4.4.2. Печи для обжига формованных изделий

Для обжига формованных изделий при­меняют:

а) кольцевые печи;

б) туннельные печи;

в) щелевые (конвейерные) печи.

Кольцевые печи. Наиболее широкое распространение они получи­ли для обжига строительного глиняного кирпича, стено­вых керамических камней и керамических дренажных труб. В нашей стране работает около 1000 кольцевых пе­чей, в которых обжигают около 70 % общего количества вырабатываемого глиняного строительного кирпича. Распространенность и «живучесть» кольцевых печей объ­ясняются их высокой тепловой экономичностью, сравни­тельно высокой производительностью, возможностью сжигания любых видов топлива, включая самые низко­сортные разновидности и топливные суррогаты, а также возможностью на ходу переключаться с одного вида твер­дого топлива на другой без каких-либо конструктивных изменений в печи. Однако, несмотря на указанные до­стоинства, кольцевым печам присущи очень крупные не­достатки: относительно тяжелые условия обслуживания и трудности полной механизации процессов загрузки сырца в печь и выгрузки обожженного кирпича из печи. По этой причине в настоящее время новые кольцевые пе­чи не строят. Тем не менее большая их распространен­ность и перспективы относительно длительного их суще­ствования требуют изучения приемов эффективной экс­плуатации и совершенствования существующих конструк­ций кольцевых печей.

В наиболее общем случае принцип действия кольце­вой печи представлен на рис. 4.60, а поперечный разрез печи — на рис. 4.61. Основным элементом печи является замкнутый сквозной обжигательный канал 1 овальной формы, не имеющий внутри постоянных перегородок и являющийся рабочей камерой печи. В наружных стенах обжигательного канала имеются отверстия 2, именуемые обычно ходками, через которые в печь загружают сырец (стрелка А) и выгружают обожженный кирпич (стрел­ка Б). Часть обжигательного канала, соответствующая расстоянию между двумя ходками, условно называют камерой, хотя канал сквозной и камеры друг от друга не отделены.

Во внутренней стене печи расположен дымовой ка­нал 3 с отверстием 4, соединяющим дымовой канал сдымососом 11 (или дымовой трубой). Обжигательный канал соединяется с дымовым посредством отверстий (очелков) 5 во внутренней стене печи. Дымовые очелки снабжены подъемными коническими клапанами 6 (ды­мовыми конусами), посредством которых дымовой ка­нал может подключаться к обжигательному либо от­ключаться от него.

Рис. 4.60. Схема работы кольцевой печи

Рис. 4.61. Поперечный разрез кольцевой печи

Над дымовым каналом расположен жаровой канал 7. На рис. 4.60. он условно изображен рядом с дымовым каналом. Он предназначен для использования горячего воздуха, остужающего обожженные изделия. Жаровой канал можно подключать к обжигательному посредством жаровых очелков 8 и конических подъемных клапанов 9 — жаровых конусов.

Работа печи. При установившемся режиме, т. е. ког­да печь находится в регулярной непрерывной эксплуата­ции, обжигательный канал почти целиком заполнен об­жигаемым материалом. Свободными остаются лишь две-три камеры, через которые непрерывно загружают сырец и выгружают обожженный кирпич. В этих камерах ходки открыты. В остальных они заложены временными кир­пичными стенками или закрыты специальными щитами. Топливо подают (стрелка Т) в печь через отверстия 10 (топливные трубки в своде обжигательного канала). Часть обжигательного канала, заключенную между дву­мя поперечными рядами топливных трубок, называют подсадкой.

Топливо поступает на предварительно раскаленную садку обжигаемых изделий и, получая от нее начальный импульс подогрева (энергию активации), быстро загора­ется, продолжая нагревать садку. Ту часть обжигатель­ного канала, в которую загружают топливо, называют зоной взвара (обжига). В этой зоне закрыты как дымо­вые, так и жаровые конусы. Образующиеся в зоне взвара дымовые газы направляются вперед (стрелка Г), прони­зывают садку и подогревают относительно холодный сырец до температуры, несколько превышающей тем­пературу воспламенения топлива, которое сжигают в печи.

Зону, в которой сырец подогревается дымовыми га­зами, называют зоной подогрева (иногда зоной дыма). Остывшие дымовые газы удаляются из зоны подогрева в дымовой канал через дымовые очелки и открытые ды­мовые конусы. Причем, как видно из рис. 4.60, в этой зоне открыты не все дымовые конусы; ближайшие к зоне взвара закрыты, чтобы горячие дымовые газы не уходи­ли неиспользованными в дымовой канал. Из дымового канала через сборное отверстие 4 газы направляются к дымососу 11, которым выбрасываются в атмосферу.

