Способы отопления и режимы обжига в шахтных печах

2.2 Способы отопления и режимы обжига в шахтных печах

Все материалы, обжигаемые в шахтных печах, в зависимости от режима обжига можно разбить на две группы: материалы низ­ко- и высокотемпературного обжига. К первым относят строитель­ный гипс, низкожженый шамот, обжигаемые при температурах 773—1173 К (500—900 °С), ко вторым — известь, высокожженный шамот, цементный клинкер и другие материалы, обжигаемые при 1473—1773 К (1200—1500 °С) и выше. Для осуществления температурного режима, соответствующего обжигу того или иного материала, печи имеют разную систему отопления. Печи низко­температурного обжига в зоне обжига оборудуют топками полного сжигания топлива, вынесенными за пределы шахты; для них ис­пользуют любой вид топлива. Топочные газы при входе в шахту разбавляют воздухом, поступающим из холодильника, для обра­зования газовоздушной смеси любой 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 в соотношении, определяемом условиями обжига.

В зоне подогрева температура топлива достигает температуры воспламенения и при поступлении в зону обжига, смешиваясь с горячим воздухом, движущимся вверх по шахте из зоны охлажде­ния, оно сгорает среди кусков материала. Такие печи называют пересыпными.

В пересыпных печах применяют только короткопламенное топ­ливо, преимущественно антрацит во избежание потери летучих горючих веществ в зоне подогрева. Остающаяся после сгорания топлива зола засоряет обожженный материал, и его качество ухудшается. Это является недостатком пересыпных печей. Длиннопламенное топливо сжигают в полугазовых топках, пристроенных к шахте на уровне зоны обжига. Полученный в них полугенера­торный газ имеет высокую температуру и, смешиваясь в шахте с сильно нагретым воздухом, идущим из зоны охлаждения, сгорает среди кусков материала с выделением значительного количества теплоты.

Газообразное топливо сжигают в горелках, смонтированных в стенках шахты в зоне обжига. В печах, работающих на мазуте, шахта в поясе зоны обжига имеет специальные форкамеры, пред­назначенные для предварительной газификации мазута. Из них продукты газификации, содержащие до 26% горючих газов и име­ющие высокую температуру, поступают в шахту и сгорают среди материала с высоким температурным эффектом.

Температурный режим обжига кусковых материалов в шахтной печи характеризуется постепенным подъемом температуры в зо­не подогрева домаксимальной, выдержкой материала в зоне об­жига при максимальной температуре и постепенным ее снижением в зоне охлаждения. Высота зон пропорциональна продолжитель­ности отдельных периодов обжига.

Главным для получения качественного продукта является вре­мя пребывания материала в зоне обжига, необходимое для за­вершения всех протекающих в нем физико-химических процессов. Время подогрева и охлаждения в целях сокращения всего про­цесса обжига и увеличения производительности шахтной печи может быть без ущерба для качества минимальным.

Аэродинамический режим шахтной печи обусловлен взаимным расположением тягодутьевых устройств и сопротивлением слоя материала в шахте. Верхняя часть печи — зона подогрева — сооб­щается с дымососом, поэтому находится под разрежением, посте­пенно убывающим по направлению к зоне обжига. В зоне обжига разрежение достигает минимального, близкого к нулевому, значе­ния. Нижняя часть шахты — зона охлаждения — находится под давлением, так как в нее дутьевым вентилятором нагнетают хо­лодный воздух. По мере движения воздуха в направлении зоны обжига давление убывает.

Состав газовой среды на качество обжига кусковых материа­лов не оказывает существенного влияния. Значение коэффициента избытка воздуха в зоне обжига должно соответствовать роду сжигаемого топлива и системе отопления печи при минимальных потерях теплоты от химического и механического недожога и с отходящими из печи газами. Коэффициент избытка воздуха в зоне обжига обусловлен также его количеством, идущим из зоны охлаждения и определяемым потребностью материала в холодном воздухе для охлаждения до температуры выгрузки из печи.

