книги из ГПНТБ / Табунщиков, Н. П. Производство извести

тем взвешивания дозируемого ими материала на контрольных

весах.

Описанная система контроля дает возможность своевременно об­ наружить нарушения технологического режима и устранить их.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ШАХТНЫХ ПЕЧЕЙ

Печи, работающие на твердом топливе. Схема автоматизации пре­ дусматривает поддержание показателей технологического режима на заданном уровне по установленной производительности печи. Производительность печи может задаваться вручную со щита авто­ регулирования либо изменяться автоматически в зависимости от по­ требления извести в последующем технологическом процессе путем изменения количества отбираемых из печи газов. Осуществляется это ручным или автоматическим дистанционным управлением с воз­ действием на направляющий аппарат (на всасывающем патрубке дутьевого вентилятора) либо на заслонку (на байпасной линии отса­ сывающей газодувки). Стабилизация расхода воздуха (или печных газов) обеспечивается регулятором расхода, который состоит из изме­ рительного органа (труба Вентури или диафрагма), вторичного изме­ рительного устройства, исполнительного механизма и регулирую­ щего органа — направляющего аппарата или заслонки (рис. 62).

Следует отметить, что стабилизация потока воздуха (печных га­ зов) не может производиться по показателям манометрического ре­ жима (давлению или разрежению), поскольку он не является одно­ значной функцией расхода. Так, при изменении гранулометрического состава шихты ее сопротивление должно измениться, что приведет к изменению расхода воздуха; регулятор расхода автоматически установит прежний расход воздуха (газов) независимо от нового значения давления (или разрежения) в печи.

Вторым автономным регулятором является регулятор загрузки (или уровня шихты в печи), который по показаниям измерителя уров­ ня включает подачу шихты в печь. Датчиком регулятора является измерительный щуп, или изотопный уровнемер, который при пони­ жении уровня ниже заданного значения подает сигнал на регулятор, включающий скиповый подъемник или опрокидыватель вагонеток (если шихта подается по канатной дороге). После каждой подачи шихты командный аппарат через реле времени включает привод по­ воротного устройства распределителя шихты, чем обеспечивается по­ ворот его на заданный угол. Загрузка производится до тех пор, пока уровень шихты не поднимется выше заданного значения.

Подготовка шихты к загрузке также производится автоматически путем отвешивания порций карбонатного сырья и топлива в каждый скип (либо в каждую вагонетку).

Отбор извести из печи осуществляется регулятором выгрузки по показаниям температуры отходящих газов и выгружаемой извести (низа печи). Предусмотренный в современных печах отбор газов из слоя шихты стабилизирует их температуру, которая, при отсутствии

160

резервной высоты шахты, является однозначным показателем верх­ него уровня зоны горения. О нижнем уровне зоны горения судят по температуре низа печи (или выгружаемой извести).

Если повышается температура отходящих газов — отбор извести меньше установленной производительности печи и регулятор отбо­ ра увеличивает число оборотов привода выгрузочного устройства до достижения заданного значения температуры отходящих газов. Ес­ ли повышается температура низа печи (или выгружаемой извести),

Рис. 62. Схема автоматизации шахтной печи на твердом топливе:

регулятор отбора уменьшает выгрузку извести до достижения задан­ ного значения. При этом уменьшается скорость опускания шихты, ; скорость перемещения зоны горения за счет стабилизации расхода воздуха остается прежней, в результате чего зона горения вновь поднимается на заданный уровень.

На печах, которые работают с двумя тягодутьевыми устройствами, например с принудительной подачей воздуха от вентилятора и за­ бором печного газа газодувкой, необходим еще регулятор давления верха печи. Регулятор состоит из датчика давления (разрежения),

регулирующего устройства, исполнительного механизма и исполни­

тельного органа.

В случае если отбор газов оказывается меньше, чем предусмотре­ но для заданной производительности печи, давление в головке печи возрастает и появляется необходимость сброса избыточного коли­ чества газов. Регулятор давления (разрежения) откроет заслонку на

Рис. 63. Схема автоматизации шахтной печи на газообразном топливе:

сброс газов в атмосферу (или увеличит отбор на газодувку) и уста­ новит прежнее давление в головке печи.

Печи, работающие на газообразном топливе. Производительность печи на газообразном топливе, так же как и на твердом, определяет­ ся количеством сжигаемого в единицу времени топлива, т. е. расхо­ дом топливного газа. Регулятор расхода газа стабилизирует этот поток (рис. 63).

162

Для стабилизации выделения тепла необходимо обеспечить пол­ ноту сжигания топливного газа, что можно достигнуть соответствую­ щей подачай воздуха. С этой целью в схеме автоматического регули­ рования предусматривается регулятор соотношения г а з — воздух. По аналогии с печами на твердом топливе в печах на газообразном топливе должны быть и регулятор уровня засыпки в печи, и регуля­ тор отбора извести по температуре отходящих газов, устанавливаю­ щий соответствие между потоками газообразного топлива и обжигае­ мого сырья.

