SI8212408A - Heating device for open furnaces - Google Patents

Description

ALUMINIUM PECHINEY

Priprava za segrevanje odprtih peci za žganje na obračajoč se plamen

Priprava za protitočno segrevanje peči, ki je predmet predloženega izuma, spada v področje metalurgije in se nanaša na peči za žganje, ki se jim pravi peči na obračajoč se plamen in v katerih se vrsta komor, ki so pogosto nameščene v dveh vzporednih nizih, segreva s pomočjo plinov pri visoki temperaturi, ki se pretakajo skozi votle pregrade. Pregrade, ki predeljujejo komore na oddelke, so prav tako nameščene v več medsebojno vzporednih nizih, ki so vzporedni z linijami komor.

Pregrade enega in istega niza, so medsebojno povezane na svojih koncih, tako da se plinom omogoči pretakanje skozi to vrsto. Izdelki, ki se jih segreva, so naloženi v oddelkih in sprejemajo toploto s prevajanjem skozi zidove pregrad. Takšne peči se posebej koristijo za žganje oglenih izdelkov, npr. za žganje oglenih anod za elektrolitske celice za proizvodnjo aluminija. V vsakem oddelku so ogleni izdelki zaščiteni pred oksidacijo s pomočjo debelega sloja oglenega materiala v drobnih zrnih, ki pokriva anode in izpolnjuje ves prazen prostor. Oddelki ostanejo odprti v zgornjem delu.

Ena izmed pomembnih težav, na katere se naleti pri obratovanju teh peči, je ponovljiva izvedba grelnega in hladilnega cikla izdelkov, kar bi sicer omogočilo, da se žganje izvede pod optimalnimi pogoji. Na splošno je dobro poznan temperaturni ciklus, ki se ga mora izvesti na izdelkih zaradi njihovega žganja, je pa težava v tem, da se doseže, da bodo izdelki, ki so nameščeni v raznih področjih vsakega oddelka, učinkovito podvrženi temperaturnemu ciklusu, ki bi bil blizu optimalnemu ciklusu.

V primeru žganja oglenih anod je predvsem pomembno, da se te anode dovede do maksimalne temperature vsaj 1100°C, da bi se doseglo želene fizikalno-kemijske lastnosti. Morebino pregretje anod, ki so nameščene v najtoplejših področjih, lahko dovede do spremembe njihovih lastnosti glede na lastnosti tistih anod, ki so žgane pri nižjih temperaturah. Od tod izhaja heterogenost lastnosti dela dobljenih žganih anod, kar ima, kot je poznano, zelo neugodne posledice na pogoje dela elektrolitskih celic za izdelovanje aluminija, v katerih bodo te anode nameščene. Razen tega nenadzorovana pregrevanja dovedejo do pospešenega uničenja ognjeodpornega materiala in od tod tudi do hitre deformacije pregrad v pečeh za segrevanje, katerih življenjska doba je zato bistveno skrajšana.

Na splošno se segrevanje pregrad v področju žganja vrši s pomočjo brizgalk za gorivo, ki so nameščene na zgornjem delu teh pregrad.

Curek goriva, kot je težko olje ali gorilni plin, se vnaša v tok predhodno segretega zraka, pri čemer se curek goriva usmerja v smeri iztekanja zraka, ki omogoča zgorevanje.

V številnih primerih imajo pregrade tudi prepreke, ki povzročajo, da plini krožijo v cikcaku od zgoraj navzdol in nato od spodaj navzgor itn.

Izkušnja je pokazala, da ta način gretja oddelka povzroči pregrevanja spodnjega dela tega oddelka. To pregrevanje pa ima, kot je bilo zgoraj omenjeno, za posledico po eni strani heterogenost fizikalnih lastnosti anod, ki so žgane v komorah, po drugi strani pa pospešeno deformacijo pregrad v najbolj obremenjenem področju, ki znatno skrajšuje življenjsko dobo teh pregrad.

