Классификация тепловых установок

4) Проводится расчет горения топлива;

5) Составляются тепловые балансы по зонам печи и определяется температура газов и материала, удельный расход топлива, теплоты);

6) Составляются сводные балансы печи: материальный и тепловой по зонам с подстановкой величины удельного расхода топлива;

7) Рассчитываются удельные расходы теплоты, условного топлива и КПД печи;

8) Рассчитывается аэродинамика печи и подбираются дымососы;

9) Ведется подбор загрузочных и разгрузочных устройств.

10) (Роговой, Кондакова, Сагановский. Расчеты и задачи по технологическому оборудованию предприятий ПСМ)

Вращающиеся печи для производства вяжущих веществ

ВП широко распространены в производстве извести и цемента. Ими производится около 80% всех вяжущих веществ.

ВП является печью непрерывного действия, работает по принципу противотока и используется для мокрого, сухого и комбинированного способов производства. Работает на всех видах топлива при их факельном сжигании.

Основной частью печи является вращающийся стальной барабан с приводом, футерованный внутри огнеупором и опирающийся через бандажи на роликовые опоры. Диаметр барабана - 3-7 м, длина - 60-230 м. Барабан расположен под углом 3-4 к горизонту, скорость вращения - 0,6-1,2 об/мин. С верхнего конца печи (холодного) подается сырье для обжига, с нижнего (горячего конца) - выгружается обожженный материал. Материал перемещается по длине печи благодаря уклону и вращению барабана. Топливо и воздух подаются в нижний конец печи. После выгрузки материала из печи он подается в холодильник.

Конструктивные элементы печей

Корпус печи

Корпус печи выполнен из последовательно соединенных встык сваркой металлических обечаек - колец, изготовленных из мартеновской стали толщиной 30-70 мм. В местах расположения опор на барабане с помощью специальных башмаков укреплены массивные стальные кольца шириной 800 - 1300 мм и толщиной 350-400 мм, называемые бандажами. Приблизительно в середине барабана на него надето венцовое колесо.

Барабан при вращении подверг7ается механическим воздействиям на изгиб, кручение и тепловым деформациям. Наибольшее напряжение испытывают бандажные обечайки. В холодном конце печи корпус нагревается до 30-60, в горячем - до 200-300.

Опорные устройства

Состоят из бандажей, одетых на корпус, и роликов, установленных на фундаменте.

Бандаж - литое или кованное стальное кольцо со сплошным сечением прямоугольной формы. Посадка бандажей на корпус - жесткая, с применением упоров, препятствующих перемещению бандажей в осевом направлении. Жесткость конструкции обеспечивается установкой подбандажных обечаек, к которым привариваются подкладки в виде пластин, имеющих ребра, которые препятствуют сдвигу бандажа в осевом направлении. В зависимости от длины печи число бандажей может быть от 3 до8 и более. Каждый бандаж опирается на пару роликов, расположенных под углом 60 по отношению к оси печи.

Опорный ролик выполнен из стального литья. Ширина ролика на 50-100 мм больше ширины бандажа. Этим избегается свисание бандажа с ролика и неравномерный износ поверхностей при сдвиге барабана. Диаметр роликов - 1,4-1,7 м.

Вследствие вращения печи и ее уклона происходит сползание печи в осевом направлении. В старых конструкциях для удержания барабана одну или две пары опорных роликов перекашивали по отношению к бандажу. Это приводило к увеличению расхода электроэнергии на привод и преждевременному износу бандажей и роликов. Поэтому в новых конструкциях на опорных роликах используются не подшипники скольжения, а конические подшипники качения. В этом случае не происходит перекашивание роликов по отношению к корпусу. Для восприятия осевых усилий применяются упорные ролики с гидроцилиндром. С их помощью корпус со скоростью 1 м/ч перемещается в направлении, обратном осевому сдвигу.

Привод

Вращение барабана осуществляется при помощи венцовой шестерни, соединенной через редуктор с электродвигателем.

На печах длиной до 150 м устанавливается односторонний привод, больше 150 м - двухсторонний. Кроме основного привода печь имеет вспомогательный - для медленного вращения в период пуска, охлаждения и ремонта, а также на случай аварийного отключения основного источника питания. Мощность двигателя основного привода - 80-320 кВт, вспомогательного - 5-30 кВт.

Футеровка (обмуровка)

Назначение футеровки - обеспечение возможности проведения высокотемпературных процессов; защита исходных материалов, продуктов взаимодействия и печной среды от взаимодействия с окружающей средой; защита корпуса печи от теплового воздействия.

Футеровка выполняет 3 основные функции:

1) термо-технологическую, 2) теплотехническую и 3) механическую.

1) - обеспечивает локализацию высокотемпературного процесса, сохранение геометрической формы барабана и его прочность. Разогретая футеровка играет роль стабилизатора температуры в печи. Она сглаживает неравномерность подачи топлива, исключает прекращение технологического процесса при кратковременном прекращении подачи топлива.

2) - обеспечивает возможность получения высоких температур; снижает потери теплоты в окружающую среду; обеспечивает защиту металлических конструкций от воздействия высоких температур; обеспечивает устойчивость пламени, придает ему требуемую форму.

3) - обеспечивает передвижение в заданном направлении исходных материалов продуктов реакции и печной среды.

Футеровка является неотъемлемым элементом системы

Материал - среда - футеровка

Для футеровки используются кислые, щелочные и нейтральные огнеупоры. Характерна их способность при высоких температурах вступать в реакцию с материалом и окружающей средой (кислые со щелочным и наоборот).

Кислые огнеупоры - динасовые, шамотные, корундовые.

Основные - магнезиальные, доломитовые, хромомагнезитовые.

Нейтральные - графитовые, углеродистые, карбидкремнивые.

Общие требования к огнеупорам

1) Химическая устойчивость к действию расплава при высоких температурах.

2) Термостойкость и огнеупорность.

3) Износостойкость и механическая прочность.

Низкотемпературные зоны печи футеруются шамотным огнеупором, высокотемпературные - магнезитовым и хромомагнезитовым огнеупорами. За счет образования жидкой фазы в высокотемпературной зоне печи футеровка покрывается защитным слоем обмазки толщиной 100-200 мм, что повышает срок ее службы. Срок службы футеровки в зоне высоких температур составляет 300-400 суток, на лучших заводах - до 2 лет, в зоне низких температур - несколько лет. Холодный участок печи (зона испарения) может быть футерован огнеупорным бетоном (шамот на жидком стекле). При кладке огнеупорного кирпича в качестве связки используют составы на основе цемента-клинкера, цемента-шамота, шамота - жидкого стекла.

