RU2036011C1

RU2036011C1 - Method of the material grinding during the thermochemical processing and device for its realization

Info

Publication number: RU2036011C1
Application number: RU94004753A
Authority: RU
Inventors: В.К. Артемьев; Ю.Х. Карданов
Original assignee: Артемьева Елена Владимировна
Priority date: 1994-02-21
Filing date: 1994-02-21
Publication date: 1995-05-27

Abstract

FIELD: chemical industry. SUBSTANCE: processes of finely divided grinding and thermal influence on the raw material at the temperatures of disintegration and dissociation of components are integrated in space and time. They are carried out continuously and simultaneously in the thermal gas dynamical chamber. The finely divided grinding in the thermal gas dynamical chamber is fulfilled by feeding the high-speed hot energy-producing gas into the zone of thermal influence at the temperatures of disintegration and dissociation of components. In this case the hard phase of the product is continuously taken out of the zone of the combined processing, is separated from the gas phase, is precipitated in the hot state and then it is cooled. EFFECT: enhanced efficiency of the thermochemical processing in the course of disintegration and dissociation of the material by means of fast and uniform calcination of particles to all their depth, prevention (suppression) of reverse chemical processes. 2 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемые способ и устройство для его осуществления предназначены для мелкодисперсного газодинамического измельчения материалов при термомеханической обработке и могут быть использованы в строительной, металлургической, химической и других отраслях промышленности. The proposed method and device for its implementation are intended for fine gas-dynamic grinding of materials during thermomechanical processing and can be used in the construction, metallurgical, chemical and other industries.

Известны способы и устройства, предназначенные для обработки исходного материала в печах кипящего слоя, шахтных, циклонных вращающихся печах или аппаратах псевдоожиженного слоя. Known methods and devices for processing the source material in fluidized bed furnaces, shaft, cyclone rotary kilns or fluidized bed apparatuses.

Общим недостатком известных способов и устройств является относительно низкая эффективность термохимической обработки, обусловленная тем, что операции измельчения, термического воздействия, осаждения разделены в пространстве и времени. При этом трудно обеспечить условия, предотвращающие обратные химические реакции, что ведет к замедлению процесса и получению продукта более низкого качества. Так, например, в большинстве случаев термическому воздействию подвергают относительно крупные частицы или гранулы с размерами от 160 мкм и 300-500 мкм до 10 и 30 мм, что сильно снижает эффективность разложения и диссоциации компонент в процессе термохимической обработки, увеличивает время протекания этого процесса до 60-80 с и 115-155 с, повышает потребную температуру термообработки до 1273-1373 К, ведет к недообжигу или переобжигу частиц. A common disadvantage of the known methods and devices is the relatively low efficiency of thermochemical processing, due to the fact that the operations of grinding, thermal exposure, deposition are separated in space and time. It is difficult to provide conditions that prevent reverse chemical reactions, which leads to a slowdown of the process and to obtain a lower quality product. So, for example, in most cases, relatively large particles or granules with sizes from 160 microns and 300-500 microns to 10 and 30 mm are subjected to thermal treatment, which greatly reduces the efficiency of decomposition and dissociation of components during the thermochemical treatment, increases the time it takes to 60-80 s and 115-155 s, increases the required heat treatment temperature to 1273-1373 K, leads to under-firing or re-firing of particles.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ механотермохимической обработки сыпучих материалов, в соответствии с которым операции измельчения и термического воздействия на исходное сырье в значительной мере сближены в пространстве и времени. Осуществляют их в дискретно-непрерывном режиме при циклически чередующейся подаче потоков материала. Однако такой режим не обеспечивает полного совмещения процессов измельчения и разложения при термической диссоциации, что, как указывалось выше, снижает эффективность термохимической обработки. Более того, цикл импульсно-струйного измельчения следует за циклом относительно длительной термической обработки из-за больших размеров частиц ≈ 30 мм и низкой для таких размеров температуры обжига ≈ 1073 К. Длительное время пребывания частиц в областях газодинамического (измельчение) и термического воздействий требует снижения скоростей движения среды в этих областях примерно до уровня транспортных скоростей ( ≈ 5.15 м/с) и периодической полной остановки этого движения. При этом для обеспечения потребной производительности устройств промышленного масштаба приходится создавать аппараты больших габаритов с развитыми поверхностями теплопотерь в окружающую среду. Энергетические характеристики снижаются также из-за необходимости длительного термического воздействия на материал. Closest to the proposed technical solution is a method of mechanothermochemical processing of bulk materials, in accordance with which the operations of grinding and thermal impact on the feedstock are largely brought together in space and time. They are carried out in discrete-continuous mode with cyclically alternating flow of material flows. However, this mode does not provide a complete combination of grinding and decomposition processes during thermal dissociation, which, as mentioned above, reduces the efficiency of thermochemical treatment. Moreover, the pulse-jet grinding cycle follows a relatively long heat treatment cycle because of the large particle sizes ≈ 30 mm and the low firing temperature ≈ 1073 K for such sizes. The long residence time of particles in the areas of gas-dynamic (grinding) and thermal effects requires a reduction the velocities of the medium in these areas up to the level of transport speeds (≈ 5.15 m / s) and a periodic complete stop of this movement. At the same time, to ensure the required performance of industrial-scale devices, it is necessary to create large-sized devices with developed heat loss surfaces in the environment. Energy characteristics are also reduced due to the need for prolonged thermal effects on the material.

Цель изобретения повышение эффективности термохимической обработки в процессе разложения и диссоциации материала путем быстрого и равномерного прокаливания частиц на всю их глубину, а также предотвращения (подавления) обратных химических процессов. The purpose of the invention is to increase the efficiency of thermochemical processing in the process of decomposition and dissociation of a material by quickly and uniformly calcining particles to their entire depth, as well as preventing (suppressing) reverse chemical processes.