Конструкции шахтных печей для обжига отдельных материалов

Печи для обжига извести. В шахтных печах обжигают более или менее плотные породы известняков. Мел, не обладающий до­статочной механической прочностью, будет раздавлен и забьет шахту, появится препятствие фильтрации газов через слой ма­териала, поэтому мел обычно обжигают во вращающихся печах. Температура обжига известняков колеблется в пределах от 1173 до 1473 К (900 до 1200 °С) в зависимости от их прочности и химического состава.

Известково-обжигательные печи могут быть пересыпными в случае применения короткопламенного топлива, либо иметь вы­носные полугазовые топки при использовании длиннопламенного топлива. Они также могут работать на газе или мазуте. Шахта пересыпной шахтной печи производительностью 200 т/сут (рисунок 5) цилиндрической формы с внутренним диаметром 4,3 м и ра­бочей высотой 25 м. Печь снабжена двухклапанным загрузоч­ным устройством с поворотной чашей для послойной подачи ма­териала и топлива — антра­цита.

Автоматизация загрузки способствует поддержанию в шахте постоянного уровня ма­териала. Выгрузочным меха­низмом печи служат движущиеся каретки. Уплотнение ниж­ней части шахты достигается
трехшлюзовым затвором.

Удельная производительность составляет 0,75 т/(м³-сут). Расход условного топлива 133 кг/т извести.

Более поздние проекты Гипрострома высокопроизводи­тельных шахтных печей для обжига извести ориентированы на отопление их газообразным и жидким топливом. Шахтная печь производи­тельностью 200 т/сут на газо­образном топливе представле­на на (рисунке 6) Прямоугольное со скругленными углами сече­ние шахты в зоне обжига пере­ходит в круглое в зоне подо­грева. В целях интенсифика­ции охлаждения профиль шах­ты книзу сужают. Подачу газа в зону обжига производят в два яруса. В нижний ярус газ подают через шесть диффузи­онных горелок, встроенных в стены шахты, и в центральную часть печи через многосопловые балочные горелки. Такие же горелки расположены в верхнем ярусе, только расположение центральных горелок перпендикуляр­но таковым нижнего яруса.

1—выгрузочная решетка; 2—периферийные горелки нижнего яруса; 3, 12—отверстия для установки датчиков давления и тем­пературы, 4—две балочные горелки верх­него яруса; 5—две балочные горелки ниж­него яруса; 6—предохранительный взрыв­ной клапан; 7—двухклапанное загрузоч­ное устройство; 8—скиповый подъемник; 9—отверстия для датчиков уровнемера шихты; 10—короб отсоса дымовых газов; 11—гляделка; 13—трехшлюзовой затвор

Рисунок 6 – Шахтная печь конструкции Гипрострома на газообразном топливе

Часть необходимого для го­рения воздуха (25—30%) пос­тупает через диффузионные горелки, остальной воздух — через зону охлаждения печи.
Удельная производительность по извести составляет 0,8 т/(м³-сут); удельный рас­ход условного топлива 155 кг/т извести.

Шахтная печь на мазуте конструкции Гипрострома (рисунок 7) имеет производительность 30 т/сут.

Форма поперечного сечения сходна с печью, работающей на газе. Размер сечения в зоне обжига 2x2 м, в зоне охлаж­дения 1,6x1,6. Рабочая высота шахты 19,2 м. Мазут поступа­ет в шесть механических фор­сунок. Две из них вводят мазут в подбалочное пространство центральной части шахты, ос­тальные распыляют его в спе­циальных форкамерах для предварительной газификации. Продукты газификации, посту­пая в шахту, смешиваются со вторичным воздухом, подаваемым из холодильника печи, и сгорают среди материала.

