Печи для обработки твердых материалов и расплавов

В промышленности используется большое количество типов печей для обработки твердых материалов (обжиг керамических изделий, выпечка хлеба, сушка ряда материалов и т.д.). Основным элементом печей данных типов является рабочая камера, которая обогревается топочными газами, получаемыми за счет сжигания топлива в топочной камере. В рабочую камеру загружается обрабатываемый материал. Разные типы печей отличаются по способу загрузки и выгрузки сырья, по способу утилизации тепла отходящих газов и по ряду других параметров. Принципиальная схема огневой печи для обработки твердых материалов приведена на рис. 26.

Рис. 26. Общая схема огневой печи для обработки твердых материалов: 1 – топка; 2 – рабочая (греющая) камера; 3 – регенератор тепла; 4 – котел-утилизатор; 5 – дымосос; 6 – вентилятор.

 

Печи для обработки расплавов имеют специфическую конструкцию камеры (рис. 27) для проведения технологического процесса (форма, обмуровка, устройства для загрузки и выгрузки обрабатываемого материала и т.д.). К наиболее распространенным типам относятся муфельные, ванные и ретортные печи. Площадь пода, соприкасающегося с расплавленными металлами, может меняться в этих печах от 0,25 до 100 м².

Рис. 27. Принципиальные схемы устройства рабочих камер для обработки твердых материалов и расплавов:  (1) – подовая (садочная) печь; (2) – муфельная печь; (3) – туннельная печь с выгрузкой материала при помощи толкателя; (4) – туннельная печь с перемещением материала в вагонетках; (5) – ванная печь для обработки расплавов; (6) – шахтная печь; 1 – дверцы; 2 – толкатель; 3 – сливной желоб; 4 – вагонетки с цепным приводом.

 

Ввиду специфики технологического процесса эффективность использования тепла в печах данных типов существенно ниже, чем в трубчатых печах, и может снижаться до 5 ÷ 10%. Для повышения эффективности применяется регенерация тепла отходящих газов и продуктов с помощью котлов-утилизаторов.

Печи шахтные, многозонные

Характерный класс аппаратов представляют шахтные многозонные печи, широко используемые в процессах изготовления и регенерации катализаторов в химической и нефтехимической отраслях промышленности. На рис. 28 представлена печь для производства гранулированных ванадиевых катализаторов. Печь состоит из нескольких отдельных прямоугольных секций, скрепленных между собой болтами. Печь имеет несколько температурных зон (в рассматриваемом случае – пять): I зона – сушки, 2 секции; II и III зоны – нагрева, по 1 секции в каждой зоне; IV зона – прокалки, 2 секции; V зона – охлаждения, 2 секции. Каждая секция состоит из трех камер: камера распределения теплоносителя или охлаждающего воздуха; камера технологическая, в которой протекают собственно технологические процессы, и камера сборная. В зависимости от конкретных условий работы, каждая из камер может изготавливаться из разных конструкционных материалов.

Рис. 28. Печь шахтная, многозонная: 1 – загрузочный короб; 2 – смотровой люк; 3 – люк; 4 – секция печи; 5 – разгрузочный конус; 6 – механизм разгрузки; 7 – короб.

Каждая секция имеет свой ввод теплоносителя или охлаждающего воздуха и вывод отработанного теплоносителя (продуктов сгорания) или нагретого воздуха. Для этой цели в каждой секции предусмотрены по два ряда нагнетающих и отсасывающих коробов-туннелей, приваренных со стороны распределительных и сборных камер (сечение А – А), а также люки для осмотра и очистки секций. Обрабатываемый катализатор через загрузочный короб вводится в верхнюю секцию печи и под действием гравитационных сил сплошной массой ссыпается по аппарату сверху вниз, обтекая короба-туннели и равномерно пронизываясь теплоносителем или охлаждающим воздухом. Скорость движения катализатора относительно сечения печи составляет несколько сантиметров в минуту. Принятая схема позволяет обеспечить автономный тепловой режим работы для каждой секции за счет варьирования расходов и температур воздуха, подаваемого в каждую отдельную секцию. Теплоноситель для каждой зоны в определенном количестве и при определенной требуемой температуре также приготавливается в автономной секции специального топочного устройства.

