Тема 12. Печи химической промышленности. Принципиальная схема топливной печи. Классификация печей химической промышленности. Основные типы печей, особенности их конструкции. Тепловой баланс печей

Печи химической промышленности. Принципиальная схема топливной печи

Промышленная печь представляет собой энерготехнологический агрегат, предназначенный для термической обработки материалов с целью придания им необходимых свойств. Источником теплоты в топливных (пламенных) печах служат различные виды углеродного топлива (газ, мазут и др.). Современные печные установки часто представляют собой крупные механизированные и автоматизированные агрегаты высокой производительности.

Наибольшее значение для выбора технологического режима процесса имеет оптимальная температура технологического процесса, которая определяется термодинамическим и кинетическим расчетами процессов. Оптимальным температурным режимом процесса называют температурные условия, при которых обеспечивается максимальная производительность по целевому продукту в данной печи.

Обычно рабочая температура в печи несколько ниже оптимальной, она зависит от условий сжигания топлива, условий теплообмена, изоляционных свойств и стойкости футеровки печи, теплофизических свойств перерабатываемого материала и др. факторов. Например, для обжиговых печей рабочая температура находится в интервале между температурой активного протекания окислительных процессов и температурой спекания продуктов обжига. Под тепловым режимом печи понимают совокупность процессов инерции теплоты, теплоты массообмена и механики сред, обеспечивающих распределения теплоты в зоне технологического процесса. Тепловой режим зоны технологического процесса определяет тепловой режим всей печи.

На режим работы печей оказывает большое влияние состав газовой атмосферы в печи, необходимый для правильного протекания технологического процесса. Для окислительных процессов газовая среда в печи должна содержать кислород, количество которого колеблется от3 до 15% и больше. Для восстановительной среды характерно низкое содержание кислорода (до 1-2%) и присутствие восстанавливающих газов (СО, Н₂ и др.) 10-20% и больше. Состав газовой фазы определяет условия сжигания топлива в печи и зависит от количества воздуха, поступающего на горение.

Движение газов в печи оказывает существенное влияние на технологический процесс, на горение и теплопередачу, а в печах, «кипящего слоя» или вихревых печах движение газов является основным фактором устойчивой работы. Принудительное движение газов осуществляется дымососами и вентиляторами.

На скорость технологического процесса влияет движение материала, подвергающегося термообработке.

Схема печной установки включает следующие элементы: топочное устройство для сжигания топлива и организации теплообмена; рабочее пространство печи для выполнения целевого технологического режима; теплообменные устройства для регенерации теплоты дымовых газов (подогрев газа, воздуха); утилизационные установки (запечные котлы-утилизаторы) для использования теплоты уходящих газов; тяговое и дутьевое устройство (дымососы, вентиляторы) для удаления сгорания топлива и газообразных продуктов термической обработки материалов и подачи воздуха к горелкам, форсункам под колосники; очистительные устройства (фильтры и т.п.).

Классификация печей химической промышленности

Печи химической промышленности могут быть классифицированы по различным признакам. М.Ш. Исламовым предлагается классификация печей по производительной принадлежности (для производства серной кислоты, фосфорной кислоты, соляной кислоты и т.д.). В свою очередь они подразделяются по технологическому назначению, теплотехническим особенностям и конструктивным признакам.

По технологическому назначению, например печи сернокислотного производства подразделяется на печи обжига колчедана и печи сжигания сероводорода; печи периодического и непрерывного действия.

Классификация по технологическим особенностям включает различия по тепловому эффекту; по способу подвода теплоты (внутрь реакционного объема, например, печь с «кипящим слоем»); с подводом теплоты через поверхности теплообмена (например трубчатые печи).

Наконец, печи могут подразделяться по виду источника теплоты (топливные и электрические -дуговые сопротивления, индукционные и плазменные).

По тепловому режиму: радиационный и конвективный режимы характерны для печей-теплообменников; массообменный и электрический режим характерен для печей - теплогенераторов.

Технологические и теплотехнические процессы практически определяют конструктивные особенности печей.

