一种高压回转窑的制作方法

本发明属于工业窑炉中的回转窑领域，涉及一种高压回转窑。

背景技术：

0、技术背景

1、随着国家在节能减排，碳达峰、碳中和领域的推进，研究如何利用当下有限的氢气产能更多的替换现有设备所用的含碳原料成为必须面对的问题，同时对工业窑炉产生的废气进行余热和物质的再利用成为研究的重点之一。例如回转窑内使用氢气或氢气和煤气的混合气，经过回转窑后的气体仍有较大利用价值，但再利用较为困难，原因是回转窑筒体和端罩之间的环缝密封难以适应高压。若在回转窑后使用流化床、固定床反应器或气体分离装置，会导致回转窑内压力上升，窑内烟气由环缝泄露，造成污染甚至重大安全事故。

2、而回转窑环缝密封的难点在于：1、其尺寸较大，以外径5米回转窑为例，需要密封的缝隙长度达到15.7m以上；2、筒体转动而端罩静止，筒体转动时，其表面上下跳动在30mm左右；3、回转窑停车与工作状态温差大，根据回转窑长度，由于热胀冷缩，筒体在轴向上的长度变化可达100毫米。4、如果窑内压力较大，则两端罩将承受巨大的盲板力。因此，急需找到解决高压密封的技术方案。以便制造出能适应较高压力的回转窑。现有密封技术最高可以密封到0.2公斤，而工业需求耐压往往达到数公斤，高压回转窑的密封成为难点。

3、中国专利文献cn103063016a(201310033179.6)公开了一种回转窑，上述专利利用回转窑的第一密封罩筒密封窑头罩与筒体之间的缝隙，利用回转窑的第二密封罩筒密封窑尾与筒体之间的缝隙，这样回转窑负压操作时，在密封装置的密封作用下，空气不会直接通过缝隙进入到回转窑的筒体内，正压操作时，粉尘溅出首先进入密封装置。但是由于上述专利的密封结构采用现有的与回转窑筒体外壁接触的鱼鳞钢片密封结构，在过高压力下，鱼鳞钢片会向外涨开，造成第一密封罩筒和第二密封罩筒内的惰性气体大量外泄，容易产生安全事故，因此上述专利必须设置第三密封筒罩和第四密封筒罩，向第三密封筒罩和第四密封筒罩充入空气，使第三密封筒罩的空气压力略大于第一密封筒罩内的惰性气体压力，第四密封筒罩内的空气压力略大于第二密封筒罩内的惰性气体压力，这样防止惰性气体大量外泄威胁操作人员安全性，虽然第三密封筒罩和第四密封筒罩也会泄露，但是泄露的空气不会产生安全事故。通过上述技术方案虽然能够实现回转窑的高压密封，但是仍然无法解决第三密封筒罩和第四密封筒罩空气泄露的问题，虽然没有安全问题，但是大量的空气泄露，导致动力设备的耗能增加，并且需要同时维持第一密封罩筒、第二密封罩筒、第三密封筒罩和第四密封筒罩的高压，才能实现对回转窑的高压密封，设备投入成本高，生产耗能大，难以应用于实际生产。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提供一种高压回转窑，利用动密封罩、静密封罩和两个弹性密封片形成密封室，实现回转窑在高压和动态运行状态下的密封。

2、一种高压回转窑，包括筒体(1)和端罩(2)，其特征在于：筒体(1)与端罩(2)之间设有耐压密封装置；所述耐压密封装置设置有至少一个密封室(3)；所述密封室(3)由动件结构、静件结构和设置于动件结构与静件结构之间的密封片(6)围合而成，密封室(3)的各个面均称为围合面；密封片(6)与两端的相邻所述围合面的一侧，一端是密封固定连接的，另一端是靠其预应力及密封室(3)内气体压力紧贴却可滑移连接的；相对于密封室(3)而言，密封片(6)总是在紧贴可滑移的围合面的里侧；动件结构包括筒体表面(4)和/或刚性设置在其上的动密封面(5)；静件结构包括端罩(2)表面和/或设置在其上的静密封面(7)。密封室(3)还包括在其围合面上设置的保护气入口(8)，保护气压力大于窑内气体压力。

