Внутрипечные теплообменные устройства

В качестве внутренних теплообменных устройств во вращающихся печах применяют металлические цепные завесы, а также ячейковые теплообменники различных конструкций. В пе­чах мокрого способа производства для обезвоживания шлама влаж­ностью 35—45 % применяют цепные завесы, обладающие развитой поверхностью, способствующие не только испарению влаги, но также транспортированию материала и предотвращению образо­вания шламовых колец внутри корпуса печи. Цепные завесы при­меняют и в печи сухого способа производства для интенсификации теплообмена между горячими печными газами и сырьевой мукой.

Цепные завесы обычно устанавливают в загрузочной части печи, где температура газов не превышает 1070 К. В начале за­грузочной части печи, где поступающий в печь шлам текучий, он налипает на поверхность теплообменных устройств и непо­средственно соприкасается с горячими газами. По мере сушки шлам постепенно теряет способность налипать на элементы тепло-обменных устройств, которые в этом случае выполняют функции регенераторов, воспринимая тепло от газов и передавая его мате­риалу. В районе расположения теплообменных устройств про­движение материала вдоль корпуса печи замедляется, вследствие чего повышается заполнение печи материалом, а также увели­чивается поверхность теплообмена. В то же время улучшается перемешивание материала, в результате чего выравнивается его температура по объему и по сечению печи, увеличиваются раз­ности и перепад температур между газами и обжигаемым мате­риалом, материалом и поверхностью теплообменников, что также способствует интенсификации теплообмена.

Цепная завеса положительно влияет не только на теплообмен материала с горячими газами, но и на образование пыли и ее улав­ливание, так как в той зоне, где цепи покрыты слоем влажного шлама, на них оседает большая часть пыли, содержащаяся в га­зовом потоке. Таким образом це цепная завеса является одновре­менно и пылеулавливателем.

Рис. 1.21. Цепные завесы вращающихся печей:

1 — конструкция части цепной завесы (1 — рядовое звено; 2 — концевое звено); 11 — узел крепления цепей к корпусу печи (1 — кронштейн; 2, 3 — болт с гайкой; 4 — кор­пус печи; 5 — концевое звено цепи; 6 — футеровка)

Цепные завесы вращающихся печей обычно бывают двух ти­пов: со свободно висящими концами (рис. 1.21, а) и гирляндной завесой (рис. 1.21, б).

Цепные завесы собирают из цепей с овальными звеньями из прутка толщиной 22 и 25 мм. Материал цепей, подвешиваемых в горячей зоне с температурой газового потока 770—1070 К, — жаропрочная сталь 12Х18Н10Т, а в «холодной» зоне с температу­рой ниже 770 К — углеродистая сталь. Цепи в завесах со сво­бодно висящими концами длиной 0,6—0,7 внутреннего диаметра печи подвешиваются в шахматном порядке за один конец. Гирляндные цепные завесы подвешиваются к корпусу печи за оба конца с провисанием в средней части.

В некоторых случаях во вращающихся печах мокрого способа производства в наиболее горячей зоне внутреннего теплообмен­ника (взамен цепной завесы) частично или полностью устанавли­вают ячейковые теплообменники, включая и керамические. Ячей­ковые теплообменники пока не нашли повсеместного применения, и наиболее универсальным и эффективным внутренним теплообмен­ником остается цепная завеса.

1.3. Техническая характеристика вращающихся печей мокрого способа

1.4 Техническая характеристика вращающихся печей сухого способа производства с запечными теплообменными устройствами

Выше приведены технические характеристики вращающихся печей мокрого (табл. 1.3) и сухого (табл. 1.4) способов произ­водства.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ

Оборудование цементных заводов и, в частности, вращающиеся печи, запечные теплообменники и охладители клин­кера работают в условиях высоких температур и сложных термо­химических процессов, что предопределяет методику расчета этих агрегатов. Поэтому расчет вращающихся печей и охладителей в подавляющем большинстве случаев и любые технические расчеты основываются на достаточно упрощенных исходных данных. Во время вращения печи происходит транспортирование мате­риала и ere термохимическая обработка. При этом материал движется вдоль печи с переменной скоростью, что установлено опы­тами с радиоактивными метками на печах мокрого способа про­изводства. Это объясняется физическими и химическими изменениями, которым подвергается в процессе обжига материал. Термохимические процессы обычно рассматривают по отдельным технологическим или температурным зонам.