Поставленная задача решается тем, что в способе измельчения материала при термохимической обработке, включающем предварительное измельчение материала, его подогрев и сушку отходящими газами, мелкодисперсное газодинамическое измельчение, термическое воздействие при температурах разложения и диссоциации компонент материала, разделение твердой и газовой фаз продукта, осаждение и охлаждение твердой фазы, процессы мелкодисперсного измельчения и термического воздействия на сырьевой материал совмещают в пространстве и времени, ведут их непрерывно и одновременно, а мелкодисперсное измельчение осуществляют путем подачи высокоскоростного подогретого газа в область термического воздействия, при этом твердую фазу пpодукта непрерывно выводят из области совмещенной обработки, отделяют от газовой фазы и осаждают в горячем состоянии, а затем охлаждают. The problem is solved in that in the method of grinding material during thermochemical processing, including preliminary grinding of the material, its heating and drying with exhaust gases, fine gas-dynamic grinding, thermal exposure at decomposition and dissociation temperatures of the material components, separation of the solid and gas phases of the product, precipitation and cooling the solid phase, the processes of fine grinding and thermal effects on the raw material are combined in space and time, lead them continuously and simultaneously, and fine grinding is carried out by supplying a high-speed heated gas to the heat-affected area, while the solid phase of the product is continuously removed from the combined processing area, separated from the gas phase and precipitated in a hot state, and then cooled.

В предлагаемом способе процессы тонкого измельчения и термохимической обработки сырьевого материала совмещены в пространстве и времени. Это означает, что в одной и той же области обработки материал непрерывно и одновременно подвергают интенсивному газодинамическому измельчению и термическому воздействию до температур разложения, включая диссоциацию, а получаемый продукт обработки также непрерывно выводят из этой области, отделяют от образовавшейся газовой фазы и осаждают в горячем циклоне. In the proposed method, the processes of fine grinding and thermochemical processing of raw materials are combined in space and time. This means that in the same treatment area the material is continuously and simultaneously subjected to intensive gas-dynamic grinding and thermal treatment to decomposition temperatures, including dissociation, and the resulting treatment product is also continuously removed from this area, separated from the formed gas phase and precipitated in a hot cyclone .

Сущность предлагаемого способа иллюстрируется примерами основных положений механизма диссоциации карбонатов на основе схемы разложения кальцита СаСО₃.The essence of the proposed method is illustrated by examples of the main provisions of the mechanism of dissociation of carbonates based on the decomposition of calcite CaCO ₃ .

1. Теоретическая температура декарбонизации кальцита СаСО₃ (частный случай разложения и диссоциации) составляет око- ло 1153 К, что соответствует температуре декарбонизации, найденной экспериментально.1. The theoretical decarbonization temperature of calcite CaCO ₃ (a special case of decomposition and dissociation) is about 1153 K, which corresponds to the decarbonization temperature found experimentally.

2. Диссоциация карбонатов при термообработке кальцита СаСО₃ начинается с образования ионов (катионов Са²⁺, анионов Са₃ ^2-) и последующего распада СО₃ ²- СО₃ ^2- ->> СО₂ + О^2-, при условии достижения температур, при которых молекулы диоксида углерода СО₂ накопили запас кинетической энергии, достаточный для отрыва от аниона О^2-. Так как молекула СО₂ обладает сравнительно большими размерами, то удаление ее из глубинных слоев кристаллической решетки СаСО₃ путем диффузии весьма затруднительно. Длительное же пребывание молекул СО₂ в окружении анионов О^2- приводит к неизбежному образованию исходного СО₃ ^2-. Диссоциация последнего легко осуществляется лишь тогда, когда образовавшаяся молекула СО₂ сможет удалиться от аниона О^2- на достаточное расстояние за время, соизмеримое с частотой колебаний частиц в решетке. Подобные условия имеются на поверхности частицы материала или его кристалла. По мере развития этого процесса (распада СО₃ ^2-) вблизи активных центров происходит накопление адсорбированных молекул СО₂ и увеличение концентрации ионов О^2- в поверхностном слое твердой частицы или кристалла. В то время, как удаление СО₂ в газовую фазу, т.е. его десорбция, осуществляется относительно легко и быстро, диффузия анионов кислорода О^2- внутри твердой частицы (особенно внутри больших кусков дробленого материала или гранул) крайне затруднена. Ей препятствуют большие размеры частиц материала, недостаточно высокая температура процесса особенно в глубинных слоях частиц, большая энергия связи катионов кальция Са²⁺ с анионами кислорода О^2-.2. The dissociation of carbonates during heat treatment of CaCO ₃ calcite begins with the formation of ions (Ca ²⁺ cations, Ca ₃ ^2- anions) and the subsequent decomposition of CO ₃ ² - CO ₃ ^2- -> СО ₂ + О ^2- , provided that temperatures are reached in which the molecules of carbon dioxide CO ₂ accumulated a kinetic energy reserve sufficient to detach from the O ^2– anion. Since the CO ₂ molecule has a relatively large size, it is very difficult to remove it from the deep layers of the CaCO ₃ crystal lattice by diffusion. A long stay of CO ₂ molecules surrounded by O ^2– anions leads to the inevitable formation of the initial CO ₃ ^2– . The dissociation of the latter is easily carried out only when the formed CO ₂ molecule can be removed from the O ^2– anion by a sufficient distance in a time commensurate with the vibration frequency of the particles in the lattice. Similar conditions exist on the surface of a particle of a material or its crystal. As this process develops (CO ₃ ^{2– decomposition} ) near active centers, adsorbed CO ₂ molecules accumulate and the concentration of O ^2– ions in the surface layer of a solid particle or crystal increases. While the removal of CO ₂ into the gas phase, i.e. its desorption is relatively easy and fast; diffusion of O ^2– oxygen anions inside a solid particle (especially inside large pieces of crushed material or granules) is extremely difficult. It is hindered by the large particle size of the material, the insufficiently high temperature of the process, especially in the deeper layers of the particles, the high binding energy of calcium cations Ca ²⁺ with oxygen anions O ^2- .

