RU2503628C1

RU2503628C1 - Plasma device for obtaining refractory silicate melt

Info

Publication number: RU2503628C1
Application number: RU2012126227/03A
Authority: RU
Inventors: Олег Геннадьевич Волокитин; Евгений Васильевич Тимонов; Геннадий Георгиевич Волокитин; Андрей Анатольевич Никифоров; Валерий Куприянович Чибирков
Original assignee: Олег Геннадьевич Волокитин; Евгений Васильевич Тимонов; Геннадий Георгиевич Волокитин; Андрей Анатольевич Никифоров; Валерий Куприянович Чибирков
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2014-01-10

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: plasma device for obtaining refractory silicate melt can be applied in production of mineral fibre, for instance, glass wool. Device contains plasmatron, at the bottom of which fusion furnace of round profile is placed. Water-cooling canal is made in the body of fusion furnace. Drain tray for liquid output is fastened in upper side part of fusion furnace. Graphite anode is inbuilt on the bottom of fusion furnace. Device for supply of powder-like raw material is fastened on the opposite to drain tray side surface of fusion furnace body. Device for supply of powder-form raw material is made in form of screw feeder. Screw feeder is directly connected with zone of fusion furnace fusion, as well as with loading bunker and electric drive. Technical result consists in reduction of melt viscosity and ensuring its uniform heating throughout fusion furnace volume.

EFFECT: increased quality of melt for mineral fibre production.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области производства строительных материалов, а более конкретно к устройствам для получения с помощью энергии низкотемпературной плазмы тугоплавких силикатных расплавов, преимущественно из золошлаковых отходов, и может быть использовано в производстве минерального волокна, например стеклянной ваты.The invention relates to the production of building materials, and more particularly, to devices for producing refractory silicate melts using energy from low-temperature plasma, mainly from ash and slag waste, and can be used in the production of mineral fiber, for example glass wool.

Огромное количество золошлаковых отходов скапливается в отвалах энергетических производств, нарушая тем самым экологическую обстановку в местах их размещения. Сдерживающим фактором утилизации силикатсодержащих отходов энергетических производств является высокая температура их плавления (1600-1700°C). В этой связи широкое распространение для получения силикатного расплава получили плазменные технологии и установки, которые обеспечивают высокую концентрацию энергии и температуру 3000-5000°C. Производство минерального волокна, получаемого из силикатного расплава с помощью энергии низкотемпературной плазмы, в сравнении с традиционными технологиями, более экономично, поскольку снижаются энергозатраты и требуется меньше времени на расплав утилизированных отходов.A huge amount of ash and slag waste accumulates in the dumps of energy production, thereby violating the environmental situation in the places of their disposal. A limiting factor in the utilization of silicate-containing waste from energy production is the high melting point (1600–1700 ° C). In this regard, plasma technologies and plants that provide a high energy concentration and a temperature of 3000-5000 ° C are widely used to obtain silicate melt. The production of mineral fiber obtained from silicate melt with the help of low-temperature plasma energy, in comparison with traditional technologies, is more economical, since energy consumption is reduced and less time is required for the disposal of recycled waste.

