Сысоев Павел Валериевич

Факультет физико-металлургический
Специальность: промышленная теплотехника

Научный руководитель: Туяхов А.И.

Реферат по теме выпускной работы

Исследование тепломассообменных  процессов в барабанной печи
для выплавки синтетических шлаков

Вращающиеся печи широко распространены на самых различных предпри­ятиях во всех промышленно развитых странах мира.

Наиболее широкое технологическое применение этот вид оборудования по­лучил в цветной металлургии.

В этой отрасли вращающиеся печи применяют для спекания бокситовой и нефелиновой пульп, прокаливания гидрата окиси алюминия, обжига цемент­ного клинкера (при комплексной переработке нефелина на окись алюминия, цемент, соду, поташ), обжига бокситовой руды, выщелачивания спека (трубча­тый выщелачиватель), а также в качестве реакционных агрегатов в производ­стве фторалюминия и для других целей.

В названии печи обычно отражено название реализуемого в ней технологи­ческого процесса. Так, например, различают вальц-печи, применяемые для вальцевания кеков цинкового производства, печи для спекания бокситов, каль­цинации глинозема, обжига ртутьсодержащих материалов, а также печи для сушки различных промежуточных продуктов металлургического производства.

В других отраслях промышленности (химия, черная металлургия, строитель­ные и огнеупорные материалы и др.) вращающиеся печи — один из основных видов печного оборудования в крупномасштабных производствах для терми­ческой обработки сыпучих, реже кусковых, материалов. Если производитель­ность первых печей в 1932 г. — год выпуска первого отечественного алюминия — составляла 6-9 т/ч, то в настоящее время производительность отдельных эк­земпляров печей составляет около 100 т/ч по клинкеру и другим материалам.

Широкое применение вращающихся печей объясняется низкой чувствитель­ностью к размерам частиц обрабатываемого сырья, возможностью нагрева материала без контакта с теплоносителем, хотя расход топлива в них на еди­ницу готового продукта обычно выше, чем в шахтных и многокамерных печах с псевдоожиженным слоем. Приблизить удельные расходы топлива к расхо­дам шахтной печи можно за счет снижения температуры отработанных дымо­вых газов, достигаемого удлинением корпуса печи и установкой в нем уст­ройств для интенсификации теплообмена в зоне умеренных температур, а так­же возвратом в печь тепла выгружаемого обработанного материала с возду­хом, подаваемым на сжигание топлива. С целью повышения теплового КПД печи наряду с разработкой новых встроенных теплообменных устройств в последние годы большое внимание в печестроении уделяется выносным запечным теплообменникам для утилизации тепла отходящих дымовых газов и подогрева загружаемого в печь сырья. В качестве запечных теплообменников в некоторых странах применяют многоступенчатые системы из пылеулавли­вающих циклонов и противоточных труб, а также слоевые теплообменники.

Чувствительные к гранулометрическому составу материала выносные теп­лообменники значительно усложняют доводку и обслуживание печных уста­новок, поэтому они широко распространены пока в основном при обжиге стро­ительных материалов (цемента, известняка), т.е. в крупномасштабных произ­водствах, в которых оправданы значительные доводочные работы по таким теплообменникам. В этих производствах оправдано также усовершенствова­ние в виде дополнительной подачи топлива в один из выносных теплообмен­ников (для увеличения степени предварительного обжига сырья). Такое реше­ние позволяет значительно поднять производительность печной установки. Роль вращающейся печи в этом случае сводится к выполнению функций уст­ройства для генерирования высокотемпературных дымовых газов и выдержки обрабатываемого материала при высокой температуре.

Для химических и других производств, где чаще всего применяются печи длиной до 20—40 м, в качестве выносного теплообменника целесообразнее использование вращающейся сушилки, которая по универсальности не усту­пает вращающейся печи. Наряду с применением в печных установках враща­ющихся сушилок распространение получили установки, включающие в себя несколько вращающихся печей. Так, Восточным НИИ огнеупорной промыш­ленности была предложена установка для термообработки гранулированного материала в виде трех последовательно расположенных вращающихся бара­банов. Первый по ходу движения материала барабан используется для предва­рительного нагрева отходящими дымовыми газами, второй — для обжига и третий — как теплообменник для подогрева воздуха перед подачей его на сжи­гание топлива теплом обожженного материала.