Близкие по конструкции аппараты используются и на нефтеперерабатывающих предприятиях в качестве регенераторов установок каталитического крекинга с шариковым катализатором. Назначение данных аппаратов – выжиг кокса с поверхности шарикового катализатора, который откладывается на катализаторе в реакторах при проведении крекинг-процесса. В этих аппаратах в секциях выжига дополнительно установлены теплообменные элементы, в которых тепло, выделяющееся при сжигании кокса, преобразуется в тепло перегретого пара высоких параметров. Это позволяет утилизировать тепло экзотермической реакции выжига кокса и повысить технико-экономические показатели процесса крекинга.

Печи с кипящим слоем

При движении газового потока через слой мелкозернистого или пылевидного материала за счет динамического напора газового потока на слой материала происходит его взвешивание, сопровождающееся интенсивной циркуляцией частиц в газовом слое. При этом двухфазная система (газ – твердое тело) приобретает свойства кипящей жидкости (отсюда и название процесса – кипящий слой (КС). По мере возрастания скорости газового потока концентрация твердых частиц в двухфазной системе уменьшается (растет порозность кипящего слоя), а объем КС растет. Кипящий слой характеризуется высокой однородностью, т.е. отсутствием существенных градиентов температур и концентраций по всему объему слоя. Это дает ряд технологических преимуществ процессам, проводимым в КС. Печи КС нашли широкое распространение в технологии изготовления и прокалки микросферических катализаторов, при регенерации катализаторов (выжиг кокса) и в ряде других процессов химической технологии.

На рис. 29 показана печь КС, предназначенная для прокалки и охлаждения алюмосиликатного катализатора. Печь, имеющая цилиндрическую форму, выполнена из шамотного кирпича 5 с толщиной футеровки 348 мм и дополнительно теплоизолирована диатомовым кирпичом толщиной 232 мм. В нижнем сечении печи расположена топочная камера с газовой горелкой. Верх рабочей камеры заканчивается сферическим сводом 1 из жаропрочного бетона. Под сводом симметрично установлены три газовых горелки 2, при работе которых свод разогревается до температуры 1300 ^оС. При этой температуре свод начинает излучать тепло на поверхность кипящего слоя, обеспечивая его равномерный прогрев.

Рис. 29. Печь КС для прокалки и охлаждения алюмосиликатного носителя катализатора: 1 – свод; 2 – горелка, 3 – газораспределительная решетка рабочей камеры; 4 – кожух; 5 – футеровка; 6 – люк; 7 – газораспределительная решетка камеры охлаждения; 8 – разгрузочная труба; 9 – переточная труба.

 

Внутри печи установлена провальная газораспределительная решетка 3, разделяющая внутренний объем печи на рабочую камеру (над решеткой) и на камеру подготовки теплоносителя (под решеткой). Топочные газы, полученные в нижней камере за счет сжигания природного газа, при температуре 800 ^оС продуваются через слой катализатора, образуя над решеткой кипящий слой материала высотой 400 ÷ 500 мм. Скорость топочных газов в слое составляет 0,7 м/с. Обрабатываемый материал (алюмосиликатный катализатор) через шлюзовый питатель поступает в пространство над решеткой непосредственно в КС. В слое происходит удаление влаги из катализатора и его прокалка. Прокаленный материал с уровня газораспределительной решетки перетекает в кольцевую камеру охлаждения шириной 500 мм, установленную вокруг печи.

Охлаждение катализатора также проводится в кипящем слое, для чего в камере охлаждения размещена газораспределительная решетка 7, под которую вентилятором нагнетается холодный воздух. Охлажденный до 40 ^оС катализатор через разгрузочную трубу 8 выгружается из печи. В промышленности используются и другие многочисленные конструкции печей КС.

Рассмотренные типы печей, конечно, не исчерпывают все разнообразие печей, используемых в настоящее время в промышленности. Так, особую группу представляют печи энергетических установок (котельные агрегаты), печи для сжигания отходов химических производств и многие другие конструкции. Выше приведен лишь общий анализ основных принципов организации технологических процессов в печных агрегатах. Применение этих принципов в каждом конкретном случае сопровождается и трансформацией конкретной конструкции.