» » Трубчатые вращающиеся печи (ТВП)
03.12.2015

На отечественных заводах для кальцинации глинозема установлены вращающиеся печи длиной 35-185 м и диаметром 2,5—5,0 м. Характеристика печей ТВП и барабанных холодильников представлена в табл. 10.3 и табл. 10.4 соответственно.
Печь представляет собой стальной барабан (см. рис. 10.3) из листовой стали толщиной 20-70 мм, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Основным материалом для футеровки печей глиноземных заводов служит шамот. Высокотемпературные зоны печей выкладывают из хромомагнезитового, магнезитового и периклазошпинелидного огнеупорного кирпича. Толщина футеровки составляет 230-350 мм. Как правило, диаметр барабана по всей длине печи одинаков, но в некоторых печах для изменения скорости перемещения материалов (для увеличения времени пребывания глинозема) в зоне высоких температур при неизменном наклоне печи диаметр барабана изменяют. Уклон барабана к горизонту составляет 1-5°. На корпусе печи укреплены бандажи (стальные обточенные кольца), которыми он опирается на опорные ролики. Вал каждого ролика установлен в подшипниках, укрепленных в стальной раме, которая прочно связана с массивным железобетонным фундаментом (опорой печи). Печь приводится во вращение от электродвигателя через редуктор. Скорость вращения барабана 1—2 об/мин. Кроме главного привода, печь имеет вспомогательный, который применяется для поворачивания печи во время монтажных, ремонтных и аварийных работ.
Нижним горячим концом печной барабан входит в топливную головку печи, верхним холодным концом — в загрузочную головку.
Загрузочная головка имеет устройство для загрузки гидроксида и отверстие для выхода топочных газов. Топливная головка изнутри футерована шамотом, спереди она имеет отверстия для форсунок или горелок, а также смотровые и рабочие окна. В нижней части топливной головки расположена течка, через которую прокаленный глинозем пересыпается в холодильник. В качестве топлива для печей кальцинации используют мазут и природный газ. Мазут подается в печь нагретым до 90—110 °С под давлением 1,5—2,5 МПа.
Небольшой участок печного барабана, непосредственно примыкающий к загрузочной головке, не имеет футеровки. Здесь установлены теплообменные устройства в виде металлических полок, которые создают завесу из влажного гидроксида для выходящих из печи газов.
На наружной поверхности барабана закрепляют стальные опорные бандажи в виде неразрывных колец шириной 400—800 мм. Опорные бандажи воспринимают всю нагрузку от массы барабана, достигающую 70—400 т. Для больших печей применяют кованые бандажи прямоугольного сечения, которые надевают на корпус свободно, с небольшим зазором, учитывая последующее тепловое расширение барабана. Каждый бандаж опирается на два ролика, вращающиеся во время работы печи. Ширина роликов обычно на 50—100 мм больше ширины бандажа.
Между опорами барабан вращающейся печи испытывает напряжение на изгиб. Величина пролета между опорами зависит от диаметра барабана, его суммарной массы, толщины кожуха и т. д. и составляет 26—30 м. Иногда кожух печей дополнительно усиливают кольцами жесткости.
Барабан вращается вокруг своей оси со скоростью 0,6—2,0 об/мин. Регулирование числа оборотов барабана производят специальным устройством. Привод состоит из электромотора мощностью до 250 кВт, специального редуктора и открытой зубчатой передачи, заканчивающейся большой венцовой шестерней, закрепленной на барабане. Для того чтобы барабан мог при нагреве свободно расширяться, венцовую шестерню прикрепляют к барабану при помощи пружин.
При вращении печи бандажи «катятся» по опорным роликам. Чтобы удержать наклонно расположенную печь от соскальзывания с опорных роликов, оси их устанавливаются под небольшим углом по отношению к продольной оси печи (от 0° 10’ до 0° 45’). Под воздействием такого разворота печь очень медленно поднимается вверх в направлении оси печи. Сила этого сдвига должна быть рассчитана таким образом, чтобы при среднем коэффициенте трения между опорными роликами и бандажом корпус печи поддерживался в среднем положении. Величина угла разворота опорных роликов зависит от массы печи, угла наклона барабана и его диаметра.
Существуют конструкции опорных роликов, где их устанавливают параллельно продольной оси печи, что устраняет неравномерность износа роликов и бандажей и исключает опасность их разрушения. Положение печи в продольном направлении фиксируется автоматически при помощи специальных упорных роликов с демпферами (демпфер — это приспособление для постепенного уменьшения механических колебаний путем поглощения части энергии колеблющейся системы) или гидроприводами, которые сообщают печи возвратно-поступательное движение с двойным ходом на 50-100 мм за 24 ч. С обеих сторон бандажа ближайшей к приводу опоры, а у мощных печей дополнительно еще у двух-трех бандажей установлены упорные ролики, вращающиеся на вертикальных осях. Эти ролики фиксируют положение печи вдоль ее оси и, следовательно, зацепление венцовой шестерни. Упорные ролики можно перемещать вдоль оси печи, а затем укреплять в нужном положении.
Для остановки вращения печи в любом положении служит электромагнитный фрикционный тормоз, через обмотку которого во время работы печи постоянно пропускается ток. Когда подача тока прекращается, электромагнит выключается и отпускает колодки тормоза, которые и зажимают приводной вал.
Для предотвращения налипания влажной шихты на стенки барабана и настылеобразования в холодном конце печи устанавливают цепные завесы, которые изготавливаются только из качественного металлопроката. Их прикрепляют к барабану по всему сечению печи, выбирая длину зоны таким образом, чтобы температура газов в ней не превышала 700 °С. Завесы обычно выполняют из цепей с крупными, чаще всего круглыми звеньями. Часть цепей находится в потоке газов, а часть погружена в материал и при вращении печи увлекает его за собой, увеличивая при этом поверхность соприкосновения материала и газов. Следовательно, цепная завеса влияет не только на настылеобразование, но и на теплообмен между газами и шихтой. Вместо завес может быть использовано отбойное устройство, представляющее собой связки рельсов длиной до 12 м, прикрепленные цепью к торцевой головке печи.
Печь кальцинации работает по принципу противотока. Нагреваемый материал вследствие наклона печного барабана и его вращения движется навстречу горячим топочным газам, которые при этом охлаждаются. Условно в печи различают четыре температурные зоны. На рис. 10.2 показан график, по которому можно проследить, как изменяется температура газов и материала по длине печи в процессе кальцинации.
Трубчатые вращающиеся печи (ТВП)