To pregrevanje predstavlja enega izmed tehničnih problemov teh peči, drugi tehnični problem pa je v enakomerni - homogeni porazdelitvi temperature po vertikalni smeri v teh pečeh.

Opis in slike v nadaljnjem besedilu bodo omogočili boljše razumevanje lastnosti priprave za segrevanje odprtih peči z obračajočim se plamenom, ki se jih je uporablalo doslej, kakor tudi tistih z novo pripravo za segrevanje, ki je predmet predloženega izuma. Kot bo sicer razvidno, se izum nanaša tudi na boljšo porazdelitev deformacij opek, iz katerih so izdelane pregrade, tako da se po izumu podaljšuje tudi življenjska doba teh pregrad.

Slika 1 prikazuje tloris dela odprte peči znane vrste za žganje na obračajoč se plamen, slika 2 prikazuje v prerezu pogled na pregrado peči s slike 1, slika 3 prikazuje v prerezu pogled na običajno namestitev brizgalk na pregradi ene peči na obračajoč se plamen, kije poznane vrste, slika 4 prikazuje v prerezu pogled na protitočno razporeditev brizgalk na pregradah s slike 3.

Patentni spis US 2,699,931 opisuje, kot je prikazano na sliki 1, ki delno obnavlja sliko 1 iz navedenega patentnega spisa, peč za žganje na obračajoč se plamen, ki obsega 60 komor ali odsekov, ki so razporejeni v dveh vzporednih vrstah po 30 komor, od katerih jih je 28 vidnih na sliki. Vsaka komora obsega šest oddelkov drugega ob drugem, kot so oddelki 1, v katere se polaga izdelke, da se jih žge, pokrite z materialom za zapolnitev. Votle pregrade 2 so med oddelki razporejene v nizu, tako da se plini pretakajo zaporedno skozi pregrade, ki tvorijo sestavni del enega in istega niza. Na enem koncu kanal 3 v obliki zanke omogoča priključitev pretakanja plinov v eni vrsti na pretakanje v drugi vrsti.

Pri uporabi se cikel gretja in zatem cikel hlajenja izdelkov izvaja s pomočjo sistema, ki se mu pravi obračajoči se plamen, ki se ga uporabi na skupini komor, ki so nameščene v vrsti, po kateri se predgreva določeno število komor, v nekaterih se izvaja žganje in končno se nekatere ohlajajo.

Namestitev takšne skupine v naboru komor, ki tvori peč, je določena s pomočjo ustreznih stičnih točk voda K za dovod hladnega zraka, voda L gorilnikov za gretje in končno voda M za odvajanje zgorelih plinov. Po preteku časa 16 do 48 ur se stične točke voda M za dovajanje zraka in odvajanje zgorelih plinov kot tudi voda L za vrsto gorilnikov premakne. To premikanje se izvaja v smeri pretakanja zraka in zgorelih plinov. Kot tudi prikazuje slika 1, lahko več obračajočih se plamenov gre skozi komore iste peči po istem taktu.

Slika 2 prikazuje v prerezu, kaj se dogaja v notranjosti enega niza pregrad, ki tvorijo del iste skupine komor. Razvidno je, da se vsaj del hladnega zraka uvaja skozi vod 4 do nivoja razvoda med pregrado A in pregrado B, da prehaja skozi pregrado B, nato skozi dve naslednji pregradi C in D, ki pripadata komorama, ki se hladita in v katerih se zrak postopno segreva. V trenutku prehoda tega zračnega toka, ki se na ta način predhodno segreje do 500°C, od pregrade D proti pregradi E brizgalka 5 usmerja curek goriva v ta tok, in sicer v isti smeri, v kateri ta tok izteka. Ta curek prodira v pregrado E in izgoreva v dotiku z zelo vročim zrakom, ki prehaja skozi to pregrado. Nato izgoreli plini prehajajo skozi pregrade komor F, G in H in jih predhodno segrevajo in končno izhajajo skozi vod 6, ki odstranjuje pline v smeri proti dimniku.

