Технологии обжига производственного и строительного сырья применяются в разных отраслях промышленности. Тонкие операции термической переработки материалов требуют использования специальных конструкционных решений. Одним из них является печь кипящего слоя (КС), отличающаяся сложной конструкцией и многофункциональностью.
Сферы применения и назначение оборудования
Особенность использования печей данного типа обусловлена спецификой утилизации, переработки и производства промышленного сырья. В качестве целевого материала может применяться магнезит, брусит, цинковые концентраты, серпентинит, шламы магниевого производства, оксидно-хлоридные элементы и т. д. Например, печь кипящего слоя керамзита характеризуются тем, что выполняет сразу несколько операций для получения нужного продукта – в частности, реализуются процедуры обжига, сушки и охлаждения. Отличительной характеристикой печей КС является и безопасность процесса в плане защиты окружающей среды.
После утилизации материала достигается его обезвреживание без опасных последствий для местного экологического фона. Также и выпускаемые пары в основном состоят из углекислого газа и водяного конденсата. Что же касается направлений эксплуатации, то печи КС находят применение в производственной инфраструктуре химических, металлургических, строительных и других предприятий. Также и на пунктах инженерно-коммуникационного обслуживания газораспределительных сетей встречаются подобные печи.
Техническое устройство печей КС
Для обжига и утилизации большинства сырьевых и отходных продуктов используются конструкции, в основе которых заложена цилиндрическая вертикальная шахта. Некоторые модели отличаются переменным сечением. Средние размеры составляют 9-12 м по высоте и 6-8 м в диаметре. Сама шахта имеет сварное исполнение на стальных листах, толщина которых достигает 12 мм. Внутри конструкции используется типовая футеровка мелким шамотным кирпичом. Рабочую основу печи кипящего слоя формирует воздухораспределительная подина (панель подачи) с воздушным коробом.
В зависимости от конкретного проекта эта часть может выполняться жаростойкой, беспровальной и обеспечивающей равномерность воздушных потоков по всему внутреннему пространству конструкции. Кроме этого, в типовую систему печей КС входят загрузочные отверстия, сопла, каналы отвода газов, площадки вспомогательного обслуживания, устройства для охлаждения и другие компоненты.
Устройство зоны кипящего слоя
В этой части конструкции проходят основные рабочие процедуры и реакции. Здесь располагается подина, форкамеры и сливные пороги. Последние два устройства в целях увеличения времени пребывания загрузочного материала располагаются в разных сторонах конструкции. Форкамера обычно имеет площадь порядка 15-20 м2. В этой же зоне располагается бункер для шихты. Модели печи для обжига в кипящем слое промышленного назначения рассчитываются на одновременное содержание сырья с суточным запасом. Передвижение материала между разными функциональными блоками обеспечивается ленточными питателями. Управление данной механикой может быть механическим и автоматизированным. Новейшее оборудование позволяет контролировать процессы загрузки дистанционно с помощью пульта ДУ.
Принцип работы агрегата
Сам по себе кипящий слой образует воздушную буферную зону повышенного термического воздействия, в которой можно осуществлять термические реакции с парящими твердыми частицами. Удержание зернистого материала в воздухе достигается благодаря восходящим потокам газа, поддерживаемым соплами. В процессе работы жидкие и твердые фазы кипящего слоя перемежаются между собой. Например, верхний уровень характеризуется схожестью с поведением жидкостей, которые пребывают в спокойном состоянии. Частицы с более твердой структурой опускаются вниз печи кипящего слоя.
Принцип работы агрегата основывается на нескольких операциях, которые могут выполняться последовательно – это стадии нагрева, сушки и сжигания. Параллельно может выполняться и процедура отгонки летучих веществ, а также вывод остатков углерода. Наиболее требовательной операцией с точки зрения ресурсных затрат является нагрев и сушка. В среднем они выполняются при температурах 100-200 °С. Процесс сжигания требует поддержания температур в факеле на уровне 500-1050 °С, но к этому моменту топка уже выходит на оптимальное рабочее состояние после прогрева.
Загрузка печей кипящего слоя
Загрузка и подвод к зоне кипения может осуществляться тремя путями в зависимости от конструкции:
- Прямо внутрь рабочей зоны кипения. Подача выполняется мощностями сдвоенных шнеков, которые располагаются ниже разгрузочного порога. Данный способ выгоден снижением пылеобразования в процессе загрузки, но требует больше пространства и энергозатрат.
- Снаружи на поверхность слоя. Редкая схема загрузки, которая используется только в печах повышенной мощности.
- Через форкамеру. Способ применяется в отечественных печах для обжига в кипящем слое, обеспечивая преимущества в виде равномерной и непрерывной подачи целевого материала в камеру.
В принципе процесс подачи достаточно простой, но в условиях крупного производства на высокой скорости загрузки могут возрастать требования к операторской регулировке температуры. К примеру, встречаются проблемы снижения темпов нагрева, из-за чего останавливается и подача сырья в бункер на автоматических системах управления.
Температурный режим печи КС
Каждому виду концентратов требуется свой режим термической обработки. