Классификация тепловых установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Классификация тепловых установок



Введение

тепловой установка сушилка печь агрегат

Целью данной дисциплины является изучение принципов работы основных тепловых установок и агрегатов производства вяжущих материалов и изделий на их основе, особенностей их конструкции и организации режима их работы.

Задачи дисциплины:

1) научиться анализировать режим работы тепловых установок и определить пути их совершенствования;

2) научиться проводить теплотехнические расчеты тепловых установок;

3) приобрести необходимые технологу знания и навыки для рациональной организации тепловых процессов в теплотехнических установках и агрегатах.

Данная дисциплина является одной из 4-х основных по специальности и тесно связана с дисциплинами «Химическая технология вяжущих веществ», «Оборудование и основы проектирования». Дисциплина включает в себя изучение теплотехнических установок, которые используются в технологических процессах, доля затрат теплоты в которых в структуре себестоимости составляет от 30 до 70%. Это определяет особую актуальность ее изучения.

Широкое применение в технологии вяжущих веществ и изделий на их основе тепловой обработки обуславливает наличие широкого разнообразия теплотехнических установок.

Они классифицируются по принципу действия, технологическому назначению, теплотехническим особенностям и конструктивным признакам. Классификация теплотехнических установок по технологическому назначению и конструктивным особенностям может быть представлена в виде схемы.

Шахтные печи появились впервые в 1802 г., в России - в 1865 на Рижском заводе. В конце 19 в. появилась шахтная печь непрерывного действия. В таких печах получали известь и цементный клинкер. Вращающиеся печи впервые были использованы в Англии в 1885 г., в России - в 1906 г., у нас в стране - в 1914 г. в Волковысском районе. Автоклавы для производства силикатного кирпича стали применяться в 1880 г. в Германии.

Пути совершенствования теплотехнических установок производства вяжущих веществ и изделий на их основе:

1) совмещение отдельных тепловых процессов в один общий процесс (например, сушку и обжиг);

2) совершенствование процесса сжигания топлива, конструкций горелочных устройств;

3) автоматизация работы теплотехнических установок;

4) снижение потерь теплоты в окружающую среду;

5) использование вторичных энергетических ресурсов;

6) создание теплообменников для использования низко потенциальной теплоты;

7) использование кислородного дутья.



1. Сушилки и типовые режимы их работы

Классификация сушилок:

1) по принципу действия:

a. непрерывно действия;

b. периодического действия;

2) по технологическому назначению:

a. для кусковых и порошкообразных материалов;

b. для суспензий;

c. для керамических изделий;

d. для листовых материалов;

3) по способу передачи теплоты (способу сушки):

a. конвективные;

b. радиационные;

c. высокочастотные;

d. контактные;

e. комбинированные

4) по схеме движения газов и материала:

a. прямоточные;

b. противоточные;

c. с рециркуляцией;

d. однозонные;

e. многозонные;

5) по конструкции:

a. барабанные;

b. пневматические;

c. распылительные;

d. с кипящим слоем;

e. размольно-сушильные;

f. камерные;

g. туннельные;

h. конвейерные.

Барабанная сушилка (сушильный барабан)

Предназначена для сушки кусковых и сыпучих материалов с влажностью более 2% - глины, песка, шлака, известняка, угля, а также для дегидратации гипсового камня. БС бывают прямоточные и противоточные.

Корпус БС выполнен в виде сварного стального цилиндра с двумя бандажами, каждый из которых опирается на пару роликов. Толщина стенки цилиндра - 10-14 мм, длина барабана 10-35 м, диаметр - 1,6-5 м, наклон - 2-4є, частота вращения 2-6 мин^-1. Барабан приводится во вращение от электродвигателя, через редуктор, подвенцовое и венцовое зубчатое колесо, насаженное на корпус барабана.

Влажный материал с размером кусков до 40 мм подается через точку 6 в верхний конец барабана, перемещается по нему в результате его наклона и вращения и выгружается через разгрузочную камеру. Отработанные дымовые газы идут на очистку в циклон.

БС имеет вспомогательное оборудование: топочную камеру с форсункой или горелкой, смесительную камеру с каналом для подсоса холодного воздуха, разгрузочную камеру, пылеулавливающее устройство для очистки отработанного сушильного агента и дымосос для создания движения газов. На торцах барабана установлены скользящие газоуплотняющие устройства для сокращения подсоса окружающего воздуха.

Для улучшения теплообмена, равномерного распределения сушильного агента и материала по сушильному пространству барабана внутри установлены различные теплообменные устройства.

Для сушки материалов, налипающих на стенки барабана, применяют лопастные или цепные теплообменные устройства. При сушке сыпучих материалов ячейково-секторные. Могут использоваться комбинации этих устройств по длине барабана.

При прямоточной тепловой схеме сушильный агент вводится с загрузочного конца барабана и движется вместе с материалом. При противоточной схеме сушильный агент подается с разгрузочного конца барабана и направляется навстречу движущемуся материалу. В производстве вяжущих веществ применяют обе схемы. При сушке материалов, чувствительных к тепловому воздействию, используют прямоток, т.к. при противотоке высушенный материал будет контактировать с сушильным агентом с максимальной температурой. Это относится к сушке глины, гипса, угля.

Достоинства прямотока:

1) более интенсивная сушка и максимальный паросъем вследствие достижения высокой разности температур сушильного агента и материала в начале сушки, когда влажность материала максимальна и он легко сушится;

2) возможность сушки материалов, чувствительных к воздействию теплоты;

3) возможность более быстрого придания материалу подвижность к транспортированию.

Недостатки:

1) повышенный пылеунос, что обуславливает нагрузку на аспирационную систему;

2) Больший расход топлива и ниже производительность по сравнению с противотоком.

Достоинства противотока:

1) расход топлива снижается на 10% за счет более полного использования теплоты;

2) повышение производительности сушилки на 25-30%;

3) за счет более равномерного распределения движущей силы процесса сушки (разности температур) его легче автоматизировать;

4) более низкий уровень пылеуноса за счет контакта дымовых газов на выходе с влажным материалом

Недостаток - невозможность использовать для сушки чувствительных материалов.