По энергетическому признаку трубчатые вращающиеся печи относятся к печам-теплообменникам с переменным по длине режимом тепловой работы. На участке, где происходит горение топлива и температура продуктов сгора­ния достигает 1550-1650°С, осуществляется радиационный режим работы печи. По мере продвижения продуктов сгорания топлива по длине печи они охлаждаются до нескольких сот градусов и режим тепловой работы печи по­степенно становится конвективным. Конкретное распределение по печи зон с конвективным и радиационным режимами работы зависит от вида и парамет­ров технологического процесса.

Трубчатые вращающиеся печи, за исключением получивших небольшое рас­пространение печей для сушки сульфидного сырья, работают в режиме проти­вотока. Загружаемая в печь шихта может иметь различную степень влажнос­ти, вплоть до пульпы, содержащей до 40 % воды. Она подается в верхнюю (хвостовую) часть печи и медленно движется навстречу газам, образующимся в результате сгорания топлива в головной части агрегата. Из барабана перера­батываемые продукты в виде спека или раскаленного порошкообразного ма­териала поступают в специальный холодильник, а газообразные продукты сжигания топлива вместе с технологическими газами направляются в систему пылегазоочистки. В зависимости от вида перерабатываемого материала для отопления трубчатых вращающихся печей могут быть использованы: природ­ный газ, мазут и твердое топливо в виде коксовой мелочи или угольной пыли. Для сжигания топлива обычно используют горелки типа "труба в трубе", фор­сунки или специальные пылеугольные  горелки.

  Движение слоя шихты во вращающихся печах

Во вращающейся печи нужно различать внутреннее и внешнее движение слоя шихты. Внутреннее движение слоя шихты определяют следующие пара­метры: время пребывания материала в зоне (скорость поступательного движе­ния); дисперсию этого времени для различных частей шихты; внутренний теп­лообмен, включая однородность температурного поля по сечению слоя; сегре­гацию материала по размерам, форме и плотности частиц. Эти параметры важ­ны как для технологии, так и для теплообмена, который лимитируется внут­ренним теплообменом.

Несмотря на большое число экспериментальных и теоретических работ, многие вопросы внутреннего движения слоя остаются невыясненными и по­этому не имеют математического описания. По ряду вопросов исследователи придерживаются различных мнений, в частности, и по поводу пересыпного механизма движения слоя, казалось бы, наиболее изученному.

ТИПЫ И НАЗНАЧЕНИЕ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ

 Печь с вращающимся барабаном общего назначения

Печь предназначена для проведения различных термотехнологических про­цессов с сыпучими и жидкими материалами, допускающими контакт с дымо­выми газами. Каждый конкретный процесс осуществляется в печи с опреде­ленными диаметром и длиной, футеровкой, скоростью вращения и температу­рой.

В печной комплекс входят: печь с откатной головкой, загрузочной и раз­грузочной камерами и механизмом привода вращения барабана; вентиля­тор; система пылеочистки; дымосос; воздухо- газо- и дымопроводы;  дымовая труба.

Печь с вращающимся барабаном непрерывного действия представ­ляет собой цилиндрический сварной корпус, на котором при помощи башма­ков закреплены бандажи. Корпус (барабан) печи опирается бандажами на опор­ные ролики соответствующих станций (опорной, опорной с упором, упорно-опорной).

Внутри барабан футеруется огне- или кислотоупорным кирпичом, марка ко­торого выбирается в зависимости от теплового режима печи и технологичес­ких процессов.

Для перемещения материала в сторону выгрузки печь устанавливается под небольшим углом к горизонту.

 Печь с муфельным вращающимся барабаном

Печь предназначена для получения полуфабриката зеленого ультрамарина прокаливанием каолина.

В печной комплекс входят: печь с муфельным вращающимся барабаном, загрузочной и выгрузочными камерами; две топки для получения теплоно­сителя; вентиляторы для подачи воздуха; дымосос; дымовая труба.

Печь состоит из следующих основ­ных узлов: цилиндрического барабана; механизма загрузки печи; камеры для отвода дымовых газов; камер для подачи теплоносителя; топок; разгрузочной упорных устройств; механизма привода.