Следовательно, образовавшиеся на первом этапе распада СО₃ ^2- молекулы углекислого газа СО₂ необходимо активно удалять из области обработки материала путем передачи им части кинетической энергии высокоскоростной несущей газовой фазы, в которой происходит обработка сырьевого материала. Тонкодисперсное измельчение путем интенсивного газодинамического воздействия на частицы следует совместить в пространстве и времени с термическим воздействием, чтобы обработке подвергались частицы по возможности микронных и субмикронных размеров. Это способствует быстрому прогреванию всей массы частицы до необходимых температур, ускоряет диффузионные процессы внутри частицы, делает возможным распад СО₃ ^2- в темпе измельчения частиц сырьевого материала.Therefore, the CO ₂ ² molecules of carbon dioxide formed at the first stage of the decomposition of CO ₂ must be actively removed from the material processing area by transferring to them part of the kinetic energy of the high-speed carrier gas phase in which the raw material is processed. Fine grinding by intense gas-dynamic action on the particles should be combined in space and time with thermal action, so that the particles are treated with micron and submicron sizes, if possible. This contributes to the rapid heating of the entire mass of the particle to the required temperatures, accelerates the diffusion processes inside the particle, makes it possible to decompose CO ₃ ^2- at the rate of grinding of the particles of the raw material.

3. Дальнейшее развитие процесса декарбонизации сосредоточено как вблизи, так и на границе раздела СаСО₃ и новообразованной фазы СаО (Са²⁺ + О^2- ->>СаО). На этой границе облегчается распад аниона СО₃ ^2- вследствие деформирующего влияния на него оксида кальция СаО. Увеличение количества новой фазы СаО приводит к росту появившихся кристаллов СаО. При этом наряду с ростом зародышей СаО происходит также их дальнейшее образование. Возникновение зародышей новой фазы СаО сильно тормозится небольшой подвижностью ионов в решетке. Зародыши могут появляться с измеримой скоростью лишь при значительных пересыщениях. Поэтому размеры кристаллических зародышей и образующихся кристаллов СаО малы, а возникающая новая фаза в целом находится в весьма мелкодисперсном состоянии. С появлением границ раздела между СаСО₃ и СаО процесс ускоряется и становится автокаталитическим. Однако с того момента, когда отдельные поверхности, возникшие вокруг начальных активных центров, в процессе своего увеличения сближаются, общая поверхность уменьшается с дальнейшим продвижением фронта реакции в глубь кристалла. Это приводит к непрерывному уменьшению скорости реакции после достижения максимального значения, соответствующего наибольшей поверхности раздела.3. Further development of the decarbonization process is concentrated both near and at the interface between CaCO ₃ and the newly formed phase of CaO (Ca ²⁺ + O ^2- -> CaO). At this boundary, the decomposition of the СО ₃ ^2– anion is facilitated due to the deforming effect of calcium oxide CaO on it. An increase in the amount of the new CaO phase leads to the growth of CaO crystals that have appeared. In addition to the growth of CaO nuclei, their further formation also occurs. The nucleation of a new CaO phase is strongly inhibited by the small mobility of ions in the lattice. Embryos can appear at a measurable rate only with significant supersaturations. Therefore, the sizes of crystalline nuclei and the resulting CaO crystals are small, and the emerging new phase as a whole is in a very finely dispersed state. With the advent of the interface between CaCO ₃ and CaO, the process accelerates and becomes autocatalytic. However, from the moment when the individual surfaces that have arisen around the initial active centers approach each other during their increase, the total surface decreases with the further advance of the reaction front deep into the crystal. This leads to a continuous decrease in the reaction rate after reaching the maximum value corresponding to the largest interface.

В связи с этим на второй стадии процесса разложения и диссоциации СаСО₃ также целесообразно производить непрерывное измельчение материала в темпе прохождения реакций диссоциации и образования новой фазы СаО. Такое принудительное увеличение поверхности раздела между СаСО₃ и СаО способствует поддержанию высокой скорости прохождения реакции рекристаллизации СаО.In this regard, at the second stage of the decomposition and dissociation of CaCO _{3, it is} also advisable to continuously grind the material at the rate of dissociation and the formation of a new CaO phase. Such a forced increase in the interface between CaCO ₃ and CaO helps to maintain a high rate of passage of the CaO recrystallization reaction.

4. Замедление процесса новообразования фазы СаО связано также с утолщением внешнего слоя, образованного продуктом реакции, т.е. СаО, на кристаллах СаСО₃. По мере увеличения толщины этого слоя удаления возникающего в результате реакции углекислого газа СО₂ путем диффузии через слой СаО и предотвращение обратной реакции карбонизации СаО требует все более возрастающих перепадов давления между газом в объеме и у поверхности раздела между СаСО₃ и СаО. При определенных условиях диффузия СО₂ через слой СаО может стать лимитирующим фактором, определяющим скорость всего процесса декарбонизации СаСО₃.4. The retardation of the CaO phase neoplasm process is also associated with a thickening of the outer layer formed by the reaction product, i.e. CaO, on CaCO ₃ crystals. As the thickness of this layer increases, removing the resulting carbon dioxide CO ₂ by diffusion through the CaO layer and preventing the reverse reaction of CaO carbonization requires ever-increasing pressure drops between the gas in the volume and at the interface between CaCO ₃ and CaO. Under certain conditions, the diffusion of CO ₂ through the CaO layer can become a limiting factor determining the rate of the entire process of decarbonization of CaCO ₃ .

Поэтому принудительное увеличение поверхности раздела между фазами СаСО₃ и СаО и освобождение при этом поверхности еще недекарбонизированных кристаллов СаСО₃ от экранирующего слоя новой фазы СаО также требует одновременного осуществления процессов тонкодисперсного измельчения частиц и температурного воздействия на них в одной и той же области обработки. Углекислый газ СО₂ следует активно удалять из области обработки материала, и в последствии быстро разделять газовую и твердую фазы друг от друга в непосредственной близости от области обработки и в горячем состоянии.Therefore, the forced increase in the interface between the phases of CaCO ₃ and CaO and the release of the surface of non-decarbonized CaCO ₃ crystals from the screening layer of the new CaO phase also requires the simultaneous implementation of fine particle grinding and temperature effects on them in the same processing area. Carbon dioxide CO ₂ should be actively removed from the processing area of the material, and subsequently quickly separate the gas and solid phases from each other in the immediate vicinity of the processing area and in the hot state.

