Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Печи для обжига в кипящем слое отличаются простотой конструкции, отсутствием движущихся частей и малым расходом металла я огнеупоров.
Обычно сооружаемые печи состоят из одной или нескольких рабочих камер. Наибольшее распространение в настоящее время в промышленности получили однокамерные печи, схема которых показана на рис. 4.
Независимо от различий в конструктивных деталях все печи имеют стенки, свод и воздухораспределительную решетку или под, замыкающие рабочее пространство (камеру) печи, устройства для загрузки и выгрузки твердых материалов, воздушную коробку и газоходы для удаления газов.
Воздух (газ) для реакций и псевдоожижения подается в печь снизу через воздушную коробку и газораспределительную решетку, а газообразные продукты обжига удаляются из верхней подсводовой части печи. Материал загружают большей частью поверх кипящего слоя, готовый твердый продукт выгружают либо с верхнего уровня, либо снизу кипящего слоя; чаще всего загрузку производят в месте, диаметрально противоположном месту выгрузки.
Рабочая камера печи в горизонтальном сечении может иметь форму круга, прямоугольника, эллипса или кольца в зависимости от конструктивных соображений и условий протекания процесса.
В вертикальной плоскости сечению печи придают форму, отвечающую желаемому характеру распределения скорости газового потока по высоте печи.
Если для уменьшения выноса пыли или для увеличения (в соответствии с требованиями кинетики процесса, протекающего во взвешенном состоянии) времени контакта газа с зернами пыли, выносимой из кипящего слоя, целесообразно уменьшить скорость восходящего газового потока, то профилю рабочей камеры печи придают форму расширяющейся кверху трапеции. Ту же форму в вертикальной плоскости придают печи с целью сохранения постоянной скорости газового потока, когда объем газов возрастает в результате реакций, протекающих над кипящим слоем.
Иногда при сокращении объема газов, входящих в реакцию с твердым компонентом, профилю печи придают форму трапеции, сужающейся кверху.
Во всех других случаях вертикальному сечению рабочей камеры печи придают обычно наиболее простую в исполнении, форму прямоугольника.
Примерная конструкция круглой однокамерной печи, применяемой для обжига сульфидных концентратов, показана на рис. 5 и 5.
Основное различие между изображенными на рисунках печами заключается в устройстве воздушной камеры. Практика показала, что приемлемой является печь с более простой в изготовлении несекционированной камерой (рис. 6).
Стены и свод печи для обжига в кипящем слое делают из оглеупорного кирпича и реже — из жароупорного бетона. Снаружи печь заключают в стальной кожух, обеспечивающий герметичность, механическую прочность и жесткость всей конструкции.
Площадь пода (газораспределительной решетки) печей колеблется от 1 до 40 а высота рабочей камеры печи — от 4 до 10 м. Размеры печи процессом не ограничиваются благодаря интенсивному теплообмену и совершенному контакту между газом и твердым веществом. Это открывает новые возможности в создании сверхмощных печей, что очень важно для производств большого масштаба.
Наиболее важной частью печи является под, представляющий собой устройство для равномерного распределения газа, подаваемого снизу в кипящий слой.
Под печи должен иметь такую конструкцию, которая при минимальном сопротивлении обеспечивает равномерное распределение воздуха (газа) по горизонтальному сечению слоя, не допускает провала зернистого материала через отверстия для прохода воздуха и их засорения. Под изготовляют из материалов, устойчивых в условиях агрессивного воздействия температуры и среды.
В настоящее время существует множество конструкций подои, которые можно классифицировать как поды с насадкой, решетчатые и керамические с металлическими соплами.
Под с насадкой состоит из неподвижного слоя обожженных крупных зерен перерабатываемого материала либо из керамических или стальных шаров, лежащих на колосниках, через которые фильтруется поступающий в печь воздух (газ). На рис. 7 показано устройство такого газораспределительного пода.
