Принцип действия и устройство шахтных печей

Содержание

Задание

1 Обжиговые печи черной металлургии

1.1 Общие сведения

1.2 Обжиговые печи

2 Шахтные печи

2.1 Принцип действия и устройство шахтных печей

2.2 Способы отопления и режимы обжига в шахтных печах

2.3 Особенности теплообмена в слое

Заключение

Список использованных источников

Обжиговые печи в чёрной металлургии

 

Общие сведения

 

Печные установки служат для обжига различных сыпучих ма­териалов, суспензий или изделий разнообразных форм и разме­ров. Показателем успешно проведенного обжига является высокое качество готового продукта, полученного в результате воздействия на материал ряда внешних факторов, называемых режимом об­жига. Под режимом обжига понимают совокупность температурных и аэродинамических условий и длительности обжига, а также ха­рактера газовой среды, в которой происходит обжиг.

В свете этих положений различают температурный и аэродина­мический режимы обжига.

Температурный режим определяется скоростью подъема темпе­ратуры до максимальной, временем выдержки материала при максимальной температуре и скоростью его охлаждения. Нагляд­ное представление о температурном режиме дает температурная кривая обжига.

Аэродинамический режим печи характеризуется статическим давлением в рабочей полости. Неравномерное распределение дав­ления или разрежения приводит к разной скорости движения га­зовых потоков вокруг обжигаемого материала и неравномерному нагреву изделий. Особенно отрицательно это сказывается на ка­честве крупногабаритных изделий.

Наиболее равномерное распределение температур по рабочему пространству печи устанавливается при статическом давлении, близком к нулю. Повышенное давление в рабочем пространстве печи приводит к выбиванию газов в помещение цеха через имею­щиеся в печи неплотности. Наоборот, разрежение создает присосы наружного холодного воздуха, вызывающие местное понижение температуры. Аэродинамический режим печи во многом зависит от сопротивления самого обжигаемого материала прохождению газов. Равномерное сопротивление слоя кускового материала или садки изделий в печи способствует равномерному обжигу.

Состав газовой среды в процессе обжига может быть окисли­тельным, если в газах присутствует свободный кислород, восста­новительным при содержании в газах водорода Н₂, окиси углерода СО, углерода С в виде мельчайших частиц сажи и нейтральным при отсутствии в газах СО, Н₂ и О₂.

Определенный состав газовой среды достигается сжиганием топлива при разных значениях коэффициента избытка воздуха а. На качество обжига гипса, извести, шамота газовый режим не оказывает существенного влияния, но в целях уменьшения потерь теплоты с отходящими газами рекомендуют топливо сжигать с та­ким количеством воздуха, которое по возможности близко к тео­ретическому его значению, т. е. при а=1.

Каждые материал или изделие, обжигаемые в той или иной конструкции печи, требуют индивидуального режима обжига. Рез­кий режим обжига отличается высокими скоростями подъема и снижения температуры. В противоположность ему мягкий режим протекает при малых скоростях подъема и снижения температу­ры. Большинство кусковых материалов — гипс, известь, цементный клинкер, глина, шамот — можно обжигать при резких режимах. Решающим значением здесь для получения качественной продук­ции является продолжительность выдержки материала при мак­симальной температуре для завершения всех физико-химических процессов, протекающих в материале при его обжиге. Формован­ные же изделия, наоборот, обжигают при мягких режимах. На­ряду с достаточной продолжительностью выдержки при макси­мальной температуре для обжига формованных изделий характер­ны меньшие скорости подогрева и охлаждения во избежание по­явления в материале разрушающих напряжений.

Рациональная конструкция печи должна обладать всеми воз­можностями для регулирования процесса обжига по отдельным его зонам для каждого вида обжигаемого в ней материала, а так­же отличаться высокими технико-экономическими показателями работы. Оптимальный режим обжига — это совокупность всех внешних условий, обеспечивающих получение готового продукта высокого качества при наилучших технико-экономических показа­телях печи.