Магнезитовые и доломитовые огнеупоры при температуре меньше 600 поглощают пары Н₂О, что ведет к разрушению. Шамотная футеровка поглощает щелочные соединения, что приводит к разбуханию и отслаиванию футеровки. Огнеупоры, содержащие в своем составе хромиты, могут восстанавливаться в восстановительных средах при температуре > 1600, а при температуре < 1600 могут окисляться. Эти явления сопровождаются усадкой или ростом объема футеровки, т. е. при неоднократном нагреве-охлаждении материал разрыхляется и приобретает хрупкость. Поэтому термостойкость составляет 5-6 циклов.

За рубежом используются корундовые огнеупоры, содержащие около 70% Al₂O₃.

Современные тенденции проведения футеровочных работ заключаются в замене штучных огнеупорных кирпичей огнеупорными блоками. При этом срок службы футеровки увеличивается в 7-8 раз.

Уплотнительные устройства

Их устанавливают между вращающимися концами корпуса печи и примыкающим к ним неподвижным частям: с горячей стороны - между разгрузочным концом и откатной головкой, с холодной - между загрузочным концом и дымовой камерой.

Назначение - сократить подсос холодного воздуха из окружающей среды через кольцевые зазоры.

Разрежение в холодном конце печи значительно больше, чем в горячем. Поэтому уплотнительные устройства здесь должны быть более эффективными. В холодном конце печи для уплотнения используют прижатую тросом прорезиненную ленту.

Лента охватывает корпус печи и скользит по нему при вращении. Трос перебрасывается через блоки и натягивается свободно подвешенными грузами с двух сторон или только с одной стороны.

Со стороны горячего конца печи используются лабиринтные уплотнения.

Лабиринтное уплотнение состоит из двух или трех пар концентрически установленных колец, неподвижных на неподвижной части и жестко установленных на вращающемся корпусе. Обе группы колец заходят друг в друга и образуют лабиринт, создающий аэродинамическое сопротивление.

Разгрузочная головка печи

Со стороны выгрузки материала печь имеет откатную головку. Она состоит из сварного каркаса сварной конструкции, футерованного внутри огнеупором.

Корпус откатной головки устанавливается на тележке. На передней стенке головки устанавливается форсунка или горелка. Рядом с ней находится люк для наблюдения за процессом обжига.

Устройства для охлаждения печи

Для повышения стойкости футеровки печи, предохранения корпуса от перегрева печь в зоне спекания охлаждают. Применяют устройства для воздушного и водяного охлаждения. Охлаждению подвергают участок печи со стороны горячего конца, равный 6 диаметрам печи. Воздух и воду затем используют для технологических целей.



7. Печные агрегаты мокрого способа производства цементного клинкера и извести

Мокрый способ производства предусматривает обжиг во вращающихся печах искусственно приготовленных суспензий (шламов) с влажностью 36-44%.

Вращающиеся печи для мокрого способа производства клинкера и извести можно классифицировать следующим образом:

1) Длинные печи с отношением L/D > 30, с внутренними теплообменными устройствами, без запечных теплоутилизаторов (преимущественно для получения клинкера);

2) Короткие печи с отношением L/D < 30 без внутренних теплообменных устройств с запечными теплоутилизаторами;

3) Короткие печи с отношением L/D < 30 без запечных теплоутилизаторов, с внутренними теплообменными устройствами (преимущественно для получения извести);

Из длинных печей преимущественно применяются печи следующих размеров и производительности:

4150м 4,5170 5185

35т/ч 50т/ч 75т/ч

Наибольшее распространение имеют печи

Шлам поступает из сырьевого цеха, дозируется с помощью шлампитателя и по сливной трубе (или течке) стекает в печь, перемещается в ней, и. пройдя 6 зон тепловой обработки раскаленными газами, превращается в клинкер. В охладителе (или холодильнике) он охлаждается воздухом с 1100-1200⁰С до 90-100⁰С и выгружается. Нагретый воздух используется в качестве вторичного воздуха на горение топлива. Остальная его часть теплоутилизируется и очищается.

Средний пылеунос в мощных печах составляет 8-10%.Пыль может быть возвращена в печь разными способами:

Под шлам с холодного конца печи; в зону спекания; под слой материала в зоне подогрева за цепной завесой.

Удельный расход теплоты в длинных печах мокрого способа составляет 5500-6300 кДж/кг клинкера. Газы из печи выходят с температурой 150-200⁰С.

Для улучшения теплообмена и снижения расхода теплоты печи мокрого способа производства оборудуются встроенными внутренними теплообменными устройствами. К ним относятся:

Цепные завесы, металлические и керамические теплообменники. Они устанавливаются в зоне сушки и подогрева.

Цепные завесы

При вращении печи цепи периодически омываются шламом и газовыми потоками. Находясь в газовом потоке, цепи аккумулируют теплоту, а затем часть ее отдают шламу. Цепи улучшают контакт газового потока со шламом, при этом интенсифицируется процесс испарения влаги шлама. Во время сушки шлам изменяет свои реологические свойства и из жидкотекучего становится вязким, а затем сыпучим.

В связи с этим по длине зоны сушки изменяется и теплотехнический режим работы цепей. В зоне жидкотекучего шлама на цепях образуется сравнительно тонкая, непрерывно обновляющаяся пленка шлама. В этом режиме цепи работают частично по регенеративному циклу, т.е. получают теплоту от газового потока и отдают ее при погружении в шлам. В той же части зоны сушки, где на цепях образуется устойчивая пленка, роль их как теплопередающей поверхности в генерации теплоты уменьшается, и тем больше, чем толще становится пленка шлама на них.

В этих условиях цепи увеличивают поверхность непосредственного контакта шлама с газовым потоком. При работе цепей в регенеративном цикле в первом периоде на стадии сушки средняя температура их будет выше. Чем высушиваемого шлама, но ниже чем газового потока. Во втором периоде температура цепей должна быть примерно равна температуре шлама.

