3. Апаратна реалізація процесу спалювання (Промислові реактори для системи газ-тверда речовина)
Типовими технологічними процесами за участю газоподібних і твердих реагентів (система газ-тверда речовина Г-Т) є адсорбція газів твердими сорбентами і десорбція, сублімація і конденсація парів твердих речовин, піроліз твердого палива, різні види випалювання твердих матеріалів тощо. Найхарактернішими для системи Г-Т є різні види процесів випалювання твердих матеріалів.
Під час випалювання твердих матеріалів можуть відбуватись найрізноманітніші процеси, наприклад, сублімація, піроліз, окиснення, відновлення, термічна дисоціація, кальцинація тощо. Процеси можуть відбуватись у твердій фазі, на поверхні поділу твердої і газової фаз або, навіть, у газовій фазі. Під час випалювання деколи відбувається плавлення (топлення) твердого матеріалу, внаслідок чого з'являється рідка фаза, яка також може взаємодіяти з іншими компонентами гетерогенної системи.
Газова фаза, що утворюється в процесах піролізу і випалювання твердих матеріалів, служить не тільки реагентом, але і теплоносієм (під час півкоксування, кальцинації тощо) або, навпаки, охолоджувальним агентом – для охолодження продуктів випалювання (випалювання сульфідів металів у виробництві сульфатної кислоти, кольоровій металургії, у разі газифікації палива, у виробництві силікатних матеріалів тощо).
Переважна більшість некаталітичних процесів у системі Г-Т відбувається за високих температур, тому відповідні хімічні реактори мають загальну назву – печі.
Теплота в печі підводиться внаслідок:
згорання палива;
перебігу екзотермічних реакцій;
перетворення електричної енергії в теплову.
Особливістю промислових печей є поєднання в одному агрегаті і хімічного реактора (здійснення основного виробничого процесу), і енергетичного пристрою (виділення і використання теплоти). Тому до сучасних промислових печей висуваються такі вимоги:
висока продуктивність;
забезпечення максимальної теплопередачі від джерела енергії до матеріалу, виробу або реакційної суміші;
високий коефіцієнт використання теплоти;
максимальний вихід продукту з високою якістю;
простота, механічна міцність і термічна стійкість конструкції;
стабільність технологічного режиму;
механізація та автоматизація роботи печі.
Промислові печі класифікують за такими ознаками: джерелом теплової енергії; способом нагрівання; технологічним призначенням; способом завантаження тощо.
За джерелом теплової енергії розрізняють:
1) паливні печі, в яких теплота виділяється внаслідок згорання палива;
2) електричні печі, в яких електрична енергія перетворюється в теплову;
3) печі, в яких необхідна температура досягається внаслідок теплоти екзотермічної реакції, що відбувається в апараті.
За способом нагрівання розрізняють:
1) печі прямого нагрівання;
2) печі непрямого нагрівання, в яких теплота від джерела теплової енергії передається до матеріалу, що нагрівається, через стінку (наприклад, печі напівкоксування і коксування з зовнішнім обігрівом, тигельні, муфельні та трубчаті печі).
Печі прямого нагрівання поділяють на:
а) печі, в яких джерело теплової енергії безпосередньо контактує з матеріалом (цементні печі, печі кальцинації у виробництві глинозему, електродугові печі);
б) печі, в яких теплова енергія виділяється безпосередньо в матеріалі, що нагрівається (наприклад, шахтні печі, в яких випалюється шихта з паливом, при випалюванні колчедану, термоокиснювальному піролізі метану);
в) печі, в яких теплота від джерела теплової енергії передається до матеріалу, що нагрівається, гарячим повітрям або топковими газами;
г) печі, в яких основна частина теплової енергії надходить внаслідок випромінювання розжареними твердими тілами (тунельні печі, печі відбиття).
За технологічним призначенням розрізняють:
1) печі для виділення вологи з твердих матеріалів сушарки;
2) печі нагрівання – апарати для нагрівання матеріалу без зміни їх агрегатного стану (термічне оброблення металів, випалювання скла);
3) плавильні печі для розтоплення матеріалу (електропечі, вагранки);
4) випалювальні печі для випалювання мінеральної сировини і виробів із неї (випалювання колчедану, вапняку, кераміки);
5) печі піролізу для термічного перероблення палива без доступу повітря тощо.
Печі, призначені для здійснення хіміко-технолоґічних процесів, класифікують за конструктивними особливостями і перемішування реагентів на: шахтні, поличкові, з розпиленням твердого матеріалу, печі киплячого шару.