Реакционной камерой, где осуществляется обжиг шихты, является цилинд­рический барабан с наружным диаметром 2500 мм, выполненный сварным из стального листа толщиной 22 мм. В конце барабан сужается до диаметра 1450 мм, толщина его стенок доходит до 28 мм. Общая длина барабана — 48 м. На конце барабана имеется внутренний выступ 50 мм, который предотврашает горизонтальное смещение футеровки в сторону разгрузки. Барабан устанавливается с уклоном 64:1000 в сторону разгрузки. Для того чтобы обжиг шихты происходил без контакта с теплоносителем и чтобы барабан не коро­бился под действием высоких температур, футеровка выполнена из фасонных огнеупорных блоков.

Внутренний муфель, в котором происходит обжиг и перемещение шихты, об­разуется 12 карборундовыми блоками, имеющими трапециевидную форму с внутренними дымовыми каналами такой же формы. Наружная стенка карбо­рундовых блоков перекрывается 12 сплошными трапециевидными блоками из легковесного шамота. В промежутке между этими блоками устанавливаются шамотные замковые блоки. Огнеупорная футеровка укладывается на асбесто­вые листы толщиной 10 мм, выполняющие роль тепловой изоляции барабана.

Конец барабана футеруют легковесным шамотом толщиной 113 мм на асбе­стовом листе толщиной 6 мм.

 Печи для производства минеральных солей

В химической промышленности вращающиеся печи применяют для тепловой, химической и комбинированной обработки различных сыпучих и комковых материалов. По конструкции они разделяются на пламенные и муфельные. В качестве топлива для них используют природный, газ и мазут.

Печи муфельные двухопорные с длиной барабана до 22 м и диаметром барабана до 2,2 м (Бердичевский завод "Прогресс"), расчитаны на поточное и противоточное движение теплоносителя и обрабатываемого материала.

Печи двух-, трех- и четырехопорные  рассчитаны на противоточное движение теплоносителя и обрабатываемого материала.

Печь с вращающимся барабаном непрерывного действия представляет собой цилиндрический сварной корпус, на котором при помощи башмаков закреплены бандажи; корпус (барабан) печи опирается бандажами на опорные  ролики соответствующих станций.

ВРАЩАЮЩИЕСЯ ПЕЧИ ЦВЕТНОЙ И ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

 Применение вращающихся печей в цветной металлургии

Трубчатые (барабанные) вращающиеся печи имеют широкое применение в цветной металлургии. На обогатительных фабриках они применяются для суш­ки концентратов. В металлургии легких металлов они служат для сушки и обезвоживания алюминиевых руд, для спекания бокситовых шихт и для каль­цинации глинозема. В металлургии никеля эти печи применяются для сушки никелевой руды и для обжига руд и файнштейна, а в металлургии цинка и свинца — для переработки различного рода полупродуктов и отходов (вальце­вание). Трубчатые печи применяются также в металлургии олова, в металлур­гии вторичных цветных металлов для процессов сушки, обжига и возгонки. Короткие трубчатые печи применяются для плавки и рафинирования метал­лов, например, вторичной меди.

Трубчатые вращающиеся печи могут быть разделены на несколько групп. К первой группе относятся печи для спекания, кальцинации, обжига и возгонки. Это печи с наибольшим отношением длины к диаметру (от 20 до 30). По тем­пературному режиму к этой группе относятся печи, работающие при средних и высоких температурах в горячей зоне (до 1600 °С).

Ко второй группе могут быть отнесены печи для обезвоживания материа­лов, содержащих гидраты, и для сушки. По соотношению длины и диаметра эти печи занимают среднее положение (от 5 до 15). Температура в горячей зоне этих печей не превышает 500-900 °С.

В печах этих двух групп имеет место как прямоточное, так и противоточное движение газов и нагреваемых материалов.

К третьей группе относятся печи для плавки и возгонки. Это короткие печи с отношением длины к диаметру от 1 до 3. По температурному режиму они соответствуют печам первой группы, но характеризуются равномерной тем­пературой в рабочем пространстве.

К четвертой группе относятся нагревательные печи.

