Дата опубликования описания 30.01.81 (53) УД К666.94. .041(088.8) В. А. Куиебуиов, И. В. Моисеев, А. М. ммиериев, A. H. Макаров, А. И. Кудрин, Г. A. Рассадкйн, И. Д. Горбачевич, В. В. Шелудько, И. М. Самойлов, А. Н. Посысаев и A. В. Бессмертны еЩуровский ордена Трудового Красного Знамени цементный

Е;.. завод и Государственный всесоюзный научна-иссрледовател,ьский институт цементной промышленности (72) Авторы изобретения (7! ) Заявители (54) ВСТРОЕННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

Изобретение относится к промътшленности строительных материалов, предназначено для интенсификации тепловой обработки сыпучих материалов во врашаюшихся печах и может найти применение в металлургической и химической промышлен-5 ностях в процессах, где применяется тепловая обработка кускового, гранулированного или порошкообразного материала во врашаюшихся трубчатых печах.

Известен тел лообме ниик врашакжвейся печи для обжига сыпучих материалов, содержаший ряды параллельных арматурных полых труб, радиально пересекающих рабочее пространство печи с футеровкой в

l5 виде стальных листов, непосредственно контактирукщих с газами и материалом (1).

Недостатком устройства является недолговечность работы в условиях высоких температур (порядка 800-1000ОС) из-за

20 температурной деформации стальных листов и арматурных труб и невысокая эффективность теплообмена, TsK как передача тепла материалу от теплообменника

2 происходит только прн непосредственном контакте материала с футеровкой теплообменника. Теплопередача от газа к слою материала неэффективна, а присадкs окалины к материалу при производстве, например белого цемента ухудшает качест/ во последнего.

Наиболее близким к предлагаемому является встроенный теплообменник врашаюшейся печи для обжига сыпучего материала, преимущественно цементной сырьевой смеси, содержащий ряды параллельных ар-. матурных труб, закрепленных диаметрально своими концами на корпусе печи, с нанизанными на них фасонными блоками футеровки с отверстиями для труб и систему охлаждения труб, подсоединенную к воздушным коллекторам 2 .

Недостаток известного теплообменника заключается в невысоком теплообмене между газами и материалом, объясняемом тем, что, несмотря на уменьшение термического сопротивления слоя, разделенного стенками теплообменника на ряд

3 80 отдельных участков, материал в слое cJI8» бо контактирует с печными газами. Термическое сопротивление слоя остается достаточно высоким, Низкая надежность в условиях высоких температур (порядка

800-1000ОС) объясняется тем, что при значительном температурном расширении футеровка„ иаыизанная нв арматурные трубы, упирветсл в жесткий корпус, увеличение диаметра которого значительно ниже, чем футеровки на трубах. В результа« те происходит раскапывание отдельных фасонных блоков и их выпадение с труб.

Не имея фиксации по длине труб, остав- шиеся блоки при поворотах лечи соскаль» зывают по трубе и от соударения раскалываются. Таким образом отдельные трубы оголяются, входят в непосредственный контакт с раскаленными газами и постепенно деформируются или сгорают.

Расход воздуха, подаваемого на охлаждение арматурных труб, не регулируется и по соображениям экономии электроэнергии расчитывается на поддержание температуры труб ниже предела деформации под нагрузкой. Так, для Ст Х18Н1ОТ эта температура равна 700 С. Поддержв0 ние более низкой температуры акономически невыгодно также иэ-аа переохлаждения регенерирующей поверхности блоков футеровки, нанизанной на трубы.

При выпадении отдельных блоков отсутствие регупирования температуры труб (регулированием расхода воздуха) приводит к их деформации и выгоранию. Кроме того, вентиляторы системы охлаждения работают ненадежно на корпусе печи.

Цель изобретения - повынмиие эффективности тепловой обработки и надежности работы в условиях высоких температур.