Шахтні печі – це паливні печі прямого нагрівання. Виділення теплоти відбувається в самому матеріалі, що нагрівається, внаслідок окиснення твердого палива (коксу), яке входить до складу шихти - суміші твердої сировини та палива. Робочий простір шахтних печей витягнутий вздовж вертикальної осі і утворює реакційний об'єм круглого або прямокутного перерізу (рис. 44).
Рис. 44. Шахтна піч: 1 – корпус; 2 – колосник
Шахта заповнена шихтою, яка утворює високий фільтрувальний шар. Твердий матеріал повільно рухається вниз протитечією до газів, що реагують з твердим матеріалом на поверхні і в його порах. Обидві фази рухаються в режимі, близькому до ідеальною витіснення. Шахтні печі дуже розповсюджені в промисловості і використовуються для виплавлення чавуну, випалювання вапняку і сульфідних руд, газифікації твердого палива, напівкоксування вугілля та торфу тощо. Працюють шахтні печі в політермічному режимі. Вони мають великі розміри і велику продуктивність, порівняно прості конструктивно в обслуговуванні. Працюють безперервно, повністю механізовані і значною мірою автоматизовані. Інтенсифікація тепло- і масообміну в шахтних печах досягається використанням протитечії реагентів (матеріалу, що обпалюють, і газів), високою швидкістю дуття (подачею газового потоку), збагаченням дуття киснем. Для інтенсифікації процесу твердофазну сировину попередньо збагачують або використовують пористий твердий матеріал.
Механічні поличкові печі належать до печей прямого нагрівання, теплота виділяється внаслідок екзотермічних реакцій або підводиться з гарячим повітрям чи топковими газами. У цих печах перемішування реагентів, розвиток і оновлення реакційної поверхні подрібненого твердого матеріалу здійснюється механічними мішалками, які перемішують і перекидають твердий матеріал на полицях печі (рис. 45).
Рис. 45. Механічна поличкова піч: 1 – корпус; 2 – полиця; 3 – вал; 4 – скребки;
5 – зубці; 6 – пристрій для завантаження сировини;
7 – пристрій для вивантаження прожареного матеріалу
Тверда подрібнена сировина через пристрій для завантаження подається на верхню полицю. Внаслідок обертання механічної мішалки, яка складається із вала 3, до якого прикріплено скребки 4 із зубцями 5, твердий матеріал переміщається полицею. Зубці орієнтовано так, що на верхній (першій) і всіх непарних полицях сировина переміщується від периферії до центра, де розмішені пересипні отвори. Через них сировина пересипається на полиці, розташовані нижче – парні. На цих полицях сировина переміщується навпаки – від центра до периферії, де також облаштовано пересипні отвори. На кожній з полиць сировина перемішується за траєкторією, яка відповідає плоскій спіралі. Отже, час перебування сировини та площа поверхні контакту фаз, навіть на одній полиці, є з начним, що загалом забезпечує високий ступінь випалювання (перетворення) твердофазного матеріалу.
Механічні поличкові печі працюють за принципом протитечії; за газовою фазою вони подібні до реактора ідельаного витіснення (РІВ), за тепловим режимом – політермічні.
Механічні поличкові печі використовують для випалювання колчедану та інших сульфідних руд у кольоровій металургії, одержання магній оксиду із магній гідроксиду і магній карбонату, прожарювання фосфатів з одержанням натрій триполіфосфату тощо. Ці печі є складними за конструкцією порівняно з іншими печами і мають низьку інтенсивність, хоча вони характеризуються встановленістю технологічного режиму і надійністю в роботі.
Печі пилеподібного випалювання (ППВ) (рис. 46) належать до печей прямого нагрівання, в яких використовується теплота екзотермічних реакцій.