Температура сушильного агента при прямотоке на входе 900-1100єС, на выходе - 160-220єС; при противотоке на входе 700-850єС, на выходе - 120-140єС. Температура материала на выходе - 80-100єС.

БС характеризуются следующими технологическими показателями:

1) производительность - масса пропущенного за час материала. БС имеют производительность до 40 т/ч.

2) напряжение сушильного пространства по влаге - масса влаги, испаренной за 1 час в 1 м³ сушильного пространства (кг/(м³·ч)). Напряжение барабана по влаге зависит от рода сушильного материала, влажности и начальной температуры сушки. Для песка оно составляет 80-100 кг/(м³·ч), для глины - 40-60 кг/(м³·ч);

3) расход теплоты на 1 кг испаряемой влаги. В БС он составляет 3600-5400 кДж/кг.

Достоинства БС:

1) высокая производительность;

2) надежность в работе;

3) возможность использования любого вида топлива;

4) легко автоматизируется.

Недостатки:

1) высокие капитальные затраты и расход производственных площадей;

2) недостаточно равномерная сушка кусковых материалов;

3) высокий расход теплоты.

Пневматические сушилки

Пневматические сушилки предназначены для сушки мелкокусковых и сыпучих материалов (глины, песка, угля, торфа, гипса, известняка), с размером частиц до 20 мм. ПС являются сушилками конвективного типа. Существует много конструкций ПС, которые можно разделить на трубы - сушилки, в которых осуществляется только сушка, и сушильно-размольные агрегаты, где материал одновременно сушится и измельчается. В последнем случае имеет место совмещение трубы - сушилки и помольных установок.

Сушилка представляет собой вертикальную трубу диаметром 500-1200 мм и высотой 8-20 м, в которых осуществляется сушка материала во взвешенном состоянии в течении 1-2 с. Влажный, измельченный материал из бункера питателем подается в нижнюю часть трубы, в которую ниже места загрузки подается теплоноситель из топки или калорифера с температурой 300-800 °С со скоростью 10-40 м/с. Из трубы отработанные влажные газы с температурой 100-150 °С вместе с высушенным материалом поступают в циклон, где происходит отделение частиц материала. Отработанный сушильный агент выбрасывается в атмосферу или поступает на дальнейшую очистку.

Материал перемещается по трубе восходящем потоком теплоносителя за счет вентилятора. Движение газов и материала в данном случае прямоточное. Для транспортирование материала восходящим потоком газов скорость его движения должна быть на 20-25% выше критической. При критической скорости движения материала его частицы находятся во взвешенном состоянии, сила их тяжести компенсируется подъемной силой потока газов.

При скорости ниже критической материал выпадает из потока газов. Критическая скорость зависит от диаметра частиц, плотности материала и плотности газов при данной температуре.

Схема пневматической сушильной-радиальной установки

Перед подачей материала из бункера через питатель в трубу - сушилку материал размалывается до расчетного размера в шахтной, молотковой или реже шаровой мельнице. Шахтные мельницы не требуют установки специального сепаратора, т.к. сама шахта обладает сепарирующим действием и выделяет из потока газов крупные частицы материала. Для поддержания постоянной скорости газов по высоте шахты она может иметь вверху плавное сужение. Для совмещение помола и сушки теплоноситель из топки подается непосредственно в мельницу. При этом интенсивность сушки повышается за счет непрерывного разрушения подсыхающих поверхностных слоев материала при помоле и дополнительной тепловой энергии, в которую превращается механическая работа дробящих молотков или шаров. (Около 80% энергии привода превращается в тепловую).

В некоторых случаях совмещенная с измельчением сушка может происходить до заданной конечной влажности непосредственно в мельнице. Тогда сушильная труба может отсутствовать.

Экспериментальные данные по пневматической сушке показывают, что пневмосушилки тем экономичнее, чем мельче частицы материала и чем больше они содержат свободной влаги. Оптимальный размер частиц материала при сушке в трубах - до 10 мм, начальная температура газов не ниже 600°С, конечная - 100-150°С, концентрация материала - 0,5-1,5 кг/кг газа. Сушку выгодно вести при скоростях газа, незначительно превышающих скорость витания частиц.

Напряжение объема трубы по влаге 400-500 кг/м³·ч, расход теплоты на 1 кг испаренной влаги - 4000-4500кДж/кг.

Преимущества ПС - компактность, большая скорость сушки, высокий уровень автоматизации, равномерность сушки, невысокий расход теплоты.

Недостатки - интенсивный износ трубопроводов, высокий расход электроэнергии, необходимость громоздкой аспирационной системы для очистки газов перед выбросом в атмосферу.

Распылительные сушилки.

РС применяют для получения мелкодисперсного однородного порошка при сушке суспензий, эмульсий, шликера, шлама, пастообразных материалов с влажностью 30-50 %. Чаще всего применяется в производстве керамики. В производстве вяжущих веществ их применяют в качестве теплоутилизаторов вращающихся печей для сушки шлама, в т.ч. и мелового для получения кормового и строительного мела. Сушилка также конвективного типа.

Схема распылительной сушилки.

РС представляет собой башню с отношением высоты к диаметру 1,1-1,2. Высота башни достигает 15-25 м. Принцип действия РС в тонком распылении суспензии с помощью форсунок, преимущественно центробежных, в среде горячих газов. Распыление осуществляется до размера капель 0,5-1 мм. Благодаря большой удельной поверхности распыленного материала процесс испарения влаги происходит интенсивно. Сушка шламов в распылительных сушилках состоит из трех этапов: распыление исходного материала до капель с размером в несколько десятков микрометров; смешивание капель с теплоносителем; быстрое испарение влаги материала с выделением сухого материала в нижнюю часть сушильной камеры. РС отличаются способом распыления шлама. Оно осуществляется с помощью форсунок либо вращающихся дисков. Форсунки работают под давлением 1500-2000 кПа, диаметр сопла 3-8 мм. Струя шлама перед истечением закручивается вокруг оси сопла с помощью сопловых завихрителей.