К технико-экономическим показателям печной установки отно­сят:

а) производительность — количество вырабатываемого в принятую единицу времени готового продукта. Для сравнения производительности отдельных печей при обжиге в них однотипного материала и для удобства нормирования пользуются понятием
удельная производительность печи или съем — это количество го­тового продукта, получаемого с 1 м³ или с 1 м² площади попе­ речного сечения рабочего пространства печи в принятую единицу времени;

б) расход топлива на обжиг принятой единицы продукции. Этот показатель определяют отношением расхода условного топлива к количеству готовой продукции. Он характеризует тепловую экономичность печи;

в) расход электроэнергии (кВт-ч) на обжиг принятой единицы продукции. В пламенных печах основными потребителями элект­роэнергии являются вентиляторы и дымососы;

г) затраты труда на обслуживание печи выражают отношением человеко-часов к количеству готовой продукции; затраты труда зависят от степени механизации печи;

д) капитальные затраты, связанные с расходом и стоимостью материалов на сооружение печи.

Вышеприведенные технико-экономические показатели работы печи дают возможность не только определить стоимость обжига принятой единицы продукции, но и судить о совершенстве той или иной конструкции, наметить пути дальнейшего ее усовершен­ствования.

Обжиговые печи

 

В черной металлургии обжиговые шахтные печи применяют глав­ным образом для обжига железных руд, известняка, магнезита и доломита. По виду используемого топлива обжиговые шахтные печи разделяются на пересыпные и с выносными топками.

Пересыпные шахтные печи применяют преимущественно для обжига тугоплавких материалов: известняка, доломита и др. Топливом служит коксовая мелочь, загружаемая в печь вместе с известняком. В нижней части шахты устанавливают механиче­ское устройство для выгрузки обожженного продукта и регулиро­вания схода шихты. Воздух подают через решетку разгрузочного устройства. Иногда для улучшения распределения шихты на колошнике печи устанавливают засыпной аппарат с одной вращающейся воронкой и конусом. Подогрев и обжиг материалов осуществляется в верхней части шахты. В нижней части обожженный материал охлаждается и одновременно подогревается воздух.

Шахтные печи с выносными топками применяют для обжига сравнительно легкоплавких железных руд. Нагрев и обжиг мате­риала осуществляется продуктами сгорания, поступающими из топок в среднюю часть шахты по специальным каналам. Топки рас­полагают около шахты, они могут иметь с ней общие стенки. В ка­честве топлива используют горючие газы любого вида, мазут и ка­менный уголь. Нижняя часть шахты как и в пересыпных печах, служит для охлаждения обожженного материала. Для этого через нее пропускают определенное количество воздуха, который нагре­вается и в средней части печи смешивается с продуктами сгора­ния, поступающими из топок.

Продукты сгорания, подводимые по каналам через стенки шахты, устремляются в основном по наиболее легкому пути в пе­риферийных областях слоя. Чтобы прогреть центральные области слоя шихтовых материалов, шахты печей делают узкими (с вытя­нутым поперечным сечением). В некоторых печах нижнюю часть шахты перегораживают огнеупорными стенками (кернами), в кото­рых предусмотрены каналы для подачи продуктов сгорания в цен­тральные области. Схема такой печи, предназначенной для обжига сидеритов (железных руд, содержащих до 20 % Fe), представлена на (рисунке 1).

Удельная производительность обжиговых шахтных печей зна­чительно ниже, чем для вагранок, около 0,5—1.0 т/(м²-ч). Расход условного топлива зависит от содержания влаги и карбонатов в обжигаемом материале. При обжиге известняка он составляет 180—200 кг на 1 т готового продукта.

Для повышения производительности и замены кокса на газо­образное топливо в зоне горения известковых печей стали устанав­ливать горизонтальные водухоохлаждаемые балки с вмонтирован­ными в них или под ними газовыми горелками. Куски известняка проходят между этими балками через пламя горящего газа. При установлении по высоте печи двух рядов балок в шахматном по­рядке достигается значительное улучшение качества обжига.

 

 

1 — люки для загрузки шихты: 2 — газопровод для отходящих газов;

3 — гре­бень (разбойник), направляющий руду к стенкам печи; 4 — поперечные стенки (керны); 5 — каналы для подвода горячих газов в слой обжигового материала; 6 – футерованный газопровод для продуктов сгорания газообразного топлива; 7 — люки для выгрузки обожженного материала

 

Шахтные печи

Принцип действия и устройство шахтных печей

 

Автоматические шахтные печи при относительно небольших раз­мерах просты по конструкции, требуют сравнительно небольших капиталовложений при строительстве и характеризуются сравни­тельно низким расходом тепла — около 4,200 МДж (1000 ккал) на 1 кг клинкера. Однако производительность их за сутки невысока — не более 270 т. В СССР эти печи имеются лишь на трех предприятиях. Заводы с шахтными печами строят в единичных случаях, так как для эффективного применения этих печей необходимы сырьевые материалы невысокой влажности, пластичный глинистый компонент и твердое короткопламенное топливо (антрацит, кокс, тощий уголь, сланцевый кокс), содержащее не более 7% летучих веществ.

