ЛАКОМСЬКЫЙ, Виктор Йосыповыч (ул. Чорнобыльська, 11-96 Кыив, Kiev, 03179, UA)
TOKAREV, Igor Ivanovych (kvartal 60 rokiv SRSR, 22-122Sverdlovsk, 94800, UA)
ЛАКОМСЬКЫЙ, Виктор Йосыповыч (ул. Чорнобыльська, 11-96 Кыив, Kiev, 03179, UA)
TOKAREV, Igor Ivanovych (kvartal 60 rokiv SRSR, 22-122Sverdlovsk, 94800, UA)
| ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ прокаливания сыпучего углеродного материала, включающий за- грузку этого материала в элек рокальцинатор, пропускание материала с обеспече- нием его перемешивания последовательно через расширенные и суженные зоны электрокальцинатора с одновременным нагревом материала, а также выгрузку го- тового продукта, отличающийся тем, что прокаливание сыпучего угле- родного материала осуществляют последовательным его пропусканием через зоны низкопотенциального и высокопотенциального нагрева. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в электрокальцинаторе час- тично или полностью сжигают пиролизные газы без сжигания самого сыпучего углеродного материала или с частичным его сжиганием. 3. Электрокальцинатор для прокаливания сыпучего углеродного материала, включающий вертикально ориентированную цилиндрическую футерованную шах- ту с электрически нейтральным дросселем в верхней части, подключенные к электрической цепи питания верхний и нижний электроды, устройства загрузки и выгрузки, а также средство охлаждения готового продукта, отличающийся тем, что дополнительно в его шахте установлен по крайней мере один дроссель, подключенный к электрической цепи питания электрокальцинатора. 4. Электрокальцинатор по п.3, отличающийся тем, что его нижний электрод занимает всю донную часть шахты и выполнен в виде подового блока с приемной воронкой и центральным отверстием для выгрузки готового продукта. 5. Электрокальцинатор по п. п.3, 4, отличающийся тем, что средство охлаждения готового продукта вмонтировано в нижний электрод. |
СПОСОБ И ЭЛЕКТРОКАЛЬЦИНАТОР ДЛЯ ПРОКАЛИВАНИЯ СЫПУЧЕГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА.
Изобретение относится к электродной промышленности, а более конкретно - к способам получения углеграфитовых материалов прокаливанием сыпучих угле- родных материалов, например, антрацита, с использованием электронагрева как основного вида нагрева, а также других видов дополнительного нагрева.
Для получения токопроводящего углеграфитового материала, который ис- пользуется как сырье для изготовления, в частности, высокотемпературных графи- товых электродов, сыпучий углеродный материал, например измельченный антра- цит, подвергают высокотемпературному прокаливанию без доступа воздуха чаще всего в электрических печах (так называемых электрокальцинаторах), при этом на- грев указанного материала до рабочих температур прокаливания осуществляют пропусканием через него электрического тока. Такие способы получения углегра- фитового материала условно называют электрокальцинацией, а обработанный электрокальцинацией антрацит называют термоантрацитом.
Актуальными для современного уровня электрокальцинации углеродных материалов остаются две основных проблемы:
1. высоких удельных затрат электроэнергии на производство углеграфито- вых материалов;
2. неоднородности свойств (самое главное - удельного электросопротивле- ния) углеграфитовых материалов, полученных электрокальцинацией.
Указанная неоднородность свойств углеграфитовых материалов, обуслов- лена существенной разницей рабочих температур в электрокальцинаторе по его се- чению: более чем 2500°С в центральной части его шахты и 700 - 1200°С - в пери- ферийной части шахты у футеровки.
Неоднородность свойств углеграфитовых материалов, подвергнутых про- каливанию при таких различных температурах, оказывается настолько существен- ной, что в известных «Способе и обжиговой печи для электрического обжига угле- родсодержащего материала» (п. РФ jVe 2167377, F27B 1/09, опубл. 20.05.2001 г.) предусмотрен отбор на выходе углеродного материала двумя потоками: первым, прошедшим прокаливание в центральной части печи, и вторым, прошедшим про- каливание в периферийной ее части. Прокаленный материал центрального потока используют как сырье для изготовления ответственной продукции, такой как элек- троды, обмазочная масса для самоспекающихся электродов, графитовая добавка к смазочным материалам и т.п. Материал периферийного потока используют для из- готовления неответственной продукции или направляют на повторное прокалива- ние, что существенно повышает удельные затраты электроэнергии на производство прокаленного углеродного материала высокого качества.
Попытка повышения однородности свойств прокаленного сыпучего угле- родного материала за счет его приближения к центральной части шахты электро- кальцинатора сделана в известном способе, реализованном в известном„Электро- кальцинаторе непрерывного действия" (а.с. СССР N° 1434224, F27B 3/08, опубл. 30.10.88 г.). По указанному способу сыпучий углеродный материал загружают в верхнюю часть футерованой вертикально ориентированной цилиндрической шах- ты электрокальцинатора между верхним и нижним электродами и пропускают его по шахте электрокальцинатора к устройству выгрузки с одновременным прокали- ванием за счет нагрева электрическим током, который пропускают через сыпучий углеродный материал между электродами. При этом сыпучий углеродный матери- ал проходит через ряд выполненных в футеровке шахты горизонтальных кольце- вых выступов, чередующихся по высоте шахты, и расстояние между которыми за- ложено в зависимости от угла естественного откоса сыпучего углеродного мате- риала.
По указанному способу сыпучий углеродный материал хотя и приближает- ся в шахте электрокальцинатора к ее центральной части, имеющей наивысшую температуру, однако движется сверху вниз единым потоком без перемешивания, что не может обеспечить одинаковых условий его прокаливания. Зависание сыпу- чего углеродного материала на горизонтальных кольцевых выступах создает для зависшего материала еще более отличные условия прокаливания. Влияние этих факторов не может обеспечить достаточной однородности свойств прокаленного углеродного материала.
Известным также является способ прокаливания электродного материала, реализованный в известной„Печи электрокальцинации сыпучего углеродного ма- териала" (п. Украины N° 72633, F27B 3/08, опубл. 15.03.2005 г.), по которому ука- занный материал сверху через устройство загрузки подают в вертикально ориенти- рованную цилиндрическую шахту печи электрокальцинации и пропускают его по шахте этой печи к устройству выгрузки с одновременным прокаливанием за счет нагрева электрическим током, который пропускают через сыпучий углеродный ма- териал между верхним и нижним электродами. Продукты сухой перегонки угле- родного материала (пиролизные газы) при этом по специальным газоходным кана- лам отводят с дальнейшей их утилизацией вне печи электрокальцинации. Посколь- ку в верхней части футеровки печи электрокальцинации установлен электрично нейтральный дроссель, имеющий сквозное центральное отверстие и обращенные к верхнему электроду наклонную и горизонтальную поверхности, сыпучий углерод- ный материал, подаваемый из устройства загрузки на наклонную поверхность дросселя, скатывается по ней естественным образом к центральному отверстию. Этим обеспечивают как приближение сыпучего углеродного материала к цен- тральной части шахты, так и перемешивание его во время прокаливания.
В известном способе с использованием описанной конструкции печи элек- трокальцинации сделана попытка с помощью электрически нейтрального дросселя сосредоточить силовые линии электрического тока, перетекающего от одного элек- трода ко второму, в зоне цилиндрического отверстия дросселя и обеспечить пере- мешивание сыпучего углеродного материала при его прокаливании. За счет ука- занного несколько повышается однородность свойств сыпучего углеродного мате- риала, прошедшего прокаливание, но решить эту проблему в достаточной мере не удается из-за невозможности обеспечения равномерного протекания силовых ли- ний тока вдоль вертикальной оси печи. Образование застойных зон неподвижного материала, накапливающегося на горизонтальной поверхности дросселя, обращен- ной к верхнему электроду, приводит к тому, что этот неподвижный материал, бо- лее продолжительное время находится под действием высоких температур, приоб- ретает со временем более низкое удельное электросопротивление по сравнению с подвижным материалом, который перемещается в нижнюю часть печи по внутрен- нему отверстию дросселя. В результате ток изменяет направление в сторону мате- риала с более низким удельным электросопротивлением и образует так называе- мый несанкционированный канал тока, что служит причиной повышения плотно- сти тока в застойных зонах. Образование несанкционированных каналов тока ведет к нескольким негативным последствиям:
во-первых, нарушается равномерность протекания электрического тока по сыпучему углеродному материалу при прокаливании, что ухудшает его качество; во-вторых, существенная часть электрического тока используется непро- дуктивно, что приводит к неоправданно высоким удельным затратам электроэнер- гии на производство прокаленного углеродного материала;