При использовании вращающих дисков шлам поступает на диск через регулировочный клапан. Диск вращаются со скоростью 2500-8000 мин^-1. В бортовой стенке диска диаметром 200-250 мм установлено 8 сопел диаметром 13-15 мм. Шлам, проходящий через сопла, выталкивается из них центробежной силой с большой скоростью в виде струй из мельчайших капель.

Распыление шлама можно успешно применять только при хорошем измельчении сырьевой смеси для избежание засорения распыляющего устройства.

Форсунки и вращающиеся диски изготавливаются из легированных сталей вследствие абразивного действия шлама.

Особенностью теплообмена в таких сушилках является большая поверхность контакта сушильного агента и высушиваемого материала, что обеспечивает высокую интенсивность сушки. Время сушки составляет 2-5 с.

Топливо жидкое или газообразное. Температура теплоносителя на входе 600-1000°С, на выходе 110-120°С, удельный влагосъем - 5-10 кг/м³·ч, расход теплоты на сушку - 3100-3300 кДж/кг испаренной влаги, производительность - 400-600 кг/ч по сухому порошку. Движение теплоносителя и материала может быть прямоточное, противоточное, смешанное.

Преимущество РС:

- высокая интенсивность сушки;

- возможность получения мелкогранулированного продукта;

Недостатки РС:

- большие габариты;

- повышенный расход электроэнергии на аспирацию. Из сушки может уносится до 50% всего материала.

Сушилки с кипящем слоем.

Сушилки с КС предназначены для сушки мелкодробленых материалов с приблизительно одинаковым размером частиц ( песка, гранулированного шлака, угля, гравня, щебня). В промышленности стройматериалов начинают получать широкое распространение.

В сушилках с КС частицы материала высушиваются на решетке в псевдоожиженном состоянии в потоке теплоносителя. Частицы при этом перемещаются и перемешиваются по толщине слоя. При скорости движения теплоносителя, приводящий к подъему частиц на высоту, значительно большую толщины слоя материала, образуется псевдофонтан материала. Сушилки с таким режимом работы называются «аэрофонтанными», а решетка у них отсутствует.

При сушке материалов, склонных к агрегированию, кипение слоя осуществляется за счет принудительной вибрации. Такие сушилки называют сушилками виброкипящего слоя.

Используются одна- ,двух-, и трехкамерные сушилки периодического и непрерывного действия. Все они работают по принципу противотока.

Схема однокамерной сушилки с кипящем слоем непрерывного действия

Начальная температура теплоносителя может достигать 1000°С, температура решетки при этом - до 700°С.Температура отходящих газов 80 - 120°С, материала - до 100°С. Высота кипящего слоя - 0,7-0,75 м. Расход теплоты - 3400-6000 кДж/кг испаренной влаги. Объемное напряжение по влаге - 15-250 кг/м³·ч, время сушки - до 10 мин, живое сечение решетки - 1,5-3%.

Преимущества сушилки:

- высокая интенсивность сушки;

- простота, компактность;

- возможность одновременной классификации материалов;

- высокая производительность;

- возможность регулирование времени пребывания материала в сушилке.

Недостатки:

- повышенный расход электроэнергии для создания кипящего слоя;

- повышенный удельный расход теплоты;

- неравномерность сушки.

Сушильно-размольные установки. Мельницы совмещенного помола и сушки

К ним относятся шаровые, молотковые, валковые, сепараторные мельницы, мельницы самоизмельчения «Аэрофол».

Шаровая сепараторная мельница.

Установки совмещенного помола и сушки используются в производстве вяжущих материалов в основном при получении гипсового вяжущего для его дегидратации. Температура теплоносителя составляет 400-700 °С в зависимости от скорости прохождения материала по длине мельницы. Движение газов обеспечивается за счет тяги, создаваемой дымососом. При движении газы увлекают частицы термообработанного гипса. Крупная фракция оседает в сепараторе и возвращается на домол. Готовый продукт с необходимым размером фракции выносится потоком теплоносителя из сепаратора и отделяется в циклонах.

В результате аспирации мельницы за счет движение теплоносителя пылевидные частицы удаляются из ее корпуса. Это приводит к увеличению производительности мельницы и уменьшению расхода энергии, т.к. пыль уже не покрывает не измельченные куски материала, не налипает на мелющие тела и не ослабляет силу их удара. Скорость дымовых газов составляет 0,5-0,7 м/с, расход - 5000-6000 м³/ч. При таких условиях из зоны помола удаляются частицы размером 0-20 мкм. Тонина помола регулируется изменением расхода (или скорости) пылегазового потока посредством открытия или закрытия шибера перед вентилятором , также поворотом лопаток сепаратора.

Барабанные мельницы выложенные изнутри броневыми плитами волнообразной формы, выполненными из марганцовистой стали. Между корпусом и плитами проложен слой листового асбеста для тепловой и звуковой изоляции.

Достоинства таких установок - упрощение технологического процесса.

Недостаток: неравномерность обжига в результате большой разницы в размерах частиц. Поэтому гипсовые вяжущие, получаемые в мельницах совместного помола и дегидратации, отличается повышенным содержанием растворимого ангидрита. Наряду с высокой тониной помола это обуславливает большую водопотребность и быстрые сроки схватывание.

Камерная сушилка

В корпусе камерной сушилки расположены полки, на которых находится высушиваемый материал. Это установка периодического действия. Ниже уровня пола камера имеет три канала - два боковых для подачи сушильного агента и один средний для его отвода. Камеры соединяются в блоки по 20-30 штук. Сушильный агент через боковые каналы попадает в камеру и, т.к. он легче воздуха в рабочем объёме камеры, поднимается вверх до тех пор, пока его масса в процессе охлаждения не выравнивается с массой воздуха камеры. По пути движения нагретый сушильный агент отдаёт теплоту холодному материалу и начинает движение вниз, а затем через средний канал выбрасывается в атмосферу. Смешение восходящих и нисходящих потоков сушильного агента вызывает многократную циркуляцию и достаточно равномерную сушку изделий. Время сушки составляет 2 -3 суток. Расход теплоты 4200 - 6300 кДж/кг исп. влаги. В результате низкой интенсивности сушки такие установки вытесняются другими конструкциями.