Печи для обжига цементно­го клинкера. Шахтные печи для обжига цементного клинкера (рисунок 8) нашли распрост­ранение при получении цемента из пластичных природных мерге­лей. Перед обжигом в шахтных печах к сырью добавляют размо­лотое до крупности 0,3—0,5 мм топливо и из полученной шихты изготовляют так называемый «черный брикет» или черные гра­нулы размером 15—25 мм, загру­жаемые в печь на обжиг.

1—выгрузочная решетка; 2— форкамеры; 3— мазутные форсунки;

4—водоохлаждаемая балка; 5—гляделки; 6—отверстия датчиков уровнемера шихты; 7—скиповый подъемник; 8— загрузочное устройство;

9— предохранительный взрывной клапан; 10— отверстие для отсоса газов; 11—барабан­ный затвор.

Рисунок 7 – Шахтная печь на жидком топливе

Конструктивное отличие шахт­ной печи для обжига цементного клинкера обусловлено в основном следующим: условиями сгорания топлива, запрессованного в ма­териал; высокой температурой обжига 1573—1773 К (1300— 1500° С) до спекания обжигаемо­го материала; особенностью физико-химических процессов, про­текающих в обжигаемом матери­але, и спекшейся структурой го­тового продукта.

Для осуществления равномер­ного обжига по сечению шахты ее внутренний диаметр не превы­шает 2,4—2,8 м. Исключение сос­тавляет высокомощная печь Юж-гипроцемента диаметром 4,1 м. Рабочая высота шахты 8—10 м. Верхняя часть шахты высотой 2 м книзу постепенно сужена во из­бежание образования у ее стенок сквозных каналов, вызванных усадкой материала при нагрева­нии. Нижнюю часть шахты футеруют жаростойкими чугун­ными плитами. Ввиду большого сопротивления слоя спекшегося клинкера в шахте печи имеют высокое давление воздушного дутья, достигающее 15—25 кПа, по­этому нижняя часть шахты имеет надежное уплотнение в виде многошлюзовых за­творов.

Так как обожженный ма­териал характеризуется спекшейся структурой, раз­грузочное устройство долж­но дробить его перед вы­грузкой из шахты. С этой целью устройство выполня­ют в виде вращающейся зубчатой решетки или не­скольких пар вращающихся навстречу друг другу зубча­тых вальцов. При вращении их клинкер дробится, и ку­сочки его поступают в ниж­нюю бункерную часть печи, а затем в камеры шлюзовых затворов.

Для успешного сжигания топлива, запрессованного в материал, требуется не толь­ко проникновение кислорода внутрь гранул, но также по­вышенная концентрация его в окружающей среде. Это вызвано тем, что образовав­шаяся при горении кокса углекислота может восста­навливаться до СО при соп­рикосновении с раскален­ными кусочками кокса топ­лива по реакции СО₂ + С = = 2СО.

Таким образом, присутст­вие в окружающей атмосфе­ре кислорода должно при­вести к дожиганию окиси углерода. С этой целью печь имеет позонное дутье. Часть воздуха, необходимого для горения, поступает через зону охлаждения подогретым, другая часть поступает непосредственно в зону обжига по периферии шахты. Кроме этого, в центральную часть шахты предусмотрена подача чистого кисло­рода.

Удельная производительность печей при обжиге гранул до­стигает 157 кг/(м³-ч), при обжиге крупных брикетов 120 кг/(м³ * ч), расход условного топлива от 140 до 200 кг/т.

1, 2, 3—зоны; 1—бункер угля; 2, 3—питатели; 4—бункер сырьевой муки; 5—смесительный шнек; 6—гранулятор; 7—газоход; 8—загрузочный желоб; 9—труба подачи кислорода; 10—футеровка; 11— шахта печи; ./2—чугунные плиты, 13—разгрузоч­ная решетка; 14—приводной вал; 15—разгрузоч­ная течка; 16—затвор; 17—воздуховоды

Рисунок 8 – Шахтная печь для обжига, це­ментного клинкера