Основным элементом автоматической шахтной печи (рисунок 2) является сварной цилиндрический кожух диаметром 2—3 м и высо­той 8—12 м, облицованный внутри шамотным кирпичом и хромо­магнезитом. Нижнюю часть шахты облицовывают чугунными пли­тами. Верхняя часть шахты расширена (примерно на 25%) в виде воронки. К верхней части шахты, закрытой специальным колпаком, примыкает труба для удаления отходящих газов.

Над шахтой расположены бункера сырьевой смеси и топливной крупки, весовые или винтовые дозаторы, смесительный шнек и та­рельчатый гранулятор. Кроме сырьевой смеси и топливной крупки на тарелку гранулятора подается распыленная вода, вокруг брызг, которой образуются сырьевые гранулы, скатывающиеся во вращаю­щуюся течку загрузочного устройства, распределяющего гранулы равномерно по сечению шахты. Внизу шахта закрыта вращаю­щейся решеткой, жестко посажен­ной на вертикальный вал, и много­шлюзовым затвором, предупреж­дающим потери воздуха высокого давления. Воздух для горения по­дается в печь от воздуходувки, обеспечивающей давление до 2500 мм вод. ст., по разветвлен­ному воздухопроводу частично под решетку и частично для улучше­ния сгорания топлива в зоны по­догрева и кальцинирования. В эти же зоны для дожигания обычно образующейся в печи окиси угле­рода иногда по центральной трубе подают кислород. Во избежание утечки сжатого воздуха через раз­грузочное отверстие клинкер вы­гружают из печи через двух -, трех-шлюзовой затвор, клапаны которого открывают и закрывают по­переменно специальным гидропри­вводом.

Таким образом, автоматическая шахтная печь представляет собой печь непрерывного действия с ме­ханизированной подготовкой и за­грузкой сырьевых гранул, а также разгрузкой клинкера.

Печи последних конструкций оборудуют контрольно-измерительными приборами и приборами автоматического регулирования про­цесса.

Производительность шахтной печи прямо пропорциональна квад­рату диаметра шахты, высоте шахты, давлению дутья и количеству воздуха, подаваемого в печь, и обратно пропорциональна размеру кусков обжигаемого материала. Съем клинкера с единицы объема шахтной печи составляет 100—135 кг/(м³-ч).

Качество клинкера шахтных печей несколько ниже качества клинкера, обожженного во вращающихся печах. Оно может быть повышено в результате тонкого помола (до 8% остатка на сите с сет­кой № 009) сырья при точной дозировке и тщательном перемеши­вании сырьевой смеси и топлива, хорошем гранулировании смеси (прочные гранулы размером 10—20 мм), равномерном распределении гранул при подаче воздуха с наибольшим давлением.

Существенным недостатком шахтных печей является их низкая производительность. Однако технико-экономический анализ пока­зывает целесообразность применения автоматизированных шахтных печей в ряде случаев, например при небольшой производительности (до 600 т/сутки) завода.

Шахтные печи усовершенствованной конструкции, изготовляе­мые фирмами Леше и Де Ролль (Швейцария), работают по способу «черной муки» и имеют высокие технико-экономические показатели. Расход тепла в них составляет 3,35 МДж (800 ккал) на 1 кг клинкера. Из клинкеров шахтных печей 20 цементных заводов ФРГ получают цемент 325—425 (по стандарту ФРГ). Сланцевский цементный завод в шахтных печах получает клинкер марки 400 (по ГОСТ 10178—62).

 

Рисунок 2 - Шахтная печь

 

В последние годы производительность шахтных печей за сутки достигла 300 т, а фирма Леше проектирует и более крупные шахтные печи (диаметром 3,6—4 м, высотой 11,2—12 м) производительностью 400—500 т за сутки. Ведутся исследования по применению жидкого и газообразного топлива для обжига клинкера в шахтных печах, что обеспечит дальнейшее развитие и распространение этих экономичных установок.

Для дальнейшего совершенствования процесса обжига клинкера научно-исследовательские организации в последние годы разрабаты­вают и исследуют новые конструкции и схемы печных установок и новые методы обжига. Эти изыскания направлены на интенсифика­цию и повышение тепловой эффективности процесса клинкерообразования путем повышения температуры реакции или обжигом сырье­вой смеси во взвешенно-фонтанирующем или в кипящем слое. Однако промышленных установок таких еще нет.