Туннельные сушилки

Это установки непрерывного действия. Бывают прямоточными и противоточными. В промышленности вяжущих материалов используются для сушки гипсокартонных листов. Полочные вагонетки с изделиями передвигаются по рельсам с помощью толкателя. Туннельные сушилки также объединяются в блоки с одним фронтом загрузки и выгрузки. Длина одного туннеля составляет 24-38 м, ширина и высота 1,5-2 м. Сушильным агентом могут быть дымовые газы или нагретый в калорифере воздух.

Т.к. при сушке гипсовых изделий не допускается контакт горячего теплоносителя с изделиями в высушенном состоянии в виду опасности дегидратации, а также контакт сухих изделий с наиболее влажным отработанным сушильным агентом, то обычно используется прямоточно-противоточная схема. Подвод теплоносителя осуществляется на отметке 2/3 длины туннеля от загрузки изделий. При выходе поток разделяется на два. Один движется в одном направлении с изделиями в сторону выгрузки, второй - противотоком в сторону загрузки. Температура сушильного агента на входе 180-200 ^оС, на выходе 200-120 ^оС.

Достоинство: простота в эксплуатации

Недостаток: низкая эффективность сушки.

Время сушки 10-18 ч. Расход теплоты 4200-5000 кДж/кг исп.



2. Техника безопасности при эксплуатации сушилок

Сушильные установки должны, как правило, работать под разряжением. При загрузке и выгрузке материала особое внимание нужно обращать на то, чтобы продукты горения не попадали в цех. Сушильные цехи должны быть оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией. Все источники теплоты (корпуса, топки, газопроводы) должны быть обеспечены устройствами и приспособлениями, резко ограничивающими выделение конвекционной и лучистой теплоты в рабочем помещении. Температура нагретых поверхностей оборудования не должна превышать в местах нахождения обслуживающего персонала 45 ^оС. При большей температуре поверхность оборудования должна изолироваться. Все механизмы привода должны иметь ограждения.

Пуск сушильных установок запрещён при:

1) неочищенных или несправных пылеулавливающих устройствах

2) сильных вибрациях и толчках элементов привода

3) недостаточном уплотнении газового тракта

4) падения давления газа у горелок и при утечке газа из газопровода.

При любой остановке дымососов дутьевой вентилятор немедленно должен быть остановлен. Запрещается открывать дверцу топки во время работы дутьевого вентилятора.

3. Тепловые установки для тепловлажностной обработки

Автоклавы

Автоклавы предназначены для тепловлажностной обработки материалов и изделий насыщенным водяным паром, получаемым из котельных под избыточным давлением 0,8-1,2 МПа и температуре 174-207єС. Это аппараты периодического действия со съемными торцевыми крышками, снабженными безболтовыми быстродействующими байонетными затворами. Автоклавы бывают проходные, если обе крышки съемные, и тупиковые, если одна крышка съемная, а другая - глухая. Материалы и изделия загружают в проходные автоклавы с одного конца, а выгружают с другого; в тупиковых загружают и выгружают с одного конца, на котором установлена съемная крышка.

Автоклавы изготовлены в виде горизонтального металлического сварного барабана со стандартными размерами: диаметр - 2; 2,6 и 3,6 м, длина - соответственно 17; 19,1 и 21 м.

Для открывания и закрывания съемных крышек предназначены подъемный и поворотный механизмы, консольно подвешенные на рычагах. Крышки запираются герметично с помощью байонетного кольца, поворачивающегося вокруг оси автоклава.

Такое кольцо снабжено выступами, равномерно расположенными по окружности. На крышках автоклава выступы расположены по окружности так, что когда автоклав закрыт, выступы крышки находятся за выступами байонетного кольца. Получается прочный замок по всей окружности. Между крышкой и байонетным кольцом в качестве уплотнения установлено резиновое кольцо.

Барабан установлен на опорах, одна из которых неподвижная, остальные - скользящие, для компенсации термического расширения корпуса.

Открывают крышку с отводом ее в сторону, а закрывают при помощи привода с электродвигателем, редуктором и открытой зубчатой передачей. Крышка передвигается по монорельсу на катках.

Для создания замка байонетное кольцо гидравлическим приводом поворачивается на расстояние, равное половине шага между выступами. После того, как крышка установлена и сцепление ее с кольцом произошло, через штуцер пускают пар, давлением которого резиновое уплотнение плотно прижимается к лини разъема крышки. Так исключается прорыв пара через зазоры между крышкой и корпусом автоклава. Управление механизмами открывания и закрывания крышек автоматизировано.

Внутри автоклава уложен рельсовый путь нормальной колеи, по которому закатывают и выкатывают вагонетки с материалами или изделиями. На корпусе автоклава предусмотрены фланцы для подключения паропровода, конденсатоотвода, установки приборов и арматуры. Внешняя поверхность барабана, крышек и паропроводов покрывается теплоизоляцией.

Силикатобетонные сырцовые изделия загружают в автоклав после того, как они в сформованном виде достигли определенной прочности, не допускающей их разрушения. Для каждого вида изделия устанавливается режим тепловлажностной обработки, исключающий нарушение его структуры и снижение прочности.

Цикл работы автоклава складывается из следующего времени: загрузки материала, тепловой обработки, включающей время подъема температуры, изотермической выдержки, спуска пара, охлаждения материала, его выгрузки и очистки автоклава. Цикл работы составляет от 7 до 18 часов в зависимости от обрабатываемого материала и необходимых свойств готовых изделий.

На первой стадии автоклав продувают паром для удаления из него воздуха, т.к. его теплопроводность значительно ниже, чем у пара, что вызывает дополнительный его расход. При прогреве аппарата образуется много конденсата и для предотвращения размыва им изделий применяют экран из отдельных листов, отводящий конденсат в нижнюю часть автоклава, в сосуд-отстойник, установленный рядом с автоклавом. Эта стадия происходит под высоким давлением и температурой. Продолжительность первой стадии 1-3 часа.