Кроме перечисленных регуляторов, обеспечивающих поддержа­ ние заданного технологического режима, на печи должна быть уста­ новлена автоматика безопасности. Она включает отсечку газа при падении давления как в газопроводе, так и в воздухопроводе, а при использовании многосопловых балочных горелок — и отсечку пода­ чи топливного газа при повышении температуры охлаждающей воды сверх заданного значения.

При применении двухпроводных горелок устанавливается авто­ матический быстродействующий клапан безопасности, срабатываю­ щий при падении давления газа или воздуха ниже допустимых пре­ делов, причем его располагают возможно ближе к горелкам. Быстро­ действующие клапаны должны быть сблокированы с сигнализатора­ ми падения давления газа и воздуха, а также иметь ручное управле­ ние.

11*

ГЛАВА IX

ВРАЩАЮЩИЕСЯ ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ

ДВИЖЕНИЕ МАТЕРИАЛА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Вращающиеся трубчатые печи стали применяться для обжига из­ вести сравнительно недавно (примерно 45 лет тому назад). Отличи­ тельной особенностью их является способ транспортирования мате­ риала и в связи с этим — специфика теплообменных процессов.

Частица, находящаяся у стенки барабана, поднимается вместе с ним на высоту, которая при данной степени заполнения соответ­ ствует углу, превышающему угол естественного откоса. При этом за счет гравитационных сил происходит «скалывание» поверхностно­ го слоя материала к его основанию, т. е. частицы движутся под не­ которым углом к оси печи за счет наклона поверхности слоя к гори­ зонтальной плоскости.

Среднее продвижение частиц вдоль оси печи за одно падение по поверхности слоя материала [1] равно

где /хп — длина хорды на половине высоты движущегося слоя; срп — угол наклона оси печи; фм — угол наклона слоя относительно оси печи; Рс — статический угол откоса, под которым располагается ма­ териал в состоянии покоя.

Зависимости /(срп, <рм, |3С) от <рп, <рм и |3С приведены на рис. 64. Средняя скорость движения материала вдоль оси

а объемный расход материала

и м = ^мп Сп f (Фп> Фм, Pc) w iin

где hMn — высота движущегося слоя (в пересчете на неподвижное состояние); шмп — средняя скорость падения частиц под действием силы тяжести; Фм — центральный угол, под которым видна поверх­ ность слоя материала. .

164

Для печей с подпорными кольцами необходимо учитывать их тор­ мозящее действие. В соответствии с данными работы [1] тормозящее действие уменьшается с приближением высоты слоя Я к высоте подпорного кольца /гпод. При Я > /гпод подпорное кольцо не оказы­ вает влияния на скорость движения материала.

Если приближенно принять, что поверхность слоя материала, утолщенного кольцом, горизонтальна, то длина утолщенного слоя

^под = ЛподЛ§ Фа

а средняя скорость движения материала на этой длине снижается:

где йпод — высота подпорного кольца; hM— высота слоя материала за областью действия подпорного кольца.

Степень заполнения барабана обычно составляет ~10% . Особенностью движения материала во вращающейся печи являет­

ся его сегрегация по размерам кусков: наиболее крупные куски рас­ полагаются на поверхности и в прилегающем к стенкам слое, а в цен­ тральном участке слоя концентрируются наиболее мелкие фракции. В результате этого при обжиге мелкие фракции обжигаются не пол­ ностью, а крупные даже дают перепал. Это явление отмечено во мно­ гих статьях [3—9]. Поэтому для обжига во вращающихся печах ре­ комендуют применять узкие фракции сырья, например 20—50 мм [8] или 13—35 мм и 35—60 мм, обжигаемого в двух различных печах [9].

При движении известняка и извести в печи происходит значитель­ ное истирание кусков, в результате чего продукт измельчается. Так, неоднократно наблюдалось, что известняк, хорошо обжигаемый и не измельчающийся в шахтных печах, при обжиге во вращающейся пе­ чи превращался в порошок [3], поэтому перед выбором типа печи для обработки сырье должно быть испытано на макетах различных пе­ чей.

Измельчение извести и высокие скорости греющего газа приводят к значительному пылеуносу, который составляет 10—11% [9]. Унос происходит, когда давление газов на частицу превышает силу трения ее о поверхность слоя, в результате чего частица может перемещать­ ся по поверхности слоя либо может быть поднята над этой поверх­ ностью. Более крупные из поднятых частиц осаждаются по длине печи (за счет снижения скорости газа), остальные уносятся газами. Содержание пыли на входе в пылеосадительную камеру составляло 8,4 г/м3, причем в пылеосадительной камере отделялись преимуще­ ственно частички сырья, а в циклоне — обожженная известь [9].