Когда шлам теряет пластические свойства и становится сыпучим (влажность 8-12%), цепи не обволакиваются шламом и работают полностью в регенеративном цикле: по выходе из шлама они нагреваются от теплоты газового потока, а при попадании в материал отдают часть этой теплоты. При этом интенсивность теплообмена между цепями и относительно сухим материалом в несколько раз ниже интенсивности теплообмена с жидким шламом. На этом участке печи будет выше температура газового потока, возрастет средняя температура цепей, которая будет приближаться к температуре газового потока.

Свободновисящая навеска цепей используется на различных вращающихся печах, но преимущественно для шламов с высокой начальной влажностью. Эта навеска цепей:

1) проста по конструкции

2) малочувствительна к изменению реологических свойств шлама в процессе сушки.

Эффективность ее как теплообменного устройства возрастает по мере увеличения плотности навески

Недостаток:

Высокое гидравлическое сопротивление, приводящее к перерасходу электроэнергии и установке дымососов повышенной мощности.

Способы навески свободно висящих цепных завес:

- в шахматном порядке на кольца, установленных на равных расстояниях одно от другого.

- на продольных полках, несколько смещенных по отношению к оси печи.

- коридорная система.

Более распространенной является навеска на полках, которая способствует продвижению вязкого шлама вдоль печи.

Гирляндные цепные завесы могут быть двух видов.

Первый предусматривает навеску цепей на кольцах, приваренных к корпусу печи на равном расстоянии одно от другого, второй - навеску в виде трехзаходного винта.

Угол смещения гирлянды является важной характеристикой завесы и составляет около 120⁰.

У гирляндной цепной завесы различают два участка. На первом (по ходу шлама) длина цепей больше, поэтому они сильнее провисают; на втором участке цепи короче. Это создает лучшие условия обеспыливания газового потока. Для повышения роли цепей как пылеуловителей на первом участке навески увеличивают ее плотность. На втором участке (одна треть длины завесы) гирлянды укорочены для того, чтобы способствовать сохранности образующихся гранул шлама. При этом содержание гранул размером 3-7 мм после цепной завесы увеличивается на 60-7-%. Равномерность гранулометрического состава резко снижает содержание пыли в материале и газовом потоке. Данная конструкция гирляндной навески цепей эффективна для шлама с хорошей текучестью. При плохой текучести замазываются цепи и шлам переливается в пыльную камеру.

При проектировании цепных завес учитывается интенсивность теплообмена в холодной и горячей частях цепной завесы, величина которой различна.

Второй важной характеристикой является плотность навески, предельное значение которой принимается из условий ее достаточной транспортирующей способности.

Длину гирлянды выбирают такой, чтобы цепи не касались футеровки печи, т.к. это приведет к разрушению гранул материала и ухудшению условий теплообмена в последующих зонах печи. Поверхность цепей рассчитывается таким образом, чтобы высушенный материал выходил из цепной завесы с влажностью 8-12%. При большей влажности увеличивается расход топлива на обжиг и снижается производительность печи. При меньшей - материал пересушивается и повышается пылеунос. Общая длина цепей - до 2 км, общая площадь - 1500м².

Ячейковые металлические и керамические теплообменники устанавливают в той части печи, где шлам становится сухим и заполнение им поперечного сечения печи находится в пределах 7-15%, а также снижается интенсивность нагревания материала.

В ячейковых теплообменниках сечение печи разделяется на ячейки, по которым вдоль полок теплообменника проходит разделенный поток обжигаемого материала. В результате значительно увеличивается внутренняя поверхность теплообмена в печи и интенсифицируется передача теплоты за счет регенеративного цикла. Полки теплообменников получают теплоту от газового потока. А потом передают аккумулированную теплоту материалу путем теплопроводности и излучения.

Разделение обжигаемого материала на несколько потоков уменьшает термическое сопротивление слоя и улучшает перемешивание материала в слое.

По характеру транспортирования и перемешивания материала между керамическими и металлическими теплообменниками принципиальной разницы нет. Существенным отличием керамического теплообменника является повышенное гидравлическое сопротивление вследствие значительного сужения поперечного сечения печи.

Конструктивным недостатком обоих типов теплообменников является их значительная масса. Которая может привести к деформации корпуса печи.

Технологический недостаток - повышенное пылеобразование на участке установки печи, что ограничивает их широкое применение.

Теплообменники в виде пересыпающих лопастей по устройству представляют собой ряд лопастей из металла или керамики. К ним относится также рифленая футеровка. Они обеспечивают высокую интенсивность теплообмена при взвешивании значительной части его в газовом потоке. Однако при этом происходит разрушение гранул материала и увеличение пылеуноса. Их использование эффективно при правильном сочетании с плотной цепной завесой.

Экранирующие теплообменники представляют собой грибовидные металлические башмаки, устанавливаемые под керамической футеровкой. Используются редко. Их установка увеличивает поверхность теплоотдачи и изменяет теплопроводность поверхностного слоя футеровки, который непосредственно участвует в регенеративном цикле передачи теплоты. При этом количество переданной материалу теплоты возрастает на 20-25%.

Недостаток - замазывание их поверхности материалом, что резко снижает их тепловую эффективность.

Циклоидные теплообменники устраняют недостатки предыдущих конструкций. Представляют собой набор трапециевидных лопастей, отвальцованных по определенному радиусу, обеспечивающему скольжение слоя материала по внешней его поверхности практически без отрыва. Благодаря этому пыление снижается до минимума. Элементы теплообменника устанавливают в печи выпуклой стороной в направлении геометрической оси в коридорном порядке по шесть рядов в поперечном сечении. Угол наклона оснований элементов к образующей корпуса печи - 15-23⁰.

Теплообменники надежны в работе. Просты в монтаже, обеспечивают стабильность теплового и технологического режимов печей. Увеличивают производительность печей на 5%, снижают расход топлива на 7% при общем снижении пылеуноса.

Запечные теплообменные устройства мокрого способа производства.

Запечные теплообменники при мокром способе производства используются редко, т.к. наиболее распространены длинные вращающиеся печи с достаточной утилизацией теплоты за счет внутренних теплообменных устройств. При использовании в мокром производстве коротких печей температура отходящих газов составляет 500-600 єС, поэтому для улучшения использования теплоты на печах устанавливают запечные теплообменники.