Поставленная цель достигается тем, что во встроенном теплообменинке вращающейся печи для обжига сыпучего материала, преимущественно цементной сырьевой смеси, который содержит ряды параллельных арматурных труб, закреплемиых диаметрально своими концами на корпусе печи, с нанизанными на них фасонными блоками футеровки с отверстиями для труб и систему охлаждения труб, подсоединенную к воздушних коллекторам, футеровкв арматурных труб снабжена свободно установпенными на трубах между блоками дис» танционирующими вкладышами, в фасонные блоки на участках между параллельными арматурными трубами выполнены с перфорациями, перпендикулярными отверстиям для труб, диаметром, равным 0,02-0,4 расстояния между трубами. При этом од

0558 4 ни концы труб прикреплены к корпусу печи жестко, а другие - с возможностью осевого перемещения, система охлаждения труб выполнена в виде закрепленных на

5 подвижных концах труб инжекционных насадков с конфузорами, в которых установлены сопла, жестко закрепленные на корпусе печи и подсоединенные к воздушным коллекторам. Арматурные трубы снабжены

О установленными на их жестко закрепленных концах заглушками и выполнены с отверстиями по длине. При этом теплообменник снабжен установленными в месте контакта блоков с корпусом печи асбестовыми прокладками, в дистанционирующие вкладыши выполнены либо в виде перфорированных труб с диаметром, в 1,5-2 раза превышакхцим диаметр арматуры труб, либо в виде цельнолитых цилиндров или параллелепипедов. Кроме того, на боковой поверхности блоков, контактирующей с печными газами и материалом, в пространстве между арматурными трубами сделаны желоба, причем перфорация в блоках выполнена в желобах, а торцы блоков изготовлены с пазами под дистанционирующие вкладыши. Каждый блок снабжен арматурой в виде цилиндрических проволочных каркасов, связанных между собой в месте выполнения жепобов пластинами, причем проволока каркасов и пластины покрыты, соответственно, шнуровым и листовым асбестом.

На фиг. 1 показана печь с установленным в ней встроенным теплообменником, 3S продольный разрез; на фиг. 2 вЂ” разрез

А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - дистанционирующий вкладыш, выполненный в виде пластины; на фиг. 4 - то же, поперечное сече40 ние; на фиг. 5 - вкладыш в виде перфорированной трубы, продольный разрез; нв фиг. 6 - то же, поперечный разрез; на фиг. 7 - вкладыш в виде цельнолитого: цилиндра, продольный разрез, на фиг.84$ то же, поперечный разрез; на фиг. 9вкладыш в виде параллелепипеда, вид сбоку; нв фиг. 10 - то же, вид с торца; на фиг. 11 вЂ” узлы крепления арматурных труб и .инжекционнвя насадка на подвиж59 ном конце трубы, на фиг. 12 - вариант выполнения труб с отверстиями по алине и заглушкой на конце; нв фяг. 13 - клиновой блок, вид в плане; на фиг. 14блок с пятью отверстиями для арматурных труб, желобами и пазами под вклады55 ши; нв фиг. 15 - вид Б на фиг. 14; на фиг. 16 - вариант блока с проволочной арматурой нв фиг. 17 - вид В на фиг. 16; на фйг. 18 - вариант выполне8005

5 ния арматуры; на фиг. 19 - вид Г на фиг. 18; на фиг. 20 вЂ” положение вкладышей между блоками, В корпусе 1 вращающейся печи высверлены параллепьные ряды отверстий, в

5 каждом ряду вЂ” от трех до десяти отверстий. В отверстия вварены втулки 2, внутренний диаметр которых несколько больше диаметра арматурных труб 3, установленных в эти втулки 2. Одни из концов

4 труб 3 жестко закреплены во втулках

2, например посредством болтов 5, продетых через поперечные отверстия во втулках 2 и трубах 3. Вторые концы 6 труб 3 выступают эа пределы корпуса 1 печи и втулок 2. На трубы 3 нанизаны фасонные блоки 7 футеровки труб 3. В плоскости, перпендикулярной трубам 3, блоки 7 выполнены с отверстиями 8, диаметр ",которых несколько бопьше наружного диаметра труб 3. В блоках 7 между отверстиями для труб 3 выполнены перфорации 9, диаметр или ширина которых равна (в зависимости от среднего размера обрабатываемого материала) 0,02-0,4 ширины фасонного блока 7. Между корпусом 1 и первым и последним блок.ами 7, нанизанными на трубы 3, установлены асбестовые прокладки 10, толщина которых подбирается по разности температурного удлинения всех блоков 7 и увеличения диаметра печи в результате объемного температурного расширения корпуса 1 с учетом величины усадки асбеста.

Между блоками 7 на ряд параллельных труб 3 свободно устанавливают дистанционирующие вкладыши 11, выполненные, например, в виде пластин, труб, цилиндров или параплелепипедов. Вкладыши 11 сделаны с рядом отверстий с шагом, равным шагу арматурных труб 3 по образук1цей корпусе 1 лечи. На концах 6 труб

3, имеющих возможность осевого перемещения во втулках 2, установлены инжекционные насадки 12 с конфузореми 13.