При обжиге цинковых концентратов и пирита применялись стальные шары диаметром 25—30 мм, рассыпанные слоем высотой 80—100 мм. Для устранения просыпания мелких зерен в воздушную камеру между колосинками и слоем шаров прокладывалась металлическая сетка с отверстиями 0,2—0,4 мм. Данных о результатах промышленной эксплуатации пода описанной конструкции не имеется.
Двухрешетчатый под состоит из двух металлических решеток со смещенными отверстиями диаметром от 2 до 8 мм. На рис. 8 показано его устройство. При высокой температуре обжига (800—900°) такие решетки, изготовленные из стали, подвержены короблению и разрушению по сварочным швам. Указанная конструкция пода может быть рекомендована для процессов, протекающих при низких температурах.
Керамический жароупорный под с металлическими соплами, показанный на рис. 9, состоит из сопел с колпачками различной конструкции (не допускающими провала материала), заделанных в жаростойкий бетон. Сопла изготовляют из обычного серого либо из жаростойкого чугуна, а также из стали. Сопла в количестве от 30 до 50 шт. на 1 площади пода располагают на расстоянии 150—300 мм одно от другого.
Достаточно надежных данных по расчету и конструированию рациональных типов подов не имеется.
Из практики обжига цинковых концентратов известно, что нормально процесс псевдоожижения протекает при условии, что площадь сечения отверстий для прохода воздуха составляет 1—2% от общей площади пода печи.
Для ориентировочных расчетов можно использовать метод расчета газораспределительной решетки, предложенный Идельчиком.
Сопротивление пода приходу газа не должно превышать 10—20% суммарной потери напора в кипящем слое и в поде.
Более равномерное распределение газа наблюдается при использовании подов первых двух типов. Однако третий тип подов получил в России наибольшее распространение вследствие надежности и долговечности. Наилучшие результаты дала эксплуатация подов с соплами типа б и в (см. рис. 9).
Сухой зернистый материал можно загружать в печь как над кипящим слоем, так и непосредственно в кипящий слой. Для загрузки сыпучих материалов в печи для обжига в кипящем слое применяют тарельчатые или ленточные питатели. В последнем случае принимают меры предосторожности от воспламенения ленты горячими газами, могущими прорваться через загрузочную трубу.
Как тарельчатые, так и ленточные питатели обеспечивают равномерное питание печи из бункера, если исходный материал обладает достаточной сыпучестью и не зависает в бункере. Обычно это условие достигается при определенном влагосодержании материала, например для цинковых концентратов при влажности 7—8%- Известную гарантию против зависания материала в бункере могут дать автоматические вибраторы либо пневматические обрушители сводов.
В некоторых случаях, когда имеют дело с материалом повышенной влажности, применяют двойную систему питания, включающую бункер большой емкости с широкой горловиной, оборудованной питателем, не рассчитанным на строго постоянную скорость питания, и второй промежуточный бункер малой емкости с увеличивающимся кинзу сечением (либо цилиндрический) с точно дозирующим питателем.
Стабилизация процесса обжига в кипящем слое в условиях оптимального режима при заданном постоянном расходе воздуха (реакционного газа) достигается с помощью автоматического регулирования скорости подачи материала в печь по температуре кипящего слоя или концентрации какого-либо компонента в отходящих газах (например, SO2).
Первичным прибором, передающим импульсы через различного типа регуляторы и исполнительные механизмы электродвигателю постоянного тока питателя либо заслонке затвора бункера, является в данном случае термопара, погруженная в кипящий слой или газоанализатор.
Последовательно с питателями иногда устанавливают весоизмеритель расхода, в свою очередь воздействующий на скоростной режим питания. Однако такая схема двойного регулирования не оправдывает себя на практике. Любой весоизмеритель надо рассматривать только как прибор, регистрирующий вес загружаемого в печь материала. Примеры схем питания печей показаны на рис. 10.
Материал может загружаться в печь в виде пульпы, содержащей 25—30% влаги. В этом случае пульпа подается в печь при помощи Песковых насосов и сжатого воздуха, распыляясь по поверхности кипящего слоя. Горячие пыльные газы отводятся из верхней части печи через один или два газохода, расположенных сбоку печи.