Запечный концентратор шлама представляет собой вращающийся металлический барабан длинной 3-4,5 м, диаметром 2-4 м, закрытый с торцов глухими днищами. Цилиндрическая поверхность аппарата выполнена в виде кольцевой решетки, собранной из колосников с зазорами 60-70 мм, скрепленных продольными балками. Решетчатый барабан заключен в кожух, имеющий нижнее отверстие для приема из печи дымовых газов и загрузки высушенного материала в печь. Отработанные газы отводятся через верхнее отверстие в кожухе. Половина объема барабана занята загруженными в него стальными или чугунными кольцами размером 160х125 мм. Шлам поступает в концентратор с помощью питательного устройства, растекается внутри барабана по насадке и образует на ее поверхности пленку, омываемую горячими газами, которая подсушивается. В результате трения колец друг от друга высохший материал отделяется от поверхности колец и по лотку поступает в печь. Влажность материала после концентратора составляет 8. Удельный расход теплоты на обжиг снижается на 15.

Недостатки:

1. Большой пылеунос, что требует мощной системы аспирации.

2. Сложность в эксплуатации.

3. Быстрый износ колосников и балок.

Температура отходящих газов на выходе из концентратора 150-200, скорость вращения барабана 1,5-1,6 об/мин.

Структура теплового баланса концентратора

Приход

с дымовыми газами

с шламом

Расход

на испарение влаги

с высушенным материалом

с отходящими газами

потери в окруж. среду.

Внутренний концентратор шлама

Служит одновременно и обеспыливателем газового потока представляет собой металлический барабан, соединенный с загрузочным концом печи и вращающимся с ней. Диаметр барабана равен 1,5 диаметра печи.

Цепи повешены внутри барабана в виде спиралеобразных гирлянд. Газы и шлам движутся внутри концентратора по спиралеобразной траектории навстречу друг другу. При этом достигается большая поверхность теплообмена, и влага интенсивно испаряется. Влажность шлама снижается с 40 до 10-15%. Данное устройство позволяет уменьшить размеры печи на 20-30% по сравнению с печью с обычной навеской цепей.

Фильтр-пресс

Экономия теплоты при мокром способе производства может быть достигнута путем предварительного механического обезвоживание шлама в фильтр-прессах до 18-20% остаточной влажности. Их производительность составляет 50-60 т/ч по клинкеру или извести.

Камерный пресс-фильтр периодического действия состоит из набора вертикально расположенных фильтровальных плит с уложенной между ними фильтровальной тканью. Часть влаги отжимается и отводится, а кек подается в печь. Удельный расход теплоты при использовании фильтр-пресс снижает на 20-25 по сравнению с длинными печами с внутренними теплообменниками - примерно с 6300 до 4600 кДж/кг клинкера.

Недостаток фильтр-пресса - значительный расход фильтровальной ткани.

Достоинство - механическое обезвоживание - самый дешевый способ удаления влаги.

При использовании в качестве запечных теплообменников концентраторов шлама и фильтр-прессов осуществляется полусухой (комбинированный) способ производства, который является перспективным направлением реконструкции действующих линий мокрого способа, работающих на шламах с высокой влажностью.

Вращающиеся печи сухого способа производства извести и цементного клинкера.

Главным конструктивным отличием печей сухого способа производства является меньшее соотношение L/D, составляющее обычно 12-20. Венцовая шестерня ставится ближе к холодному концу печи. В связи с тем, что эти печи питаются сухой сырьевой смесью, температура отходящих газов у них составляет около 900-1100 єС. Поэтому они эксплуатируются только с запечными теплообменниками, в которых происходят процессы сушки, подогрева и частично декарбонизации. Более высокотемпературные процессы протекают непосредственно в печи. Удельный расход теплоты в лучших современных печных агрегатах сухого способа производства клинкера составляет 3100-3200 кДж/кг, т.е. практически вдвое меньше, чем у печей мокрого способа производства. Сухой способ производства предусматривает следующие запечные теплообменные устройства:

1. Слоевые (конвейерный кальцинатор системы «Леполь»);

2. Циклонные;

3. Шахтные;

4. Шахтно-циклонные;

Наибольшее распространение в СИГ получили печи следующих размеров:

1. 4Ч60 м с конвейерным кальцинатором, производительность 30 т/ч, расход теплоты-4000 кДж/кг клинкера.

2. 7/6,4Ч95 м с циклонными теплообменниками, производительность-125 т/ч, расход теплоты 3600 кДж/кг.

3. 5Ч75 м с ЦТ, производительность 70 т/ч, расход теплоты 3800 кДж/кг.

4. 4,5Ч80 м с ЦТ и декарбонизатором, производительность 150 т/ч, расход теплоты 3100-3500 кДж/кг.

Запечные теплообменные устройства сухого способа производства извести и цементного клинкера. Конвейерный кальцинатор.

Используется в печных агрегатах полусухого (клинкера) и сухого (известь) способов производства. Требует предварительного гранулирования сырья либо использования плотных пород (в производстве извести). Работает по двум схемам - с однократным и двукратным прососом газов. В последнем случае достигается более существенная экономия. Расход теплоты составляет 3700-3800 кДж/кг клинкера, производительность - до 3000 т/сут.

Колосниковая решетка состоит из шарнирно соединенных стальных звеньев, образующих ленту шириной 3-4 м и длиной 15-25 м. Она помещена в камеру, футерованную внутри огнеупором. Лента движется со скоростью 25-50 м/ч. Камера разделена на горячую и холодную части поперечной перегородкой. Горячая часть камеры соединяется с печью, холодная - с дымососом.

При производстве клинкера сырьевая смесь, приготовленная из пластичного сырья, предварительно гранулируется. Диаметр гранул - 10-15 мм, влажность - 12-18%. Гранулирование производится на грануляторах тарельчатого типа. Тарелка наклонена к горизонту на 35-60є. Таким же образом может производится известь из рыхлых мелов. При обжиге известняка используется его фракция того же размера. Материал поступает на решетку и движется вместе с ней навстречу отходящим из печи газам, имеющим температуру 900-1100 єС. Толщина слоя материала 150-200 мм. Газы просасываются вентилятором через слой гранул и снижают свою температуру до 300 єС. Материал нагревается до температуры 800-850 єС и декарбонизируется на 10-20%, затем поступает в печь. Газы, имеющие температуру 300, освобождаются от пыли в циклонах и вентилятором нагнетаются в верхнюю часть холодной камеры, в которой вновь просасываются через слой сырья, подсушивая его и подогревая до 100-150 єС. При этом газы охлаждаются до температуры 120-140 єС и идут на пылеочистку.