3、所述端罩(2)包括窑头罩(21)和窑尾罩(22)，所述的端罩(2)的具体结构形状，可以是工程应用中的各种具体结构形状。附图只示意其中一种，并不限于此。

4、动密封面(5)和静密封面(7)是为了具体能够与密封片(6)创造贴合条件或安装条件而设置的，根据工程的条件可以设计成各种具体的结构。一般同时也是密封室的围合面。

5、密封室(3)用来向其中充入保护气体。保护气充入后，所有密封片(6)受力变形，被压紧在与之接触的相邻围合面上，密封效果好。所述密封室(3)包括但不限于如图1中a-d方案。为描述方便，规定相对于回转窑端罩一侧的方向为内侧，反之为外侧，以下均依照此设定进行说明。以图1a方案为例，密封室(3)由设置在端罩上的第一静密封面(71)、第二静密封面(72)、第一静密封面(71)和第一静密封面(72)之间所夹的端罩(2)的一部分内表面、设置在筒体(1)上且包夹住第一静密封面(71)和第二静密封面(72)的动密封面(包括第一动密封面51和第二动密封面52)、两动密封面所夹的筒体表面(4)、固定在第一静密封面(71)外侧且与第一动密封面(51)内侧相紧贴的第一密封片(61)和固定在第二静密封面(72)内侧且与第二动密封面(52)外侧相紧贴的第二密封片(62)共同围合而成。第一密封片(61)和第二密封片(62)的安装位置和初始姿态，使得当密封室(3)充入高压保护气时，它们受力形变形成的弧面的圆心在密封室(3)的方向，其自由端受到第一动密封面(51)和第二动密封面(52)的限制，只能和所述两个动密封面相贴的更加紧密，保证了密封室(3)的气密性。其他方案雷同，在此不再赘述。需要强调的是，如方案a-d所示，静密封面(7)和动密封面(5)在一个具体方案中不是必须有的。另外，以一个密封室(3)为基本单元，在需要的的时候，可设置多个密封室(3)。

6、所述筒体表面(4)与静密封面(7)，动密封面(5)与端罩(2)，以及动密封面(5)与静密封面(7)之间设置有间隙。由于回转窑筒体转动时，其表面上下跳动；同时回转窑由于热胀冷缩，筒体在轴向上的长度会发生变化。所述间隙的设置，就是为了上述筒体表面的位置变化而预留空间。

7、工作时，至少两圈所述密封片(6)与相应的筒体表面(4)或动密封面(5)，以及端罩(2)或静密封面(7)相紧贴，即保证至少一个密封室(3)完整，为向其中充入保护气准备了条件。进一步的，所述密封片(6)为可形变的弹性构件，比如不锈钢片或耐磨橡胶。同时，所述密封片(6)有预定型，安装好后，停机没有充压保护气前，密封片(6)的预定型造成的回弹力将其紧贴或基本贴在相应密封面上，已经形成或基本形成闭合的密封室(3)；工作时密封室(3)中充满保护气体，保护气压力将密封片(6)紧压在相应密封面上。

8、优选的，在形成密封室(3)围合面的一个静件上设有保护气入口(8)，保护气压力略大于窑内压力。图1中a-d方案，其保护气入口(8)开设在端罩(2)上与密封室(3)相对应的位置。密封片(6)可以固定在各种变形的动密封面(5)或静密封面(7)上。需要指出的是，受限于加工安装精度，以及筒体转动所致的密封面复杂运动行为，密封片(6)的密封必定不是完美的。保护气压力大于窑内，由于密封有瑕疵，保护气会向端罩(2)内和窑外自然空间少量泄露。由于选择的保护气是廉价和无害的，例如氮气，少量泄露对生产、对安全无害，同时随时补入的保护气对密封室(3)的相关结构起到冷却的作用。