Рис. 46. Піч пилеподібного випалювання: 1 – корпус; 2 – форсунки;
3 – екрануючі охолоджувальні труби
У цих печах тонкоподрібнений матеріал, що випалюється, розпилюється форсунками в реакційному об'ємі. Площа поверхні взаємодії твердого матеріалу з газом набагато більша, ніж у печах інших типів. ППВ – це стальний циліндричний апарат, футерований вогнетривкою цеглою з форсунками (соплом) для розпилення матеріалу, штуцерами для введення і виведення газу (повітря) і твердого залишку. Сухий подрібнений матеріал первинним повітрям вдувається через форсунку всередину розжареної печі. Під напором струменя повітря пилеподібний матеріал підіймається у верхню частину печі, попередньо змішуючись з вторинним повітрям, яке вдувається в піч для повнішого випалювання твердофазної сировини. Процес триває всього декілька секунд. Внаслідок значної екзотермічності процесів, що відбуваються у зоні випалювання, частинки твердого матеріалу сплавляються. Для того, щоб уникнути налипання розплавленого матеріалу на кришці печі розташовані екранні охолоджувальні труби, через які протікає вода. Випалений матеріал падає вниз і виводиться з печі через нижній штуцер.
За характером перемішування ППВ подібні до реактора ідельаного змішування (РІЗ), за обидвома фазами, переміщення реагентів здійснюється прямотечійно, температурний режим – ізотермічний. Такі печі використовують, наприклад, для випалювання сульфідів металів.
Печі пилеподібного випалювання прості за конструкцією, високоефективні, але характеризуються високим пилевинесенням і нестійкою роботою, а твердий матеріал, який подається у піч, повинен бути сухим, тонкоподрібненим і монодисперсним.
У печах киплячого шару (КШ) (рис. 47) частинки подрібненого матеріалу безперервно подаються на колошник, під який вдувається повітря або топкові гази з швидкістю, яка дає змогу утворити псевдозріджений шар.
У печах КШ поверхня твердих частинок (еквівалентна поверхні контакту фаз) повністю омивається газом, тобто максимально бере участь у процесі. Велика турбулентність двофазного середовища і мінімальний дифузійний опір підвищує коефіцієнти тепло- і масопередачі в реакційній системі. Завдяки перехресному рухові реагентів в таких печах забезпечується висока рушійна сила процесу, внаслідок чого швидкість перебігу процесу є максимальною. Час контактування в печах КШ дорівнює декільком секундам, тоді як у механічних печах він вимірюється годинами. Печі КШ інтенсивніші за механічні поличкові в 10 разів і в 1,5...2 рази – за ППВ.
Рис. 47. Піч киплячого шару (КШ): 1 – корпус; 2 – колошник;
3 – теплообмінник; 4 – сепараційний простір
Піч КШ працює у режимі РІЗ як ізотермічний реактор – для цього в зоні киплячого шару розмішують змійовики з охолоджувальною водою або парові труби котла-утилізатора. З метою інтенсифікації роботи розроблено конструкції печей, які комбінуються з циклонами. У таких печах швидкість газу вища від швидкості винесення частинок, але винесені частинки вловлюються в циклоні і повертаються в шар. Ці печі мають найвищу інтенсивність роботи.
Недоліком печей КШ є висока запиленість пічного газу (до 200 г/м3).
Печі КШ широко використовують у промисловості, зокрема, для випалювання колчедану, сульфідних руд кольорових металів, вапняку, спалювання і газифікації твердого палива, розкладу мірабіліту Na2SO4 ·10H2O тощо.
Барабанні обертові печі – це стальний, футерований вогнетривкою цеглою барабан (рис. 48), який встановлений на опорних роликах під невеликим нахилом щодо горизонту (3-40) в бік вивантаження випаленого твердого матеріалу.
Рис. 48. Барабанна обертова піч: 1 – циліндричний корпус;
2 – завантажувальний пристрій; 3 – розвантажувальний пристрій;
4 – бандажі; 5 – вінцева (привідна) шестерня
Барабан обертається навколо своєї осі з частотою 0,5-2 об./хв. Використовують барабанні печі з протитечійним, паралельним і комбінованим рухом початкового матеріалу і топкових газів. Розвиток реакційної поверхні і перемішування твердих та газоподібних реагентів здійснюється внаслідок обертання печі: при цьому відбувається пересипання твердого матеріалу в потці газу і його переміщення вздовж печі. У завантажувальний пристрій (головку) печі подають тверді матеріали, шихту або пульпу. З протилежного боку печі через форсунки подають пилеподібне тверде, рідке або газоподібне паливо чи топкові гази.
Барабанні печі – паливні, прямого або непрямого (якщо мають теплообмінну зовнішню оболонку) нагрівання. Завдяки високій різниці температур газової фази і матеріалу, що обробляють, а також протитечійному руху фаз, який найчастіше використовують, у цих печах забезпечується велика рушійна сила теплопередачі. Гідродинамічний режим наближений до ідеального витіснення, температурний режим роботи – політермічний.