 Вращающаяся печь для спекания алюминиевых руд

Основным элементом печи является стальной барабан длиной от 5 до 100 м и диаметром от 2,0 до 3,8 м, футерованный высоко глиноземистым шамотным кирпичом и опирающийся на ролики. Для продвижения материала барабан имеет уклон к горизонту 4-6 %. Барабан вращается со скоростью около 1 об./мин. Печь работает по прин­ципу противотока. Шихта сухая или мокрая в виде пульпы с содержанием вла­ги 40-42 % поступает в барабан через его концевую часть (холодный конец) и медленно перемещается к головной части (горячий конец) навстречу га­зам. Из барабана продукт спекания — спек — ссыпается в холодильник, рас­положенный под печью и представляющий собой также барабан длиной до 30 м и диаметром до 2,5 м, охлаждаемый движущимися навстречу воздухом или водой, которая орошает холодильник сверху. При охлаждении спека воз­духом, последний просасывается через холодильник вентилятором, подающим далее горячий воздух к горелкам.

Для нагрева печи применяют газ, мазут, угольную пыль. Форсунки или го­релки располагаются в головной части барабана. Дымовые газы из барабана поступают в пылевую камеру и электрофильтры для улавливания уносимых из печи пылевидных частиц шихты и через дымосос направляются либо в дымовую трубу, либо к скрубберам отделения карбонизации.

Вследствие того, что вес барабана весьма значителен (при длине 70 м он вместе с футеровкой составляет около 400 т), опорные устройства составляют ответственный узел в конструкции печи. Они состоят из роликов, на которых барабан опирается посредством бандажей. Бандажи насажива­ются на барабан, образуя в местах опоры неразрывное кольцо. Ширина банда­жа — от 400 до 600 мм. Каждый бандаж опирается на два ролика. При враще­нии барабана ролики вследствие трения о бандажи вращаются вместе с ним.

Горячий конец печи входит в топливную или разгрузочную головку, кото­рая обычно устанавливается откатывающейся. В передней стенке топливной головки имеются отверстия для горелок или форсунок. К головке примыкает устье канала, через который спек пересыпается в холодильник.

Холодный конец печи входит в загрузочную коробку. Загрузка сухой ших­ты производится посредством патрубка, проходящего через загрузочную ко­робку печи. Питание печи пульпой может производиться либо путем налива, либо по методу распыливания, посредством специальных форсунок, которых на каждую печь устанавливается 3-4 штуки. Пульпа подается к фор­сункам насосами под давлением 5-6 атм.

 Вращающаяся плавильная печь

Для расплавления больших количеств металла (10-12 т) в цветной метал­лургии иногда применяют вращающиеся печи, представляющие со­бой барабан из котельной стали, футерованный набивной огнеупорной мас­сой из молотого кварца с глиной. В торцевых стенках печи сделаны отверстия: в одной стенке отверстия для горелки, с противоположной стороны — от­верстие  для отвода продуктов горения. Печь лежит на четырех роликах и с помощью приводного механизма во время плавки медленно вращается вокруг продольной оси (0,5 об./мин).

Вращение может производиться в обе стороны, что дает возможность, кро­ме вращения, производить также и покачивание металла. Кроме механизма для вращения вокруг продольной оси печь имеет механизм для вращения вок­руг поперечной оси. Это позволяет придавать печи наклонное положение для загрузки ее через горелочное отверстие. Выпуск металла и шлака производит­ся через отверстия в боковой стенке. Печи с вращающимся плавильным пространством обеспечивают хорошее перемешивание металла во время его выплавки и, кроме того, позволяют использовать для нагрева металла тепло, аккумулируемое верхними частями кладки. Однако эти печи у нас не получи­ли распространения из-за сложности и громоздкости конструкци.

 ВРАЩАЮЩИЕСЯ ПЕЧИ ДРУГИХ  ВИДОВ

К другим, менее распространенным, но представляющим интерес по своей конструкции видам вращающихся печей относятся: печи с вакуум-фильтра­ми, печи с установками для разбрызгивания шлама, малогабаритные печи с пересыпными шахтными кальцинаторами и печи с реакторами шахтного типа для подготовки сырьевой смеси к спеканию во взвешенном состоянии.

Вакуум-фильтры устанавливаются над загрузочными концами печей для ча­стичного обезвоживания шлама перед его вводом в печи.

Чаще для обезвоживания шлама используются непрерывно действующие дисковые и реже барабанные вакуум-фильтры. По исследованиям, которые были проведены Южгипроцементом, фильтрации можно подвергать почти все шламы, добиваясь снижения их влажности с 35-45 % до 15-20 %. При обжиге шламов, обезвоженных до такой степени, снижается расход топлива на 10-15 % и примерно в таком же соотношении возрастает производительность печи.