Первая зона, которую называют зоной сушки, характеризуется полным испарением гигроскопической влаги гидроксида алюминия, причем температура материала здесь не превышает 200 °С. Температура газов в пределах зоны сушки снижается с 600 до 300 °С.
Во второй зонезоне кальцинации — удаляется химически связанная влага, и гидроксид превращается в безводный γ-А2О3. Для этого материал необходимо нагреть до температуры 950 °С. Поток движущихся газов в этой зоне охлаждается на 450 °С — с 1050 до 600 °С.
Трубчатые вращающиеся печи (ТВП)

Третья зоназона прокаливания — располагается в области горящего факела, что обеспечивает максимально высокую температуру газов — 1400 °С. Это позволяет нагреть шихту до t = 1250 °С, обеспечивающей переход глинозема из γ-модификации в α-модификацию (γ-Аl2О3 → α-Аl2O3). Чтобы гарантировать полное завершение процесса прокаливания, время пребывания материала в этой зоне стремятся увеличить за счет большего, чем в других зонах, диаметра печного барабана.
Четвертая зоназона охлаждения — здесь происходит охлаждение готового глинозема до 1000 °С. При нормальной работе печи кальцинации температура покидающих ее газов не должна быть выше 300 °С, что служит надежным критерием обеспечения оптимальной температуры материала в зоне прокалки ~ 1250 °С. При хорошем сжигании топлива и отсутствии лишних подсосов воздуха в системе обычно в отходящих газах содержится 13—15 % СО2. Содержание СО не должно превышать 0,8 %.
Трубчатые вращающиеся печи (ТВП)

Качество готового продукта, получаемого во вращающихся печах, определяется не только кинетикой, но и движением материала, т. е. временем его пребывания в печи. В зависимости от того, насколько мгновенные скорости отдельных частиц отличаются от средней скорости движения материала (при постоянном распределении температуры по длине печи), изменяется степень превращения каждой частицы и, следовательно, фазовый состав глинозема Так, эксперименты на печи (110 метров) показали, что среднее время пребывания материала в печи равно 18 мин. Самые быстрые и самые медленные частицы проходят ее соответственно за 8 и 45 мин. Наличие частиц с высокими скоростями приводит к тому, что потери при прокаливании (п. п.п.) оказываются выше 1 % из-за недостаточного времени для перехода гидроксида алюминия в негигроскопичные формы оксидов алюминия. В то же время 30—40 % частиц с медленными скоростями движения превращаются в α-Аl2O3. Наличие в печи частиц с различными скоростями движения и неопределенность соотношения таких частиц в промышленных условиях из-за технологических возмущений, нарушающих установившийся режим, затрудняет надежный контроль и регулирование тепловой работы печей. Одной из главных задач оперативного управления является поддержание всех параметров на заданном уровне, что возможно только при своевременном и непрерывном анализе информации о качестве целевого продукта.
В общем случае решение таких задач возможно при разработке и реализации с помощью вычислительной техники математической модели, позволяющей получать необходимую информацию непосредственно с агрегата в режиме реального времени. В настоящее время существуют надежные методы расчета параметров теплового и температурного режимов работы вращающихся печей, основанные на использовании компьютеров. Однако из-за большой сложности и недостаточной изученности механизма теплопереноса анализ тепловой работы конкретных технологических агрегатов пока базируется в основном на изучении эмпирических данных и оценке тепловых балансов печей.