Классификация печей по конструктивным особенностям:

- трубчатые печи: в свою очередь делятся на конвективные, радиационно-

конвективные, радиационные;

- печи с вращающимся барабаном: с непосредственным обогревом, с на

ружным обогревом, муфельные;

- печи с псевдожиженные слоем: однокамерные, многокамерные вертикальные, многокамерные секционированные;

- печи шахтные: однокамерные, многокамерные, муфельные;

- печи камерные: факельные, циклонные, аэрофонтанные, конвекторные;

- печи механические (подовые): многоподовые, одно-многоподовые, муфельные;

- печи туннельные: с печными волометками, с роликовым подом, конвейерные;

- ванные печи: отражательные, горшковые;

- разные: карусельные, ретортные, тигельные.

Основные типы печей, особенности их конструкции

Трубчатые печи. Они широко распространены и применяются в таких процессах, как термический и каталитический крекинг, перегонка нефти, очистка масел и т.д. Отличаются высокой тепловой эффективностью, так как теплота передается трубчатой поверхности не только конвекцией, но и радиацией. Печь представляет собой непрерывный змеевик, по трубам которого прокачивают перерабатываемый продукт. Змеевик такой печи составлен из прямых труб, соединенных между собой калачами.

Щель между трубами составляет 1,8-2d, где d - наружный диаметр трубы. Основным видом топлива является газ и мазут, распыление которого осуществляется паром. Горение длиннопламенное. КПД печи составляет 50-70% и 80% при утилизации теплоты уходящих газов. Тепловая мощность не превышает 27 кВт. Скорость дымовых газов в трубном пучке составляет 3-4 м/с при обычной естественной тяге, которая обеспечивается дымовой трубой высотой 40-50 м.

Высокой эффективностью отличаются трубчатые печи с излучающими стенками. Высокое значение КПД этих печей связано с работой горелок с малым коэффициентом избытка воздуха α_Т, что способствует снижению потерь в окружающую среду вследствие малых габаритов печи.

Печи с вращающимся барабаном имеют производительность 215 т/сут. Барабан, являющийся реакционной камерой печи, сваривается из листовой стали толщиной 32 мм, имеет диаметр 2,8 м, длину цилиндрической части 24,5 м и поверхность нагрева 205 м2. Нагрев смеси осуществляется передачей теплоты от дымовых газов через корпус барабана.

К типу камерных печей относятся циклонные печи для получения сажи. Печь состоит из камеры горения и реакционной камеры. В камере горения в двух точках по касательной к стенкам камеры.

В камере радиации (топочной камере) сжигается топливо, там же помещается радиантная поверхность (экран), поглощающая лучистое тепло. В камере конвекции расположены трубы, воспринимающие тепло путем конвекции-при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева.

Работу трубчатой печи характеризует следующие основные показатели: 1) производительность печи – количество сырья, нагреваемого в ней в единицу времени; 2) полезная тепловая нагрузка - количество теплоты, воспринимаемой сырьем в печи; 3) теплонапряженность поверхности нагрева – количество теплоты, переданной через 1м² поверхности нагрева в час; 4) КПД – часть полезно используемой теплоты от общего количества, выделенного при сгорании топлива.

Основными элементами конструкции трубчатых печей являются: фундамент, металлический каркас; огнеупорная футеровка; тепловая изоляция; оборудование для сжигания топлива; дымоходы; гарнитура (трубные подвески, опорные узлы, решетки и т.д.); вспомогательные устройства для обслуживания (площадки, лестницы, системы пароснабжения). Фундаменты сооружаются из железобетона, защищенного гидроизоляцией от грунтовых вод. Каркас состоит из отдельных рам из углеродистого стального проката. Футеровка предназначена для защиты каркаса от воздействия имеющих высокую температуру продуктов сгорания; она изготавливается из фасонных шамотных кирпичей и жаростойкого бетона.

Печные трубы изготавливается из легированных хромом, никелем и молибденом сталей.

Обычно принимают температуру дымовых газов, отходящих из конвекционной камеры на 100-150 ⁰С выше температуры сырья, поступающего в печь.