При экзотермических процессах для удаления избыточного тепла из кипящего слоя применяются теплообменники, выполненные в виде кессонов, монтируемых в стенках печи (см. рис. 5).
При высоких тепловых нагрузках для охлаждения кипящего слоя используют трубчатые змеевики, погруженные в кипящий слой. При обжиге цинковых концентратов в кипящем слое и удельной производительности по концентрату 4,5—5 т/м2 в сутки тепловое напряжение по избыточному теплу составляет около 50 тыс. ккал/час*слоя. Это тепло отводят с помощью водоохлаждаемых кессонов, вмонтированных в стенках печи. Удельная поверхность теплоотъема составляет при этом 0,31 м2/м3 объема слоя, или 0,25 м2/м2 площади пода. При обжиге в кипящем слое флотационных медных и пиритных концентратов тепловое напряжение в слое удалось увеличить в два раза благодаря размещению змеевиковых элементов, обеспечивших повышение удельной поверхности теплообмена в 2,5 раза, в кипящем слое (рис. 11), причем в этих змеевиках генерируется пар давлением в несколько атмосфер. В последнее время при обжиге гранулированного медного концентрата в полупромышленном масштабе достигнуто тепловое напряжение в 500 тыс. ккал/час*слоя, т. е. в 10 раз больше, чем в обжиговых печах цинковых заводов. Достигнуто такое высокое тепловое напряжение благодаря успешной разработке конструкций теплообменников, удельная поверхность теплоотъема которых составляет 3,8 м2/м3 объема слоя, или 4,35 м2/м2 площади пода. Расположение змеевиков в печи показано на рис. 12.
Применение ребристых труб для теплообменников вместо гладких увеличивает в два раза коэффициент теплопередачи, отнесенный к внутренней поверхности труб (опыт Воскресенского химического завода).
Исследования, проведенные в лабораториях и промышленных печах при обжиге сульфидных цинковых концентратов, показали, что выжигание серы в ванне кипящего слоя протекает неравномерно.
Анализ проб газа, отобранных непосредственно над поверхностью кипящего слоя, показал, что концентрация сернистого ангидрида в газе падает, а кислорода растет по направлению от места загрузки к месту выгрузки продуктов обжига, причем в месте загрузки в зависимости от режима обжига на определенном участке печи кислород в газах почти отсутствует. Это происходит вследствие изменения соотношения между кислородом воздуха и сульфида ми, концентрация которых благодаря постепенному окислению уменьшается в кипящем слое по-мере его передвижения в горизонтальном направлении к выгрузке. Графически это явление представлено на рис. 13. Концентрация сернистого ангидрида в газах падает также от центра к периферии круглой печи, как это видно из рис. 14.
Анализ запыленности газов внутри печи показал, что выше 3—4 м от поверхности кипящего слоя запыленность газа и размер зерен, выносимых газовым потоком, начинает резко уменьшаться. Это указывает на то, что фонтанирование зерен, возвращающихся в слой, распространяется примерно на высоту 3—4 м от уровня сливного порога. Высота этой зоны изменяется в зависимости от скорости потока газов, размера зерен и удельного веса последних.
Приведенные наблюдения о неравномерности состава газовой фазы по горизонтальному сечению печи могут найти практическое применение. Возможно, например, создать желаемый различный газовый режим обжига по пути движения зернистых материалов от места загрузки к месту выгрузки путем соответствующего распределения воздуха или другого реакционного газа, подаваемого в кипящий слой. При необходимости выравнять состав газообразных продуктов обжига в печи над кипящим слоем целесообразно будет, очевидно, загрузку печи производить в нескольких местах по периферии пода. Выравнивание состава газа над уровнем кипящего слоя улучшит условия протекания реакций обжига зерен во взвешенном состоянии.
При необходимости использования различных по составу газообразных продуктов обжига целесообразно разделить печь перегородкой и отводить газы отдельно из каждой камеры.