Таким образом, скорость газов во вращающихся печах, а следо­ вательно, и их удельная производительность ограничиваются выно­ сом материала из печей.

Подвод тепла в печь осуществляется за счет факельного сжигания жидкого, газообразного или пылевидного топлива внутри вращаю­ щегося барабана. Передача тепла происходит непосредственным из­

166

лучением факела, конвекцией от газов к материалу, а также к стен­ ке печи, свободной от материала. В свою очередь тепло от нагретой стенки передается открытой поверхности материала лучеиспуска­ нием, закрытой поверхности материала — теплопроводностью. Во вращающихся печах материал проходит зоны подсушки, нагрева и диссоциации. Зона охлаждения отсутствует. Движение газов и ма­ териала осуществляется по принципу противотока.

Тепло в основном передается лучеиспусканием на поверхность слоя материала при температуре газов выше 900—1000 °С. При бо­ лее низких температурах теплообмен происходит неинтенсивно, поэ­ тому зоны подсушки и подогрева стремятся вынести за пределы вра­ щающейся печи путем установки специальных подогревателей. Ана­ логично решают вопрос и с охлаждением полученного продукта. При этом следует иметь в виду, что подогрев воздуха, идущего на горе­ ние, приводит к повышению температуры факела, что, в свою оче­ редь, повышает температуру поверхности кусков извести или, дру­ гими словами, способствует образованию перепала извести.

Именно поэтому в работе [3] отмечается, что в отношении полу­ чения извести без пережога вращающаяся печь не оправдала возла­ гавшихся на нее надежд. В этом заключается одно из существенней­ ших отличий применения вращающейся печи для получения извести от применения ее для получения цементного клинкера, где высокая температура факела не только не вредна, но даже необходима для завершения основного технологического процесса.

Математическое описание теплообмена во вращающейся среде еще не разработано в достаточной мере, поэтому предложен [10] ме­ тод расчета на основе опытных зависимостей.

Уравнение теплового баланса для бесконечно малого участка вращающей­ ся печи dl в общем случае (при горении топлива и выделении газов и пыли) пред­

ставлено [10] в виде

± dQv= dQu — dQT 4- dQc + dQn ± Qi ± Q2 =

= 3600-0,785.D2 (1 — ф) wrprcrdtc (IX ,3)

где dQ2 — количество тепла, отдаваемое или получаемое запыленными газами на участке dt; dQM— приведенное количество тепла, получаемое или отдавае­ мое материалом; dQT — количество тепла от сгорания топлива; dQc — приведен­ ное количество тепла, отдаваемое газам и пыли, выделяющимся из материала; dQn — количество тепла, теряемого в окружающую среду; Qlt Qa — тепловые потоки, проходящие через торцовые сечения участка dl; D — внутренний диа­ метр печи; ф — коэффициент заполнения печи материалом; wr — скорость га­ зов; рг — плотность газов; сг — теплоемкость газов; tr — температура газов.

Температурные поля как газов, так и материала по поперечному сечению печи неравномерны. Максимальная температура материала наблюдается в поверхностном слое, непосредственно подвергающемся облучению, наименьшая — в срединном участке слоя. При отборе проб газов на различном удалении от поверхности материала (по диа­ метру печи) обнаружено [5] существенное различие в их составе. Проба газа, отобранная на значительном расстоянии от поверхности

167

материала, имела состав: 21% С02, 2% 02, 4%СО; проба, отобранная у поверхности материала, содержала: 32,2%С02, 1,2%02, 3,4%СО. Различие в содержании С02 указывает на то, что газовый поток, дви­ жущийся по печи, неоднороден по своему составу, а следовательно, неодинакова и температура этих слоев газа. Разность температур га­ зового потока достигает 150—200 °С.

Однако более подробный анализ связи фактических полей темпе­ ратур газового потока, материала и футеровки с их средними тем­ пературами показал, что определяющей в процессе теплообмена яв­ ляется только степень неравномерности температуры материала.

Е. И. Ходоров [10] предлагает учитывать эту неравномерность с помощью коэффициента К. Тогда количество тепла, получаемое материалом на участке dl, приближенно можно представить в следующем виде:

4QM= К (ал + ак) Ух + (д) d l Уг— <м) —•

векцией; /х, /д — длины хорды и дуги сегмента, занятого материалом в попереч­ ном сечении печи; К, v — теплопроводность и кинематическая вязкость газов; о — коэффициент излучения абсолютно черного тела; А — опытный коэффи­ циент, зависящий от ф и приведенной степени черноты печного пространства е; В — опытный коэффициент; w„ — скорость материала; рм — насыпная плот­ ность материала; см — теплоемкость материала; ta — температура материала.