В печах мокрого способа по ходу движения материала разли­чают следующие зоны: сушки (испарения), подогрева (дегидрата­ции), декарбонизации (кальцинации), экзотермических реакций, спекания и охлаждения.

В зоне сушки (испарения) для увеличения эффекта теплооб­мена между поступающим материалом (шламом) и выходящими из печи горячими газами применяют внутрипечные теплообмен­ники, в основном цепные завесы. В этой зоне вода, содержащаяся в шламе в химически несвязанном виде, почти полностью из мате­риала испаряется, а высушенный шлам нагревается до 470 К.

В зоне подогрева (дегидратации) из шлама удаляются остатки химически несвязанной воды, происходит разложение органиче­ских включений и дегидратация глины, а также испарение хими­чески связанной воды, начинающееся при 700—720 К. Глина утра­чивает свои пластические свойства и превращается в порошко­образную массу. Температура материала в зоне подогрева (де­гидратации) повышается до 950 К.

В зоне декарбонизации (кальцинации) температура материала поднимается до 1300 К. Для этой зоны характерно выделение боль­шого количества углекислого газа и свободной извести, переходя­щей в тонкодисперсное состояние. Свободная известь, взаимодей­ствуя с кремнеземом и окислами алюминия, железа и магния, начинает образовывать минералы, входящие в состав цементного клинкера. Эти реакции протекают с поглощением теплоты печных газов.

В зоне экзотермических реакций температура материала резко повышается до 1650 К, начинают образовываться большая часть белита (двухкальциевого силиката 2CaO-SiO₂), являющегося ос­новным исходным материалом при образовании клинкера, а также соединения окислов железа и алюминия с известью — алюмина­тов и алюмоферритов. Весь кремний переходит в белит. Количе­ство свободной извести резко уменьшается.

В зоне спекания завершается образование клинкера, мате­риал нагревается до 1750 К и переходит в размягченное состояние, а легкоплавкие минералы — в жидкую фазу. В этой зоне про­исходит горение вводимого топлива — температура горячих га­зов достигает 2000—2050 К. Образуется основной продукт об­жига — кристаллический алит или трехкальцевый силикат 3CaO-SiO₂ т. е. основной компонент собственно цементного клин­кера. Последняя зона печи — зона охлаждения — представляет со­бой небольшой участок до выходного обреза печи, с которого цементный клинкер температурой 1450—1550 К сбрасывается в ох­ладитель.

Рис. 1.22. Температурные графики:

а — печи мокрого способа производства; б — печи сухого способа производства; 1 — температура газового потока; 2 — температура материала; L_М, L_С – текущие значения длины печи; L_М,^* L_С^* – полная длина печи.

В печах сухого способа производства, оборудованных циклон­ными теплообменниками и реакторами-декарбонизаторами, про­исходящие термохимические процессы идентичны процессам, про­исходящим в печах мокрого способа. Следует учитывать, что влаж­ность поступающей в печь сырьевой муки не превышает 1,5%, благодаря чему в печных агрегатах сухого способа отсутствует зона сушки (испарения), а процессы подогрева и частично декарбо­низации проходят в циклонном теплообменнике и реакторе-декарбонизаторе.

На рис. 1.22 показаны температурные графики печей мокрого и сухого способов производства.