На второй стадии происходит изотермическая и изобарная выдержка, когда температура и давление пара постоянны. Ее продолжительность 5-10 часов. Третья стадия - спуск пара, снижение давления до атмосферного, температуры - до 100єС и ниже. Ее продолжительность 1,5-2 часа. Наибольшая продолжительность каждой стадии процесса соответствует обработке силикатобетонных изделий большой толщины и наименьшим значением параметров пара. Средний расход пара в процессе тепловлажностной обработки составляет 100-150 кг на 1 м³ изделий за 1 час, что соответствует расходу за весь цикл 600-2000 кг пара на 1 м³ изделий.

В автоклавах обрабатываются следующие материалы: силикатный кирпич, ячеистый бетон, тяжелый бетон, асбестоцементные изделия, высокопрочный гипс.

Способ автоклавирования для получения высокопрочного б-гипса в нашей стране не используется, хотя в зарубежной практике этот способ распространен. В автоклав загружают гипсовый щебень 15-50 мм в вагонетках и обрабатывают под давлением 0,15 МПа и температуре около 135єС. Дальнейшее повышение давления нецелесообразно, т.к. это негативно сказывается на структуре кристаллов готового изделия. Автоклавная обработка асбестоцементных изделий позволяет экономить цемент, т.к. эти изделия в данном случае могут изготавливаться на основе цемента с добавками песка.

4. Техника безопасности при работе с автоклавами

При работе с автоклавом должны соблюдаться следующие правила. После загрузки автоклава запарочными вагонетками включается гидропривод и механизм подъема крышек. После полного закрытия крышки специальное устройство - конечный выключатель дает разрешение на поворот байонетного кольца. В конце поворота кольца срабатывает конечный выключатель, сблокированный с программным регулятором запарки (ПРЗ). В соответствии с предусмотренной программой происходит весь процесс запарки, по окончании которого автоматически выпускается пар и конденсат. Система блокировки такова, что крышка открывается только при отсутствии внутри автоклава избыточного давления, а также конденсата. При сбросе давления срабатывает точный электрический манометр, дающий первое разрешение на поворот байонетного кольца. Второе разрешение поступает от сигнализатора уровня конденсата и третье - при ручном открытии контрольного крана. Последнее разрешение дает конечный выключатель, срабатывающий при условии, если крышка автоклава полностью закрыта.

Т.к. автоклавы - сосуды, работающие под избыточным давлением более 70 кПа, они подконтрольны гостехнадзору и подлежат регистрации в его органах. Аварийноопасными являются байонетные затворы, представляющие собой тяжелые съемные устройства. Применябт специальные устройства безопасности открытия и закрытия байонетных затворов. Средства автоматики позволяют открывать крышку автоклава только при полном сбросе избыточного давления пара, а подавать пар в автоклав - лишь при нормальном зацеплении байонетного затвора.

Не менее одного раза в шесть лет производятся гидравлические испытания на давление, превышающее рабочее на 25%. Каждый автоклав снабжается двумя предохранительными клапанами и манометрами, на циферблатах которых выделено красной краской предельное рабочее давление. После каждого цикла работы крышки автоклава должны подвергаться осмотру. При наличии какого-либо повреждения работа автоклава должна быть прекращена.

Перепуск пара

Для экономии пара на запаривание изделий пар после завершения процесса обработки в одном автоклаве перепускается в другой с вновь загруженными изделиями или в аккумулятор пара. Это позволяет экономить до 10-15% пара. При включении системы вакуумирования, которая создает в автоклаве перед пуском вакуум, количество использованного отработанного пара за счет перепуска повышается до 15-18%.

Перепуск пара может осуществляться из автоклава в автоклав при наличии их в количестве не менее 5 штук, или в паровой аккумулятор пара при наличии 2-4 штук. В качестве парового аккумулятора используют старый автоклав малого диаметра.

Конструктивный расчет автоклава

При расчете автоклавов на прочность определяют необходимую толщину стенок цилиндрической части корпуса и крышек по заданному давлению пара, или допустимое рабочее давление пара по заданной толщине стенок. Толщина стенок барабана определяется по формуле, мм:

,

где D - внутренний диаметр барабана в мм;

C - прибавка (запас) на толщину стенки в мм, принимается ? 1 мм;

p - расчетное избыточное давление пара в кПа, равное максимальному давлению пара в котельной с прибавкой 5%, учитывающей настройку предохранительного устройства автоклава;

ц - коэффициент прочности, учитывающий ослабление кольцевого сечения стенки технологическими отверстиями,

ц = ?d/(р·D),

где ?d - сумма диаметров отверстий, входящих в ослабленное кольцевое сечение барабана;

д - допускаемое напряжение стального листа, 112·10³-150·10³ кПа, зависит от марки стали.

Толщина торцевой крышки барабана, мм:



Пропарочные камеры

ПК для тепловлажностной обработки изделий из цементных бетонов работают под небольшим избыточным давлением насыщенного пара при температуре около 100єС. Пропариваемые изделия занимают около 10-15% рабочего объема камеры. Расход пара за весь цикл пропарки составляет 200-400 кг на 1 м³ изделий.

Распространены горизонтальные (туннельные) пропарочные камеры периодического действия с подачей пара по кольцевым перфорированным трубам. Изделие загружаются в камеры на вагонетках через двери торцовых стенок. При подаче пара в камеры он вытесняет воздух, после чего во всем объеме камеры поддерживается одинаковая температура. Для поддержания постоянной температуры в камерах они снабжаются гидравлическими клапанами или водяными затворами, через которые проходит избыток пара при некотором избыточном давлении.

Теплоотдача при конденсации

В установках тепловлажностной обработки, где происходит пропаривание или запаривание, нагревание изделий происходит за счет теплоотдачи при конденсации водяных паров. Различают капельную и пленочную конденсацию. В автоклавах и ПК теплоотдача происходит в условиях пленочной конденсации, когда конденсат смачивает поверхность и образует сплошную пленку.

Коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации вычисляется по формуле:

, Вт/(м²·К)

где r - скрытая теплота парообразования;

g - ускорение свободного падения;

л - теплопроводность;

с - плотность;

м - динамическая вязкость;

l = H (высоте);

c = 2,04 при конденсации пара на вертикальной поверхности, c = 1,28 при конденсации пара на горизонтальной поверхности.

б при пленочной конденсации изменяется в пределах (7..12)·10³ Вт/(м²·К).