Воздух засасывается в обжигательный канал через открытые ходки (стрелки В) свободных камер печи. Из свободных камер воздух направляется через садку уже обожженного кирпича и охлаждает его. По прохождении нескольких камер поток воздуха раздваивается: часть его продолжает движение вперед (стрелка ВГ), прони­зывая садку, подогревается и поступает в зону взвара, где участвует в горении топлива. Другая часть воздуха, также горячего, отсасывается в жаровой канал (стрел­ки ВД) и из него поступает в камеры со свежезасаженным сырцом. В этих камерах воздух досушивает загру­женный в печь сырец. Часть зоны остывания, в которой воздух не отсасывается в жаровой канал, называют зо­ной закала. Она примыкает к зоне взвара. Между свободными камерами и зоной закала располагается зона охлаждения. В этой зоне часть воздуха обычно отсасыва­ется в жаровой канал. Зону, в которой происходит до­сушка сырца горячим воздухом, нагретым за счет теп­лоты остывающего кирпича, называют зоной досушки.

Для осуществления описанного принципа работы кольцевой печи холодный воздух, попавший в свобод­ные камеры, должен получить направленное движение в сторону зоны охлаждения. Для этого нужно преградить ему путь движения в противоположном направлении, т. е. в сторону зоны досушки. С этой целью камеры, со­ставляющие зону досушки, отделены от свободных ка­мер, от зоны подогрева и друг от друга бумажными шир­мами 12 (на рис. 4.60 они изображены волнистыми ли­ниями).

Как видно из описанной схемы, в кольцевой печи те­плота горячих дымовых газов, покидающих зону обжига, используется для подогрева сырца, а теплота осты­вающего кирпича —для досушки сырца и подогрева воздуха, используемого для горения топлива. Это и обусловливает довольно высокую тепловую экономичность кольцевых печей.

Все зоны в кольцевой печи не остаются неподвижны­ми, они непрерывно перемещаются, в этом главная осо­бенность принципа действия кольцевой печи: обжигае­мые изделия в течение всего цикла остаются неподвиж­ными, а тепловые зоны относительно материала непрерывно перемещаются, и таким образом, изделия, нахо­дясь неподвижно в каждой камере, последовательно под­вергаются досушке, подогреву, взвару, закалу и охлаж­дению.

При нормальном ведении процесса обжига все зоны взаимосвязанно перемещаются с сохранением позонного режима, т.е. с сохранением взаимного распределения всей длины обжигательного канала между отдельными зонами. Важно уяснить, что каждая камера печи рабо­тает в тепловом отношении как бы по периодическому циклу, но вся печь в целом благодаря перемещению зон работает непрерывно, т. е. в каждый данный мо­мент времени в печи выполняются все стадии процесса обжига [5].

Туннельные печи. Идея создания туннельных печей появилась в связи с необхо­димостью преодолеть основные недостатки периодичес­ких и кольцевых печей. Однако действующие туннель­ные печи широкое распространение получили лишь в те­кущем столетии. И до настоящего времени они остаются наиболее совершенным типом печей для обжига всех ви­дов формованных изделий.

Рабочей камерой туннельной печи является сквоз­ной канал 1 (рис. 4.62 а—в), целиком заполненный ва­гонетками 2, на которых установлены обжигаемые из­делия 3. В средней части печи размещена зона обжига. В нее подают топливо, продукты горения которого про­сасываются вперед и омывают изделия, находящиеся в зоне подогрева. Отработанные дымовые газы выбрасы­ваются в атмосферу дымососом 4. Вентилятор 5 нагнета­ет воздух в конец зоны остывания. Проходя через эту зону, воздух омывает обожженные изделия, охлаждает их и сам при этом нагревается. Нагретый воздух посту­пает в зону обжига, где используется для горения топ­лива.