5. Утолщение покрова СаО затрудняет подвод тепла к границе раздела между карбонатом и оксидом кальция. Это может, в свою очередь, замедлить диссоциацию карбоната из-за недостаточной температуры глубинных слоев частиц СаСО₃. С увеличением толщины теплоизоляционного слоя СаО для поддержания постоянной скорости разложения карбоната требуется увеличение температуры внешних слоев частиц материала. При их обжиге в традиционных промышленных печах это обстоятельство может привести, с одной стороны, к переобжигу поверхностных слоев частиц (особенно крупных) и недообжигу внутренних слоев, а с другой стороны, к неоправданно высоким затратам тепловой энергии.5. The thickening of the CaO cover makes it difficult to supply heat to the interface between the carbonate and calcium oxide. This, in turn, can slow down the dissociation of carbonate due to the insufficient temperature of the deep layers of CaCO ₃ particles. With an increase in the thickness of the CaO heat-insulating layer, an increase in the temperature of the outer layers of material particles is required to maintain a constant rate of carbonate decomposition. When fired in traditional industrial furnaces, this circumstance can lead, on the one hand, to re-firing of the surface layers of particles (especially large ones) and under-firing of the inner layers, and, on the other hand, to unreasonably high costs of thermal energy.

Предлагаемое непрерывное измельчение материала, совмещенное в пространстве и времени с термическим воздействием, способствует получению продукта СаО более высокого качества за счет разрушения теплоизоляционного слоя СаО и облегчения тем самым термического воздействия на глубинные слои частиц СаСО₃, а также позволяет уменьшить энергозатраты за счет некоторого снижения потребных температур реакции.The proposed continuous grinding of the material, combined in space and time with thermal exposure, helps to obtain a higher quality CaO product due to the destruction of the CaO insulating layer and thereby facilitates the thermal effect on the deeper layers of CaCO ₃ particles, and also allows to reduce energy consumption due to some reduction in the required reaction temperatures.

6. Негативный в рассматриваемом смысле процесс обратная карбонизация СаО имеет много общих черт с прямым процессом декарбонизации. Для существования обратного процесса молекулы газообразного СО₂ должны иметь возможность достигнуть поверхности СаО и адсорбироваться на ней. Акт адсорбции СО₂ на СаО тесно связан с образованием комплексного аниона СО₃ ^2-. Постепенное накопление анионов карбоната в поверхностном слое оксида ведет к образованию твердого раствора СаСО₃ в СаО вблизи активных центров. С момента образования вблизи активных центров кристаллов СаСО₃ процесс сосредотачивается около и на границе раздела между СаО и СаСО₃, т.е. в области, благоприятной для его дальнейшего развития. Здесь происходит образование трехмерных зародышей и рост возникших кристаллов. Появление и развитие поверхности раздела между оксидом и вторичным карбонатом кальция действует как ускоряющий фактор, и процесс приобретает автокаталитический характер. Может произойти значительное ослабление основного процесса разложения и диссоциации СаСО₃.6. The process of reverse carbonation of CaO, which is negative in the sense under consideration, has many common features with the direct process of decarbonization. For the reverse process to exist, gaseous CO ₂ molecules must be able to reach the CaO surface and be adsorbed on it. The act of adsorption of CO ₂ on CaO is closely related to the formation of a complex anion of CO ₃ ^2- . The gradual accumulation of carbonate anions in the surface oxide layer leads to the formation of a CaCO ₃ solid solution in CaO near the active centers. Since the formation of CaCO ₃ crystals near the active centers, the process has been concentrated near and at the interface between CaO and CaCO ₃ , i.e. in an area favorable for its further development. Here, the formation of three-dimensional nuclei and the growth of crystals that arise. The appearance and development of the interface between the oxide and secondary calcium carbonate acts as an accelerating factor, and the process becomes autocatalytic in nature. A significant weakening of the basic decomposition and dissociation of CaCO ₃ can occur.

Активное удаление газовой фазы, в частности углекислого газа, из области обработки материала и отделение СО₂ от образовавшегося оксида кальция уменьшают вероятность адсорбции молекул СО₂ на поверхности кристаллов СаО и тем самым подавляют процесс вторичной карбонизации продукта прямой реакции.Active removal of the gas phase, in particular carbon dioxide, from the material processing area and the separation of CO ₂ from the formed calcium oxide reduce the probability of adsorption of CO ₂ molecules on the surface of CaO crystals and thereby suppress the process of secondary carbonization of the direct reaction product.

Предлагаемый способ может быть осуществлен устройством новой конструкции для измельчения материала при термохимической обработке, содержащим дробильный агрегат, теплообменный аппарат сушки и подогрева сырьевого материала, дозирующий питатель, генератор горячего газа с каналами, цилиндрическую термогазодинамическую камеру мелкодисперсного измельчения и термомеханической обработки материала с каналами загрузки и выгрузки и соплами подачи газового энергоносителя, группу циклонов осаждения. The proposed method can be implemented by a device of a new design for grinding material during thermochemical processing, containing a crushing unit, a heat exchanger for drying and heating raw materials, a metering feeder, a hot gas generator with channels, a cylindrical thermogasdynamic chamber of fine grinding and thermomechanical processing of material with loading and unloading channels and gas supply nozzles, a group of precipitation cyclones.

Отличие устройства от известного, позволяющее осуществить новый способ, состоит в том, что термогазодинамическая камера выполнена с тангенциальными соплами подачи горячих высокоскоростных струй энергетического газа, соединенными каналами с генератором горячего газа, группа циклонов осаждения состоит из горячих (адиабатических) теплых и холодных циклонов, при этом каналы выгрузки также выполнен тангенциальными и соединяющими внутренний объем камеры с горячим циклоном осаждения. The difference between the device and the known one, which makes it possible to implement a new method, is that the thermogasdynamic chamber is made with tangential nozzles for supplying hot high-speed jets of energy gas connected by channels to a hot gas generator, the group of precipitation cyclones consists of hot (adiabatic) warm and cold cyclones, when this discharge channels are also made tangential and connecting the inner volume of the chamber with a hot deposition cyclone.