Потери тепла с газом и пылью, выделяющимися из материала, а также в окружающую среду выражаются общеизвестными уравнениями. Приход тепла (от сгорания того или иного топлива) следует определять по соответствующим специальным методикам.

Тепловой поток, проходящий через первое торцовое сечение, можно найти из теплового баланса части печи, предшествующей участку dl, считая по ходу газов. Тепловой поток, проходящий через второе торцовое сечение, следует рас­ сматривать как опытную функцию процесса теплообмена на участке dl. Уравне­ ние теплового баланса (IX, 3) определяет изменение температуры газов, а урав­ нение теплообмена (IX,4) — изменение температуры материала на участке dl.

Расчет теплообмена во вращающейся печи должен быть позонным. Это поз­ воляет наиболее полно учитывать различные условия работы каждой зоны.

Диаметр зон, а также наклон и скорость вращения печи определяют по до­ пустимой скорости газов и оптимальному коэффициенту заполнения материалом.

Последовательный позонный расчет теплообмена рекомендуется начинать от горячего конца печи, так как температура, достигаемая в зоне горения, опре­ деляет температурный уровень всего процесса. Тогда для каждой зоны в урав­ нениях (IX, 3) и (IX, 4) оказываются заданными начальная энтальпия (и темпера­ тура) газового потока и общее количество тепла, получаемого или отдаваемого материалом (его начальная и конечная температуры); известны конечная энталь­ пия (температура) газового потока и поверхность (длина) зоны. Из расчета те­ плообмена находят общую длину печи, а также кривые изменения температуры газового потока и материала по длине печи. Длина и температура реакционной зоны при выбранной скорости движения материала должны обеспечить необхо­ димую длительность пребывания материала в реакционной зоне.

Для определения коэффициентов И и В в уравнении (IX, 4) и критериаль­ ной зависимости, описывающей торцовый тепловой поток, были использованы [10] результаты опытов на промышленных печах. Для отдельных зон вращаю­

168

щихся печей критерий е представляет собой относительно постоянную величину. Критерий ф учтен в уравнении (IX, 4) величиной (1Х + /д). Как показывают рас­ четы, его влиянием на коэффициент А без существенной ошибки можно пренеб­ речь.

На рис. 65 приведена зависимость коэффициента А от начальной температу­ ры газового потока. Значения А увеличиваются с уменьшением температуры газового потока от максимума к холодному и горячему концам печи, так как в этих направлениях растут концентрация твердых частиц и коэффициенты излу­ чения углекислоты и водяного пара, которые содержатся в газовом потоке.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в начале зоны горе­ ния температура газового потока быстро растет, так как тепловыделение зна­ чительно превышает теплоотдачу. Затем достигается равновесие между тепловы­ делением и теплоотдачей, определяющее максимум на кривой изменения тем­ пературы газового потока по длине печи. Далее происходит понижение темпе­ ратуры газового потока, которое вызвано уменьшением тепловыделения по срав­ нению с теплоотдачей. Максимум температуры материала по длине печи (рис. 66)

мена во вращающейся печи от режима ее работы. Уменьшение степени тепловой форсировки сокращает потери высокопотенциального тепла излучением в об­ ласть относительно низких температур.

Для вращающихся печей характерны очень высокие потери тепла в окру­ жающую среду. Так, на каждый джоуль затраченного «высокотемпературного» тепла (при t > 850 °С) во вращающихся цементных печах потери в окружающую среду составляют 0,37—0,47 Дж, в то время как в шахтных печах они составля­ ют всего 0,02—0,03 Дж [10]. Столь значительные потери тепла в окружающую среду вызваны главным образом увеличением поверхности печи в зоне обжига на единицу продукта и худшей теплоизоляцией вращающихся печей.

Нужно сказать, что в тепловом расчете вращающихся печей даже цементной промышленности, где эти печи являются основным видом обжиговых агрегатов, привлекается еще много экспериментальных зависимостей. Что же касается вра­ щающихся печей для обжига извести, которые не являются основным оборудо­ ванием в производстве СаО, то тут оказывается, что разработка расчета тепло­ обмена значительно отстает от расчета печей цементной промышленности.

Достаточно сказать, что даже степень черноты сырьевой смеси в производ­ стве цемента остается еще не установленной, ввиду того что она меняется при фи­ зико-химических превращениях, зависит от гранулометрического состава час­ тиц и температуры материала. Учитывая это, а также трудность определения запыленности газового потока по длине печей, влияющей на степень его черно­ ты, Е. И. Ходоров [1] рекомендует принимать степень черноты газов е2 = 1 и вы­ бирать эффективные значения ем такими, чтобы результаты расчетов совпадали с опытными данными.

169