Конструкция, методика расчёта обжиговых печей чёрной металлургии
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
2.3 Особенности теплообмена в слое
Топливные печи широко применяются в черной металлургии. Их используют для получения чугуна из железной руды, в них выплавляют сталь, нагревают металл перед обработкой давлением и осуществляют термическую обработку. Все топливные печи черной металлургии могут быть подразделены на две большие группы: слоевые и пламенные.
В слоевых печах с плотным (фильтрующим) слоем используется твердое кусковое топливо. Их применяют для выплавки чугуна из руды, расплавления металла перед литьем, обжига железных руд, известняка, магнезита и доломита. Слоевые печи относятся к шахтным печам, важнейшими из которых являются доменные печи — основные агрегаты любого предприятия с полным металлургическим циклом.
В пламенных печах используется газообразное или жидкое топливо, которое (как говорит само название печей) сжигается с образованием пламени (факела) в рабочем пространстве печей. Факельный метод сжигания топлива применяется в мартеновских печах при выплавке стали, в нагревательных печах прокатных и кузнечных цехов, в печах для термической обработки стали.
К исследованию теплообмена в условиях слоя кусковых материалов, двигающихся навстречу потоку газов, как это имеет место в шахтных печах, многие десятилетия привлечено внимание ученых и инженеров. В нашей стране наиболее значительные работы в этой области выполнены во Всесоюзном научно-исследовательском институте металлургической теплотехники (ВНИИМТ) и Уральском политехническом институте.
Теплообмен в слое представляет собой крайне сложный случай теплообмена. Плотный слой образуется кусками различной формы и размеров, имеющими различные теплофизические свойства. Сложный характер движения кусков значительно затрудняет определение реальной поверхности теплообмена. Различная величина зазоров между кусками влияет не только на особенности омывания их газами, но делает неразделимыми процессы теплопроводности, излучения и конвекции, действующие в слое. Поэтому приходится применять общий коэффициент, учитывающий все три вида теплообмена. Из-за неопределенности поверхности теплообмена более удобно использовать объемный коэффициент теплоотдачи αv[Вт/(м3 · К)]. Связь его с обычным коэффициентом теплоотдачи α [Вт/(м2 · К)] выражается следующим образом: αv = αF, где F — поверхность нагрева, заключенная в 1 м3 слоя кусковых материалов, м2.
Кроме того, слой кусковых материалов характеризуется порозностью f, которая представляет собой отношение объема пустот к полному объему слоя. Для двигающегося слоя, перемещающегося вертикально сверху вниз по высоте какой-то шахты Н, используют понятие объемного напряжения сечения шахты р [м3/(м2 · с )], показывающего, какой объём кусковых материалов перемещается через 1 м2 сечения шахты в течение 1 ч, т. е. Н - рt, где t — время полного перемещения сверху вниз, с.
Как уже подчеркивалось, шихтовые материалы в слоевых печах обычно имеют самые разнообразные размеры и теплофизические свойства. Мелкие куски, например, железорудного сырья, обладающие относительно высокой теплопроводностью, приближаются по свойствам к термически тонким телам, а крупным кускам агломерата и особенно известняка присущи свойства, характерные массивным в тепловом отношении телам. В результате этого необходимо выполнять анализ условий нагрева кусков шихты в очень широком диапазоне значений их теплового сопротивления. Очень часто в шахтных печах нагрев слоя кусков шихты происходит в условиях наличия источников (стоков) тепловой энергии.
В большинстве шахтных печей движение шихты и газов происходит по принципу противотока. В доменной печи к тому же противоточная схема движения сред дополняется завершенностью теплообмена в результате значительной величины поверхности нагрева и интенсивного охлаждения газов.
Заключение
Технико-экономическая оценка работы шахтных печей
Печи отличаются большой производительностью и тепловой экономичностью благодаря полному использованию рабочего объема шахты, утилизации теплоты газов и обожженного материала непосредственно в самой печи для подогрева сырья и воздуха, поступающего на горение топлива. Качество обожженного материала невысоко из-за неизбежного пережога поверхности кусков и более слабого обжига середины их.
Современные шахтные печи полностью механизированы и многие из них имеют автоматическое управление. Печи отличаются повышенным расходом электроэнергии на работу тягодутьевых устройств. Так как шахтные печи не требуют здания и не являются металлоемкими, капитальные затраты на их постройку относительно невелики.
Пути усовершенствования шахтных печей направлены на повышение их производительности, улучшение качества обжига и культуры обслуживания.
Список использованных источников
1 Никифорова Н.М. Теплотехника теплотехническое оборудование предприятий промышленности, строительных материалов и изделий / Н.В. Тресковой – Москва: Металлургия, Высшая школа, 1981 г.
2 Кривандин В.А. Металлургическая теплотехника – 2 том / В.А. Кривандин; профессор, доктор техн. наук. – Москва: Металлургия, 1986 г. – 590 с.