Известна установка для получения минерального волокна (патент RU 2021217, МПК C03B 37/06, опубликован 15.10.1994). Установка для получения минерального волокна содержит соединенные в один узел плазмотрон и плазменный реактор прямоугольного сечения с отверстием для ввода сырья в верхней части и отверстием для выхода волокна и плазменной струи в нижней части. Одна из стенок плазменного реактора выполнена в нижней части с наклонной площадкой. Отверстие для выхода волокна и плазменной струи образовано стенками плазменного реактора и наклонной площадкой. Отверстие для ввода сырья выполнено в вертикальной части указанной стенки. Внутренние поверхности стенок, кроме стенки с наклонной площадкой, выполнены с несквозной перфорацией. Стенка с наклонной площадкой смонтирована с возможностью перемещения в плоскости, параллельной вертикальной оси плазменного реактора. Изобретение направлено на улучшение качества получаемого волокна за счет выравнивания температурного и скоростного распределения плазменной струи по сечению плазменного реактора. Однако регулировка скорости плазменной струи путем перемещения стенки с наклонной площадкой в вертикальном направлении вдоль оси плазменного реактора усложняют конструкцию установки и технологию получения минерального волокна. К тому же введение порошкообразного сырья непосредственно в плазменную струю при достижении ею большой скорости ведет к «распыленности» частиц порошка в направлении к периферии и, как результат, - неравномерному их прогреву. Это, в свою очередь, ухудшает качество расплава.A known installation for producing mineral fiber (patent RU 2021217, IPC C03B 37/06, published October 15, 1994). The installation for producing mineral fiber contains a plasmatron and a rectangular plasma reactor connected in one assembly with an opening for inputting raw materials in the upper part and an opening for the exit of fiber and a plasma jet in the lower part. One of the walls of the plasma reactor is made in the lower part with an inclined platform. The hole for the exit of the fiber and the plasma jet is formed by the walls of the plasma reactor and the inclined platform. The hole for input of raw materials is made in the vertical part of the specified wall. The inner surfaces of the walls, except for the wall with an inclined platform, are made with non-through perforation. The wall with an inclined platform is mounted to move in a plane parallel to the vertical axis of the plasma reactor. The invention is aimed at improving the quality of the obtained fiber by aligning the temperature and velocity distribution of the plasma jet over the cross section of the plasma reactor. However, adjusting the speed of the plasma jet by moving the wall with an inclined platform in the vertical direction along the axis of the plasma reactor complicates the design of the installation and the technology for producing mineral fiber. In addition, the introduction of powdered raw materials directly into the plasma jet when it reaches a high speed leads to the "dispersion" of the powder particles towards the periphery and, as a result, their uneven heating. This, in turn, degrades the quality of the melt.

Известна установка для получения минеральной ваты, которая используется для получения минеральной ваты из золошлаковых отходов тепловых электрических станций с применением плазменной технологии (патент RU 2270810, МПК C03B 37/06, опубликован 27.02.2006). Установка содержит совмещенный плазменный реактор с графитовыми анодом и катодом. Анод выполнен цилиндрическим и является тиглем для расплава золы. Для формирования в поперечном сечении камеры реактора вращающейся электрической дуги снаружи реактора в его средней части установлена электромагнитная катушка. Внизу под плазменным реактором расположен узел раздува ваты, вытекающей из реактора по лотку. Установка содержит также камеру осаждения волокна. Эта конструкция обеспечивает процесс плавления золошлаковых отходов и процесс выработки волокон в одну стадию, а также позволяет получить равномерный полный профиль температур 1400-1600 К за счет формирования в поперечном сечении камеры вращающейся электрической дуги. В результате непосредственное воздействие на плазменную струю повышается степень термической переработки золошлаковых отходов, сокращается время получения расплава. Установка по RU 2270810 позволяет также снизить вероятность выбросов недоокисленных компонентов. Однако использование цилиндрического графитового анода пагубно влияет на качество расплава и получаемых из него минеральных волокон, за счет «загрязнения» расплава графитированной массой.A known installation for producing mineral wool, which is used to produce mineral wool from ash and slag waste of thermal power plants using plasma technology (patent RU 2270810, IPC C03B 37/06, published 02.27.2006). The installation contains a combined plasma reactor with a graphite anode and cathode. The anode is made cylindrical and is a crucible for ash melt. To form a rotating electric arc in the cross section of the reactor chamber, an electromagnetic coil is installed outside the reactor in its middle part. Below, under the plasma reactor, there is a site for blowing cotton wool flowing out of the reactor through a tray. The installation also contains a fiber deposition chamber. This design provides the melting process of ash and slag waste and the process of fiber production in one stage, and also allows you to get a uniform full temperature profile of 1400-1600 K due to the formation in the cross section of the chamber of a rotating electric arc. As a result, the direct effect on the plasma jet increases the degree of thermal processing of ash and slag waste, and the time for obtaining the melt is reduced. Installation according to RU 2270810 also reduces the likelihood of emissions of under-oxidized components. However, the use of a cylindrical graphite anode adversely affects the quality of the melt and the mineral fibers obtained from it, due to the “contamination” of the melt with the graphite mass.