в-третьих, повышение плотности тока в застойных зонах у футеровки при- водит к ее ускоренному разрушению и повышению затрат на ремонт печи электро- кальцинации, что ложится на себестоимость продукции, а в итоге - к повышенной стоимости прокаленного углеродного материала, полученного описанным спосо- бом.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, реализованный в„Печи электрокальцинации сыпучего углеродно- го материала" (п. Украины ЛЬ 89263, F27B 1/09, F27D 11/00, опубл. 12.10.2009 г.), по которому сыпучий углеродный материал сверху через средство загрузки подают в вертикально ориентированную цилиндрическую шахту печи электокальцинации, в верхней части которой установлен электрически нейтральный дроссель, и про- пускают этот материал через сквозное центральное отверстие дросселя по шахте печи электрокальцинации к устройству выгрузки с одновременным без доступа воздуха прокаливанием за счет нагрева электрическим током, который пропускают через сыпучий углеродный материал между верхним и нижним электродами. Пи- ролизные газы при этом по специальным газоходным каналам отводят наружу с дальнейшей их утилизацией вне печи электрокальцинации. Поскольку вся обра- щенная к верхнему электроду поверхность дросселя выполнена наклонной, сыпу- чий углеродный материал, попадающий на нее из средства загрузки, скатывается естественным образом без создания застойных зон к центральному отверстию. Этим не только обеспечивают приближение сыпучего углеродного материала к центральной части шахты и перемешивание его во время прокаливания, но и пре- дупреждают повышение плотности тока у футеровки, способное привести к ее ус- коренному разрушению. Кроме того, для предупреждения отклонения тока от цен- тральной оси печи и для повышения за счет этого плотности тока в сквозном от- верстии дросселя, средний и нижний пояса дросселя выполнены из электропровод- ного материала. Нижний электрод печи электрокальцинации имеет наружное ох- лаждение, для чего он своей нижней поверхностью установлен на водоохлаждае- мой опоре, боковые поверхности которой контактируют с углеродным материалом, прошедшим прокаливание, и частично выполняют функцию средства охлаждения готового продукта.
Недостатками способа и устройства, выбранных в качестве прототипа, яв- ляются все еще высокие удельные затраты электроэнергии на производство угле- графитовых материалов, и сложность вывода печи электрокальцинации на рабочий режим.
В основу изобретения поставлена задача создания экономического и хоро- шо управляемого способа прокаливания сыпучего углеродного материала и элек- трокальцинатора для реализации этого способа, лишенных недостатков прототипа.
Задекларированная задача решается за счет того, что в способе прокалива- ния сыпучего углеродного материала, включающего загрузку материала в электро- кальцинатор, пропускание материала с обеспечением его перемешивания через расширенные и суженные зоны электрокальцинатора с одновременным его нагре- вом, а также выгрузку готового продукта, прокаливание материала осуществляют последовательным пропусканием через зоны низкопотенциального и высокопотен- циального нагрева. При этом в дополнение к основному электронагреву материала осуществляют дополнительный за счет частичного или полного сжигания пиролиз- ных газов без сжигания или с частичным сжиганием сыпучего углеродного мате- риала.
В электрокальцинаторе для прокаливания сыпучего углеродного материала, включающего вертикально ориентированную цилиндрическую футерованную шах- шахту с электрически нейтральным дросселем в верхней части, подключенные к цепи питания верхний и нижний электроды, устройства загрузки и выгрузки, а также средства охлаждения готового продукта, дополнительно в его шахте уста- новлен по крайней мере один дроссель, подключенный к электрической цепи пита- ния электрокальцинатора. Кроме того, нижний электрод занимает всю донную часть шахты и выполнен в виде подового блока с приемной воронкой и централь- ным отверстием для выгрузки готового продукта, а средство охлаждения готового продукта вмонтировано в нижний электрод.
Наличие в шахте электрокальцинатора по крайней мере одного дополни- тельного дросселя, подключенного к его электрической цепи питания, позволяет разделить весь межэлектродный промежуток на отдельные низкопотенциальные зоны, в которых проще начать нагрев материала, подлежащего прокаливанию, и выйти на рабочий режим работы дальнейшим распространением процесса на всю шахту электрокальцинатора. С помощью дополнительных дросселей, подключен- ных к электрической цепи питания электрокальцинатора, удается за счет дополни- тельных регулирующих влияний сделать режим работы электрокальцинатора хо- рошо управляемым. Кроме того, наличие по крайней мере одного подключенного к электрической цепи питания дополнительного дросселя помогает предотвращению создания несанкционированных каналов прохождения тока, что повышает качество готового продукта и снижает удельные затраты электроэнергии на производство углеграфитовых материалов, в частности термоантрацита.