При наличии в паре воздуха величина б для конденсирующегося пара резко снижается.

Пропарочные камеры

Тепловлажностная обработка цементных бетонов является наиболее длительным и ответственным процессом в технологии их производства. Сущность ее заключается в повышении температуры среды до 80-100⁰С. При этой температуре скорость реакций гидратации значительно увеличивается, процесс набора прочности ускоряется, а изделия в более короткий срок приобретают механическую прочность, допускающую их транспортировку и монтаж. Пропарочные камеры работают под атмосферным либо небольшим избыточным давлением. Пропариваемые изделия занимают 10-15% рабочего объема камер. Бетонные и железобетонные изделия весьма разнообразны по своим геометрическим размерам, форме и другим свойствам, что и обуславливает применение разнообразных пропарочных камер. В качестве теплоносителя используется пар, паровоздушная смесь, подогретый и увлажненный воздух, электроэнергия, обработанные дымовые газы. Нагрев изделий теплоносителем, происходит при непосредственным соприкосновении с ним открытых поверхностей, либо через стенки формы. В случае использования электроэнергии нагрев осуществляется либо при непосредственном прохождении электрического тока через бетон, либо косвенным способом при помощи излучателей.

Ямные пропарочные камеры

Ямные камеры имеют прямоугольную форму, иногда со скругленными углами для улучшения циркуляции теплоносителя. Высота обычно до 4м, ширина 1,5-4м, длина 7-13м. Как правило, ямные камеры заглублены в землю на 1-2м. Кол камеры бетонный со слоем теплоизоляции, имеет уклон 0,005-0,01 для стока конденсата. Стены железобетонные с отверстиями для подключения паропровода и сообщения с атмосферой. Сверху камера закрывается съемной крышкой, заполненной теплоизоляцией. Нижняя поверхность крышки обшита стальным листом. Крышка также сделана с уклоном 0,005-0,01, чтобы капли конденсата с нее не попадали на поверхность изделия. Уплотнение между крышкой и камерой выполнено в виде гидравлического или песочного затвора, представляющею собой желоб по периметру стен, заполненный песком или водой. В желоб погружены края крышки.

Принцип работы ямной камеры. После загрузки камеры изделия крышку закрывают и начинают впуск пара. Т.к. весь свободный объем до этого был заполнен воздухом, в первый период тепловлажностной обработки сказывается вредное влияние воздуха - понижается коэффициент теплоотдачи и скорость подъема температуры. Температура поднимается до 100 єС в тот момент, когда воздух будет полностью вытеснен из камеры, и она заполнится насыщенным водяным паром. Период подогрева завершается, когда поверхность изделий нагреется до температуры теплоносителя. Во втором периоде количество подаваемого пара меньше чем в первом за счет снижения количества конденсата. По окончании периода изотермической выдержки подача пара прекращается, камера вентилируется, изделия остывают, а затем выгружаются. Из-за периодичности работы теряется 20-25% теплоты, идущей на нагрев самой камеры. 10-12% теряется из-за утечки пара через неплотности. Расход пара составляет 200-300кг/м³ бетона.

Туннельные камеры

Туннельные камеры, как и ямные, являются безнапорными. Кроме того, они могут быть периодического и непрерывного действия. В отличии от ямных они расположены на уровне земли.

Туннельные камеры периодического действия устанавливаются по несколько штук блоком с общими стенками и одним фронтом обслуживания. В них обрабатываются изделия небольшого размера и правильной формы, уложенные штабелями на вагонетках. Стены камеры обычно железобетонные. Перекрытие вверху имеют уклон к одной из продольных стен для стекания конденсата. Внутренние поверхности стен и перекрытия покрыты слоем гидроизоляции. Подвод пара в камеру осуществляется через перфорированные трубы, уложенные по всей длине по бокам или по центру камеры. На носу камеры устраивают 1 или 2 рельсовых пути. Длина камеры составляет обычно 10-25м и определяется равномерностью выхода пара по длине перфорированного паропровода. Высота камеры не превышает 2м. Недостатком таких камер является слабая герметизация дверей.

Туннельные камеры непрерывного действия выполняются одно и многоярусными, обычно трех и четырех ярусными. Длина туннеля составляет 70-130м. Перед многоярусными камерами и после них устанавливаются подъемники для подачи вагонеток на верхние ярусы и снижатели для спуска вагонеток на уровень пола. Изделия при движении по туннелю проходят последовательно зону подогрева, изотермической выдержки и охлаждения. Для избежания утечки теплоносителя торцовые стенки камеры снабжаются гибкими шторами. Недостатком многоярусных камер является расслаивание газовых потоков по высоте, т.к. между ярусами нет перекрытий, а также потери теплоты через торцы камер. Температура в верхней камере всегда выше, чем в нижней, а влажность паровоздушной смеси ниже.

Щелевые камеры

Это установки непрерывного действия. Обычно состоят из одного туннеля, имеющего в поперечном сечении форму щели для перемещения формы вагонетки с одним рядом изделий. Для экономии производственной площади камеры располагают ниже уровня пола цеха под формовочным конвейером , таким образом, чтобы они совместно с последним образовали двухъярусным конвейер. В щелевых камерах отсутствует расслаивание тепловых потоков по высоте, поэтому они отличаются высокой тепловой эффективностью. Расход пара на 1м³ бетона в щелевой камере составляет 200-250 кг.

В последние годы стали применять щелевые камеры с электроподогревом, в которых на полу камеры под вагонетками расположены трубчатые электрические нагреватели (ТЭНы), объединенные по несколько штук в блоки. ТЭНы представляют собой тонкостенные стальные или латунные трубки длиной до 3м. Внутри трубки вмонтирована спираль сопротивления из нихромовой проволоки, нагреваемой электротоком. Пространство трубки заполнено огнеупорной электроизоляционной массой, при соприкосновении с которой поверхность трубки нагревается и передает изделиям теплоту излучением. Температура на поверхности ТЭНов составляет 400-800⁰С. Применение электронагрева позволяет сократить время тепловлажностной обработки, увеличить уровень автоматизации и исключить наличие на предприятии паросилового цеха.

