Тепловой и температурный режимы работы вращающихся печей

2 Тепловой и температурный режимы работы вращающихся печей

При нагреве нейтральных в энергетическом отношении сыпучих материалов тепло в зону технологического процесса трубчатых вращающихся печей поступает за счет одновременного проте­кания всех трех видов теплообмена: излучением от факела и раскаленной футеровки, конвекцией и теплопроводностью от по­верхности кладки, по которой непрерывно перемещается пере­рабатываемый материал. Помимо этого необходимо учитывать, что в шихту печей для вельцевания кеков вводится в качестве реагента-восстановителя коксовая мелочь. В результате часть используемой на ее нагрев тепловой энергии генерируется непо­средственно в зоне технологического процесса во время частич­ного окисления углерода и образующихся в результате пере­работки шихты паров металлического цинка.

Поступившее в слой перемещающегося по печи материала тепло распределяется в нем в основном за счет контактной тепло­проводности. Однако в процессе энергичного перемешивания шихты, температура по слою быстро выравнивается и его можно принять тонким в тепловом отношении телом, нагрев которого сопровождается многочисленными эндо- и экзотермическими реакциями. Ввиду большой сложности и недостаточной изученности механизма теплообменник процессов в трубчатых печах, анализ их тепловой работы базируется в основном на изучении эмпири­ческих данных и оценке тепловых балансов печей.

Температурный режим, работы вращающихся печей не изменяется во времени, индивидуален для каждого вида технологиче­ского процесса и в значительной степени определяется химическим и фракционным составами перерабатываемых материалов. Обычно его выбирают опытным путем и организуют таким образом, чтобы в печи строго соблюдался график нагрева шихты, задаваемый по технологическим данным.

В качестве примера может быть рассмотрен режим, достаточно хорошо изученных печей, применяемых для спекания шихты на глиноземных заводах. В них до температур порядка 550 °С про­исходят общие для всех вращающихся печей процессы сушки и удаление гидратной влаги и далее в интервале температур 550 - 1200 °С — реакции образования растворимых соединений алю­миния, свойства которых во многом зависит от температурного режима спекания. В процессе нагрева шихта проходит в печи четыре условно выделенные температурные зоны, постепенно

превращаясь в спек.

В первой зоне, длина которой составляет около 30 м, проис­ходит нагрев материала от 20 до 300 °С, сопровождающийся его сушкой и обезвоживанием. Температура газов на этом участке печи, если его рассматривать по ходу движения шихты, изме­няется соответственно от 200 до 700 °С. Длина второй зоны дости­гает 16—17 м. В ней материалы нагреваются до 100 °С при пол­ном разложении карбоната кальция и изменении температур топочных газов по длине зоны от 700 до 1400 °С. Третья зона расположена в области интенсивного горении топлива (факела). Температура газов здесь максимальна и определяется величиной 1600—1650 °С. Шихта в этой зоне нагревается до 1200—1260 °С и спекается. В четвертой зоне происходит охлаждение спека до 1100 °С при температуре газов 1000 - 1550 °С.

При неизменном во времени температурном режиме работы печи ее производительность определяется толщиной слоя и физико-химическими свойствами находящегося в ней материала. В среднем по отрасли она составляет величину порядка 12 т/ч спека при расходе 6300-—7300 кДж/кг получаемого продукта. В отличие от спекания технологические процессы, протекающие в других трубчатых печах, идут без оплавления шихты.

 

3 Основы расчета ТВП

Из расчетов горения топлива и теплового баланса находят количество газов, образующихся в печи при сред­ней ее температуре V_l, м³/с Тогда внутренний диаметр печи (D_вн, м) может быть найден по формуле:

где ω_l - допустимая скорость движения газов в печи при средней ее температуре, м/с; скорость газов прини­мается в пределах 3 - 8 м/с. При влажной шихте ско­рость берется больше, при cyxoй и мелкой шихте во избежание большого пылеуноса - меньше.

Далее находят коэффициент заполнения сечения пе­чи материалом ω. Значение φ определяют из условия прохождения (транспорта) материала через печь при за­данной производительности по шихте (G, кг/ч):

,

где γ - насыпная масса материала в печи, кг/м³;

 ω_м - скорость поступательного движении материа­ла, м/ч (ω_м=0,0963D_внβ/τ_0, где τ₀ -длитель­ность оборота печи, ч; β - угол наклона печи к горизонту; τ₀ и β берутся из заводской прак­тики).

После вычисления φ находят размеры хорды откры­той поверхности шихты l₁ и дуги l₂ закрытой поверхно­сти материала (рис. 133) по площади заполнения сече­ния печи шихтой  . Плотность теплового потока на открытую поверхность шихты (q^') рассчитывается по методике, описанной для пламенных печей. Плотность теплового потока к шихте на закрытой части стенки печи (q") по Д. А. Диомидовскому принято считать как переданное излучением и рассчитывать по уравнению:

q^"=

где Т_CT и T_M — средние температуры стенки и материала.

