4 coloane de ghidare (21), pe care ruleaza căruciorul (22). Pe acest cărucior este montata piulița cu bile (23), coaxiala cu fundul mobil (19). Piulița cu bile (23) angrenează cu șurubul cu bile (24) care este protejat contra prafului

RO 138117 AO cu burduful (25). Șurubul cu bile (24) este antrenat de motoreductorul (26) care este montat pe placa (27), aceasta fiind montata la capetele inferioare ale coloanelor de ghidare (21). Cuptorul de calcinare (9) si subansamblul de răcire cu apa si purjare cu azot (15) se montează pe platforma de lucru (28). Aceasta platforma este prevăzută cu scara de acces si balustrada adecvata. Instalația de calcinare continua este prevăzută cu un dulap de automatizare, echipat cu PLC si HMI care realizează comanda si controlul întregului proces tehnologic.

Claims (5)

1. RO 138117 AO

   Revendicări

   1. Procedeu si instalație de calcinare continua, in scopul creșterii randamentului energetic realizat in timpul operației de calcinare, scăderii cheltuielilor cu materialele consumabile si manopera, precum si in scopul scăderii gradului de poluare a atmosferei, caracterizata prin aceea ca se compune dintr-un buncăr de stocare brichete de materii prime (1), un dozator (2), un buncăr intermediar (3), un senzor de nivel (4), o tubulatura cu clapeta (5), un ghidaj cu presetupa de etansare (6), un impingator (7), un cilindru pneumatic (8), un cuptor electric de calcinare (9) de tip cilindric, vertical, cu izolația termica (10), rezistori spiralati (11), susținuți de cărămizile profilate (12), in interiorul cuptorului existând tubul de calcinare (13) realizat din cuart sau ceramica refractara densa, coaxial cu tubul de protecție (14), realizat din otel refractar, fixate de subansamblul de răcire cu apa si purjare cu azot (15), susținute de un mecanism oscilare (16), prevăzut cu doua axe cu excentrice si 4 biele, acționate sincron de un motoreductor, o clapeta sibar (17) fixata sub subansamblul de răcire cu apa si purjare azot (15), sub ea fiind prevăzut recipientul pentru colectarea pigmentului (18), care este prevăzut cu fund mobil (19) (tip piston) care poate culisa in interiorul recipientului (18), care se poate deplasa ghidat pe placa orizontala (20), de care sunt fixate 4 coloane de ghidare (21), pe care ruleaza căruciorul (22) pe care este montata piulița (23) care angrenează cu șurubul (24), protejat de burduful (25). Șurubul (24) este antrenat de motoreductorul (26), montat pe placa (27), care este fixata de capetele inferioare al coloanelor de ghidare (21). Cuptorul de calcinare (9) si subansamblul de răcire cu apa si purjare cu azot (15) sunt susținute platforma de lucru (28).
2. 2. Instalație de calcinare continua, caracterizata prin aceea ca, in locul cilindrilor pneumatici se pot utiliza alte sisteme de acționare, cum ar fi : electrocilindri, cilindri hidraulici, motoreductoare sau servomotoare cu mecanisme adecvate de transmitere a mișcării, s.a.
3. 3. Instalație de calcinare continua, caracterizata prin aceea ca, in locul dozatorului celular se poate utiliza un alt tip de dozator, cum ar fi: dozator cu snec, cu banda, cu disc, s.a.
4. 4. Instalație de calcinare continua, caracterizata prin aceea ca, se pot utiliza si alte materiale pentru realizarea cuptorului astfel: in locul rezistorilor spiralati, executati din sarma rezistiva, se pot utiliza si alte tipuri de materiale (platbanda rezistiva, bare de silita, elemente de încălzire din MoSiz, s.a) iar in locul fibrei ceramice se pot utiliza si alte

   RO 138117 AO materiale pentru izolarea termica ( betoane refractare si termoizolante, cărămizi, mase plastice refractare, etc.)
5. 5. Instalație de calcinare continua, caracterizata prin aceea ca, pentru realizarea unei productivități mari, este posibila dotarea instalației cu 2 sau mai multe tuburi de calcinare montate in paralel, in interiorul unui singur cuptor, fiecare tub fiind montat in tub de protecție propriu. In acest caz, pentru încălzirea lor omogena, tuburile se amplaseaza in linie, iar cuptorul va avea o forma dreptunghiulara in plan orizontal.

   io