По образующей корпуса 1 печи установлены воздушные коллекторы 14, снабженные соплами 15, каждое из которых направлено строго по оси инжекционных насадок 12 и входит в полость конфузоров

13. Воздушные коллекторы 14 и их сопла 15 жестко закреплены к корпусу 1 печи и подсоединены к кольцевому воздушному коллектору 16, который, в свою очередь, подсоединен посредством радиальной трубы 17 к осевой трубе 18, входя55 шей эа предепами корпуса 1 печи в стационарное сапьниковое устройство 19, а последнее подключено гибким шлангом к

58 6 стационарной цеховой воздушной магистрали 20, B ollHoM из вариантов устройстве (фиг. 12) арматурные трубы 3 снабжены отверстиями 21 и заглушками 22, установленными на торцах жестко закрепленных концов 4 трубы 3. В торцах блоков

7 есть отверстия 23. Блоки 7 фасонной футеровки могут быть выполнены в виде клиньев. Укпадка клиновых блоков 7 осуществляется таким образом, что направления клиньев чередуются (фиг. 11).

Блоки 7 могут быть выполнены крупноразмерными с несколькими отверстиями дпя труб 3, преимущественно в виде цельнолитных или прессованных блоков из шемотобетоне на основе высокоглиноземистого цемента, обладающего высокой термостойкостью и жаропрочностью. На боковой поверхности блоков 7 в области между параллельными трубами 3 выполнены желоба 24 полуцилиндрической формы.

Бпагодеря этому боковая поверхность бпоков 7 увеличивается в 1,2-1,3 раза. В желобах 24 имеются перфорации 9 круглой или прямоугольной формы.

На торцовых поверхностях блоков 7 выполнены пазы 25, повторяющие форму вкладышей 11. Пазы 25 по длине нескопько короче длины блока 7, что при стыковке соседних блоков 7 обеспечивает защиту вкладышей 11 от высокой температуры.

Блоки 7 могут быть армированы стальным каркасом 26, например из проволоки, который изготовляют в виде цилиндров 27, соединенных между собой в месте расположения желобов 24 пластинами 28, причем проволочный каркас 26 и пластины

28 покрывают перед заливкой бпоков 7 соответственно асбестовым шнуром 29 и асбестовым листом 30. Корпус 1 печи изнутри в месте установки теплообменника имеет огнеупорную футеровку 31.

Устройство работает следующим образом.

Сухой гранупированный, мелкокусковой или;пыпевидный материал известными при« емами при вращении печи подают в зону установки теплообменника. Попадая на лопасть, образованную рядом параллельных армировочных труб 3 и блоков 7 футеровки этих труб 3, материал поднимается выше оси печи и после достижения высоты, соответствующей углу естественного откоса материала, начинает перемещаться по плоскости лопасти теплообменника. Перемешаясь по желобам 24, материал частично попадает в перфорации 9 блоков 7.

Через них мелкодисперсный материал не7 8005 обходимой (по условиям расчета теплообмена) фракции выпадает с лопасти в го рячий газовый поток печи, в котором интенсивно подогревается во взвешенном состоянии. Фракции, размер которых превышает диаметр (ширину) перфорации 9, скользят по желобам 24 до диаметрально противоположной стороны лопасти и снова попадают в слой, находяшийся на футеровке 31 корпуса 1 печи. Далее при движении материала по уклону печи в сторону разгрузочного конца цикл повторяется.

Раскаленный газовый поток печи отдает свое тепло блокам 7 фасонной футеровки труб 3, а последние отдают тепло круп- нодисперсному материалу, перемешакяцемуся по их развитой боковой поверхности, Таким образом, осушествляется регенеративный теплообмен между печными газами и крупнодисперсным материалом и теп-, лообмен во взвешенном состоянии между газами и относительно мелкодисперсным ма те риалом, которы и проваливается через перфорации 9 в логастях тенлообменника.

Регенеративны и теплообмен усиливается благодаря развитой боковой поверхности блоков- 7.

