4.4. Печи для обжига материалов и изделий, плавильные печи.

4.4.1. Печи для обжига кусковых материалов

Для обжига кусковых материалов при­меняют:

а) шахтные печи;

б) вращающиеся печи;

в) печи кипящего слоя;

г) варочные котлы.

Шахтные печи. Принципиальные схемы. Шахт­ными называют печи, рабочая камера которых имеет форму вертикального полого ствола. Главнейшая об­ласть применения шахтных печей — обжиг извести. Иногда их применяют также для обжига цементного клинкера, глины (при приготовлении шамота и дегидра­тированной глины) и перлита.

По способу перемещения в шахте обжигаемого ма­териала различают шахтные печи гравитационного принципа, с обжигом материала во взвешенном состоя­нии, в падающем слое и в кипящем слое.

Для обжига крупнокусковых материалов — извести, шамота, цементного клинкера применяют шахтные печи гравитационного типа с фильтрационным режимом дви­жения газовых потоков. Газовый поток, перемещаясь снизу вверх сквозь толщу материала, проникает через межзерновые пустоты, не нарушая положения отдельных кусков материала. В них шахта полностью заполнена материалом, через верхнюю полость шахты непрерывно загружают сырьевые материалы, подлежащие обжигу, а снизу, также непрерывно, выгружают уже обожжен­ный материал. При этом «столб» материала, находя­щийся в шахте, под действием силы тяжести все время перемещается сверху вниз.

В тепловом отношении такие печи работают по прин­ципу противотока: материал движется сверху вниз, а воздух и газы — снизу вверх (рис.4.57, а). При устано­вившемся режиме работы печи в шахте существуют три технологические зоны. В средней части размещается зо­на обжига, в которой происходит горение топлива и раз­вивается конечная температура обжига. Над ней нахо­дится зона подогрева. Через эту зону проходят продук­ты горения из зоны обжига, подогревая загруженный материал, а сами при этом охлаждаются. В верхней части шахты охлажденные отходящие газы покидают ее, направляясь в тяговое устройство. Ниже зоны обжига находится зона охлаждения. В нее поступает атмосфер­ный воздух снизу шахты и, перемещаясь вверх, охлаж­дает материал, нагреваясь при этом. Нагретый воздух, двигаясь снизу вверх, поступает в зону обжига, где он участвует в горении топлива. Использование для горения топлива подогретого воздуха повышает тепловую экономичность печи.

Рис. 4.57. Принципиальные схемы шахтных печей

а - печь гравитационного принципа с фильтрующим слоем; 1 - шахта; 2 - загрузочное устройство; 3 - выгрузочное устройство; 4 - отвод отходящих газов; б - печь с обжигом материала во взвешенном состоянии: 1 - шахта; 2 - топливосжигающее устройство; 3 - расходный бункер сырьевого порош­ка; 4 - питатель; 5 - газоочистительное устройство; 6 - винтовой конвейер­а; 7 - бункер обожженного порошка; в - печь с падающим слоем: 1 - шахта; 2 - топливосжигающее устройство; 3 - расходный бункер сырьевого порошка; 4 - питатель; 5 - сборник обожженного материала; 6 - отвод от­ходящих газов

Шахтные печи с перемещением материала во взве­шенном состоянии применяют для обжига зернистых материалов. Они работают по принципу прямотока. В таких печах (рис. 4.57, б) загружаемый материал под­хватывается потоком раскаленных продуктов горения и увлекается вверх, одновременно нагреваясь при этом. Скорость газового потока в таких печах превышает ско­рость витания частиц обжигаемого материала, т. е. ки­нетическая энергия газового потока, действующая на частицу, превышает ее силу тяжести, что предотвраща­ет выпадение частиц материала из потока. Покидая шахту, поток газов с обожженным материалом попада­ет в систему пылеосадительных устройств, в которых происходит выделение обожженного материала (твердой фазы) из потока. Отходящие газы, освобожденные от материала, выбрасываются в атмосферу, если они не используются в теплоутилизационных установках.

Шахтные печи с падающим слоем (рис. 4.57, в) рабо­тают по принципу противотока, и применяют их также Для обжига зернистых материалов. В них материал пе­ремещается сверху вниз под действием собственной тя­жести, но при этом перемещение материала приторма­живается газовым потоком, который движется в противоположном направлении, т. е. снизу вверх. Ско­рость газового потока при этом такова, что его кинети­ческая энергия несколько ниже скорости витания частиц материала, что обеспечивает их перемещение вниз под действием собственной тяжести, но в то же время ско­рость газового потока обеспечивает его кинетическую энергию на чувствительном для частицы уровне [5].

Вращающиеся печи. Принципиальная схема тепловой установки с враща­ющейся печью приведена на рис. 4.58. Стальной цилинд­рический корпус 1 с укрепленными на нем бандажами 2 опирается на ролики 3, покоящиеся на фундаменте 4. Изнутри корпус печи футерован огнеупорными материа­лами. На корпус насажена венцовая шестерня 5, кото­рая в паре с подвенцовой шестерней 6, редуктором 7 и электродвигателем 8 приводит корпус во вращение. При работе печи по принципу противотока холодный конец пе­чи сочленен через уплотняющее устройство с загрузочной камерой 9, на которой укреплена питательная труба 10. В современных вращающихся печах загрузочную камеру часто заменяют подогревателями материала. Горячий конец печи сочленен с выгрузочной камерой 11, которую называют откатной головкой. Основание ее имеет скаты 12, и по рельсам 13 головку можно откатывать для производства ремонта футеровки корпуса. В головке укреп­лено топливосжигающее устройство 14 — горелка при газовом или форсунка при мазутном отоплении. В дни­ще головки имеется выгрузочное отверстие 15. Загрузоч­ная камера трубопроводами соединена с дымососом 16, направляющим отходящие газы в дымовую трубу 17.