Рис. 4.62.Принципиальная схема туннельной печи

а - график температуры обжига; б - схема печи; в - поперечный разрез туннеля

В зоне подогрева изделия досушиваются и подогре­ваются, в зоне обжига нагрев изделий продолжается до конечной температуры обжига, а в конце ее происходит некоторое время выдержка изделий при максимальной конечной температуре или, как говорят, кривая обжига имеет температурную площадку. В зоне остывания сначала (пока изделия находятся в пиропластическом состоянии) они быстро остывают. Вблизи температуры пе­рехода обжигаемых изделий из пиропластического со­стояния в хрупкое и вблизи температуры модификационных превращений кремнезема интенсивность охлаж­дения понижается. Процесс охлаждения завершается при достижении изделиями 50—60 °С.

Нормально туннель целиком загружен вагонетками. Для загрузки очередной вагонетки ее подают к загру­зочному торцу печи и заталкивают в печь механизмом-толкателем. При этом весь поезд вагонеток, находящий­ся в туннеле, перемещается на длину одной вагонетки и тем самым с другого конца печи выталкивается вагонет­ка с охлажденными изделиями. Подобное перемещение вагонеток производят непрерывно либо периодически (ритмически). Таким образом, в туннельных печах, в от­личие от кольцевых, местоположение тепловых зон ста­бильно, а обжигаемый материал перемещается относи­тельно этих зон. Взаимодействие обжигаемого материала с дымовыми газами и воздухом происходит по принципу противотока, что обеспечивает возможность достижения высоких температур нагрева (практически до 1650 °С). При сохранении основного принципа работы туннель­ной печи существует много их разновидностей, различа­ющихся формой туннеля (прямолинейный, кольцевой, ще­левой, многоканальный), способом перемещения мате­риала в туннеле (вагонеточные, ленточные, роликовые, печи со скользящими подкладками, с шагающим и вра­щающимся подом), способом теплообмена (открытого огня и муфельные), источником теплоснабжения (пла­менные и электрические печи).

Весьма разнообразны аэродинамические схемы тун­нельных печей, т. е. схемы движения в них газов и воз­духа. Простейшая —схема с одним дымососом. Еще лучше схема с принудительным отбором воздуха из зоны остывания специальным вентилятором, который мо­жет передавать горячий воздух в сушилку, к горелкам, либо в зону подогрева.

Рециркуляция отработанных газов дает возможность несколько турбулизировать поток в зоне подогрева и сни­зить его температурное расслоение, а также в известной мере регулировать температурную кривую в этой зоне. Устройство завес дает возможность аэродинамически отключить зону обжига от смежных зон и создать в ней восстановительную среду, что очень важно для последних стадии обжига. Кроме того, завеса на стыке зон об­жига и остывания дает возможность интенсифицировать процесс охлаждения в период пиропластического состо­яния материала. (взято перегудов, роговой)

Щелевые печи. Щелевыми называют обычно печи, у которых ширина рабочего канала в несколько раз больше его высоты. Их применяют для однорядного обжига изделий. Они легко вписываются в качестве об­жигового звена в состав автоматизированных поточных линий.

Щелевые печи были впервые предложены в нашей стране для обжига изделий стеновой керамики. Тем не менее практическое применение и широкое распростра­нение они получили для обжига керамических плиток, где они почти полностью вытеснили туннельные печи. В течение последних десяти лет новые туннельные печи для обжига керамических плиток не проектируются и не строятся, а действующие заменяются автоматизиро­ванными линиями со щелевыми печами. В настоящее время в нашей стране работает более 200 автоматизи­рованных линий со щелевыми печами однорядного обжига керамических плиток, и количество их ежегодно возрастает.

Конструктивно щелевая печь (рис. 4.63) представля­ет собой канал, образуемый кирпичной кладкой, кото­рая в свою очередь заключена в металлический кожух. Внутри канала размещено транспортирующее устройст­во роликовый или ленточно-сетчатый конвейер, на который обжигаемые плитки укладывают в один ряд по высоте. Обогрев двусторонний сверху и снизу вмонти­рованными в стенах канала горелками. Современные конструкции щелевых печей — секционные. Длина сек­ции обычно 3 м, длина всего канала до 60 м, ширина в свету до 1,3 м. Ролики приводные из жаростойких стальных труб диаметром 25—36 мм с толщиной стенки 2—5 мм.

По длине рабочий канал печи разделен на три тех­нологические зоны — подогрева, обжига и охлаждения, отделенные друг от друга порогами. Кроме того, два порога размещены в зоне охлаждения и делят ее на три участка. Пороги размещены над и под роликовыми кон­вейерами и образуют небольшую щель для прохода пли­ток.