При разделении материала на ряд слоев небольшой высоты снижается его термическое сопротивление, в результате чего материал разогревается быстрее. Температура внутри блока 7 футеровки труб

3 может достигнуть (особенно в центре печи) величины, при которой начинается деформация труб 3, вслед за чем происхо35 дит разрушение блоков 7 футеровки с дальнейшим выгоранием труб 3. Для устранения этого нежелательного явления в трубы 3 через инжекционные насадки,12 посредством сопел 15 подают охлаждаюший 4О воздух. Сжатый воздух с давлением 2-3 ати от стационарной магистрали 20 по гибкому шлангу подаЮт к сальниковому устройству

19, Из сальникового устройства 19 воздух проходит во вршцающуюся вместе с печью осевую трубу 18 и далее через радиальную трубу 17 вЂ” в кольцевой коллектор

16, из которого распределяется по продольным воздушным коллекторам 14 и соплам 15. Выходя из сопел 15 с большой скоростью, сжатый воздух создает разрежение в конфузорах 13 и увлекает воздух из окружаюшей среды, который входит в инжекционные насадки 12 и далее поступает в трубы 3, охлаждая их

55 до заданной температуры, которая несколько ниже температуры начала деформации труб 3 при нагрузке. В данном случае такой нагрузкой являются блоки 7 футе58 8 ровки труб 3. Однако температура труб

3 должна быть не ниже температуры, при которой температура наружной поверхности блоков 7 может быть недостаточной для создания эффективного подогрева материала. Воздух после прохода труб 3 удаляется через второй открытый конец 4 трубы 3 в атмосферу, При выполнении труб 3 с отверстиями

21, когда их жестко закрепленные концы 4 заглушены, воздух поступает через отверстия 21 в трубах 3 в отверстия

23 в торцах блоков 7 и далее через них вЂ” a пространство печи. Такой вариант целесообразен в тех случаях, когда воздух необходим для прохождения технологического процесса, или, например, для дожигания продуктов неполного сгорания топлива на поверхности или в области теплообменника. Такое дожигание, например окиси углерода, необходимо в печах для производства клинкера белого цемента, когда в зоне спекания клинкера создается восстановительная среда и образуется окись углерода при неполном сгорании топлива.

Ложигание окиси углерода в области теплообменника способствует интенсификации теплообмена и снижению удельного расхода топлива на обжиг клинкера.

При повышении температуры арматурных труб 3 их длина незначительно увеличивается. При этом свободно установленные концы 6 труб 3 перемещаются во втулках 2. В свою очередь, перемещая инжекционные насадки 12 и их конфуэоры

13 в сторону жестко установленных на корпусе 1 печи сопел 15. При холодной печи, а следовательно, и холодных трубах

3 сопла 15 установлены в конфузорах 13 в таком положении, чтобы коэффициент инжекции, зависящий от скорости истечения инжектирующего (сжатого) воздуха и конструкции насадки 12, был ниже максимальной величины, т.е. сопла 15 не должны быть углублены в конфузоры 13 до уровня, при котором обеспечивается максимальное инжектирование. Чем выше температура труб 3, тем больше их удлинение, ближе обрез сопла 15 к оптимальному положению и выше коэффициент инжекции при неизменном давлении инжектирующей среды (сжатого воздуха). Из окружаюшей среды при повышении температуры труб 3 поступает все большее количество воздуха, охлаждая трубы 3 до расчетной величины. При понижении температуры и сокращении длины труб 3 количество охлаждающего воздуха уменьшается в результате удаления обрезов

1. Встроенный теппообменник вращающейся печи дпя обжига сыпучего материIS апа, преимущественно цементной сырьевой смеси, содержащий ряды параллельных арматурных труб, закрепленных диаметрально своими концами на корпусе печи, с нанизанными на HRx фасонными блоками

gg футеровки с отверстиями для труб и систему охлаждения труб, подсоединенную к воздушным коллекторам, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения эффективности тепловой обработки и

25 надежности работы, футеровка арматурных труб снабжена свободно установленными

На трубах между блоками дистанционирующими вкдадьпцами, а фасонные блоки на уча. стках между параллельными арматурными

Зо трубами с перфорациями, перпендикуляр- . ными отверстиям дпя труб, диаметром, равным 0,02-0,4 расстояния между трубами, причем одни концы труб прикреплены к корпусу печи жестко, а другиес возможностью осевого перемещения, а

35 система охлаждения труб выполнена в виде закрепленных на подвижных концах труб инжекционных насадков с конфузорами, в которых установлены сопла, жестко закрепленные на корпусе печи и подсоединенные к воздушным коллекторам.