Razumljivo je, da se z razporeditvijo gorilnikov, ki so prikazani na sliki 2, zelo težko doseza določeno homogenost temperature v pregradi, v kateri se vrši zgorevanje, pri čemer se ima pred očmi sorazmerno ozkost prostora, ki je namenjen pretakanju plinov v notranjosti pregrade. Sicer je v zgoraj navedenem patentu navedeno, da se za boljšo temperaturno porazdelitev lahko upošteva namestitev preprek znotraj pregrade, ki omogočajo, da se da pretakanju plina vijugasto obliko.

Slika 3 prikazuje votlo pregrado 7, ki se jo lahko v bistvu primerja s pregradami, ki so prikazane na slikah 1 in 2, ki pa je izdelana tako, da vzpodbuja izmenjavo toplote med svojimi zidovi in plini, ki se pretakajo skozi njeno notranjost. Namen je bil, da plini oblizujejo zidove po vsej višini in dolžini pregrade. Zato so v votlem vmesnem prostoru pregrade 7 nameščene navpične prepreke S, 9 in 10, ki so vstavljene med dve veliki steni pregrade. Te prepreke torej silijo plinski tok, ki prihaja od predhodne pregrade in ki vstopa skozi stično odprtino 11, da skozi pregrado prehaja v cikcaku, kot je prikazano s puščicami na sliki, in da končno izstopa skozi stično odprtino 12 na naslednji pregradi.

Brizgalka 13, ki prehaja skozi pokrov pregrade 14, razpršuje curek goriva, kije usmerjen od zgoraj navzdol, ki se vname ob dotiku z vročim zrakom, ki se po prihodu skozi odprtino 11 usmeri navzdol zajemajoč pregrado 8 v zidu celic 15. Glede na lastnosti uporabljenega goriva se zgorevanje nadaljuje po bolj ali manj dolgi poti in nato vroči plini nadaljujejo svoje gibanje v cikcaku do izstopne odprtine. Termoelement 16 za reguliranje temperature se običajno namesti izven neposrednega dosega plamena za prepreko 8 v bližini vrha celice. Da bi se izboljšalo porazdelitev segrevanja, se v mnogih primerih namesti tudi drugo brizgalko 17 v področju, kjer se plinski tok ponovno spušča v smeri proti dnu pregrade med prepreki 9 in 10. Ta plinski tok se prav tako regulira s pomočjo termoelementa 18, kije ločen od gorilnika s pomočjo pregrade 10. V nekaterih primerih se termoelement 16 opusti in se s pomočjo termoelementa 18 izvaja reguliranje obeh brizgalk 13 in 17. Poskusi so pokazali, da je takšna razporeditev preprek kot tudi brizgalk in pripadajočih termoelementov za reguliranje dala sorazmerno dobre rezultate v pogledu učinkovitosti toplotnih izmenjav s pomočjo prevajanja med vročimi plini in izdelki, ki so nameščeni v oddelke, skozi zidove celic.

Nasprotno se je naletelo na resne težave pri dosezanju navpične homogene porazdelitev temperature, predvsem v primeru segrevanja s tekočim gorivom. Običajno se opazuje najvišje temperature na dnu pregrad in najnižje temperature pri vrhu. Pod takimi pogoji je jasno, da izdelki, ki so nameščeni na dnu, dosegajo višjo stopnjo žganja kot tisti, ki so postavljeni pri vrhu. Po drugi strani pa so glede sten pregrade opažene zelo velike deformacije zaradi zmehčanja ognje stalnih opek, iz katerih so izdelane stene, in to pri dnu, torej v predelu, kjer opeke prenašajo celotno težo skladovnice.