Так как при наличии вакуум-фильтров влажность сырьевой смеси, поступа­ющей в печь, почти в 2 раза меньше влажности обычного шлама и, следова­тельно, на испарение из нее воды требуется меньший расход тепла, из печей, оборудованных вакуум-фильтрами, выходят газы повышенной температуры. Используя тепло отходящих газов таких печей в котлах-утилизаторах или ка­ким-либо другим путем, можно еще более повысить эффективность примене­ния вакуум-фильтров.

В зависимости от физических свойств шлама производительность дисково­го вакуум-фильтра, отнесенная к 1 м² его рабочей поверхности, составляет 200-400 кг в 1 ч по сухому веществу. Более производительно вакуум-фильтры работают, когда поступающий в них шлам предварительно подогревается. При подогреве шлама от 20 до 60 °С производительность фильтра возрастает на 30-40 %. Ее повышают также путем введения в шлам в небольшом количестве таких добавок, как известковое молоко или портландцемент.

Полученный из шлама "сухарь" тестообразен и липок. Чтобы сделать "су­харь" пригодным для транспортирования по течке в печь и перемещения вдоль печи, к нему добавляют сухую, уловленную в дымовых камерах сырьевую пыль. Перемешивание пыли с "сухарем" производят в смесителях шнекового типа или пропусканием этих материалов через вальцовую дробилку. Пыль добав­ляется в таком количестве, чтобы влажность "сухаря" при выходе из смесите­ля равнялась приблизительно 15 % и по своей структуре масса являлась сме­сью из мелких гранул.

На Красноярском цементном заводе, например, для перемешивания "суха­ря" с сырьевой пылью и подачи полученной смеси в каждую из вращающихся печей размерами 3,6 (3,0) 3,6x60 м применены шнеки диаметром 630 мм. Пи­тателем шнекового типа производится и транспортирование пыли к смеси­тельному шнеку.

Перемешанный с пылью "сухарь" во внутреннюю полость загрузочного конца печи подается по наклонно установленной питательной трубе.

К основным аппаратам установки для вакуум-фильтрации шлама относятся вакуум-фильтры, вакуум-насосы, воздуходувки и центробежные насосы.

Эксплуатация вращающихся печей с вакуум-фильтрами связана с дополни­тельными расходами на рабочую силу, фильтрующие материалы, главным об­разом хлопчатобумажную ткань, и электроэнергию.

Оборудование вращающихся печей вакуум-фильтрами усложняет также их конструкцию и эксплуатацию и снижает коэффициент использования. Из-за этого печи с вакуум-фильтрами имеют ограниченное применение как на оте­чественных, так и зарубежных цементных заводах.

Литература

1.Богданов А. И. Вращающиеся печи цементной промышленности. — М.: Машино­строение, 1965. — 320 с.

2.Болдырев А. С, Хохлов В. К. Пути экономии топлива в цементной промышленнос­ти. — М.: Стройиздат, 1983. — 88 с.

3.Воителев В. В., Могилевский Е. И Механическое оборудование печей. — М.: Ме­таллургия, 1991. — 148 с.

4.Дашко Ю. И, Креймер М. В., Огарков М. Наладка и теплотехнические испытания вращающихся печей на цементных заводах. — М.: Издательство литературы по стро­ительству, 1966. — 248 с.

5.Диомидовский Д. Ж. Металлургические печи цветной металлургии. — М.: Метал­лургия, 1970. — 704 с.

6Древицкий В. В., Добровольский А. Г., Коробов А. А. Повышение эффективности работы вращающихся печей. — М.: Стройиздат, 1990. — 224 с.

7.Изкорин М. Н. Футеровка теплотехнических агрегатов для производства цемента. Высшая школа, 1984. — 160 с.

8.ИсламовМ. Ш. Печи химической промышленности. —Л.: Химия, 1969. — 176 с.

9.Исламов М. Ш. Пуск и наладка печей химических заводов. — Л.: Химия, 1980. — 232 с.

10.Копелиевич В. М., Авраменко О. И., Здоров А. И. Топливо цементной промыш­ленности. — М.: Стройиздат, 1984. — 160 с.