Рис. 4.63. Поперечное сечение щелевой печи

1 - рама роликового конвейера; 2 - нижняя горелка; 3 - транспортирующий ролик; 4 — смотровое отверстие; 5 - футеровка; 6 - корпус; 7 - верхнее укрытие; 8 - вентиляционный коллектор; 9 - газоход; 10 - экран; 11 - верх­няя горелка; 12 - люк для очистки пода

Отработанные газы и нагретый воздух эвакуируют через несколько отверстий: в начале печи, в середине зоны подогрева или в начале зоны обжига и в каждом участке зоны охлаждения. Длина вентилируемого участ­ка не более 8—10 м от места отбора газов. Каждый вентилируемый участок имеет автономную систему уда­ления газов или воздуха, что обеспечивает высокую сте­пень управляемости температурным режимом печи. Вен­тилируется также надсводовое (подкожуховое) пространство через вытяжной коллектор, соединенный не­сколькими ответвлениями с вентилируемым пространст­вом каждой секции. Газоразводка выполняется заколь­цованными участками — коллекторами, на одну или не­сколько секций.

Первые печи имели производительность 200— 250 тыс. м² плиток в год. В настоящее время созданы и эксплуатируются роликовые печи производительностью 0,8 и 1 млн. м² плиток в год. Первые печи были одно­ярусными. В последние годы созданы и эксплуатируют­ся двухъярусные печи. Сооружено также несколько трехъярусных печей. Однако обслуживать их оказалось тяжело, и некоторые из них уже демонтированы.

Печи с ленточно-сетчатыми конвейерами применяют преимущественно для обжига плиток малых разме­ров — максимально 120X65 мм. Сетчатые конвейеры выполняют из жаростойкой сетки. Скорость конвейера 0,5—0,8 м/мин [5].

Тепловой баланс и температурный уровень обжигового агрегата. При составлении теплового баланса необходимо соблюдать требования законов сохранения тепла и массы, а также условия стационарного теплового режима, поскольку все рассматривае­мые обжиговые агрегаты представляют собой печи непрерыв­ного действия (∂t/∂τ=0). В приходной части теплового балан­са учитывают теплоту сгорания топлива и экзотермических превращений (характерны для обжига цементного клинкера) и начальные теплосодержания сырья и воздуха, т. е. в момент вступления их в обжиговый процесс. В расходной части баланса учитывают теплоту испарения внешней влаги сырья, дегидра­тации каолинита, декарбонизации карбонатов, конечные тепло­содержания топочных и технологических газов, готового продук­та и пылеуноса в момент выхода их из рабочего объема агре­гата, а также потери тепла через его стенки в окружающую среду за счет радиации.

Удельные расходы сырья и технологических газов, кг на 1 кг продукта подсчитывают по формулам:

теоретический расход сухого сырья (без материальных по­терь)

(4.53)

практический расход сухого сырья

(4.54)

практический расход влажного сырья

(4.55)

расход внешней влаги сырья

G_W = (4.56)

расход химически связанной (гидратной) влаги сырья

(4.57)

расход технологической СО₂

(4.58)

общий вынос пыли из печи газами до пылеулавливания

(4.59)

безвозвратный пылеунос после пылеулавливания

(4.60)

где п. п. п.^с и п. п. п. — потери при прокаливании сухого сырья и продук­та обжига, %; a — безвозвратный пылеунос из обжигового агрегата, % прак­тического расхода сухого сырья; w_c --влажность сырья, %; α — степень дис­социации карбонатов; А — общий вынос пыли из печи, % расхода сухого сырья.

В табл. 4.8 приведены структура и расчетные формулы ти­пичного теплового баланса обжигового агрегата в производстве цемента и извести. Цель составления баланса — анализ тепло-использования и определение удельного расхода топлива на 1 кг продукта обжига (кг для твердого и жидкого и м³ — для газообразного).

Таблица 4.8

Структура теплового баланса обжигового агрегата в производстве цемента и извести

Приход тепла, кДж на 1 кг продукта обжига	Расход тепла, кДж на 1 кг продукта обжига
1. Теплота сгорания топлива. Фи­зическим его теплосодержанием мож­но пренебречь. Химический и меха­нический недожог топлива не пре­дусматривается.	1. Теплота испарения внешней вла­ги сырья, включая физическое тепло­содержание водяного пара при тем­пературе отходящих газов to.г
2. Экзотермический эффект	2. Эндотермический эффект
3. Теплосодержание загружаемого сырья при температуре tc	3. Теплосодержание технологичес­ких газов при температуре tо.г
4. Теплосодержание воздуха, на­правляемого в печь при атмосферной температуре tв	4. Теплосодержание топочных га­зов при температуре tо.г tо.г
5. Теплосодержание пыли, возвра­щаемой в печь из пылеосадителей при температуре tп	5. Теплосодержание пыли, выноси­мой из печи при температуре tо.г
	6. Теплосодержание продукта об­жига, выгружаемого из холодильни­ка при температуре tпр
	7. Потери тепла через стенки агре­гата в окружающую среду за счет радиации β-степень радиации в долях единицы – теплоты сгорания топлива
Итого:	Итого:

Коэффициент, учитывающий потери тепла радиацией от стенок агрегата β в окружающую среду, может колебаться в пределах 0,1—0,3. Для вращающихся печей, работающих по мокрому способу, β=0,15 ... 0,20, по сухому (β=0,2 ... 0,3, для шахтных печей β=0,1 ... 0,15. Указанные значения принимают в статье 7 расходной части теплового баланса, если отсутствуют более точные данные, полученные при испытаниях печи.

Согласно принятым условиям, приходная и расходная части теплового баланса количественно равны, и удельный расход топлива (кг или м³ на 1 кг продукта) определяется из соотно­шения:

1. При использовании на вращающихся печах холодильников, через которые продувают воздух в количестве, превышающем потребность его для сжигания топлива. Тогда возникают дополнительные потери тепла, кДж/кг:

(4.61)

где V^B — общий объем воздуха, продуваемого через холодильник, м³ на 1 кг продукта; — теплоемкость и температура избыточного воз­духа, выбрасываемого из холодильника в атмосферу.

При этом удельный расход топлива, подсчитанный по уравнению (33), несколько увеличивается:

(4.62)

2. При использовании в системе обжигового агрегата утилизаторов тепла для посторонних нужд, например котлов-утилизаторов или воздухоподогревателей, в общем расходе тепла следует учитывать долю его, потребляемую указанным аппаратом, которая приближенно равна:

(4.63)

где - массовая теплоемкость водяного пара, кДж/(кг°С); - температура газов на входе в теплоутилизирующий аппарат, °С.

(4.64)

Пример составления теплового баланса. Составить тепловой баланс агрегата и определить удельный расход тепла на обжиг цементного клинкера во вращающейся печи, работаю­щей по мокрому способу, с влажностью сырьевой смеси 38% и c расходом сухого сырья 1,52 кг на 1 кг клинкера. Режимные показатели: температура отходящих газов 200°С, безвозвратный пылеунос 1% и общий 8% расхода сухого сырья, коэффициент по­терь тепла через стенки агрегата 0,15, температура клинкера, выгружаемого из холодильника, 100° С, пыли, возвращаемой в печь, 50° С и окружающей среды 10° С.

По уравнениям (22) и (25) —(32):

кг на 1 кг клинкера;

Приход тепла	Расход тепла
1.	1.
2. 427	2.
3. (1,52·0,84+0,93·4,19)10=51,7	3.
4.	4.
5.	5.
	6.
	7.

Сделать коррективы расчета в примере составления теплового баланса для случая исполь­зования холодильника, через который продувается воздух в количестве, пре­вышающем вдвое потребность воздуха для сжигания топлива. Температуря избыточного воздуха, выбрасываемого из холодильника в атмосферу, равна 100° С. при этом клинкер охлаждается до 50° С.

м³ на 1 кг клинкера.

Пример. Составить тепловой баланс агрегата и определить удельный расход тепла на обжиг извести во вращающейся печи, работающей по сухому способу. Влажность исходного мела 20% и с химическим составом исходного сырья (% в пересчете на сухую массу): А1₂ 0,46; Fe₂ 0,4; СаО^с 54,88; MgO^c 0,53 и п. п. п.^с 43,73;. Режимные пока­затели: температура отходящих газов 300⁰С, безвозвратный пылеунос 2% и общий 12% расхода сухого сырья, степень радиации стенок агрегата 0,15, температура извести, выгружаемой из холодильника, 100° С, пыли, возвраща­емой в печь, 60° С п окружающей среды 10° С.

Приход тепла	Расход тепла
1.	1.
2. 11,2	2.
3. (1,785·0,84+0,445·4,19)10 =33,6	3.
4.	4.
5.	5.
	6.
	7.

m³ на 1 кг извести;

кДж на 1 кг извести.