На фиг. 1 приведена технологическая схема пpоцесса мелкодисперсного измельчения при термохимической обработке; на фиг.2 конструктивная схема устройства для мелкодисперсного измельчения материала при термохимической обработке; на фиг.3 сечение А-А фиг.2. In FIG. 1 shows the technological scheme of the process of fine grinding during thermochemical processing; figure 2 is a structural diagram of a device for fine grinding of material during thermochemical processing; figure 3 section aa figure 2.

В таблице приведены результаты масс-химического анализа продукта, полученного обработкой магнезиального сырья низкого качества. The table shows the results of mass chemical analysis of the product obtained by processing low quality magnesian raw materials.

Предлагаемое устройство для мелкодисперсного измельчения материала при термохимической обработке (см. фиг.1, 2, 3) содержит группу циклонов осаждения твердой фазы: горячие (адиабатические) (1,2), теплые (3,4) и холодные (или группу холодных) (5); дробильный агрегат (6); против оточно-прямоточные вибрационные теплообменные трубы: холодно-теплую (7) и горячую (8); вибрационный тарельчатый питатель-дозатор (9); газодинамическую камеру измельчения и термохимической обработки (10); фильтры (11, 12); вентиляторы тянущие (13, 14) и нагнетающий (воздуходувка) (15); делители холодного воздуха (16); смесители материальных и газовых потоков (17); бункер готового продукта (18); сборник углекислого газа (или другого выделяющегося при разложении газа) (19); компрессор воздушный (20); ресивер воздушный (21); сопла (22) подачи энергоносителя; генератор горячего газа (23) с жаровой трубой; ресивер горячего воздуха (24); баллон (блочную или компрессорную станцию) углеводородного природного газа (25). Между циклонами (1,3) и соответствующими фильтрами (11, 12) могут быть установлены при необходимости дополнительные теплообменные аппараты (на фиг.1 показаны штриховой линией). Устройство снабжено регулирующей и контрольно-измерительной аппаратурой: регуляторами давления (26); измерителями давления (27), массового или объемного расхода (28), температуры (29) и др. The proposed device for fine grinding of material during thermochemical processing (see Figs. 1, 2, 3) contains a group of cyclones for precipitation of a solid phase: hot (adiabatic) (1,2), warm (3,4) and cold (or a group of cold) (5); crushing unit (6); against outflow-direct-flow vibrational heat transfer pipes: cold-warm (7) and hot (8); vibrating plate feeder-dispenser (9); gas-dynamic chamber of grinding and thermochemical treatment (10); filters (11, 12); pulling fans (13, 14) and blowing fans (blower) (15); cold air dividers (16); mixers of material and gas flows (17); finished product hopper (18); a collection of carbon dioxide (or other gas released during decomposition) (19); air compressor (20); air receiver (21); energy supply nozzles (22); a hot gas generator (23) with a flame tube; hot air receiver (24); cylinder (block or compressor station) of hydrocarbon natural gas (25). Between the cyclones (1,3) and the corresponding filters (11, 12), additional heat exchangers can be installed if necessary (shown in Fig. 1 by a dashed line). The device is equipped with regulating and measuring equipment: pressure regulators (26); pressure gauges (27), mass or volumetric flow (28), temperature (29), etc.

Камера измельчения и термохимической обработки (10) (2,3) состоит из ресивера горячего воздуха (24) с патрубками ввода (30) и вывода (31); каналов ввода исходной газовзвеси (32) с патрубками (33,34) ввода сырьевого материала и воздуха аэрации соответственно. Центральный узел загрузки (35) выполнен с патрубками ввода природного газа (36) и воздуха охлаждения (37), патрубком вывода воздуха охлаждения (не показан), аналогичным патрубку (38), каналами охлаждения (39). Камера (10) имеет внутренний рабочий объем (40); верхнюю (41) и нижнюю (42) крышки; боковую стенку (43). Часть внутреннего объема (40) прилегающая к крышкам (41,42) и стенке (43), является основной областью измельчения и термической обработки материала. Кроме того, камера (10) снабжена внешним кожухом (44); центральным (45) и боковыми тангенциальными (46) выходными каналами, соединенными трубопроводом (47) со сборником (48), который выполнен в виде кожуха (49) с теплоизносостойким внутренним слоем (50); каналами охлаждения (51). Тангенциально к камере (10) присоединены сопла (22) подачи энергоносителя и генераторы горячего газа (23) с жаровыми трубами, состоящие из корпуса (52), каналов ввода природного газа (53) и горячего воздуха (54), топливных (газовых) форсунок (55), камер сгорания (56). Каналы горячего воздуха (54) соединены с каналами охлаждения (51) камеры (10), каналами (57) охлаждения корпуса камеры сгорания (56) и каналами (58) с помощью перфорационных отверстий и щелей (59) и трубопроводов (60). Центральный выход из сборника (48) выполнен в виде удлиненной трубы дожига (61) (фиг.1) и соединен с горячим циклоном осаждения (2). The grinding and thermochemical processing chamber (10) (2,3) consists of a hot air receiver (24) with inlet pipes (30) and outlet pipes (31); input channels of the initial gas suspension (32) with nozzles (33.34) for the input of raw material and aeration air, respectively. The central loading unit (35) is made with natural gas inlet pipes (36) and cooling air (37), a cooling air outlet pipe (not shown), a similar pipe (38), and cooling channels (39). The chamber (10) has an internal working volume (40); top (41) and bottom (42) covers; side wall (43). Part of the internal volume (40) adjacent to the covers (41,42) and the wall (43) is the main area of grinding and heat treatment of the material. In addition, the chamber (10) is provided with an external casing (44); central (45) and lateral tangential (46) output channels connected by a pipeline (47) to a collector (48), which is made in the form of a casing (49) with a heat-resistant inner layer (50); cooling channels (51). Tangentially to the chamber (10) are attached nozzles (22) for supplying energy and hot gas generators (23) with heat pipes, consisting of a housing (52), natural gas inlet channels (53) and hot air (54), fuel (gas) nozzles (55), combustion chambers (56). The hot air channels (54) are connected to the cooling channels (51) of the chamber (10), the cooling channels (57) of the combustion chamber body (56) and the channels (58) using perforations and slots (59) and pipelines (60). The central exit from the collector (48) is made in the form of an elongated afterburner pipe (61) (Fig. 1) and is connected to a hot precipitation cyclone (2).