9、值得一提的是，方案b、c、d虽然构造比a简单，但如果窑内压力极大，则密封室(3)内保护气压力更大，为了密封例如0-40mm范围内变化的环缝，密封片(6)的柔性部分要相应加宽，当环缝局部达到最大值时，方案b、c、d中的相应部分的密封片(6)以最大面积承受保护气压强，其材料应力相应变得巨大，对材料要求严苛，不利于工程设计。因此高压力情况下优选a方案，该方案中，无论筒体表面(4)如何跳动，密封片(6)的承压面积不变，受力始终保持在较小的值，为材料选用和工程设计提供了较宽范围。当然a方案不限于图1中所示的结构，它也存在变种，例如将第一静密封面(71)和第二静密封面(72)夹裹于第一动密封面(51)和第二动密封面(52)之外，相应的第一密封片(61)第二密封片(62)则分别固定在第一动密封面(51)外侧和第二动密封面(52)内侧。密封片(6)是可拆卸的固定安装，其安装部位须要加密封垫。

10、进一步的，如图2所示，多片所述密封片(6)在筒体(1)周向上并列成环形，且至少设置两层，同时在筒体(1)周向上各层密封片(6)错位排列。为密封环缝，密封片(6)整体上必须为环形。但如此大直径的环形密封片既不利于加工制造，也不利于安装检修。因此，密封片(6)可制作成环形的一段弧，多段弧组合在一起形成完整的环。但如此做带来一个问题，就是各密封片(6)之间的接缝如何密封，尤其是在回转窑筒体(1)上下跳动时，所述接缝的大小形状也在变化。因此，可以将至少两层密封片(6)重叠设置且错位排列，各层的接缝都由另一层覆盖，减少保护气漏气量，同时增加密封片(6)的耐磨和抗应力能力，延长使用寿命。

11、与上一段所述相并列，也可以选择单层密封片(6)方案。如图3所示，多片所述密封片(6)在筒体(1)周向上形成环形，各密封片(6)之间设置有柔性密封件(10)，所述柔性密封件(10)可在筒体(1)的圆周方向拉伸，所述柔性密封件(10)可以是弹性耐磨橡胶。多片弧段密封片(6)单层组合在一起形成完整的环形，各密封片(6)之间的接缝由柔性密封件(10)填补。具体结构可以是：密封片(6)的一个边缘至少设置两个“l”形安装架，所述柔性密封件(10)通过铆钉或螺栓或有压条安装于其上。

12、图4给出了静密封面(7)变种为第三静密封面(73)、第四静密封面(74)的一种具体个例。它具有拆装方便，适应回转窑轴向大幅度游动的特点。

13、窑头罩(21)与窑尾罩(22)之间可由抗拉杆索(9)相连。如图5所示，抗拉杆索(9)可以连接窑头罩(21)和窑尾罩(22)的两个端面安装点上，也可以连接窑头罩(21)和窑尾罩(22)上的其它指定安装点上，所述安装点再通过加固传力机构将抗拉杆索(9)的拉力传导至整个窑头罩(21)和窑尾罩(22)。如此，可将两端罩(2)所承受的盲板力通过抗拉杆索(9)变为回转窑系统内力。根据需要，所述抗拉杆索(9)可以是一条，设置在两端罩(2)的顶部；也可以是多条，设置在端罩(2)上预设的受力部位。

14、所述密封片(6)和/或与其相紧贴且相对运动的面上设置有耐磨密封件(11)。如图3所示，公布了一种将耐磨密封件(11)设置在密封片(6)上的方案。所述耐磨密封件可以是特种钢材，也可以是ptfe材质等。耐磨密封件(11)的主要作用是增加抗磨能力，保证使用寿命。同时通过选择摩擦系数小的材质，耐磨密封件(11)还可以减少密封面摩擦力所带来的功率损耗。

15、进一步的，所述密封室(3)紧贴且相对运动的两个面上设有密封润滑油口，与密封润滑油系统相连。

16、进一步的，垂直筒体(1)轴线，端罩(2)上设置多个静密封面，筒体表面(4)上刚性设置多个动密封面，所述动密封面与静密封面在空间上相间布置；当动密封面相对静密封面移动时，任何时刻，密封片的预定型角度满足至少一个密封室(3)是完整存在的。即，起初上述部分静密封面、动密封面、密封片，和部分静围合面、动围合面形成了密封室，随着筒体轴向的移动，另一部分的静密封面、动密封面、密封片，和另一部分静围合面、动围合面加入进来，最终形成新的密封室，而起初的密封室消失。过程中，大概率的同时存在新旧两个潜在的密封室。