Кассетные установки

Получили широкое распространение в технологии крупноразмерных бетонных изделий небольшой толщины. Представляет собой пакет, состоящий из 2-14 вертикальных форм, в которых происходит формование изделий. Формы с обоих сторон имеют паровые рубашки для подачи в них пара. Давление в рубашках составляет 0,02 МПа. Теплообмен в кассетах происходит контактным способом. При соприкосновении изделий с нагретыми стенками формы теплота от них распространяется теплопроводностью вглубь изделия. Изделия равномерно прогреваются по всей поверхности до максимальной температуры за 1,5-2 ч.

Подогрев бетонной смеси

Предварительный подогрев бетонной смеси является одним из наиболее экономичных и эффективных способов сокращения производственного цикла. Форсированные режимы автоклавной обработки изделий, изготовленных из холодной смеси приводят к ухудшению физико-химических свойств бетона из-за нарушения ее структуры. Использование предварительно разогретой бетонной смеси повышает также экзотермических реакций при твердении. Установлено, что при использовании холодных смесей максимальное количество теплоты выделяется в конце обработки, в отличие от использования горячих смесей. Существует 2 способа подогрева бетонной смеси: электроэнергией и острым паром. С помощью электропрогрева бетонную смесь можно разогреть за несколько минут до 50-70⁰С.

За счет предварительного разогрева можно снизить время ТВО на 1-1,5ч, или снизить температуру ТВО на 15-20⁰С.

Шахтные печи для производства вяжущих материалов

Шахтные печи делятся на 3 основные группы:

1) Пересыпные, в которых твердое топливо сгорает в среде материала;

2) Работающие на газе или мазуте;

3) Снабженные топками полного сгорания, или полугодовалыми, используются в основном в основном при низкотемпературном обжиге.

ШП являются печами непрерывного действия. Она представляет собой вертикальную шахту с круглым, эллипсовидным или прямоугольным сечением высотой от 9 до 27 м с наружным диаметром 3,8-5,6 м и внутренним 2,5-4,3 м. Рабочий объем составляет 45-750 м³. Шахта оборудована механизмами для загрузки и выгрузки материала, вентиляторами для подачи холодного воздуха и отбора отходящих газов и устройствами для сжигания топлива. В рабочей печи все шахты заполнены 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 место поступает сырой материал. Печь работает по принципу противотока: в зоне подогрева и обжига материала навстречу дымовым газам, а в зоне охлаждения - на встречу воздуху. Воздух охлаждает материал, при этом сам нагревается и горячим достигает зоны обжига, где участвует в процессе горения или смешивается с топочными газами, если топливо сгорает в топке. Шахта выполнена из кирпича и помещена в металлический кожух, под шахтой находится опора, роль которой выполняет железобетонная плита. Стена печи является многослойной: внутренний слой выполнен из огнеупорного кирпича толщиной 210-230 мм в зоне подогрева и охлаждения и 350-460 мм в зоне обжига. Следующий слой - теплоизоляционный, из шамота, толщиной 210-230 мм, пространство между изоляционным слоем и металлическим кожухом 50-60 мм. Все материалы, обжигаемые в шахтных печах, в зависимости от режима обжига можно разбить на две группы: материалы низко- и высокотемпературного обжига. К первой группе относятся гипс, низкообжиговый шамот; второй известь, низкообжиговый шамот, цементный клинкер и т. д. (1200-1500?С).

Печи низкотемпературного обжига топками полного сжигания топлива, вынесенными за пределы шахты. В них используется любой вид топлива. Топочные газы на входе в шахту разбавляются воздухом для образования газовой смеси требуемой температуры.

В печах высокотемпературного обжига топливо сгорает в самой шахте среди обжигаемого материала. Если топливо твердое, его подают в печь через загрузочное устройство в смеси с материалом или послойно. Такие печи называются пересыпными. В пересыпных печах используют только короткопламенное топливо, преимущественно антрацит (для избегания потери летучих горючих веществ в зоне подогрева).

Длиннопламенное топливо сжигается в полугазовых топках, пристроенных к шахте на уровне зоны обжига. Образовавшийся в них генераторный газ имеет высокую температуру и при смешивании в шихте с нагретым воздухом, сгорает среди кусков материала с выделением большого количества теплоты.

Газообразное топливо сжигают в горелках, вмонтированных в стенки шахты в зоне обжига. В печах, работающих на мазуте, шахта в поясе зоны имеет специальные форномеры, предназначенные для предварительной газификации мазута. Продукты газификации содержат 20 - 25% горючих газов и имеют высокую температуру. Полное сжигание осуществляется среди кусков материала с большим тепловым эффектом.

Шахтные печи для обжига известняка

В шахтных печах обжигают плотные карбонатные породы - известняки, доломиты. Куски мела не обладают достаточной механической прочностью, поэтому они разрушаются и забивают шахту, что препятствует фильтрации через слой материала. Поэтому мел целесообразно обжигать во вращающихся печах. ШП для обжига известняка могут работать на любом виде топлива.

В печи проводится обжиг известняка с размером кусков 50 - 100мм. Шахта пересыпной шахтной печи с производительностью 200т\сут имеет цилиндрическую форму с внутренним диаметром 4,3м и рабочей высотой 25м. Толщина стального цилиндра кожуха - 10мм. Печь снабжена двухканальным загрузочным механизмом для послойной подачи материала топлива. Загрузочное устройство обеспечивает регулярную загрузку материала и топлива в печь, равномерное распределение их по шахте и герметичность для избегания подсоса наружного воздуха. Клапаны жестко насажены на шток таким образом, что при возвратно - поступательном движении штока происходит поочередное открытие и закрытие клапанов. Когда верхний клапан открыт, нижний закрыт, и наоборот. Благодаря этому шахта не сообщается с атмосферным воздухом.

Разгрузочный механизм служит для непрерывной выгрузки обожженного материала при абсолютной герметичности нижней части шахты. Состоит из платформы, на раме которой уложены колосники клинообразной формы. Стол материала опирается на поверхность колосников, платформа совершает возвратно - поступательные движения. При этом часть кусков материала проваливается между колосниками, а крупные куски скатываются в бункер.