 Средняя температура материала принимается как среднеарифметическая температура материала в начале и конце печи

Средняя температура футе­ровки берется как среднеариф­метическая средних температур газа и материала .

При определении средней тем­пературы газов берется ее значе­ние и начале и конце печи.

Приведенная степень черноты ε_прив рассчитывается по фор­муле для параллельных поверхностей:

где ε_ф и ε_м- степени черноты футеровки и материала соответственно.

Исходя из теплообмена в печи при известном полез­ном расходе тепла на 1 кг перерабатываемой шихты (Q_ТЕХН, кДж/кг) можно найти необходимую длину пе­чи (м):

Полученные размеры печи корректируются по вре­мени пребывания материала в печи (ч):

Если τ меньше времени, рекомендуемого технологи­ческим режимом, то проводится корректировка величин, определяющих τ.

Для более точного определения размеров печи рас­чет следует вести для каждой зоны отдельно, тогда об­щая длина печи будет равна сумме длин отдельных зон.

Теория работы печей для обжига в перегребаемом слое пока­зывает, что производительность и размеры вращающихся бара­банных печей в основном зависят от важнейших процессов, про­текающих в этих печах: физико-химического процесса обжига; движения газов; движения материалов; процесса теплообмена. В соответствии с этим вращающиеся барабанные печи следует рассчитывать также как обжиговые аппараты, как транспортные уст­ройства, обеспечивающие определенные показатели движения газов и материалов и как теплообменные устройства, обеспечи­вающие передачу к материалу необходимого количества тепла.

В расчете этого типа печей также определяют следующие не менее важные их характеристики:

А. Печи для окислительного обжига сульфидов

 

2)     Удельная производительность печи а,т/м² • сутки

 

Рассчитывают по формуле, выведенной для печей как обжи­гающих аппаратов и учитывающей линейную скорость обжига ω, м/час:

где ω - конструктивный коэффициент; для барабанных

печей без перегребающих устройств ω = 0,0016; для многоподовых печей ω = 0,009;

 w - линейная скорость обжига, м/час;

 γ - обьемный вес материала в печи, т/м³;

 τ - время работы печи в сутки, час/сутки;

 S_ИСХ и S_ОГАР - содержание серы в исходном материале и в огар­ке, %.

³⁾   Рабочая площадь печи F, м²

 

Для барабанных печей рабочей площадью считается внутренняя поверхность футеровки F=πDL, где D — диаметр печи, м; L — общая длина печи, м.

4)   Диаметр печи D, м

Определяется по действительной скорости движения газов в печи w_t, м/сек, и действительному количеству газов V_t, м³/сек, по формуле:

Значение w_t для большинства барабанных печей лежит в пределах 3—8 м/сек. При обжиге сухих и тонкоизмельченных материалов рекомендуется принимать меньшее значение w_t, в ос­тальных случаях скорость газов может приниматься 7—8 м/сек. Величина V_t должна учитывать полное количество газов, обра­зующихся в печи из шихты и от горения топлива.

5)   Длина печи L,

 

Находится по формуле

6)  Коэффициент заполнения печи материалом φ, безразмерный

Производительность барабанной печи как транспортной тру­бы выражается формулой:

где w_M - скорость поступательного движения материала в печи, м/час; значение w_M находится по формуле , полу­ченной экспериментальным путем:

w_м =5,78Dβn

В этой формуле β - угол наклона оси барабана печи к гори­зонту, град.; n - число оборотов печи, об/мин.

Подставляя в эти формулы величины β, п, D, γ, τ и А, в конечном итоге определим величину φ. Обычно в барабанных печах τ = 0,07—0,20; при слишком малом или слишком боль­шом заполнении печи рекомендуется несколько изменить вели­чины β и п. По рассчитанной величине φ и известном диаметре печи D по формулам геометрии определяется длина хорды l_Х, м и длина дуги l_д, м для сегмента материала в печи.

7)   Теплопотребление материала q, ккал/т

Теплопотребление материала находится по формуле, полученной из баланса тепла на все физико-химические превраще­ния, происходящие в печи:

где ∑^’_q - теплосодержание исходных материалов, ккал;

 ∑^’’_q - тепло экзотермических реакций, ккал;

 ∑^’’’_q - теплосодержание продуктов переработки, ккал;

 ∑^’’’’_q - тепло эндотермических реакций, ккал.

В расчете барабанных печей должно определяться теплопотребление для каждой рабочей зоны отдельно, а также и общая, величина для всей печи. Сумма теплопотребления материала по зонам должна равняться общему теплопотреблению материала по всему процессу обжига.