Наиболее близкой к заявленной установке является установка для получения минерального расплава плазменным нагревом по патенту RU 2355651, МПК C03B 37/04, опубликован 20.05.2009, содержащая плазмотрон, состыкованный с ним в один узел плазменный реактор круглого сечения, устройство для подачи смеси из порошкообразного сырья и воздуха, и модуль дополнительного расплава (плавильную печь) с выпускной леткой (сливным желобом) в боковой его части, установленный под плазменным реактором. Корпус плазменного реактора выполнен полым, образуя кольцевой канал для подачи охлаждающей реактор воды. В процессе работы плазмотрона, расплавленные частицы осаждаются на стенке водоохлаждаемого плазменного реактора, образовывая гарнисажный слой, который, обладая низкой теплопроводностью, защищает стенки реактора от разрушения. Устройство для подачи порошкообразного сырья и воздуха выполнено в виде улитки со спиралевидным каналом и закреплено под плазмотроном на корпусе плазменного реактора. Спиралевидный канал состыкован с отверстием на корпусе реактора. Катод плазмотрона соединен с отрицательным полюсом источника питания постоянного тока, а в дно модуля дополнительного расплава вмонтирован графитовый анод. В модуле имеется перегородка, которая делит модуль на две зоны: большую - зону варки и меньшую - зону выработки расплава. Модуль и перегородка выполнены из огнеупорного материала. Равномерность прогрева расплава достигается благодаря закрученности поступающего потока сырья, которая увеличивает время его нахождения в потоке плазмы, и совместному нагреву сырья плазменной дугой и джоулевым нагревом за счет электропроводности расплава, который скапливается в модуле.Closest to the claimed installation is the installation for producing a mineral melt by plasma heating according to patent RU 2355651, IPC C03B 37/04, published May 20, 2009, containing a plasma torch, a circular circular reactor coupled to it in one assembly, a device for supplying a mixture of powder raw materials and air, and an additional melt module (smelting furnace) with an outlet notch (drain trough) in its side, mounted under the plasma reactor. The body of the plasma reactor is hollow, forming an annular channel for supplying cooling water to the reactor. During the operation of the plasma torch, molten particles are deposited on the wall of a water-cooled plasma reactor, forming a skull layer, which, having low thermal conductivity, protects the walls of the reactor from destruction. A device for supplying powdered raw materials and air is made in the form of a cochlea with a spiral channel and mounted under a plasma torch on the plasma reactor housing. The spiral channel is docked with a hole in the reactor vessel. The plasma torch cathode is connected to the negative pole of the DC power source, and a graphite anode is mounted at the bottom of the additional melt module. The module has a partition that divides the module into two zones: the larger - the cooking zone and the smaller - the zone of melt production. The module and the partition are made of refractory material. The uniformity of the heating of the melt is achieved due to the swirling of the incoming stream of raw materials, which increases the time spent in the plasma stream, and the joint heating of the raw materials by the plasma arc and Joule heating due to the electrical conductivity of the melt that accumulates in the module.

Недостатком прототипа является то, что в процессе работы установки стенки огнеупоров изнашиваются и требуют ремонта, для чего необходимо останавливать процесс плавления и восстанавливать печь заново, что, в конечном итоге, отрицательно сказывается на экономичности производства минерального волокна. К недостаткам следует отнести также то, что закрученное порошковое сырье подается сверху в плазменный реактор непосредственно в плазменную струю. В этом случае существует вероятность выдувания мелкодисперсных частиц потоком низкотемпературной плазмы и их недоплава. Для улучшения качества расплава такие непроплавленные частицы доплавляются в зоне варки и в зоне выработки, что требует дополнительного оборудования (концентратора тепловой энергии). Наличие одновременно плазменного реактора и дополнительного модуля (концентратора тепловой энергии) усложняет в целом конструкцию установки.The disadvantage of the prototype is that during the installation, the walls of the refractories wear out and require repair, for which it is necessary to stop the melting process and restore the furnace again, which ultimately affects the efficiency of production of mineral fiber. The disadvantages should also include the fact that the swirling powder raw material is fed from above into the plasma reactor directly into the plasma jet. In this case, there is a possibility of blowing out fine particles by a stream of low-temperature plasma and their underfusion. To improve the quality of the melt, such unmelted particles are melted in the cooking zone and in the production zone, which requires additional equipment (thermal energy concentrator). The presence of both a plasma reactor and an additional module (thermal energy concentrator) complicates the overall design of the installation.