Для обеспечения герметичности существует шлюзовое уплотнительное устройство, состоящее из двух - трех камер, последовательно расположенных за течкой бункера. Каждая камера отделена от предыдущей автоматически открывающимся затвором. Заслонки затвора открываются поочередно. При движении материала по камерам открыт только один затвор - по ходу движения, а другой затвор всегда закрыт. Этим достигается уплотнение нижней части шахты, препятствующее выходу в атмосферу вдуваемого воздуха. В случаи использования в качестве топлива газа он подается в печь горелками через отверстия в стенах печи, а также по оси шахты через осевую горелку. Скорость продвижения материала зависит от ее объемной массы и скорости выгрузки его в нижней части шахты.

По высоте шахты условно делятся на три технологические зоны: подогрева, обжига, охлаждения. Высота зоны подогрева определяется влажностью и величиной кусков обжигаемого материала. Высота зоны охлаждения определяется температурой обжига. Воздух, пройдя снизу шахты зону охлаждения, охлаждает материал и нагревается до температуры 300 - 500?С. Дальше он поступает в зону обжига, в которую опускается нагретый известняк. Здесь происходит сжигание газа и декарбонизация известняка. Продукты горения вместе с технологическим СО₂, двигаясь вверх, поступают в зону подогрева, охлаждаются до200 - 220?С и выбрасываются в атмосферу. Известь выгружается из печи с температурой 80 - 100?С.

5. Показатели работы шахтных печей

1) Удельная производительность, определяется двумя показателями:

А) Плоскостное напряжение R_F, т\м²•сут или (час)

Для пересыпных печей R_F = 10 - 14 т\м²•сут

Б)Объемное напряжение R_V, т\м³•сут или (час)

R_V=0,6-0,85 т\м³•сут

2) Удельный расход топлива. Для пересыпных и газовых печей составляет 170-190 кг усл. топлива/т извести.

3) Тепловой КПД печи Ю; для пересыпных и газовых печей составляет Ю=70-75%, с полугазовыми топками - 50-60%, для цементных печей - 45-60%.

К полезной теплоте относится теплота испарения влаги и теплота химических реакций.

4) Удельный расход топлива кДЖ/кг материала. Для известковых печей - 160 - 180 к у т/т.

Достоинства шахтных печей

1) Малая материальная и удельная стоимость капиталовложений

2) Достаточно высокий тепловой КПД

3) Полная механизация операций

4) Низкие затраты тепловой энергии

Недостатки шахтных печей

1) Низкая производительность

2) Низкое качество извести и цементного клинкера

3) Повышенный расход электроэнергии тягодуъевого оборудования

Особенности теплообмена шахтных печей

Работа ШП основана на принципе конвективного теплообмена между плотным слоем материала, движущимся сверху вниз, и газами, фильтрующимися через слой материала снизу вверх. Печь характеризуется слоевым режимом внешнего теплообмена. Доля теплового излучения из - за заполнения материалом газового пространства и малой длины луча при высоких температурах не превышает 20%. Теплопроводность влияет на теплообмен только в крупных кусках (более 4мм). Теплообмен связан также с термическим сопротивлением каждого обжигаемого куска материала.

Коэффициент теплопередачи с учетом термического сопротивления определяется по формуле:

где - объемный коэффициент теплоотдачи, Вт/м³_• К

- термическое сопротивление на поверхности куска, величина обратная

- теплопроводность кусков материала, Вт/м•К

- эквивалентный диаметр, м

- пористость слоя материала, в долях

Коэффициент теплоотдачи для разнокусковой засыпки находят по экспериментальной формуле:

, Вт/м³_• К

где щ - условная скорость газов при ?С, отнесенная ко всему (пустому) сечению шахты, м/с

Т_м.с. - средняя температура материала в слое, ?К

Т_г - температура газов,?К

Процессы теплообмена и горения топлива в шахтной печи значительно ускорить, уменьшая размер кусков материала и увеличивая скорость газов. Однако этому препятствует рост гидравлического сопротивления.

Шахтная печь для обжига цементного клинкера

ШП для получения ПЦК находят распространение за рубежом при получения цемента из пластичных природных мергелей. Перед обжигом в сырьевую смесь добавляется тонкоизмельченное твердое топливо, затем из нее изготавливают т.н. «черный брикет» или черные гранулы размером 15 - 25мм. Конструктивное отличие печи для получения клинкера обусловлено условием сгорания топлива, запрессованного в материал, высокой температуры обжига (1400-1500?С), особенностью физико-химических процессов, протекающих в обжигаемом материале, и спекшейся структурой готового продукта.

Для осуществления равномерного обжига по сечению шахты ее внутренний диаметр не должен превышать 2,8 м. Верхняя часть шахты книзу постепенно сужена во избегания образования у ее стенок сквозных каналов, вызванных усадкой материала при спекании. Т.к. слой спекшегося клинкера имеет большое сопротивление, в печи создают высокое давление воздушного дутья, достигающего 15-25 кПА. Разгрузочное устройство выполнено в виде вращающейся зубчатой решетки для дробления спекшегося клинкера конгломерата.

Для успешного сжигания топлива, запрессованного в материал, требуется проникновение кислорода внутрь гранул и повышенная его концентрация в окружающей среде, т.к. образование при горении СО₂ может восстановиться до СО при соприкосновении с частицами кокса или антрацита по реакции:

СО₂+СО=2СО

С этой целью цементная ШП озонное дутье. Часть воздуха, необходимого на горение, поступает через зону охлаждения подогретым, а другая часть поступает непосредственно в зону обжига по периферии шахты. В центральную часть шахты предусмотрена подача чистого кислорода.



6. Основы теплотехнических расчетов шахтных печей

Используются два метода расчета шахтных печей - аналитический и графический.

Аналитический метод имеет следующую последовательность расчетов.

По заданным исходным данным: производительности печи, химическому составу обжигаемого материала, параметрам обжига (температура обжига, уходящих газов, выгружаемой извести, степень обжига материала) составляются:

1) Материальный баланс процесса обжига материала;

2) Рассчитывается продолжительность обжига с учетом условий теплообмена;

3) Ведется расчет конструктивных размеров печи (объем шахты, средний диаметр, плоскостной и объемный съемы, высота зон);