Определение производительности вращающейся печи и времени прохождения частиц материала корпуса печи

Теплообмен в печи весьма сложен, зависит от боль­шого числа факторов, и поэтому рассчитать его с приемлемой для практических целей точностью пока не представляется возможным. Каждый завод (фирма), изготовляющий вращающиеся печи и ох­ладители, обычно руководствуется собственными методами рас­чета, накопленным опытом конструирования, испытаний и экс­плуатации печей.

Отсутствие расчетов основных параметров вращающихся пе­чей свидетельствует о незавершенности этих работ и о необходи­мости дальнейшего совершенствования имеющихся расчетов о уточ­нением их на основе эксплуатационных данных.

Институтом ВНИИцеммаш с помощью математической обра­ботки статистических данных, полученных от большого количе­ства эксплуатируемых в СССР вращающихся печей различных типов, а также данных каталогов иностранных фирм, определены эмпирические зависимости для подсчета производительности вра­щающихся печей в тоннах в час.

Производительность вращающейся печи мокрого способа про­изводства

Q_M= 104,4 D²L/ q (1.1);

печи сухого способа производства

Q_C = 162 D²L/q (1.2)

печи сухого способа с реактором-декарбонизатором

Q_р.д. = 136,8 D² L/q, (1.3)

где D — диаметр печи, м; L — длина печи, м; q — удельный расход теплоты на обжиг клинкера, кДж/кг, значения q см. табл. 1.1 и 1.2.

Для печей с декарбонизаторами в качестве q подставляют то количество удельной теплоты, которое подается непосредственно в печь, без учета подаваемой в декарбонизатор.

Пример расчета производительности печей. Печь 5x185 м мокрого способа производства

Q_м = 104,4D²L/ q = 104,4 ∙ 5² - 185/6500 = 74 т/ч или 1780 т/сут.

В технической характеристике печи (см. табл. 1.1) Q_м = 1800 т/сут. Печь сухого способа производства 4,5Х 80 м (СМЦ-20) с реактором-декарбо­низатором

Q_р.д. = (136,8D²L)/ q = (136.8 ∙ 4.5² ∙ 80)/1700 = 130,4 т/ч или 3130 т/сут

В технической характеристике печи (см. табл. 1.2) Q_{p д} = 3000 т/сут.

Время прохождения частиц материала корпуса печи [по дан­ным «Бюро оф Майнз» (США) 1 (мин)

t = (1,77L√β)/(yDn) ∙ F

где L — длина печи, м; β — угол естественного откоса сухих материалов, °, можно принять β = 40°; у — уклон печи, °; D — диаметр печи, м; п — частота вращения, об/мин; F — коэффициент, учитывающий сужение конуса печи, пере­сыпные и другие устройства, которые сдерживают материал и удлиняют время прохождения частиц материала через корпус вращающейся печи, в этом случае F = 2.

Пример расчета для печи 4,5x80 м сухого способа производства (см. nабл. 1.4):

L = 80 м; √β = √40 = 6,325; у = 4° или 2,3°; D = 4,5 м; n = 0,6-3,44 об/мин.

Принимаем F = 1 (для печи с постоянным диаметром корпуса печи). При n = 0,6 об/мин.

t = (1,77 ∙ 80 ∙ 6,325)/(2,3 ∙ 4,5 ∙ 0,6) ∙ 1 = 144 мин;

при n = 3,44 об/мин t = (1,77 ∙ 80 ∙ 6,325)/(2,3 ∙ 4,5 ∙ 3,44) ∙ 1 = 25 мин

Как видно из расчета, время прохождения частицами материа­лов корпуса печи определяется в основном изменением частоты вращения, длиной и углом наклона корпуса печи.

В длинных печах мокрого способа производства общее время пребывания материала составляет около 3—3,5 ч, а в печах су­хого способа — около 1,5—2 ч.

Как указывалось ранее, благодаря сложному теплообмену (термохимическому процессу) материал движется в различных зонах печи с разной скоростью. Это явление подтверждается опы­тами, проведенными с радиоактивными метками.