2. Теппообменник по и. 1, о т п ивЂ” ч а ю шийся тем, что арматурные трубы снабжены установленными на :их

45 жестко закрепленных концах заглушками и выполнены с отверстиями по длине.

3. Теппообменник по и. 1, о т и ич а ю шийся тем, что он снабжен установленными в месте контакта блоков

S0 с корпусом печи асбестовыми прок .

4. Теппообменник по и. 1, о т и ич а ю ш и и с я тем, что дистанционируюшие вкладыши выполнены в виде пер,форированных труб с диаметром, в 1,52 раза превышающим диаметр арматурных

55 труб.

5. Теплообменник по и. 1, о т и ич а ю шийся тем, что дистанционируюшие вкладыши выполнены в виде цепь

9 80 сопел 15 от оптимального положения внутри конфузоров 13.

Таким образом обеспечивается автоматическое регулирование температуры ар» матурных труб 3 ° Особенно важно такое регулирование при разрушении блоков 7 и оголении арматурных труб 3. При соприкосновении труб 3 непосредственно с раскапенными газами происходит их резкое удлинение. При этом обрез сопла

15 максимально приближается к оптимальному положению, обеспечивающему максимальный расход воздуха через трубу 3 и максимапьное ее охлаждение, что предохраняет трубы 3 от деформации и выпадения оставшихся целых блоков 7. При расширении в панепи асбестовые прокладки 10, расположенные между корпусом

1 печи и крайними блоками 7, сжимаются, что предохраняет блоки 7 от раскалывания. Листанционирующие вкладыши 11 кроме своего прямого назначения служат для увеличения жесткости лопасти теплообменника, образованной рядом параллель» ных труб 3. Благодаря выполнению арматуры блока 7 в виде нескольких цилиндрических проволочных каркасов 26 и связи их с помощью пластин 28 происходит объемное расширение арматуры. При этом асбестовый шнур 29, покрывакхций проволоку, сжимается, не давая возможности металлу упереться в бетон и разрушить

его. Соединительные пластины 28, объемно расширяясь, частично сжимают соседние проволочные каркасы 26 и асбестовые листы 30, приклеенные к их плоскости»

Такое выполнение арматуры позволяет блоку 7 выдерживать значительные механические нагрузки в условиях температур до 1200 С. Предлагаемый для отливки блоков 7 высокоглиноземистый цемент с заполнителем в виде полидисперсной шамотной крошки позволяет применять блоки при температурах ао 1500 С и выше.

Волнистая боковая поверхность блока 7, лишенная острых углов, а следовательно, и мест концентраций напряжений, также способствует повышению термостойкости блоков 7 футеровки.

Предлагаемый теплообменник устанавливают во врашаюшихся печах для обжига клинкера в зонах подогрева и декарбонизации при температурах газового потока 900-120СРС, т.е. там, где известные TeIIIIooGMBHHHKH из легированных сталей не могут длительно работать. Особое значение имеет установка предлагаемого теплообмеHHHKB в печBx для получения

0558 1О специальных видов цемента, например белого или особочистого высокогпиноземистого, где недопустимы присадки железа к сырьевому материалу.

Применение предлагаемого теппообменника снижает удельный расход топлива на обжиг клинкера и повышает производительность печи.

Формула изобретения

11 800558 12 нолитых цилиндров или параллелепипедов. снабжен арматурой в виде цилиндрических

6. Теплообменник по и. 1, о т л и- проволочных каркасов, связанных между ч а ю шийся тем, что на боковой собой в месте выполнения желобов пласповерхности блоков, контактирующей с тинами, причем проволока каркасов и лпаспечными газами и материалом, в простран- > тины покрыты, соответственно, шнуровым стве между арматурными трубами выпол- и листовым асбестом. иены желоба, причем перфорация в блоках Источники информации, выполнена в желобах, а торцы блоков вы- принятые во внимание при экспертизе полнены с пазами под дистанционируюшие 1. Патент США 34 3227430, вкладыши. щ кл. 263 33, опублик. 1966.

7. Теплообменник по и. 1, о т л и- 2. Патент США М 3227488, ч а ю шийся тем, что каждый блок кл. 263-33, опублик. 1966 (прототип). 800558

Составитель Л. Петрова

Танкред М. Лоя Корректор И. Муска.

Редактор Н. Безродная

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 10380/44 Тираж 669 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушсхая наб., д. 4/5