Задача изобретения - упростить конструкцию установки, повысить ее экономичность и одновременно повысить качество тугоплавкого силикатного расплава для выработки минерального волокна.The objective of the invention is to simplify the design of the installation, increase its efficiency and at the same time improve the quality of the refractory silicate melt for the production of mineral fibers.

Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в понижении вязкости расплава и в обеспечении равномерного его прогрева путем исключения выдувания мелкодисперсных частиц потоком низкотемпературной плазмы и за счет совместного воздействия на сырье энергии низкотемпературной плазмы и джоулевого нагрева по всему объему плавильной печи.The technical result that allows us to solve the problem is to reduce the viscosity of the melt and to ensure uniform heating by eliminating the blowing of fine particles by a stream of low-temperature plasma and due to the combined effect of low-temperature plasma energy and joule heating on the raw material throughout the entire volume of the melting furnace.

Задача и технический результат достигаются следующим образом.The task and the technical result are achieved as follows.

Заявляемая плазменная установка для получения тугоплавкого силикатного расплава, как и установка по прототипу, содержит плазмотрон, плавильную печь со сливным желобом в боковой ее части для выхода расплава, устройство для подачи порошкообразного сырья, графитовый анод, установленный на дне плавильной печи, и катод плазмоторона.The inventive plasma installation for producing a refractory silicate melt, as well as the installation according to the prototype, contains a plasmatron, a melting furnace with a drain trough in its lateral part for outputting the melt, a device for supplying powdered raw materials, a graphite anode mounted at the bottom of the melting furnace, and a plasma torch cathode.

В отличие от прототипа в установке по изобретению плавильная печь установлена под плазмотроном. Корпус плавильной печи выполнен из металла, например из меди, и полым с образованием водоохлаждающего канала. Сливной желоб расположен в верхней части плавильной печи. Отличием является и то, что устройство для подачи порошкообразного сырья закреплено на противоположной сливному желобу боковой поверхности корпуса плавильной печи и выполнено в виде шнекового питателя, соединенного непосредственно с зоной плавления плавильной печи, загрузочным бункером и электроприводом.In contrast to the prototype, in a plant according to the invention, a melting furnace is installed under the plasma torch. The body of the melting furnace is made of metal, for example copper, and hollow with the formation of a water-cooling channel. A drain chute is located at the top of the smelter. The difference is that the device for feeding the powdered raw material is mounted on the opposite drain chute of the side surface of the body of the melting furnace and is made in the form of a screw feeder connected directly to the melting zone of the melting furnace, a feed hopper and an electric drive.

Целесообразно использовать шнековый питатель с функцией дозирования порошкообразного сырья.It is advisable to use a screw feeder with the function of dispensing powdered raw materials.

В частном случае плавильная печь в сечении выполнена круглой.In a particular case, the melting furnace is circular in cross section.

В уровне техники не обнаружено устройств, которым присущи все признаки изобретения, что подтверждает его новизну.In the prior art, no devices have been found that are inherent in all the features of the invention, which confirms its novelty.