Če se želimo izogniti takšnim deformacijam, s tem da se znižuje nastavljeno temperaturo, lahko v mnogih primerih ugotovimo, da dosežena temperatura v zgornjih področjih oddelkov več ne zadošča za pravilno žganje izdelkov. Meritve temperature, ki se jih je izvajalo v notranjosti pregrad s pomočjo termoelementov, omogočajo, da se zabeleži temperature, ki so dosežene hkrati na več mestih, ki so porazdeljena v teh pregradah, in so pokazale, da temperaturna odstopanja lahko dosežejo 150 stopinj ali več med vrhom in dnom teh pregrad. Najvišje temperature se vedno dosežejo pri dnu teh pregrad v področjih, ki se nahajajo v podaljšku osi brizgalke.

Iskalo se je možnost, da bi se v veliki meri zmanjšalo ta temperatura odstopanja, ki obstoje med zgornjimi in spodnjimi področji pregrad, ne da bi se znatneje spremenilo samo konstrukcijo teh votlih pregrad, pri čemer je ta konstrukcija izšla iz zaporedne optimizacije, ki temelji na drugih izkušnjah.

Nova priprava za protitočno vbrizgavanje po izumu je omogočila, da se ta problem reši zelo preprosto in učinkovito.

Priprava za segrevanje odprtih peči za žganje na obračajoči se plamen, ki je predmet predloženega izuma, omogoča, da se izogne ali zmanjša pregrevanje oddelkov v spodnjem področju. Priprava ima sredstva za vbrizgavanje tekočega, plinastega ali celo trdnega goriva v notranjost oksidacijskega plinskega toka, ki omogoča zgorevanje, medtem ko so curek ali curki goriva usmerjeni protitočno, to se pravi v nasprotni smeri gibanja oksidacijskega plinskega toka.

To predstavlja bistvo in novost rešitve tehničnega problema predloženega izuma.

Slika 4 na neomejujoč način prikazuje izvedbeni primer nove priprave po predloženem izumu. Skozi pregradno celico 19, katere prepreke 20, 21 in 22 so nameščene na isti način kot tudi tudi v primeru pregradne celice 7, se v cikcaku pretaka plinski tok, ki v pregrado vstopa skozi odprtino 23, nato prehaja v smeri puščice do izhodne odprtine 24, ki povezuje pregrado 19 s pregrado 25. Brizgalka 26 za gorivo, ki prehaja skozi pokrov 27 pregradne celice 19, vbrizgava curek težkega goriva, ki je usmerjen od zgoraj navzdol v področje, v katerem je plinski tok usmerjen od spodaj navzgor. Termoelement 28 za kontrolo in/ali reguliranje temperature je nameščen na zgornjem delu področja med preprekama 21 in 22, tako da je zahvaljujoč nizkemu položaju pregrade 21 termoelement vsaj z eni delom v področju plamena, ki izhaja od zgorevanja goriva, ki ga vnaša brizgalka 26.

Kot je prav tako prikazano na sliki 4, obstoji možnost, da se v isto pregradno celico namesti še drugo brizgalko 29 v področju med pregrado 22 in zidom 30, ki ločuje pregrado 19 od naslednje pregrade 25. Ta druga brizgalka se, kot je to prikazano na sliki 4, prav tako namesti tako, daje smer curka goriva, ki ga brizga brizgalka, usmerjen nasprotno smeri plinskega toka, ki se dviguje od spodaj navzgor. Delovanje te druge brizgalke 29 se nadzoruje in/ali regulira s pomočjo drugega termoelementa 31, kije nameščen na zgornjem koncu naslednje pregradne celice 25 v dotiku s tokom, ki izhaja iz pregradne celice 19 skozi odprtino 24.