17、具体来说，如果窑炉工作温度高，长度又长，由于热胀冷缩，筒体在轴向上的长度变化大，比如100mm，分到两端，得出上述方案中环境温度下静密封面(7)与动密封面(5)之间的间隙达到50mm。为了密封宽度在0-50mm范围内变化的环缝，密封片(6)的柔性部分宽度根据勾股定理要远大于50mm。在承受相同的保护气压强下，材料面积越大则其内部承受应力相应越大，导致对材料要求严苛，且摩擦损耗功率大。鉴于此，可采取如下方案：如图6所示，端罩(2)上设置两个静密封面：第一静密封面(71)、第二静密封面(72)，筒体表面(4)上刚性设置3个动密封面：第一动密封面(51)、第二动密封面(52)、第三动密封面(53)，所述动密封面与静密封面在空间上相间嵌入；第一静密封面(71)外侧固定设置有第一密封片(61)，第二动密封面(52)外、内两侧分别固定设置有第三密封片(63)和第四密封片(64)，第二静密封面(72)内侧固定设置有第二密封片(62)；安装时，第一静密封面(71)、第二静密封面(72)分别靠近第二动密封面(52)和第三动密封面(53)，第三密封片(63)紧贴于第一静密封面(71)内侧，第二密封片(62)紧贴于第三动密封面(53)外侧；当第一静密封面(71)在第一动密封面(51)和第二动密封面(52)中位时，第一密封片(61)第三密封片(63)的预定型角度满足它们同时紧贴动第一密封面(51)内侧和第一静密封面(71)内侧；当第二静密封面(72)在第二动密封面(52)第三动密封面(53)中位时，第四密封片(64)第二密封片(62)的预定型角度满足它们同时紧贴第二静密封面(72)外侧和第三动密封面(53)外侧。这样，初始状态下，即环境温度时，密封室(3)是由端罩(2)、第一静密封面(71)、第二静密封面(72)、筒体表面(4)、第二动密封面(52)、第三动密封面(53)、和第三密封片(63)、第二密封片(62)形成；随着回转窑的运行，筒体表面温度逐渐升高，筒体(1)伸长，图中的第一动密封面(51)第二动密封面(52)第三动密封面(53)向右移动。越过中位直至达到稳定工作稳定后，密封室(3)则是由端罩(2)、第一静密封面(71)、第二静密封面(72)、筒体表面(4)、第一动密封面(51)、第二动密封面(52)、和第一密封片(61)、第四密封片(64)形成。通过这种接力的方式，成倍缩短了密封片(6)需要覆盖的范围，即只需要覆盖25mm即可。这样就大幅减少密封片(6)的面积和其中所受应力，有利于选材和减少摩擦损耗。

18、本发明的有益效果是：

19、现有回转窑，是由设置在回转窑之后(气路下游)的风机提供负压，使气流穿过回转窑定向流动，因此对密封要求不高，密封结构简单，密封不严所导致的回转窑吸入空气，只会造成回转窑工作效率的略微降低，但不会出现窑内气体向外泄露，造成生产安全事故。但工业风机负压不超过1公斤。如此就带来两个问题：1、回转窑无法与正压气源连接，否则必然导致窑内气体外泄；2、如果要对回转窑排出气体进行利用和排放处理(至少需要除尘)，则后续利用设备和排放处理设备的总压降不能超过1公斤。

20、如果工艺中，气源可以提供正压高温还原气源，比如氢气和co的混合气；或还原气体在穿过回转窑后，在热量、动能、物质上仍有较大利用价值，需要进入后续换热装置、或作为流化床气源，或者trt发电，或者进入分子筛回收再利用等；现有回转窑则无法满足上述需求。

21、本发明通过密封片和密封室的设计，实现了高正压条件下回转窑的密封，防止了气体泄露。使得回转窑可以应用在存在正压气源的工艺线上，且使用本发明回转窑的工艺路线，具有能够实现热量、动能、物质高效利用的特点，对于当下国家节能减排，和利用氢气进行产业升级，实现碳中和/碳达峰具有积极意义。