Устройство работает следующим образом. Исходный материал в виде кусков (возможно, с повышенной влажностью) подвергается предварительному измельчению в дробильном агрегате (6) до размеров частиц d_т -3˙10^-3 м. Здесь индекс "т" относится к твердой фазе. Сырьевой материал поступает на вход противоточно-прямоточной вибрационной холодно-теплой теплообменной трубы (7). В противоток смеси в трубу (7) в среднем сечении по ее длине подается холодный, а в концевом сечении теплый условно чистые газовые потоки, выводимые соответственно из холодного (5) и теплого (4) циклонных осадителей. Частицы материала, обдуваемые сначала в противотоке, а затем в прямотоке холодным и теплым газом, высушиваются.The device operates as follows. The source material in the form of pieces (possibly with high humidity) is subjected to preliminary grinding in a crushing unit (6) to particle sizes d _t -3˙10 ^-3 m. Here, the index "t" refers to the solid phase. The raw material enters the inlet of the counter-current straight-through vibrational cold-warm heat-exchange pipe (7). In the countercurrent of the mixture, cold, and conditionally clean gas flows are discharged from the cold (5) and warm (4) cyclone precipitators into the pipe (7) in the middle section along its length; Particles of material, first blown in countercurrent flow, and then in direct flow with cold and warm gas, are dried.

В циклоне (3) твердая фаза газовзвеси отделяется от газовой и направляется в горячую теплообменную трубу (8), а газовая фаза после (возможно) охлаждения и очистки от пылевой фракции в фильтре (11) с помощью тянущего вентилятора (13) выбрасывается в атмосферу. В вибрационной теплообменной трубе (8) продолжается процесс сушки и истирания сырьевого материала с помощью условно чистого горячего газа из циклона (2). Газовая фаза горячей газовзвеси после трубы (8) отделяется от твердой фазы в циклоне (1), а после (возможно) охлаждения и очистки в фильтре (12) подается с помощью тянущего вентилятора (14) в сборник (19) или выбрасывается в атмосферу. Твердая фаза горячей газовзвеси осаждается в циклоне (1) и с помощью тарельчатого вибрационного питателя (9) подается через патрубки (33) на смешение с горячим воздухом, поступающим через патрубки (34), делитель (16) и ресивер (24) из системы охлаждения газодинамической камеры измельчения и термохимической обработки (10). Вибропитатель (9) делает возможной равномерную дозированную загрузку центрального входного канала (35) камеры (10) полностью подготовленной к процессу основной обработки (высушенной, подогретой и предизмельченной) газовзвесью. По периферийному кольцевому протоку снаружи от канала (35) в камеру (10) подается также подогретый природный углеводородный газ из баллона (баллонной или компрессорной станции) (25) через делитель (16) и патрубок (36). Холодный воздух от компрессора (20) через воздушный ресивер (21) и патрубок (37) поступает в систему охлаждения камеры (10) и затем уже в нагретом состоянии через делитель (16) на патрубки (34) для смешения с твердой фазой и загрузки в камеру (10). Кроме того, нагретый в системе охлаждения камеры (10) воздух, пройдя через ресивер (28), попадает по каналам (54) в генераторы горячего газа (23), в которые также подается через каналы (53) и форсунки (55) природный газ. Сжигание природного газа в горячем воздухе происходит в центральной части внутреннего объема (40) камеры (10), в камерах сгорания (56) генераторов горячего газа (23) и по каналам (58) поступает к соплам (22), из которых продукты сгорания в виде высокоскоростных газовых струй направляются тангенциально в периферийную кольцевую область внутреннего объема (40) камеры (10), прилегающую к крышкам (41,42) и боковой стенке (43). Эта область является основной областью одновременного и непрерывного измельчения материала до мелкодисперсного состояния (d_т -5 ˙10^-5 м; d_т ⁹⁵ ≈ 2˙ 10^-5 м) и термического воздействия на него с целью разложения и диссоциации (Т_ог=1000.1150 К в зависимости от химического состава обрабатываемого материала). Организация сжигания природного газа как в центральной, так и в периферийной областях внутреннего объема (40) камеры (10) способствует эффективному использованию всего этого объема для термического воздействия на материал в относительно равномерном температурном поле. Твердофазный продукт термического разложения и диссоциации вместе с газообразными продуктами сгорания, разложения и диссоциации активно (в темпе обработки материала) выводятся из внутреннего объема (40) камеры (10) через центральный (45) и боковые тангенциальные (46) выходные каналы и трубопроводы (47) в сборник (48). Из сборника (48) горячая газовзвесь вместе с продуктами обработки материала направляется в удлиненную трубу дожига (61), в которой продолжается выделение тепла при догорании остатков природного газа, что способствует эффективному завершению процесса и повышению качества (активности) готового продукта. Осаждение твердофазного продукта происходит в циклонах (2,4,5). В циклоне (2) от готового продукта в горячем состоянии отделяется основная часть образовавшейся газовой фазы. Сильное разбавление и охлаждение в смесителях (17) остатков газа холодным воздухом от нагнетающего вентилятора (воздуходувки) (15) и делителя (16) делают невозможными обратные разложению негативные процессы.In the cyclone (3), the solid phase of the gas suspension is separated from the gas one and sent to the hot heat exchange tube (8), and the gas phase after (possibly) cooling and cleaning of the dust fraction in the filter (11) is discharged into the atmosphere by means of a pulling fan (13). In the vibrational heat exchange tube (8), the drying and abrasion of the raw material using conventionally clean hot gas from the cyclone (2) continues. The gas phase of the hot gas suspension after the pipe (8) is separated from the solid phase in the cyclone (1), and after (possibly) cooling and cleaning in the filter (12) it is supplied with the help of a pulling fan (14) to the collector (19) or emitted into the atmosphere. The solid phase of the hot gas suspension is deposited in the cyclone (1) and, using a vibratory disk feeder (9), is fed through the nozzles (33) to mix with the hot air entering through the nozzles (34), the divider (16) and the receiver (24) from the cooling system gas-dynamic chamber grinding and thermochemical treatment (10). The vibratory feeder (9) makes it possible to uniformly dose the central inlet channel (35) of the chamber (10) fully prepared for the main processing (dried, heated and pre-ground) of the gas suspension. Heated natural hydrocarbon gas from a cylinder (cylinder or compressor station) (25) is also supplied through a peripheral annular duct outside the channel (35) to the chamber (10) through a divider (16) and a pipe (36). Cold air from the compressor (20) through the air receiver (21) and the pipe (37) enters the cooling system of the chamber (10) and then in the heated state through the divider (16) to the pipes (34) for mixing with the solid phase and loading into camera (10). In addition, the air heated in the cooling system of the chamber (10), passing through the receiver (28), passes through the channels (54) into the hot gas generators (23), which also receives natural gas through the channels (53) and nozzles (55) . Natural gas is burned in hot air in the central part of the internal volume (40) of the chamber (10), in the combustion chambers (56) of the hot gas generators (23) and through the channels (58) it flows to nozzles (22), of which the combustion products in the form of high-speed gas jets are sent tangentially to the peripheral annular region of the inner volume (40) of the chamber (10) adjacent to the covers (41,42) and the side wall (43). This region is the main area of simultaneous and continuous grinding of the material to a finely dispersed state (d _t -5 ˙ 10 ^-5 m; d _t ⁹⁵ ≈ 2˙ 10 ^-5 m) and thermal impact on it for the purpose of decomposition and dissociation (T _og = 1000.1150 K depending on the chemical composition of the processed material). The organization of natural gas combustion both in the central and peripheral regions of the internal volume (40) of the chamber (10) contributes to the efficient use of all this volume for the thermal effect on the material in a relatively uniform temperature field. The solid-state product of thermal decomposition and dissociation together with the gaseous products of combustion, decomposition and dissociation are actively (in the rate of material processing) removed from the internal volume (40) of the chamber (10) through the central (45) and lateral tangential (46) output channels and pipelines (47 ) in the collection (48). From the collection (48), the hot gas suspension along with the products of material processing is sent to an elongated afterburner (61), in which heat is released during the combustion of natural gas residues, which contributes to the effective completion of the process and the quality (activity) of the finished product. The precipitation of the solid phase product occurs in cyclones (2,4,5). In the cyclone (2), the main part of the formed gas phase is separated from the finished product in the hot state. Strong dilution and cooling in the mixers (17) of gas residues with cold air from the blowing fan (blower) (15) and the divider (16) make it impossible to reverse the decomposition of negative processes.