Praktični poskusi med uporabo so se izvajali na isti peči za žganje na obračujoč se plamen, ki ima komore opremljene s pregradami takšne vrste, kot so prikazane na slikah 3 in 4, in ima klasične priprave za vbrizgavanje goriva v pregrade komor med žganjem kot tiste, ki so prikazane na sliki 3, ali pa nasprotno protitočne priprave za vbrizgavanje po predloženem izumu, kot je priprava, ki je prikazana na sliki 4. Kot gorivo se je uporabilo težko olje. Pregrade so bile visoke okoli 4,5 m, dolge 5 m in široke manj kot 0,250 m.

Vzporedni poskusi žganja oglenih izdelkov so pokazali, da so pri istih vseh ostalih pogojih temperature sten pregrad mnogo bolje porazdeljene, kadar se uporabi novo protitočno pripravo za vbrizgavanje.

Temperaturne meritve se je izvajalo v bližini osi brizgalke v ognjestalnih stenah pregrade pri vrhu, na polovični višini in pri dnu.

Naslednja tabela prikazuje rezultate, dobljene s poskusi.

Srednje temperature pregrad v bližini osi brizgalk

Vbrizgavanje v smeri Protitočno vbrizgavanje pl inskega toka

Temperatura, izmerjena s termoelementi 1170 °C 1222 °C za reguliranje

Temperatura pri 1175 1180 vrhu pregrade

Temperatura na polo- 1285 1290 vični višini pregrade

Temperatura pri dnu 1295 1180 pregrade

Vidi se, da pri klasični, t.j. stari, pripravi dno pregrade dosega temperaturo 1295°C. Dejansko pa v mnogo primerih temperatura presega 1300°C in to je eden izmed razlogov za deformiranje zaradi zmehčanja in taljenja zidakov, kar bistveno zmanjšuje njihovo življenjsko dobo. Pri vrhu pregrade je srednja temperatura pod 1200°C, medtem ko je na sredini ta temperatura samo nekoliko nižja od temperature pri dnu. Prav tako se lahko ugotovi, da je temperatura pri dnu višja za več od 120 stopinj od temperature, ki je določena kot predpisana temperatura za reguliranje, kar temu reguliranju odvzame vsakršno natančnost, ki sejo od reguliranja pričakuje.

Nasprotno pa so pri protitočnem reguliranju temperature pregrad pri vrhu in dnu praktično enake, medtem ko so temperature na sredini višje za okoli 100 stopinj. Takšna temperaturna porazdelitev je mnogo ugodnejša. Spodnji del pregrade, v katerem so zidaki najbolj obremenjeni, se nahaja na nižji temperaturi od temperature na polovični višini in je njihova odpornost proti zmehčanju in taljenju mnogo višja. Po drugi strani pa je zgornje področje, ki je v splošnem primeru preveč hladno, na nižji temperaturi, ki je vsaj enaka temperaturi dna, kar je posebej ugodno za homogenost žganja. Končno je ugotovljeno, da sprejeta razporeditev termoelementov za regulacijo, po kateri se ti termoelementi izpostavljajo delu plamenskega curka, znatno izboljšuje natančnost in občutljivost opreme za reguliranje.

Poskusi so pokazali, da priprava po izumu omogoča, da se življenjska doba pregrad v peči poveča za okoli 30%. Deformacije pregrad zaradi zmehčanja in taljenja namreč povzroča potrebo, da se jih zamenjuje, v primeru žganja oglenih izdelkov v časovnih intervalih dveh let. Uporaba priprave za vbrizgavanje po predloženem izumu omogoča, da se življenjska doba teh pregrad v povprečju poveča za 6 do 8 mesecev, kar predstavlja znaten prihranek.

Ta prednost protitočnega vbrizgavanja je posebej važna, kadar se uporablja težka olja tiste vrste, ki odgovarja olju, ki se ga je uporabilo za izvedbo opisanih poskusov. Kadar se namreč takšna olja vbrizgava protitočno proti smeri plina, je pregrevanje dna pregrad posebej visoko. Do tega prihaja zaradi počasnega zgorevanja teh težkih olj, katerih temperatura izparevanja je visoka. Učinek protitoka, ki močno zavira padanje kapljic tekočega goriva, se tedaj posebno občuti. Po drugi strani pa se v primeru tekočega goriva emitira velik del toplote s sevanjem plamena.

