1. Температурні та теплові графіки технологічних процесів

Рівень видимої витрати палива в першу чергу залежить від наступних двох зовнішніх особливостей температурних та теплових графіків, під якими розуміється графічна ілюстрація зміни температури матеріалу, який оброблюється та його тепло поглинання в залежності від часу в робочому просторі високотемпературної установки.

Чисельні температурні і теплові графіки технологічних процесів можуть бути зведені в чотири характерні групи А-Г (рис.1. ), якщо за основу їхнього формування прийняти [2]:

а) співвідношення між початковою температурою первиних матеріалів і температурою довкілля Т_н.с.;_.

б) співвідношення між середньою максимальною температурою мате-

ріалу в процесі і середньою температурою технологічного продукту (напівфабрикату) Т , при якій він використовується безпосередньо після вивантаження з теплотехнологічної установки (в загальному випадку враховуються основні та допоміжні продукти).

В кожній з груп (рис. 1.4) виділені декілька підгруп, що відрізняються кількістю ланок технологічного процесу.

1.1.3. Структурні схеми робочого простору установок, джерела енергії

В залежності від кількості камер, в яких реалізуються всі ланки (стадії) технологічного процесу, виділяють установки (рис. 1.5) [2] з однокамерним і багатокамерним робочим простором.

Установки з однокамерним однозонним робочим простором, наприклад паливні печі, характеризуються відносно рівномірним температурним полем гріючих газів в об’ємі і, як правило, циклічністю їхньої дії (мартенівські печі, нагріваючі колодязі ін.). Установки з таким робочим простором і циклічною чинністю в найменшій мірі задовольняють сучасним вимогам.

Група А охоплює графіки технологічних процесів, в яких початкова температура матеріалу середовища ( ), а температура дорівнює середній максимальній температурі матеріалу в процесі ( = ).

Група Б охоплює графіки процесів з та  (в даному випадку = ).

Група В охоплює графіки процесів з  та = .

Група Г охоплює графіки процесів з  та  (в часному випадку = ).

Рис. 1.4. Характерні температурні та теплові графіки технологічних процесів високотемпературних теплотехнологічних процесів: 1 – відносна температура / ; 2 – відносне тепло поглинання первинних матеріалів в процесі Q_м/Q , Q_м, Q - тепло поглинання матеріалів за час процесу  та загальне тепло поглинання матеріалів для доведення продуктів до та проходження усіх фізико-хімічних перетворень; , Q - середні температури та тепло поглинання матеріалів перед стадією процесу, де мають місце ендотермічні ефекти; Q , Q^ІІ – тепло поглинання після першої і другої ступенів технологічного процесу; Т - середня температура продуктів, при якій вони використовуються безпосередньо видачі з печі.

Дві технологічні ступені

Одна технологічна ступінь

Група

Три технологічні ступені

ІІа

Іб

Іа

ІІб

ІІІа

ІІІб

А

Б

В

Г

По осі ординат відкладена середня температура матеріалу та відносне зовнішнє теплопоглинання. По осі абцис вікладено відносний поточний час процесу.

Графіки А-Г на стадії аналізу носять якісний характер.

Група А: процес нагріву термотонких матеріалів при В_і  1,0 (Іа); термомасивних виробів при В_і  1,0 (Ііа, ІІІа); процеси нагріву з плавлінням (Іб) та наступною технологічною обробкою розплаву (ІІб); процеси з відновлювальною плавкою (обробка руд) та наступною технологічною дообробкою розплаву (ІІІб). Продукт далі використовується при = .

Група Б: процеси окислювального випалу сушки, плавки багатокомпонентних шихт з наступним технологічним нерегламентованим охолодженням до (Іб); процеси термічної обробки термомасивних виробів з технологічно нерегламентованим охолодженням (ІІа) та регламентованим охолодженням до = Т_н.с. (ІІІа); процеси плавління з технологічною дообробкою та наступним нерегламентованим охолодженням до (ІІб); процеси плавки скла (нагрів, плавління, освітлення, технологічного регламентованого охолодження до  ) (ІІІб).

Група В: процеси теплової обробки та корегування розплавів, вторинний нагрів термотонких виробів після неповного їх охолодження до = (Іа); нагрів термомасивних виробів при “гарячому” посаді (ІІа); різні двох та трьох ступеневі процеси плавки з різного технологічною дообробкою при використанні попередньо нагрітих початкових матеріалів (шихт та розплавів) (Ііб, ІІІа, ІІІб).

Група Г: всі процеси, які входять в групу Б, але які проводяться при початковій температурі  це процес випалу цементного клінара (при подачі в попередньо нагрітого матеріалу, включаючи нарів, декарбонізацію, підьом температури для спікання, регламентоване охолодження з наступним перерегламентуванням). Кожна група має варіант а і б. Варіант а – нагрів металів (ендотермічних процесів немає, можуть мати місцк екзотермічні). Варіант б включає андотермічні процеси (нагрів вапняку з подальшим його розкладом, нагрів матеріалу з наступним плавлінням та відновленням).