Частичное или полное сжигание пиролизных газов в электрокальцинаторе без сжигания или с частичным сжиганием самого прокаливаемого материала, обес- печивает уменьшение затрат электроэнергии на нагрев материала, а также позволя- ет значительно уменьшить затраты, связанные с утилизацией и очисткой отходя- щих газов вне электрокальцинатора. Все это обеспечивает существенное уменьше- ние удельных затрат электроэнергии на производство углеграфитовых материалов.
Выполнение нижнего электроду электрокальцинатора в виде занимающего всю донную часть его шахты подового блока с приемной воронкой и центральным отверстием позволяете рассредоточить электрический ток, перетекающий между электродами, на значительно большую площадь поверхности и снизить таким об- разом его разрушительное действие, что существенно способствует повышению стойкости нижнего электрода и снижению связанных с этим эксплуатационных за- трат. Снижение эксплуатационных затрат повышает экономичность как электро- кальцинатора, так и собственно способа прокаливание сыпучего углеродного мате- риала.
Кроме того, такое выполнение нижнего электрода позволяет использовать его и в качестве охладителя готового продукта, для чего в нижний электрод вмон- тировано средство охлаждения в виде внутренней водоохлаждаемой рубашки. На- личие внутренней водоохлаждаемой рубашки в нижнем электроде обеспечивает не только более эффективное его охлаждение, но и позволяет утилизировать тепло го- тового продукта на технологические нужды, а также и на бытовые нужды обслу- живающего персонала. Возможность утилизации технологического тепла и тепла готового продукта в электрокальцинаторе повышает как его экономичность, так и экономичность предлагаемого способа прокаливания сыпучего углеродного мате- риала.
Таким образом каждый признак и совокупность признаков предлагаемых способа и устройства решают задекларированную задачу создания экономического и хорошо управляемого способа прокаливания сыпучего углеродного материала и электрокальцинатора для его реализации.
Суть изобретения объясняется чертежом, на котором изображен вертикаль- ный разрез простейшего варианта конструкции электрокальцинатора для прокали- вания сыпучего углеродного материала с одним дополнительным дросселем. Элек- трокальцинатор на чертеже изображен в рабочем (загруженном материалом) со- стоянии. Эектрокальцинатор содержит вертикально ориентированную цилиндри- ческую футерованную шахту 1 с электрически нейтральным дросселем 2 в ее верх- ней части, верхний электрод 3 и нижний электрод 4, подключенные к источнику ИП-1 цепи питания электрокальцинатора, устройство загрузки 5 и устройство вы- грузки (на чертеже не показано), дополнительный дроссель 6, подключенный к ис- точнику ИП-2 цепи питания электрокальцинатора. Дроссель 2 имеет центральное сквозное отверстие с проходным диаметром d а дополнительный дроссель 6 - с проходным диаметром d 2 , значительно меньшим di. Верхние части центральных сквозных отверстий дросселей 2 и 6 выполнены наклонными с углами наклона, достаточными для скатывания по ним естественным образом сыпучего углеродно- го материала с обеспечением его перемешивания. Источника питания ИП-1 и ИП-2 могут быть как постоянного так и переменного тока, но более экономичным явля- ется использование источников постоянного тока (например, промышленных вы- прямителей). Нижний электрод 4 занимает всю донную часть шахты 1 и выполнен в виде подового блока с приемной воронкой 7 и центральным отверстием, стенки которого образуют канал 8 охлаждения готового продукта. В качестве средства ох- лаждения нижнего электрода 4 и готового продукта использована водоохлаждае- мая рубашка 9, вмонтированная в нижний электрод. Для подачи воды в водоохла- ждаемую рубашку 9 предусмотрен трубопровод 10, а для ее отвода - трубопровод 11. Электрокальцинатор также снабжен каналами 12 для регулированной подачи воздуха в шахту 1.