Достоинства:

1. Низкий расход теплоты.

2. Небольшие габаритные размеры.

Недостатки:

1. Сложность конструкции, большая металлоемкость.

2. Использование сырья в виде гранул либо кусков.

3. Нестабильность технологического режима, которая выражается в пригорании решетки и просыпи сырья.

8. Циклонные теплообменники

Наиболее широко используются в настоящее время имеют различное конструктивное исполнение, но обязательно включают расход из 4 последовательно соединенных циклонов.

Схема четырехступенчатого циклонного теплообменника.

Принцип работы основан на подогреве материала и его частичной декарбонизациии во взвешенном состоянии благодаря интенсивному теплообмену в циклонах и газоходах.

Сырьевая мука с размером частиц 1-2 мм и влажностью до 1% питателем через дозатор подается в газоход батарейного циклона 4 ступени. В нем материал увлекается газовым потоком из циклона 3 ступени с температурой 400 єС, вносится в батарейный циклон 4 ступени, отделяется от газов и поступает в газоход циклона 3 ступени, уже нагретый до температуры 250-350 єС. Затем подхватывается газами с температурой 500-600 єС, выходящим из циклона второй ступени и подается в циклон третьей ступени. Из него материал попадает в газоход циклона второй ступени, в циклоне отделяется от газов и попадает в газоход первой ступени, где также отделяется от газов и поступает в печь. За время движения материала, составляющее 20-30 с. он нагревается до 700-800 єС. Газы из печи входят в теплообменник с температурой 1000-1100 єС, а выходят из него с температурой 300 єС. После этого они очищаются в электрофильтрах и выбрасываются в атмосферу. Циклоны первой и второй ступени футеруют изнури огнеупором, а третья и четвертая ступени - теплоизолируют снаружи. Сырьевая мука, проходя последовательно через циклоны, декарбонизируется на 25-30%. В каждой ступени теплообмена между газовым потоком и материалом теплообмен происходит при прямоточном движении с очень высокой интенсивностью нагревания частиц материала, что приводит к постепенному выравниванию температур газовой среды и материала. Температура отличается по ступеням приблизительно на 200 єС.

Увеличение числа ступеней циклонов в теплообменнике приводит к более полной утилизации теплоты, но при этом увеличиваются затраты электроэнергии на преодоление сопротивления, что не всегда оправдывается экономически. Однако, за рубежом разработан пятиступенчатый теплообменник. Затраты электроэнергии снижены при этом за счет использования циклона с низкой потерей давления. Температура отходящих газов при этом составляет 220-250 єС. Кроме того, использование пятой ступени позволяет сократить длину печи.

На печах большой производительности обычно устанавливаются 2 ветви теплообменников.

Для герметизации системы циклонов в нижней их части на течках установлены самозакрывающиеся затворы-мигалки. При достижении определенного давления материала затворы открываются, выпускают материал и автоматически закрываются. При подсосе в циклоны уже 3% газов из расположенных ниже газоходов тепловой КПД циклонов падает на 30-40%.

Достоинства:

1. Простота конструкции.

2. Надежность в работе из-за отсутствия движущихся частей.

3. Исключение необходимости гранулирования частей шихты и использование порошкообразной сырьевой муки.

4. Низкий удельный расход теплоты 3400-3600 кДж/кг

5. Более высокий тепловой КПД - 55-65%.

6. Более высокий удельный съем клинкера с 1м³ печи.

Недостатки:

1. Чувствительность к изменению режима работы (зависание материала в циклонах; образование циклонов наростов из-за изменения расхода топлива и подачи материала).

2. Повышенный удельный расход электроэнергии.

3. Недостаточная степень очистки газов.

Этот недостаток диктует необходимость направлять отходящие газы в сушильно-помольное отделение.

4. Чувствительность к изменению химического состава сырьевой муки.

9. Структура теплового баланса ЦТ

Приход:

1. С отходящими из печи газами.

2. С подсосанным воздухом.

3. С пылеуносом из печи.

4. С сырьевым материалом, поступающим в теплообменник.

Расход:

1. На удаление остаточной физической влаги.

2. На удаление кристаллогидратной влаги и разложение глинистых минералов.

3. На разложение 25-30% СаСО₃.

4. С нагретым материалом.

5. С отходящими дымовыми газами.

6. Потери в окружающую среду.

Шахтно-циклонный теплообменник

Шахтно-циклонный теплообменник действует по принципу противотока и прямотока. Отличается от циклонного тем, что циклоны ступени заменены шахтой. В шахте осуществляется противоточный теплообмен, что повышает его эффективность, в циклонах - прямоточный.

Пневмотранспортом мука подается в газоход, объединяющий ступени циклонов. Потоком газов она выносится в группу циклонов ступени, осаждается и направляется в шахту. В группе циклонов ступени, непосредственно соединенной с шахтой, улавливается выносимая из шахты пыль и вместе с сырьем направляется обратно в шахту, то есть каскад циклонов является также пылеосадителем.

Частицы пыли размером менее 10 мкм улавливаются в электрофильтры. газы, выходящие из печи, закручиваются в шахте по спирали восходящего газового потока с целью интенсификации теплообмена. Высота шахты составляет 20-28 м.

Газы из печи поступают в шахту с температурой около 1000⁰С, а выходят при 340 - 360⁰С. Материал нагревается в шахте до 800 - 820⁰С. Шахта металлическая, футерована внутри огнеупором, каскады циклонов снаружи теплоизолируются. На печах большой мощности устанавливаются 2 параллельные ветви теплообменников. Степень декарбонизации - 35 - 40%.

Достоинства:

1. Низкое аэродинамическое сопротивление запечной системы.

2. Ликвидация вероятности образования сваров в циклонах 1 и 2 ступеней.

3. Увеличение производительности печи на 10-15%.

4. Снижение расхода теплоты на обжиг (3200-3300 єС).

Недостатки:

1. Достаточно большой пылеунос материала.

Шахтный теплообменник.