Перечисленные конструктивные признаки предлагаемого устройства, в отличие от прототипа (5), обеспечивают полную термическую обработку исходного материала и получение готового продукта за относительно короткие промежутки времени пребывания материала в аппаратах и каналах технологической схемы (фиг.1). Непрерывный характер движения материала в виде газовзвеси и термогазодинамического воздействия на него делает технологические аппараты и агрегаты малогабаритными при больших производительностях промышленного масштаба. Температурное воздействие на мелкодисперсные частицы материала в камере измельчения при термохимической обработке позволяет реализовать принцип совмещения в пространстве и времени процессов диспергации и разложения, улучшить равномерность прокаливания объема каждой частицы и сократить время прокаливания, а также избежать опасности пережога мелких и недожога крупных частиц, уменьшить вероятность настылеобразования на рабочих поверхностях камеры, исключить необходимость неоправданного повышения температуры прокаливания. В результате становится возможным снижение общих энергозатрат на процесс обработки. These design features of the proposed device, in contrast to the prototype (5), provide complete heat treatment of the starting material and obtaining the finished product for relatively short periods of time the material is in the apparatus and channels of the technological scheme (figure 1). The continuous nature of the movement of the material in the form of a gas suspension and the thermo-gas-dynamic effect on it makes the technological apparatuses and units small-sized at large industrial-scale capacities. The temperature effect on the fine particles of the material in the grinding chamber during thermochemical processing allows you to implement the principle of combining the processes of dispersion and decomposition in space and time, improve the uniformity of calcination of the volume of each particle and reduce the time of calcination, as well as avoid the danger of burning small and unburned large particles, reduce the likelihood of lint formation on the working surfaces of the chamber, eliminate the need for an unjustified increase in the temperature of calcination. As a result, it becomes possible to reduce the total energy consumption for the processing process.

Пример конкретной реализации предлагаемого способа. Экспериментальная проверка эффективности предлагаемых способа и устройства проведена на исследовательском устройстве при обработке магнезита Савинского месторождения. Обработке подвергнут магнезит низкого качества (ниже допустимого четвертого сорта по промышленной классификации Савинских магнезитов), не являющийся представительным для данного месторождения. Химический и относительный массовый состав использованного сырья и каустического (прокаленного) магнезита представлен в таблице. Получено шесть проб обработанного материала: сырой магнезит (температура газовой фазы Т_ог 575.662 К, проба 1) и каустические магнезиты с температурами Т_ог 871.960 К (проба 2); Т_ог 940.991 К (проба 3); Т_ог 1189.1249 К (проба 4); Т_ог1145.1214 К (проба 5); Т_ог 1148.1197 К (проба 6).An example of a specific implementation of the proposed method. An experimental verification of the effectiveness of the proposed method and device was carried out on a research device when processing magnesite from the Savinsky deposit. The treatment was subjected to low quality magnesite (below the acceptable fourth grade according to the industrial classification of Savinsky magnesites), which is not representative of this deposit. The chemical and relative mass composition of the raw materials used and caustic (calcined) magnesite are presented in the table. Obtained six samples treated material: raw magnesite (gas phase temperature T _og 575,662 K, sample 1) and caustic magnesite with temperatures T _og 871,960 K (sample 2); T _og 940,991 K (sample 3); T _og 1189.1249 K (sample 4); T _og 1145.1214 K (sample 5); T _og 1148.1197 K (sample 6).