Шахтные печи являются печами непрерывного действия. Они представляют собой высокую шахту, оборудованную механизмами для загрузки и выгрузки материала, вентиляторами для подачи холодного воздуха и отбора отходящих газов и устройствами для сжигания топлива. В работающей печи вся шахта заполнена кус­ковым материалом, который, двигаясь сверху вниз под действием силы тяжести, последовательно подогревается, обжигается и ох­лаждается. Готовый продукт выгружается в нижней части шахты через разгрузочное устройство, при этом весь столб материала опускается вниз и на освободившееся вверху место поступает сы­рой материал. В печи соблюдается принцип противотока: в зоне подогрева и обжига материал движется навстречу дымовым га­зам, образовавшимся при горении топлива, а в зоне охлаждения — навстречу воздуху. Воздух, охлаждая материал, сам нагревается и горячим достигает зоны обжига, где участвует в процессе го­рения топлива или смешивается с топочными газами, если топли­во сгорает вне печи в специальных топках.

Шахта печи выполнена из кирпича и заключена в металличес­кий кожух. Опорой под шахту печи служит железобетонная пли­та, лежащая на четырех железобетонных колоннах, которые опи­раются на фундаментную железобетонную плиту. Для равномер­ного распределения топлива поперечное сечение шахты может быть круглой или эллипсовидной, реже прямоугольной формы. Вертикальное сечение шахты (профиль) представляет собой прямоугольник, иногда суживающийся кверху или книзу. Стены печи многослойные: внутренний слой выполнен из огнеупорного кирпи­ча толщиной 210—230 мм в зоне подогрева и охлаждения и 345— 460 мм в зоне обжига. За ним следует теплоизоляционный слой из шамотного легковеса толщиной 210—230 мм. Пространство между изоляционным слоем и кожухом шириной 50—60 мм засы­пают молотым шамотом или трепелом для компенсации темпера­турного расширения кирпичной кладки.

Загрузочное устройство (рисунок 3) обеспечивает регулярную 3агрузку материала и топлива в печь, равномерное распределение их го шихте и герметич­ность во избежание присосов наружного воздуха. В период загрузки проис­ходит поочередное откры­тие клапанов, благодаря чему шахта не сообщает­ся с атмосферным возду­хом

1—отбойная пластина, 2-нижний клапан, 3—конус,

4—цилиндрический корпус, 5—приемная воронка, 6—

верхний клапан, 7—полая тяга, 8—редуктор, 9—

электродвигатель, 10—шток

 

Рисунок 3 - Двухклапанное загрузочное устрой­ство Гипрострома

 

Разгрузочные механиз­мы служат для непрерыв­ной выгрузки обожжен­ного материала при абсо­лютной герметичности нижней части шахты, осо­бенно в клинкерообжигательных печах, работаю­щих с высоким давлением дутья. Конструкция разгрузочного устройства за­висит от вида выгружа­емого материала, который может быть рыхлым, как, например, гипс, известь, или спекшимся — цементный клинкер. Раз­грузочное устройство Гипрострома для выгрузки рыхлых материалов (рисунок 4) похоже на свар­ную каретку-платформу, на раме которой уложе­ны колосники клинооб­разной формы. Столб ма­териала опирается на ее поверхность и частично на центральный гребень, охлаждаемый воздухом. Каретка совершает пос­тупательно-возвратное
движение. При этом часть кусков материала проваливается в прозоры колосников, а более крупные куски скатываются с их поверхности в бункер.

Шлюзовое уплотнительное устройство (рисунок 4) состоит из двух-трех камер, последовательно расположенных за течкой бун­кера. Каждая камера отделена от предыдущей автоматически от­крывающимся затвором. Заслонки затворов открываются пооче­редно. При поступлении материала в первую камеру открывается ее затвор, в то время как затворы последующих двух камер закрыты. При дальнейшем движении материала по камерам открыт один затвор, а два других затвора всегда закрыты. Этим дости­гается хорошее уплотнение нижней части шахты, препятствующее выходу в атмосферу вдуваемого воздуха.

А-А 2600

1—люк, 2—штанга, 3—шток; 4—гидропривод; 5—опорные катки; 6—рельсовые бал­ки, 7—каретка, 8—бункер, 9—шлюзовой затвор; 10— колосники

 

Рисунок 4 – Выгрузочная решетка Гипрострома