Теплообменник является почти полностью противоточным, за исключением верхней ступени, которая с целью отделения пыли выполнена в виде двух циклонов. Он состоит из верхней двойной циклонной ступени с трактом для восходящего потока и цилиндрической шахты. Шахта с помощью сужений разделена на четыре камеры. Конусные сужения необходимы для более равномерного распределения опускающейся сырьевой муки. Т.о., теплообменник работает в 5 ступеней. Сырьевая мука вводится между верхней камерой шахты и циклонной ступенью, уносится вверх газовым потоком, подогревается, сепарируется от газа в циклонах и попадает в верхнюю камеру шахты, откуда спускается в нижние камеры навстречу потоку газа и затем во вращающуюся печь. Температура отходящих дымовых газов 350, на выходе из печи около 1000 єС. Удельный расход теплоты в шахтных теплообменниках составляет 3400-3600 кДж/кг. Большое поперечное сечение шахтных теплообменников и соответственно низкая скорость газового потока служат причиной относительно низкого аэродинамического сопротивления - около 2500 Па, причем на шахту приходится 40% потерь давления, на циклоны и газоход - 60%. Степень декарбонизации - 40%. Производительность - до 1000 т/сут. Высота шахты - до 50 м, диаметр - 6-7 м.

10. Теплообменники с байпасной системой

Одной из основных причин разрушения бетона является реакция между щелочами цемента и заполнителями, содержащими вредные включения: халцедон, тридимит, кристобалит, цеолит, обсидиан. Поэтому максимальное содержание щелочей в цементе ограничивается 1%. В печах с циклонными теплообменниками в процессе обжига в системе печи и соответственно в клинкере остается больше щелочных оксидов, чем в печах других систем. В ходе обжига щелочные оксиды из глинистых минералов сырьевой муки и из топлива переводятся в состав клинкера: K₂O в количестве до 2,2% и Na₂O в количестве до 0,7%. При температуре выше 800 °C щелочи в печи начинают возгоняться. Наиболее температуроустойчивая часть щелочей остается в клинкере в составе следующих соединений KC₂₃S₁₂; NaC₈A₃; KC₈A₃; K₂SO₄; Na₂SO₄. Испарившиеся щелочи переходят в более холодные зоны печи, где конденсируются на холодном материале. В печах с теплообменниками это наблюдается уже на 4-ой и 3-ей ступенях теплообменника. Особенно сильно конденсируется K₂O - до 81-97%. Это значит, что от 3 до 19% щелочей удаляются из установки. Следовательно, пыль, выносимая из теплообменника отходящими газами, содержит много щелочей и не может быть возвращена в печь.

Щелочной конденсат вместе с сырьевой смесью далее попадает в зоны печи с высокой температурой, где снова испаряется. При этом возникает так называемый внутренний кругооборот, или циркуляция щелочей, в отличие от так называемого внешнего щелочного кругооборота, возникающего в результате возврата в печь вместе с сырьевой мукой пыли, уловленной из отходящих газов и содержащей щелочи. При внешнем кругообороте часть щелочей конденсируется в 3-ей и 4-ой ступенях, что привести к образованию щелочных наростов, приводящих к нарушению теплового и технологического режима работы теплообменника и всей системы в целом. Особенно вероятен такой вариант при использовании сырья с высоким содержанием щелочей, что характерно для нашей сырьевой базы.

Для предотвращения данного явления используется байпасная система. При отводе части отходящих от печи газов мимо теплообменника через так называемый байпасный клапан, расположенный в пылевой камере печи, в отдельный байпасный тракт. Можно снизить щелочной кругооборот и тем самым уменьшить содержание щелочей в клинкере и предотвратить образование наростов и настылей в теплообменнике.

Печная пыль с высокой концентрацией щелочей, отводимая с помощью байпасной системы, не может быть возвращена в печь. Она должна быть удалена или подвергнута выщелачиванию.

В связи с необходимостью дополнительных затрат на устройство байпасной системы и ее отрицательным влиянием на тепловую эффективность печи через байпасную систему отводят не более 25% объема печных газов. При объеме байпаса более 25% щелочность снижается относительно мало. В большинстве случаев объем байпаса 3-10 вполне достаточен. При работе установки с байпасной системой расход теплоты повышается примерно на 16-20 кДж/кг клинкера на каждый процент объема отводимого газа. Увеличивается и расход электроэнергии - в среднем на 2 кВт•ч/т клинкера независимо от объема отводимого газа. Количество пыли, отводимое байпасной системой, равно примерно 1% от массы сырьевой муки, загружаемой в теплообменник, на каждые 10% объема отводимого газа.

Температура байпасных газов у клапана составляет около 1100 °C. Химические свойства щелочных соединений требуют разбавления байпасных газов холодным воздухом до достижения температуры 475 °C. Только при этой температуре можно начинать их охлаждение до 285 °C с помощью раскаления воды; такая температура допускается на входе в рукавный фильтр.

В результате многочисленных экспериментов установлено следующее:

1) Степень возгонки щелочей возрастает с повышением температуры в зоне спекания печи, а также с удлинением времени пребывания в ней материала.

2) Степень возгонки щелочей из сырьевой муки последовательно уменьшается в ряду исходных минералов, содержащих щелочные оксиды: иллит > слюда > ортоклаз.

3) При повышении концентрации SO₃ в сырьевой муке и SO₂ в отходящих газах летучесть щелочей и их циркуляция снижаются в связи с образованием K₂SO₄ и Na₂SO₄.

4) Наличие водяного пара в печных газах и особенно ионов хлора в сырьевой муке и печных газах способствуют повышению летучести щелочей.

Существуют различные байпасные системы. Схема байпасной системы теплообменника. Щелочная пыль из байпасного газа осаждается в отдельных циклонах, а обеспыленный воздух смешивается с основным газовым потоком. Пыль с высоким содержанием щелочей удаляется или подвергается выщелачиванию. Существуют и другие байпасные системы. Щелочная пыль из байпасного газа осаждается в отдельных циклонах, а обеспыленный газ подается к специальному электрофильтру для вторичной очистки. В этом случае основной поток отходящих газов более пригоден для сушки сырья, чем в предыдущей установке. Ко второму варианту байпасный газ подается непосредственно в специальный обеспыливающий агрегат.

11. Вращающаяся печь с циклонным теплообменником и декарбонизатором

Дальнейший поиск повышения производительности и снижения удельного расхода теплоты на единицу продукции привел к созданию печной системы, в которой зона декарбонизации была вынесена за пределы печи - в запечный реактор-декарбонизатор. Всего в мире эксплуатируется около 23 типов декарбонизаторов, которые по принципу действия и основным характеристикам разделяются на 5 групп.