До одностепеневих процесів віднесен нагрів термотонких виробів, плавління матеріалів, випал матеріалів (Іа і Іб). До двоступеневих процесів - нагрів термомасивних виробів (підьом температури, вирівнювання), плавління з наступною дообробкою розплаву (1 – нагрів і плавління, 2 – освітлення та розділення фаз, тощо). Процеси з трьома ступенями – процеси відальних виробів (1 – надмірний підьом температури, 2 – прискорений, 3 – витримка (ІІІа, гр.А), термічна обробка металів і керамічних виробів (гр.Б, вар.ІІІа; гр.Г, вар.ІІІа).

Рисунок 1.5 – Класифікація робочого простору високотемпературних теплотехнологічних установок (ВТУ)

Установки з однокамерним, але з багатозонним робочим простором відрізняються безперервністю роботи і нерівномірним полем температур газів в обємі (наприклад, методичні нагрівальні печі, шахтні печі, обертаючі печі). Установки з таким робочим простором більш прогресивні, ніж перші.

Найбільш широкі можливості задоволення сучасним вимогам відкривають варіанти високотемпературних теплотехнологічних установок з багатокамерним комбінованим робочим простором, якщо при цьому забезпечується набір ефективних теплотехнічних принципів і джерел енергії, а також реалізується досконала теплова схема. В багатозонному і багатокамерному робочому просторі ВТУ можна виділити відповідно наступні зони і камери [2]:

1) попередньої теплової або теплової і фізико-хімічної обробки початкових матеріалів (ПТО);

2) основної технологічної обробки матеріалів (ОТО), де або завершується технологічний процес в цілому або проводиться його вирішальна стадія;

3) технологічної дообробки матеріалів (ТД);

4) технологічно регламентованого охолоджування технологічного продукту (ТРО).

На відзнаку від перелічених технологічних зон і камер ВТУ, ті в яких здійснюється технологічно не регламентоване охолоджування продукту, відносяться до теплотехнічних елементів установки.

В загальному випадку теплотехнологічна установка містить від однієї до декількох зон або камер робочого простору. В установках з багатозонним робочим простором і нечітким конструктивним розділенням на зони виділення зони основної технологічної обробки може бути проведене, виходячи, наприклад, з умови, що температура газів, що відходять з цієї зони як і в однокамерному однозонному робочому просторі, рівній максимальній температурі матеріалу, що обробляється в цій зоні або трохи більше її. В цьому випадку однокамерний однозонний робочий простір може бути прийнятий як базовий елемент найпростішої теплової схеми.

В високотемпературних теплотехнологічних установках використовуються наступні джерела енергії:

1) паливо з повітряним окислювачем (ПП);

2) паливо з збагаченим киснем повітрям (ПЗП);

3) паливо з технологічним киснем (ПК);

4) продукти горіння палива (ПГ) від суміжних установок (ДГ- димові гази, тобто продукти практично повного спалювання палива; ПНГ — продукти неповного спалювання палива);

5) електроенергія, засоби реалізації якої можуть бути різноманітними, в тому числі і через низькотемпературну плазму;

6) високотемпературні теплоносії від атомних реакторів (в перспективі);

7) комбіновані джерела енергії, що включають спільне використання в ВТУ джерел ПП і ПК: спільне використання ПП (ПК) і електроенергії (ЕЕ); спільне використання ПП і ПГ; інші варіанти поєднання джерел енергії.

Застосування комбінованих джерел енергії з поширеним використанням кисню і електроенергії є однією з особливостей нових теплотехнологічних систем.

На рис. 1.6 наведені структурні схеми камер робочого простору (на прикладі паливних печей) з різноманітними варіантами розміщення джерел

Рисунок 1.6 – Структурні схеми зон та камер робочого простору, схеми розміщення джерел енергії і переміщення тіл та теплоносіїв (на прикладі паливних печей): ТВ, ТК. ЕЕ – відповідно паливно-повітряний, паливно-кисневий та електричний джерела енергії; І-VІІІ – схеми з одним видом джерела енергії; ІХ – ХІ – схеми з комбінованим джерелом енергії; Т, О, ДГ – відповідно паливо, його окислювач, димові гази; ИМ, М, ТП – відповідно вихідний матеріал, матеріал, технологічна продукція.

енергії і схемами переміщення робочих тіл і теплоносіїв. Схеми /,//, IV, VI відносяться до камерних, методичних, секційних нагріваючих печей, схема ІІІ — до обертаючих печей випалу на цементний клінкер, схема V — до печей термічної обробки виробів з скломас і інших матеріалів, схеми VII-ІХ — до плавильних печей (відбивальних, скловарених, мартенівських і ін.), схеми Х і ХІ — до нових теплотехнологічних установок, що розробляються, з багатокамерним робочим простором і комбінованими джерелами енергії. Стосовно до паливних печей, як правило, зони (камери) основної технологічної обробки в якості переважного джерела енергії мають безпосередньо паливо, зони (камери) попередньої теплової обробки — димові гази від зон (камер) основної технологічної обробки, зони (камери) додаткової технологічної обробки можуть мати різні джерела енергії (ПП, ЕЕ, ПГ, ПК).