8) Размеры печи по условиям теплообмена

Если для работы барабанной печи необходимо вводить зна­чительное количество тепла за счет сжигания углеродистого топлива, то совершенно обязательна проверка полученных разме­ров печи по условиям теплообмена по формуле

где q_луч и q_конв- количество тепла, передаваемое излучени­ем и конвекцией на открытую поверхность материала в печи, ккал/м² • час. Эти величины находятся расчетом теплообмена в рабочем пространстве печи;

 

 q’_луч - количество тепла, передаваемое излучением на закрытую поверхность материала, ккал/м² • час. Также находится путем рас­чета теплообмена в рабочем пространстве печи.

 По этой формуле обычно определяют величину L, м, по за­данной величине А для зоны нагрева материала и для различных, зон обжига.

Пели материал поступает в печь со значительным содержанием влаги, то в печи появляется зона сушки, длина которой не может быть рассчитана из условии теплообмена по формуле . Длину зоны сушки L_с м, определяют по формуле, учитывающей общее количество удаляемой из материала влаги в этой зоне печи и допустимое напряжение рабочего пространства печи по испаряемой влаге (аналогично расчету сушилок):

где w_исх и w_подс - содержание влаги в исходном и подсушен­ном материале в долях единицы от твердого материала;

 ∆w - допустимое напряжение рабочего пространства сушильной зоны печи по количеству
удаляемой влаги, т/м³час.

Значение ∆w можно принимать по опытным данным для ба­рабанных сушилок, работающих на кусковых материалах, равным 0,05—0,15 т/м³час.

Полученные по расчету теплообмена и сушки размеры от­дельных зон барабанной печи в сумме дают общую рабочую длину L

Если полученное значение L примерно соответствует разме­рам печи, определенным ранее из условий протекания процесса обжига, то расчет размеров печи может считаться законченным. Если же полученная длина L значительно отличается от ранее определенной величины, то за окончательные размеры должно приниматься большее значение. Иногда бывает рационально произвести полный перерасчет размеров по несколько изменен­ным характеристикам печи с целью сближения результатов рас­четов.

9) Окончательная потребность в тепле за счет топлива

По окончательным размерам печи составляют развернутый тепловой баланс печи, учитывающий все стадии расхода и при­хода тепла. На основании этого баланса уточняют величину Q_Tи расход топлива. Если величина Q_T значительно отличается от определенной в начале расчета, приходится производить пере­расчет печи по новому значению Q_T.

 

Б. Печи глиноземного производства (спекание и кальцинация)

При расчете размеров печей спекания или кальцинации определяют следующие величины:

1)     Предварительный расход углеродистого топлива

 

Принимается по данным заводской практики для действующих барабанных печей.

2) Д и а м е т р п е ч и D, м,

Находится по формуле

3) Д л и н а п е ч и

Рассчитывается по отдельным зонам печи из условии удаления влаги (зона сушки) и по условиям теплообмена (зоны на­грева, кальцинации, спекания, охлаждения). Полученные раз­меры проверяют по времени пребывания материала в отдельных зонах.

В соответствии с этим расчет длины печи состоит из следую­щих определений и расчетов:

а) теплопотребление материала q, ккал/т, определяют по зо­нам с помощью формулы

б) состав газовой фазы по зонам находят на основании тех­нологических расчетом и расчета горения топлива;

в) коэффициент заполнения печи материалом φ и значения l_Х и l_Д, по зонам рассчитывают по формулам

 w_м =5,78Dβn

г) длину зон находит из условии удаления влаги и теплообмена по формулам

 

д) размеры печи проверяют по времени пребывания материа­ла τ_пр, час.

Размеры отдельных зон, кроме теплообменного процесса, должны обеспечивать определенное, минимально необходимое время пребывания материала в зоне, с тем чтобы было обеспече­но завершение всех необходимых физико-химических превраще­ний.

Для проверки длины зон по времени пребывания применяют формулу.

 

где w_м - линейная скорость движения материала в печи, м/час
 τ_пр - минимально необходимое время пребывания материала в зоне, час. Эту величину для отдельных зон принимают по экспериментальным данным.

Если размеры зон, определенные по времени пребывания, будут примерно совпадать с размерами зон, определенными из условий теплообмена, или будут меньше их, то расчет размеров печи может считаться законченным. Если размеры зон, определенные по времени пребывания материала, получатся больше, чем размеры зон, определенный по теплообмену, то следует принять за окончательные большие размеры или произвести перерасчет печи с целью сближения размеров. В частности, увеличе­ние времени пребывании материала в зоне без изменения ее длины может быть достигнуто местным увеличением диаметра дан­ной зоны D или уменьшением β пли n для всей печи. Наконец, возможно сооружение в печи порогов, задерживающих материа­лы в отдельных зонах.