На данный момент печи с декарбонизатором обеспечивают более 25% выпуска клинкера. В СНГ используются декарбонизаторы типа СМЦ-29 наиболее распространенной системы RSP.

Декарбонизатор встраивается в систему циклонных теплообменников между 2-ой и 1-ой ступенями циклонов.

Принцип действия:

Воздух из охладителя клинкера с температурой около 600 °C по воздуховоду подводится к декарбонизатору . Часть воздуха тангенциально подается в вихревой кальцинатор, а часть - в вихревую камеру сгорания. Сырьевая мука с температурой выше 600 °C из циклона 2-ой ступени по течкам попадает в воздуховоды вихревого кальцинатора и вносится в кальцинатор. В нем происходит интенсивный теплообмен между сырьевой мукой, газами и факелом горящего топлива (мазута) с достижением 45%-й степени декарбонизации. Эффективному теплообмену способствуют вихревой режим движения газов и сырья, обеспечивающий тесный контакт меду горячими газами и частицами материала, а также высокая температура газовой среды. После кальцинатора пылегазовый поток с температурой 950 °C попадает в кальцинирующую шахту, где интенсивно перемешивается и потоком отходящих из печи газов с температурой 1000-1100 °C поднимается в газоход, а из него - в циклон 1-ой ступени.

После кальцинирующей шахты степень декарбонизации достигает 85-95%. Степень декарбонизации зависит от доли сжигаемого топлива в декарбонизаторе, которое составляет 60-65% от общего расхода топлива на получение клинкера. В циклоне 1-ой ступени происходит разделение газов и сырьевой муки. Сырьевая мука с температурой около 800-840 °C через течку, оснащенную мигалкой, поступает в печь. Работа вращающейся печи в данном случае сводится лишь к процессу клинкерообразования, что значительно повышает производительность - в 2 раза по сравнению с печами, оснащенными обычными циклонами теплообменниками. Время пребывания материала в декарбонизаторе - до 2 мин.

Декарбонизатор изготовлен из листовой стали и футерован внутри огнеупором. Циклоны 1-ой и 2-ой ступени футерованы более высокоогнеупорным материалом, т. к. по сравнению с циклонным теплообменником температура здесь выше. Более высокая температура достигается благодаря практически стехиометрическому количеству воздуха на горения, т. к. ввод топлива происходит тангенциально, при этом образуются закручивающиеся потоки.

В установках декарбонизатором удельный расход теплоты теоретически должен быть несколько выше, чем в печах, оборудованных циклонными теплообменниками, однако наблюдается обратное явление, что связано с тем, что удлиняется межремонтный период и обеспечивается увеличение производительности. Фактический расход теплоты в этих установках даже несколько ниже, чем в печах с другими запечными теплообменными устройствами.

Преимущества по сравнению с циклонными теплообменниками:

1) Увеличение производительности с 55 т/ч до 125 т/ч, а удельная производительность возрастает с 2 до 3,5- 4 т/(м³•сут).

2) Использование печей меньшего размера;

3) Возможность использования практически любого топлива, в том числе горючих отходов. При образовании золы необходимо учитывать ее присадку.

4) Снижение расхода топлива до 2950 кДж/кг, а тепловой КПД - 50-60%.

Недостатки:

1) Возможность перегрева и налипания материала на стенки декарбонизатора при нарушении синхронизации сжигания топлива в кальцинаторе и печи.

Сравнительная характеристика шахтных и вращающихся печей

Вращающиеся печи	Шахтные печи
Степень заполнения - 10-12%, что приводит к ограничению степени контакта газов с материалом, увеличению длины и повышенному расходу топлива.	Материал занимает весь объем.
Барабан футерован 1 слоем огнеупорного кирпича, поэтому потери больше на 15-20%, что приводит к увеличению расхода топлива и теплоты.	Футеровка - 3 слоя.
Передача теплоты осуществляется в основном путем излучения, а также теплопроводностью и конвекцией, поэтому передачу теплоты улучшают применением запечных теплообменников.	Передача теплоты осуществляется в основном теплопроводностью и конвекцией.
Высоко механизированы, производительны и характеризуются минимальными затратами рабочей силы на обслуживание. Наблюдается более плавный переход температур, поэтому легче создать необходимый режим обжига.	Имеет место неравномерность распределения газов и теплоты по сечению печи и, соответственно, неравномерность обжига. Трудно обеспечить равномерную загрузку и выгрузку материала. Все это усложняет аэродинамику печи.

Сопоставление технико-экономических показателей работы вращающихся и шахтных печей для производства цемента показывает, что:

1) Агрегатная производительность вращающихся печей выше в 15-20 раз;

2) Общие приведенные затраты энергии ниже на 10-15% (для печей сухого производства);

3) Выше качество цемента.

Преимущества шахтных печей:

1) Меньше общая материалоемкость (металл и огнеупоры);

2) Ниже удельная стоимость капиталовложений;

3) Выше удельный съем клинкера.

У известковых вращающихся печей по сравнению с шахтными:

1) Агрегатная производительность выше в 4-5 раза;

2) Более широкое использование сырьевых ресурсов (универсальность по сырью);

3) Лучшее качество извести.

Но:

1) Выше приведенные затраты энергии на 5-8%;

2) Выше металлоемкость в 2-3 раза.

По совокупности показателей более важными являются преимущества все же вращающихся печей.

Холодильники вращающихся печей

Предназначены для окончательного охлаждения материала после выхода его из зоны охлаждения вращающейся печи и получения его с требуемым фазовым и минералогическим составом. Материал (известь или клинкер) охлаждаются воздухом, который поступает во вращающуюся печь для сжигания топлива. Холодильники выполняют роль тепловых утилизаторов и повышают тепловую эффективность печного агрегата.

Существуют четыре основных типа холодильников:

1) Барабанные;

2) Регуляторные;

3) Колосниковые;

4) Шахтные.

При оценке и выборе холодильника следует рассматривать следующие факторы:

1) Тепловой коэффициент полезного действия, определяемый отношением количества теплоты, отобранной у горячего материала и используемого для процесса обжига, к общему теплосодержанию материала:

,

где A- общее теплосодержание материала;

B- потери теплоты в холодильнике.