Нефтепродукт в трубах печи движется на входе в конвекционную камеру в пределах 0,5-2,5 м/сек, а при переработке газов и паров 20-150м/сек.

Имеются каналы для горелок. В камере создаются вращающиеся потоки пламени. В эти потоки с помощью форсунок впрыскивается нагретое сырье. В реакционной камере происходит разложение сырья и образование сажи. Процесс протекает с большой скоростью.

К механическим (подовым) печам относятся муфельные печи, предназначенные для производства хлористого водорода и попутно сульфата натрия. Теплота в печи передается через стенку муфеля. В качестве топлива может быть использован природный газ. Печь состоит из керамического муфеля, реактора, заключенного в огнеупорную футеровку, с каналами, прогреваемыми дымовыми газами.

Туннельная печь представляет собой туннель шириной 1390 мм и высотой 1260 мм. Внутри камеры по рельсовым путям проталкиваются вагонетки с катализатором. Теплоноситель - дымовые газы - из циклонной топки подается по двум вертикальным каналам. Дымовые газы отсасываются вентилятором в конце печи, часть их выбрасывается в атмосферу, часть подается на рециркуляцию для снижения температуры дымовых газов на входе в печь до 450С.

Рециркуляция газов позволяет не только снижать температуру на входе в печь, она является также эффективным методом регулирования температуры в топочных камерах тепло-, парогенераторов, печных установках и технологических аппаратах с целью обеспечения тепловых режимов работы.

Тепловой баланс печей

Тепловой баланс печей представляет собой сопоставление приходных и расходных составляющих общего количества теплоты в рассматриваемом процессе.

ΣQ_прих =ΣQ_расх

При проектировании топливных печей тепловой баланс составляется с целью определения расхода топлива, для анализа эффективности тепловой работы печи и позволяет определить пути повышения экономичности процесса и снижения расхода топлива.

В печах непрерывного действия тепловой баланс обычно составляют на час работы печи или на сутки, в печах периодического действия – на время переработки определенного количество сырья (на 1т., на 100кг), на время одного цикла работы.

Составляющие приходной части теплового баланса.

ΣQ _прих=Q₁+Q_фт +Q _фв +Q’_м +ΣQ_экз (106)

где, Q₁=B*Q^Р_Н - теплота сгорания топлива;

Q_фт=B*(c t)_T –физическая теплота топлива

Q_Фв=B*(£_T-∆£_T)*V°(c t)_B – физическая теплота подогретого воздуха.

Q’_м - физическая теплота технологического материала, загружаемого в печь: в печах для сжигания отходов – это теплота, вносимая в печь промышленными выбросами.

ΣQ_экз – теплота экзотермических реакций.

Составляющие расходной части:

ΣQ _расх=Q^н_м +ΣQ_энд +Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆+Q_ну (107)

где Q^н_м – конечная энтальпия продуктов переработки

ΣQ _энд- теплота эндотермической реакций,

Q₂- потери теплоты с уходящими газами

Q₃ – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива.

Q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива.

Q₅= (10…25%) ΣQ_прих – потери теплоты в окружающую среду от наружного охлаждения;

Q₆ – потери теплоты на неустановившейся режим и со шлаками

Q_ну=(0,05...0,10)Σ Q_прих – неучтенные потери.

Эффективность работы печей оценивают термическим КПД показывающим, какая доля телоты затрачивается полезно для данного технологического процесса:

η_Т=(Q_пол/ Q_прих) ∙100 (108)

где Q_пол =(Q”_м –Q’_м )+Σ Q_энд ;

Q_прих= Q₁+ Q_фт+ Q_фв+Σ Q_экз

Для определения рабочего пространства печи служит уравнение:

V= A/ (φ c_max τ ); (109)

A - производительность печи; т/сут.

φ - коэффициент контактирования материалов

τ - число рабочих часов в сутки.

Величина V может определяться по минимальному необходимому времени пребывания материалов в печи:

V= A τ_пр /ρτ (110)

ρ - масса материалов в печи, т/м³

τ_пр- линейная скорость процесса обжига (м/ч)

Вопросы для самопроверки