V primeru klasične, to se pravi stare, razporeditve pa zato, ker je termoelement izoliran proti plamenu, zaradi prepreke ni izpostavljen sevanju, ki pa neposredno učinkuje na okolišne zidake. Nasprotno je v protitočni razporeditvi po predloženem izumu termoelement izpostavljen plamenu in lahko zaradi tega neposredno izpostavljen sevanju.

Prednost protitočnega vbrizgavanja goriva po predloženem izumu, čeprav je manj važna, je očitna tudi v primeru vbrizgavanja lažjih gorilnih olj in tudi v primeru plinastih goriv, kot je npr. zemeljski plin. V primeru zemeljskega plina se ne pojavi problem, ki se pojavlja zaradi počasnega izparevanja kapljic ogljikovodikov, in se lahko opazi, daje navpična temperaturna porazdelitev pravilnejša.

Glede na vrsto brizgalke za plin, ki se jo uporablja, pa ima lahko plamen prav tolikšno toplotno sevanje, kot ga ima plamen tekočega goriva. V tem primeru je položaj termoelementa glede na plamen, ki ga omogoča protitok, odločilen za natančnost, občutljivost in reguliranje.

Kadar se uporablja brizgalke za plin, ki v enem ali drugem izmed obeh položajev dajejo temperaturno porazdelitev, ki se medseboj malo razlikujeta, je pomembno, da se z namenom podaljšane življenjske dobe pregrad hkrati uporabi oba načina zgorevanja, s tem da se brizgalke namesti izmenično v smeri toka ali v nasprotni smeri.

V primeru, da ima peč samo en plamen, je potrebno v enakomernih časovnih razmakih zamenjati položaje brizgalk.

V primeru kadar ima peč več plamenov, se lahko sistematsko pusti funkcionirati en plamen v enem položaju in drug plamen v nasprotnem položaju. Del pregrad, ki je najbolj podvržen deformacijam, je vsekakor tisti, ki se nahaja neposredno pod brizgalkami. Navedena razporeditev omogoča tedaj, da se delovanje brizgalk razporedi po celotni pregradi. Od tod izhaja upočasnjeno deformiranje pregrad tekom časa.

Lahko se upošteva tudi druge načine izvedbe priprave protitočnega vbrizgavanja v odprti peči za žganje na obračajoč se plamen, ki ne izhajajo s področja izuma.

Za

ALUMINIUM PECHINEY:

FAGOTA PiSARNA

UUSLJANA

Claims (5)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Priprava za segrevanje odprtih peči za žganje na obračajoč se plamen, ki ima votle pregrade (19, 25), znotraj katerih kroži tok oksidacijskega plina, in sredstva (26, 29) za vbrizgavanje goriv v ta plinski oksidacijski tok, označena s tem, da se namesti vsaj eno sredstvo (26, 29) za vbrizgavanje, tako da je curek goriva usmerjen proti toku oksidacijskega plina.
2. 2. Priprava za segrevanje po zahtevku 1, označena s tem, daje sredstvo za vbrizgavanje nameščeno na zgornjem delu pregrade (19) in usmerja curek goriva navzdol.
3. 3. Priprava po zahtevku 1 ali 2, označena s tem, daje goriva plinasto, tekoče ali trdno.
4. 4. Priprava za zgorevanje po patentnih zahtevkih 1 do 3, označena s tem, da so znotraj votlih pregrad nameščene prepreke (20,21, 22), ki vodijo plinski tok.
5. 5. Priprava za segrevanje po enem izmed patentnih zahtevkov 1 do 4, označena s tem, daje kontrolno in/ali regulacijsko sredstvo (28, 31) za temperaturo nameščeno v dosegu vsaj enega dela plamena, ki nastane z zgorevanjem.