Величина B складывается из потерь теплоты с аспирационным воздухом, с материалом, выходящим из холодильника и потерь в окружающую среду с излучением и конвекцией. Тепловой КПД холодильников всех типов вращающихся печей находится в пределах 50-80%.

2) Разность температур между горячим клинкером, поступающим в холодильник, и вторичным воздухом, выходящим из него в печь. При равной тепловой эффективности лучшим является холодильник, подводящий с вторичным воздухом максимум теплоты в печь.

3) Степень охлаждения материала, измеряемая его температурой на выходе из холодильника. Эта температура колеблется для холодильников различных типов от 50 до 300°С.

4) Удельный расход энергии на работу холодильника. Этот показатель у барабанных и планетарных холодильников ниже, чем у остальных.

5) Расход воздуха на охлаждение. Объем воздуха для охлаждения материала в барабанных, планетарных и шахтных холодильниках ограничен величиной, необходимой для сжигания топлива в печи, хотя для необходимой степени охлаждения материала в таких холодильниках расход воздуха требуется больший. Поэтому материал, поступающий из таких холодильников, имеет более высокую температуру по сравнению с колосниковым холодильником. В колосниковом холодильнике низкая температура выходящего материала обусловлена большим расходом охлаждающего воздуха и более эффективным теплообменом. Избыточный теплый воздух применяется для сушки сырья или добавок и частично выбрасывается в атмосферу. В последнем случае он нуждается в очистке, что требует дополнительных затрат.

Наличие большого числа факторов затрудняет оценку холодильников, т.к. часто преимущество в одном отношении приходится компенсировать потери в другом.

12. Барабанные холодильники

Это самый старый тип холодильников. В настоящее время используются для охлаждения извести. Ими оборудованы печи малой производительности (12-16 т/ч) длиной 60-90 м. Представляет собой вращающийся барабан, находящийся под печью. Барабан имеет наклон 4-7%. Барабан и вращающаяся печь наклонены в разные стороны. Барабан опирается на два бандажа и имеет самостоятельный привод через венцовую шестерню. Диаметр барабана- 1,2-2,5 м, длина- 10-30 м, частота вращения- 3-8 об/мин. Внутренняя поверхность барабана на 70% длины футерована огнеупорным кирпичом. Для эффективного теплообмена в барабане смонтированы внутренние теплообменные устройства из термостойкой стали и огнеупорных материалов- планки и пересыпные лопасти.

За счет разрежения в разгрузочной головке печи холодный воздух всасывается через открытый конец барабанного холодильника и проходит через него противотоком движению материала. При этом вторичный воздух нагревается до 400-750 °С, а материал охлаждается с 1000-1200°С до 150-300°С. Вторичный воздух используется для сжигания топлива.

В печах сухого способа тепловой КПД барабанного холодильника составляет 55-75%, мокрого способа - около 78%. Это связано с тем, что в печи мокрого способа можно подавать больший объем воздуха из холодильника на горение, т.к. расход топлива и, соответственно, воздуха по мокрому способу выше. Это повышает тепловой КПД холодильника.

Удельная производительность барабанных холодильников составляет 2,5-3,5 т/(Чсут). Клинкерные барабанные холодильники имеют соотношение L/D от 10:1 до 12:1, известковые от 8:1 до 10:1.

Наличие пересыпных лопастей, способствует подъему и перемешиванию материала в холодильнике, позволяет повысить степень заполнения холодильника практически до наблюдаемой в печи.

Для достижения максимального теплообмена скорость воздуха у загрузочного конца барабанного холодильника должна составлять около 4 м/с. Потери теплоты в окружающую среду через стенки барабанного холодильника из-за излучения и конвекции составляют 250-300 кДж/кг материала.

Достоинства:

1) Простота конструкции и надежность в эксплуатации.

Недостатки:

1) Низкий КПД;

2) Необходимость увеличения высоты производственного помещения, т.к. холодильник располагается под печью.

3) Затраты электроэнергии на привод барабана.

Рекуператорные (планетарные, многобарабанные) холодильники.

Рекуператорные холодильники состоят обычно из 10-12 сварных металлических цилиндров, установленных симметрично в виде венца по окружности горячего конца вращающейся печи. Такой тип холодильников не имеет собственного привода и вращаются вместе с печью.

Рекуператоры соединены с корпусом печи лейкой (течкой). Между лейками внутри печи установлены башмаки. Лейки и башмаки выполнены из жаропрочной стали и чугуна. Внутри рекуператоры с горячего конца оборудованы на ј броневыми плитами с полками из жаростойкого чугуна для лучшего пересыпания клинкера. Для лучшего теплообмена оставшееся ѕ длины рекуператора оборудованы навеской цепей или подъемными полками. В конце цилиндра находится разгрузочное отверстие с колосниками, а в торце - борт, препятствующий высыпанию клинкера через открытый конец рекуперутора. Через отверстия в корпусе печи клинкер поступает в планетарные холодильники. Охлаждение осуществляется в противотоке. Окружающий воздух засасывается в холодильники через торцевые отверстия со стороны разгрузочного конца под действием тяги и охлаждает пересыпающийся внутри клинкер до 250-300°С. Весь охлаждающий воздух подается в печь и идет на горение топлива. Клинкер в планетарном холодильнике обычно движется параллельно перемещению клинкера во вращающейся печи. Однако имеются планетарные холодильники, способные перемещать клинкер в противоположном направлении. Вес планетарного холодильника воспринимается роликовой опорой, расположенной перед входными патрубками для клинкера. Повышение веса корпуса печи, оборудованной планетарными холодильниками, и возникающие в корпусе напряжения ограничивают длину планетарных холодильников. По конструктивным соображениям из-за консольного расположения не разрешается превышать определенное соотношение размеров печи и холодильников. Например, для печи с производительностью 500-700 т/сутки максимальный размер планетарных холодильников составляет 1,25Ч7,5 метра. Этот недостаток устранен в планетарных холодильниках нового типа. Существенными отличиями новых планетарных холодильников является удлинение корпуса печи и установка дополнительной роликовой опоры для поддержки удлиненного корпуса. Это позволяет применять более крупные холодильники без снижения несущей способности корпуса вращающейся печи. Но при этом для восприятия дополнительной массы холодильника обечайка печи на этом участке должна иметь большую толщину. Отношение L/D в новых холодильниках составляет 12:1.