Описанный характер протекания процесса обжига в кипящем слое использован для отгонки свинца и кадмия из цинкового концентрата Нейтральная из-за отсутствия кислорода атмосфера вблизи места загрузки концентрата создает при температуре около 1100° благоприятные условия для отгонки летучих сульфидов свинца и кадмия; в окислительной атмосфере (зоны печи, удаленные от места загрузки) достигается почти полное окисление сульфидов цинка. Пример такой двух камерной печи со смежным расположением камер показан на рис. 15.
Описанные выше печи пригодны для осуществления как экзотермических, так и эндотермических процессов, при которых недостающее тепло подводится в кипящий слой либо через стенки теплообменных устройств, либо путем сжигания топлива непосредственно в кипящем слое или в выносной топке. В частности, для сушки применяется выносная топка под давлением, из которой дымовые газы после охлаждения поступают в печь под решетку с кипящим слоем.
Интенсивное перемешивание, являющееся само по себе весьма ценным свойством кипящего слоя, вместе с тем исключает возможность соблюдения в нем принципа противоточного движения газов и твердого вещества. Желание осуществлять процессы по принципу противотока вызвало появление конструкций многокамерных или многоступенчатых печей с двумя или большим числом самостоятельных кипящих слоев. На рис. 16 показана схема, а на рис. 17 — конструкция такой печи.
В многокамерных печах в каждой камере или ступени необходимо сохранять индивидуальный заданный и регулируемый режимы процесса. Движение потоков газов и зернистых материалов в камерах должно быть непрерывным и взаимосвязанным. В отдельных случаях, помимо проходящих через печь основных потоков газов и зернистых материалов, в нее могут поступать или из нее выводиться дополнительные потоки газов и зернистых материалов.
Для поддержания одинаковой скорости газов во всех камерах сечение последних меняется в зависимости от температуры газов. Например, в нижней камере, где происходит охлаждение зернистых продуктов обжига, площадь горизонтального сечения печи меньше, чем в реакционной зоне, где температуры выше; равным образом уменьшается площадь камер, расположенных выше реакционной зоны, в которой горячие газы охлаждаются при встрече с исходным холодным материалом.
Нижний, беспровальный под многокамерной печи не отличается от пода однокамерной печи. Прочие поды между вертикально расположенными камерами печи выполняются в виде перегородок со сквозными отверстиями для прохода восходящего потока газов.
Переток зернистого материала в многокамерной печи производится двумя способами. По одному — зернистый материал пересыпается с пода на под через те же отверстия, по которым движется восходящий поток газа. В этом случае поды называются провальными. Расчет таких подов не разработай и регулирование режима процесса в печах с этими подами представляет значительные трудности. Печи с провальными подами находят ограниченное применение при допустимости грубого регулирования технологического режима (рис. 18). По другому способу зернистый материал перетекает с пода на под по специальным переточным трубам, а через отверстия в подах проходит только газ (см. рис. 16 и 17).
Автоматически действующие пере-точные трубы являются наиболее ответственной частью многокамерной печи.
Переточные устройства должны иметь конструкцию, исключающую возможность свободного прохода газов через них.
Одна из отечественных конструкций саморегулирующегося устройства для перетока зернистых материалов из камеры в камеру основана на том, что сход материала по переточным трубам между
камерами управляется при помощи устройств, обеспечивающих размывание угла естественного откоса зернистого материала под устьем перетока; другая конструкция состоит в том, что под открытым нижним концом переточной трубы устанавливается особый ограничитель, предотвращающий попадание газа в перетоки и позволяющий мелкозернистому материалу свободно двигаться в них.
Несмотря на сложность конструкций аппаратов с переточными трубами, они имеют большее распространение в промышленности.
Следует обратить внимание на дополнительные трудности применения многокамерных печей, возникающие при повышении температуры процесса и в особенности, если он сопровождается спеканием зернистого материала, прекращающим движение его в переточных трубах, работающих в фильтрующем режиме.
Противоточные процессы можно осуществлять также в нескольких отдельных однокамерных печах, через которые последовательно противотоком передвигаются зернистые и газообразные вещества.