Для пробы 1 в числителе указан состав сырого магнезита, в знаменателе состав в пересчете на прокаленный материал. Термохимической обработке и тонкому измельчению подвергнуты частицы исходного материала с условным диаметром d_т (2.5)˙ ˙10^-3 м. После измельчения и термообработки в предлагаемом устройстве диаметр частиц 95% массы материала во всех случаях не превышал величины d_т ⁹⁵ 2 ˙10^-5 м при максимальном размере d_т ^max 5 ˙10^-5 м. Дифференциальный термический анализ материала проб, проведенный в научно-производственном объединении "МАГСТРОМ" (г. Екатеринбург), показал следующие характерные температурные границы (7):
373.393 К потеря адсорбированной воды;
573.623 К разложение гидратов окиси магния;
723.843 К разложение карбоната марганца и сидерита;
1003.1063 К диссоциация магнезита и доломита;
1073.1103 К диссоциация карбоната кальция.For sample 1, the composition of raw magnesite is indicated in the numerator, and the composition in terms of calcined material is indicated in the denominator. Thermochemical treatment and subjected pulverized starting material particles with a nominal diameter d _t (2.5) ˙ ˙10 ^-3 m after grinding and heat treatment in the proposed device a particle diameter of 95% by weight of the material in all cases do not exceed ⁹⁵ _m 2 d ˙10. ^{- 5} m with a maximum size of d _t ^max 5 ˙ 10 ^-5 m. Differential thermal analysis of the sample material carried out in the MAGSTROM research and production association (Yekaterinburg) showed the following characteristic temperature limits (7):
373.393 K loss of adsorbed water;
573.623 K decomposition of hydrates of magnesium oxide;
723.843 K decomposition of manganese carbonate and siderite;
1003.1063 K dissociation of magnesite and dolomite;
1073.1103 K dissociation of calcium carbonate.

Достаточно глубокой термической обработке и разложению подвергся материал проб 4, 5, 6. Свидетельство негативной вторичной карбонизации прокаленного (декарбонизированного) и осажденного материала не обнаружено. The material of samples 4, 5, 6 was subjected to sufficiently deep heat treatment and decomposition. No evidence of negative secondary carbonization of the calcined (decarbonized) and precipitated material was found.

Дальнейшие исследования спекаемости полученных образцов порошка при температурах 1873.1923 К и оптимальном прессовом давлении около 106 н/м² показали вполне удовлетворительную с точки зрения технологических требований плотность брикетов периклаза, имеющих до 50% пор закрытого типа с размерами (2. 4)˙ 10^-5 м и размерами кристаллов (7.8) ˙10^-5 м, что позволяет получать клинкер с кажущейся плотностью (3,25.3,28) ˙10³ кг/м³.Further studies of the sintering ability of the obtained powder samples at temperatures of 1873.1923 K and an optimal pressure of about 106 n / m ² showed a satisfactory density of periclase briquettes having up to 50% closed-type pores with sizes (2. 4) ˙ 10 ^-5 from the point of view of technological requirements m and crystal sizes (7.8) ˙10 ^-5 m, which allows you to get clinker with an apparent density of (3.25.3.28) ˙10 ³ kg / m ³ .

Согласно заключению НПО "МАГСТРОМ" (7), предлагаемые способ и устройство позволяют получить даже из сырья низкого качества высокодисперсный активный к спеканию каустический магнезит, пригодный для сухого горячего брикетирования и производства плотных периклазовых клинкеров. Последние отличаются от клинкеров, получаемых из кускового магнезита при помощи традиционных технологий, стабильно высоким качеством. При этом снижаются энергозатраты на подготовку сырья к спеканию, а также появляется возможность применения единой технологии получения периклазовых клинкеров как из природного, так и из обогащенного магнезита. According to the conclusion of the MAGSTROM NPO (7), the proposed method and device even produce highly dispersed sintering caustic magnesite suitable for dry hot briquetting and the production of dense periclase clinkers even from low quality raw materials. The latter differ from clinkers obtained from lump magnesite using traditional technologies in consistently high quality. At the same time, energy costs for preparing raw materials for sintering are reduced, and it is also possible to use a single technology for producing periclase clinkers from both natural and enriched magnesite.

Claims

1. The method of grinding material during thermochemical processing, including pre-grinding of the raw material, its heating and drying by exhaust gases, fine gas-dynamic grinding, thermal effect at decomposition and dissociation temperatures of the material components, separation of the solid and gas phases of the product, precipitation and cooling of the solid phase, different the fact that the processes of fine grinding and thermal effects on the raw material combine in space and in time, they are not It is frivolous and at the same time, fine grinding is carried out by supplying a high-speed hot energy gas to the area of thermal influence at the decomposition and dissociation temperatures of the components, while the solid phase of the product is continuously removed from the combined processing area, separated from the gas phase and precipitated in a hot state, and then cooled .

2. A device for grinding material during thermochemical processing, containing a crushing unit, a heat exchanger for drying and heating raw materials, a metering feeder, a hot gas generator with channels, a cylindrical thermogasdynamic chamber for fine grinding and heat treatment of the material with loading and unloading channels and gas supply nozzles , a group of precipitation cyclones, characterized in that the thermodynamic chamber is made with tangential nozzles for supplying hot high-speed jets of energy gas connected by channels to a hot gas generator, the group of precipitation cyclones consists of hot (adiabatic), warm and cold cyclones, while the discharge channels are made central and / or tangential and connecting the internal volume of the chamber with the hot precipitation cyclone of the solid-phase product, and warm and cold cyclones are connected to a cold air blower.