Заявляемый способ осуществляют в предложенном электрокальцинаторе следующим образом. Сначала определяют физико-химические свойства углеродно- го материала, подлежащего прокаливанию, и, прежде всего, количество тех компо- нентов, которые должны быть удалены из него с пиролизными газами при прока- ливании. В зависимости от требуемого качества готового продукта определяются с возможностью сжигания и количеством углеродного материала, который может быть сожжен в электрокальцинаторе для дополнительного нагрева, а также рассчи- тывают требуемое для сжигания установленного количества углеродного материа- ла и пиролизных газов количество воздуха и его затраты во времени при беспре- рывном процессе в зависимости от производительности электрокальцинатора. По- сле этого с помощью устройства загрузки 5 подают в электрокальцинатор товар- ный прокаленный углеграфитовый материал, заполняя шахту 1 и центральное от- верстие дополнительного дросселя 6 до начала его расширения. Далее электро- кальцинатор заполняют не прокаленным сыпучим углеродным материалом, напри- мер, дробленым антрацитом марки AM гранулометрической фракции 13 - 25 мм с обеспечением погружения верхнего электрода 3 на глубину, составляющую при- близительно три его диаметра. С помощью источника питания ИП-2 подают на верхний электрод 3 и на дополнительный дроссель 6 напряжение порядка 80 V, создавая между ними зону низкопотенциального нагрева. Под действием электри- ческого тока, который начинает перетекать между верхним электродом 3 и допол- нительным дросселем 6, сыпучий углеродный материал в указанной зоне начинает разогреваться, существенно снижая при этом свое электрическое сопротивление. По достижению температуры воспламенения пиролизных газов, специальным ре- гулятором (на чертеже не показан) через каналы 12 начинают регулированную по- дачу воздуха, чем обеспечивают частичное или полное сжигания пиролизных газов с дополнительным нагревом сыпучего углеродного материала за счет такого сжи- гания. При возможности использования для дополнительного нагрева части сыпу- чего углеродного материала, осуществляют сжигание установленного его количе- ства регулированной подачей дополнительного воздуха.
По достижению в зоне низкопотенциального нагрева температуры 1200°С, подключением источника питания ИП-1 подают напряжение порядка 180 V на верхний электрод 3 и нижний электрод 4. Одновременно или в несколько предше- ствующем порядке с помощью трубопроводов 10 и 11 налаживают циркуляцию воды в водоохлаждаемой рубашке 9. С подключением ИП-1 между началом наибо- лее суженной части d 2 центрального отверстия дополнительного дросселя 6 и ниж- ним электродом 4 создается зона высокопотенциального нагрева. Товарный прока- ленный углеграфитовый материал начинает разогреваться под действием электри- ческого тока, который складывается из тока, начинающего перетекать между верх- ним электродом 3 и нижним электродом 4, а также из тока, начинающего перете- кать между дополнительным дросселем 6 и нижним электродом 4 в результате раз- ности потенциалов. При этом за счет выполнения диаметра d 2 центрального отвер- стия дополнительного дросселя 6 значительно меньшим по отношению к диаметру d центрального отверстия дросселя 2, обеспечивается существенно большая плот- ность тока и связанная с этим интенсивность нагрева как в центральном отверстии дополнительного дросселя 6, так и во всей зоне высокопотенциального нагрева. По достижению технологических параметров прокаливания в электрокальцинаторе с помощью устройства выгрузки начинают отбор готового продукта, который про- шел частичное охлаждение в канале охлаждения 8 нижнего электрода 4. Одновре- менно с отбором готового продукта с помощью устройства загрузки 5 начинают подачу такого же количества сыпучего углеродного материала, подлежащего про- каливанию, в верхнюю часть электрокальцинатора. При этом предлагаемый способ электрокальцинации приобретает беспрерывный характер. Таким образом, после- довательным пропуском сыпучего углеродного материала с обеспечением его пе- ремешивания через зоны низкопотенциального и высокопотенциального нагрева создают необходимые условия его прокаливания с получением на выходе углегра- фитового материала требуемого и заведомо заданного качества.
Как показали расчеты и эксперименты, привлечение энергии от сжигания в электрокальцинаторе пиролизных газов и части самого сыпучего углеродного ма- териала обеспечивает снижение удельных затрат электроэнергии на производство углеграфитовых материалов, в частности термоантрацита, по крайней мере на 10 - 25 %.
Указанные особенности конструкции электрокальцинатора способствуют легкому выходу его на рабочий режим и обеспечивают улучшенную управляемость способа прокаливания сыпучего углеродного материала.
Изготовление предлагаемого электрокальцинатора и осуществление заяв- ляемого способа возможны с использованием технологий и материалов, широко известных в производстве на современном уровне развития электродной промыш- ленности.
Next Patent: METHOD FOR ENHANCING FLOW DRAG REDUCTION AND LIFT GENERATION WITH A DETURBULATOR