Барабанні обертові печі мають великі розміри (довжина до 70 м, діаметр до 3,5 м), високу продуктивність, прості за конструкцією і в обслуговуванні, стійкі в роботі, універсальні за дією. З цих причин вони мають дуже широке використання в найрізноманітніших виробництвах, а саме: цементу та інших силікатних матеріалів, глинозему, кальцинованої соди, солей тощо.
Тунельні (канальні) печі - це апарати завдовжки до 200 м, викладені або футеровані вогнетривкою цеглою (рис. 49).
Рис. 49. Тунельна піч (повздовжній переріз): 1 – корпус печі; 2 – рейки;
3 – канали для подавання повітря; 4 – пальники; 5 – вагонетки
Всередині каналу рейками рухаються вагонетки з матеріалом або виробами, що випалюються, назустріч потоку гарячого повітря або газу. Для найкращого використання теплоти вагонетки з матеріалом займають максимальну площу перерізу тунелю. Тунельні печі – це паливні апарати прямого нагрівання, причому теплота передається гарячими газами, що рухаються протитечією до матеріалу. За гідродинамічним режимом такі печі наближаються до РІВ, за температурним режимом – політермічні. Тунельні печі працюють у безперервному режимі, мають високу продуктивність (200 і більше тонн на добу), прості в обслуговуванні, надійні в експлуатації, їх використовують для випалювання вогнетривів та інших керамічних виробів, напівкоксування сланців, сухої перегонки дерева, азотування кальцій карбіду тощо.
Камерні печі – це закриті камери різної форми. Залежно від галузі хімічної промисловості, де вони використовуються, печі розрізняють за умовами роботи, конструкцією і способом нагрівання. Вони, наприклад, працюють періодично або безперервно, можливе пряме або непряме нагрівання. Розміри камерних печей змінюються в широких межах. Ці печі найпростіші за конструкцією, а тому використовуються дуже часто. За гідродинамічним режимом вони подібні до РІВ, за температурним режимом – адіабатичні. Камерні печі часто використовуються в багатотоннажних виробництвах, наприклад, для коксування кам'яного вугілля та переробки інших видів твердого палива, випалювання силікатних виробів, у виробництві солей тощо.
Ваннами називаються печі, в яких твердий матеріал топиться і вже у рідкому стані вступає у хімічні реакції. Це паливні печі прямого нагрівання: теплота може передаватися матеріалу, що нагрівається, конвективно або випромінюванням від факела горіння палива в робочому просторі печі, а також від розжарених стін і стелі. За гідродинамічним режимом вони подібні до РІВ, за температурним режимом – адіабатичні.
Ванні печі характеризуються високою інтенсивністю масо- і теплопередачі, перш за все, завдяки повному розтопленню матеріалу, який нагрівають, а це призводить до різкого зростання коефіцієнта масо- і тепловіддачі. Висока інтенсивність теплопередачі у ванних печах також зумовлена великою рушійною силою процесу (висока температура теплоносія), швидким рухом нагрітих газів та використанням променевої теплоти.
Найдосконолішим типом ванної печі є регенеративні печі відбиття (полум'яні), робочий простір яких має заглиблену підлогу. У цих печах розтоплений матеріал безперервно тече вздовж ванни, максимальна кількість теплоти передається випромінюванням від факела і кладки печі, що значно збільшує коефіцієнт тепловіддачі.
До печей відбиття належать мартенівські печі, конвертори чорної і кольорової металургії, а також печі для варіння скла великої потужності (рис. 50).
Електричні печі використовують в електротермічних процесах, де високі температури (до 35000С) створюються внаслідок перетворення електричної енергії в теплову. В електричних печах використовують переважно змінний електричний струм з напругою 50-130 В.
Рис. 50. Схема скловарної печі (вигляд зверху): 1 – зона варіння; 2 – зона освітлення; 3 – зона охолодження; 4 – зони вироблення скла; 5 – димові канали
Нагрівання електричним струмом порівняно з іншими видами нагрівання має такі переваги:
1) можливість досягнення високих температур;
2) велика швидкість нагрівання;
3) можливість отримання вищого теплового ККД установок;
4) виділення теплоти безпосередньо в самому матеріалі, що нагрівається;
5) запобігання забруднення речовини продуктами горіння палива;
6) полегшення автоматизації виробничого процесу.
Завдяки цьому нагрівання електричним струмом широко використовується у різних виробництвах.