Технический результат достигается за счет изменения конструкции плавильной печи и соединения шнекового питателя непосредственно с зоной плавильной печи и его размещения на противоположной сливному желобу боковой поверхности корпуса плавильной печи. Это обеспечивает введение сырья не сверху на поверхность расплава (как в прототипе), а с боковой части корпуса плавильной печи и непосредственно в область расплава, исключая выдувание мелкодисперсных частиц потоком низкотемпературной плазмы. Сырье вводится в толщу уже образованного расплава и, в результате, посредством джоулева нагрева по всему объему плавильной печи производится расплав введенного порошкообразного сырья. Что в результате позволяет понизить вязкость расплава и обеспечить равномерный его прогрев. Заявителями из уровня техники не обнаружены плазменные установки, обеспечивающие введение и последующий расплав порошкообразного сырья указанным способом. Не известны плазменные установки, которые для подачи порошкообразного сырья содержат шнековый питатель, закрепленный на боковой поверхности плавильной печи и соединенный непосредственно с зоной плавления плавильной печи. Это подтверждает соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень», поскольку оно, несмотря на простоту конструкции, явно не следует из уровня техники.The technical result is achieved by changing the design of the melting furnace and connecting the screw feeder directly to the zone of the melting furnace and its placement on the opposite drain trough of the side surface of the housing of the melting furnace. This ensures the introduction of raw materials not from above onto the surface of the melt (as in the prototype), but from the side of the casing of the melting furnace and directly into the region of the melt, excluding the blowing of finely dispersed particles by a stream of low-temperature plasma. The raw materials are introduced into the thickness of the already formed melt and, as a result, through the Joule heating throughout the entire volume of the melting furnace, the introduced powdered raw material is molten. As a result, it reduces the viscosity of the melt and ensures uniform heating. Applicants from the prior art did not find plasma installations that provide the introduction and subsequent melt of the powdered raw materials in this way. Plasma plants are not known which, for the supply of powdered raw materials, contain a screw feeder mounted on the side surface of the melting furnace and connected directly to the melting zone of the melting furnace. This confirms the compliance of the invention with the criterion of "inventive step", since it, despite the simplicity of design, clearly does not follow from the prior art.

На чертеже представлен общий вид плазменной установки для получения тугоплавкого силикатного расплава.The drawing shows a General view of a plasma installation for producing refractory silicate melt.

Установка содержит плазмотрон 1, под которым размещена водоохлаждаемая медная плавильная печь 3 круглого сечения со сливным желобом 2, смонтированным в верхней ее части. (Сечение плавильной печи 3 может быть выполнено, например, овальным, квадратным, прямоугольным, многоугольным). На дне плавильной печи 3 установлен графитовый электрод 4, соединенный с положительным полюсом источника питания постоянного тока и являющийся анодом плазмотрона 1. Катод плазмотрона 1 соединен с отрицательным полюсом источника питания постоянного тока. Через сливной желоб 4 осуществляется выход расплава в устройство 5 для раздува расплава в минеральные волокна. В отверстие корпуса плавильной печи 3 вмонтирован шнековый питатель 6. Шнековый питатель 6 соединен с загрузочным бункером 7 для подачи порошкообразного сырья в зону расплава плавильной печи 3 и приводится во вращение электроприводом 8. Между анодом 4 и катодом плазмотрона 1 показан поток низкотемпературной плазмы 9. Позицией 10 обозначен силикатный расплав, позицией 11 - минеральные волокна.The installation contains a plasma torch 1, under which is placed a water-cooled copper melting furnace 3 of circular cross section with a drain trough 2 mounted in its upper part. (The cross section of the melting furnace 3 can be made, for example, oval, square, rectangular, polygonal). At the bottom of the melting furnace 3, a graphite electrode 4 is mounted, connected to the positive pole of the DC power source and being the anode of the plasma torch 1. The cathode of the plasma torch 1 is connected to the negative pole of the DC power source. Through the drain trough 4, the melt exits into the device 5 for blowing the melt into mineral fibers. A screw feeder 6 is mounted in the opening of the casing of the melting furnace 3. The screw feeder 6 is connected to a feed hopper 7 for supplying powdered raw materials to the melt zone of the melting furnace 3 and is driven by an electric drive 8. Between the anode 4 and the cathode of the plasma torch 1, a low-temperature plasma stream 9 is shown. Position 10 denotes silicate melt; 11 denotes mineral fibers.

Работа установки основана на взаимодействии высококонцентрированных плазменных потоков с сырьем.The installation is based on the interaction of highly concentrated plasma flows with raw materials.