Рис. 4.58. Схема тепловой установки с вращающейся печью

Подлежащий обжигу материал через питательную трубу поступает внутрь барабана, который монтируется с небольшим уклоном и при его вращении перемещается вперед, располагаясь внутри барабана в виде сегмента и непрерывно при этом пересыпаясь, что обусловливает непрерывное обнажение поверхности слоя материала, на­греваемого печными газами. Обожженный материал, по­кидая печь, поступает в холодильник 18. Таким образом, в современной тепловой установке с вращающейся печью имеются, как правило, три основных теплообменных эле­мента: подогреватель, собственно печь и холодильник. Кроме того, современные печи оборудуют еще внутри-печными теплообменниками — цепными или ячейковыми. Топливо и воздух для горения подают в горелку или форсунку. Сгорая, топливо образует факел, пирометри­ческий максимум которого располагается на некотором расстоянии от горячего обреза печи. Горячие газы, пере­мещаясь внутри барабана, нагревают материал, сами при этом охлаждаясь. Покидая барабан, они проходят через загрузочную камеру (либо подогреватель) и по­ступают в газоочистительную систему 19, а из нее дымо­сосом направляются в дымовую трубу и оттуда — в атмосферу.

Размеры промышленных вращающихся печей имеют широкий диапазон: от 1,2 х 12 (соответственно диаметр и длина) до 7 х 230 м.

На предприятиях строительной индустрии вращаю­щиеся печи применяют преимущественно для обжига извести. Их преимущество в сравнении с шахтными пе­чами заключается в том, что в них можно обжигать мел­кую фракцию известняка размером кусков менее 20 мм (при дроблении известняка ее получается более 30%), а обожженная известь имеет исключительно высокую ак­тивность — 94—96 %. Эти преимущества в какой-то мере компенсируют повышенный расход топлива во вращаю­щихся печах [5].

Печи кипящего слоя. В промышленности строи­тельных материалов печи кипящего слоя в качестве об­жиговых агрегатов применяют для приготовления дегид­ратированной глины и обжига извести. В них можно об­жигать материал с размером кусков от нескольких до 20 мм, что практически невозможно в шахтных печах с фильтрующим слоем. При псевдоожиженном слое по­верхность каждого куска материала полностью омывает­ся теплоносителем и в сочетании с непрерывным движе­нием материала обусловливает высокую интенсивность теплообмена.

Рис. 4.59. Двухзонная печь Союз-гипрострома с кипящим слоем для получения дегидратированной гли­ны

Схема двухзонной печи кипящего слоя для обжига дегидратированной глины, используемой в качестве отощающей добавки в производстве изделий стеновой кера­мики, дана на рис. 4.59.

Предварительно подготовленные глиняные гранулы с влажностью 18—20 % питателем 1 подаются в верхнюю зону 2 печи, являющуюся зоной сушки. Подсушенные гранулы по внешнему трубопроводу (перетоку) 3, снаб­женному шлюзовым затвором 4, поступают в зону обжи­га 5. Зоны сушки и обжига отделены друг от друга ре­шеткой 6. Обожженный материал по трубопроводу 7 по­ступает в холодильник 8 и самотеком по трубопроводу, снабженному клапаном 9, — на приемный конвейер 10. Таков тракт движения материала. Рассмотрим теперь газовоздушный тракт. Топливо (газ или мазут) сжига­ются в выносной топке (на рисунке не показана), и об­разующиеся продукты горения поступают в подподовое пространство 11, отделенное от зоны обжига решеткой 12. Проходя сквозь решетку 12, они поступают в камеру обжига 5, взаимодействуют с обжигаемым материалом, создавая псевдоожиженный слой, и, будучи еще доста­точно горячими, через решетку 6 поступают в зону под­сушки. Сюда же по трубопроводу 13 из холодильника поступает горячий воздух, нагретый за счет охлаждения обожженного материала. Таким образом, в зоне сушки в качестве теплоносителя используется смесь отработан­ных продуктов горения с воздухом, отработанным в хо­лодильнике, который работает также по принципу кипя­щего слоя. Отходящие из зоны сушки газы через вы­хлопную трубу 14 удаляются в атмосферу.

Удельная производительность такой печи составляет около 1,5 т/(м²·ч) при удельном расходе условного топ­лива около 50 кг/т. Скорость ожижающих газов соста­вила в зоне дегидратации и обжига 0,66, в зоне сушки 0,9 и в холодильнике 0,95 м/с. Следует иметь ввиду, что с увеличением размера гранул производительность печи повышается, так как при этом возрастает критиче­ская скорость псевдоожижения и соответственно этому представляется возможным большее количество работа­ющих газов (теплоносителя) подать в печь.

Преимущество печей кипящего слоя — их высокая удельная производительность, что обусловлено высоким коэффициентом теплообмена. Он примерно на два по­рядка выше, чем в печах с фильтрующим слоем, и дости­гает α = 300—350 Вт/(м²·°С) [5].