Предварительно весь объем плавильной печи 3 заполняют тугоплавким силикатным порошкообразным сырьем (золошлаковые отходы энергетических производств). В водоохлаждающий канал плавильной печи 3 через патрубки подают воду во избежание перегрева ее стенок. Включают источник постоянного тока. Между анодом 4 и катодом плазмотрона 1 инициируется поток низкотемпературной плазмы 9. Под действием высокой температуры (например, 4000°C) плазменного потока начинает плавиться силикатное сырье. После того, как водоохлаждаемая плавильная печь 3 будет полностью заполнена расплавом, с помощью шнекового питателя 6 с боковой стороны плавильной печи 3 начинают вводить непосредственно в полученный расплав дозируемое порошкообразное сырье. Частицы поступившей порции сырья, попадая в высокотемпературный расплав, смешиваются с ним и равномерно расплавляются. Кроме того, такого рода подача сырья позволяет исключить потерю мелкодисперсных частиц, выдуваемых потоком низкотемпературной плазмы. Все это позволяет поддерживать однородность и низкую вязкость расплава по всему объему печи. После того, как расплав достигает уровня сливного желоба 2, поток силикатного расплава, переливаясь через его край, поступает к устройству 5 раздува в минеральные волокна. Дозированная подача сырья в зону плавления печи осуществляется непрерывно. Таким образом, предложенная простая, в сравнении с прототипом, конструкция плазменной установки позволяет получить высокое качество расплава. Выполнение плавильной печи из металла исключает прогорание стенок (как в прототипе) и вынужденный простой установки, связанный с ремонтом, что повышает ее экономичность.Preliminarily, the entire volume of the smelting furnace 3 is filled with refractory silicate powder raw materials (ash and slag waste from energy production). In the water-cooling channel of the melting furnace 3, water is supplied through the pipes to avoid overheating of its walls. Turn on the DC source. Between the anode 4 and the cathode of the plasma torch 1, a low-temperature plasma flow 9 is initiated. Under the influence of high temperature (for example, 4000 ° C), the silicate feed begins to melt. After the water-cooled melting furnace 3 is completely filled with the melt, with the help of a screw feeder 6 from the side of the melting furnace 3, dosed powder raw materials are directly introduced into the obtained melt. Particles of the incoming portion of the raw material, falling into the high-temperature melt, mix with it and evenly melt. In addition, this kind of supply of raw materials eliminates the loss of fine particles blown out by a stream of low-temperature plasma. All this allows you to maintain uniformity and low viscosity of the melt throughout the furnace. After the melt reaches the level of the drain trough 2, the flow of silicate melt, overflowing over its edge, enters the mineral fiber blowing device 5. Dosed feed to the melting zone of the furnace is carried out continuously. Thus, the proposed simple, in comparison with the prototype, the design of the plasma installation allows to obtain high quality melt. The implementation of the melting furnace of metal eliminates the burning of the walls (as in the prototype) and forced simple installation associated with the repair, which increases its efficiency.

Реализация заявляемой установки не вызывает затруднений у специалистов в области получения тугоплавких расплавов методом плазменной технологии. Установка может быть многократно изготовлена и применена с достижением указанного технического результата, а следовательно, изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».The implementation of the inventive installation does not cause difficulties for specialists in the field of production of refractory melts using the plasma technology. The installation can be repeatedly manufactured and applied to achieve the specified technical result, and therefore, the invention meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

1. Plasma installation for the production of refractory silicate melt containing a plasmatron, a melting furnace with a drain trough in its lateral part for melt exit, a device for supplying powdered raw materials, a graphite anode mounted on the bottom of the melting furnace, and a plasma torch cathode, characterized in that it is melting the furnace is installed under the plasma torch, while the body of the melting furnace is made of metal and has a cavity forming a water-cooling channel, a drain trough is located in the upper part of the melting furnace, and the device for Powder raw material supply is mounted on the side surface of the body of the melting furnace opposite the drain chute and is made in the form of a screw feeder connected directly to the melting zone of the melting furnace, feed hopper and electric drive.

2. Plasma installation according to claim 1, characterized in that the housing of the melting furnace is made of copper.

3. The plasma installation according to claim 1, characterized in that the screw feeder is made with the possibility of dispensing powdered raw materials.

4. The plasma installation according to claim 1, characterized in that the melting furnace in cross section is made round.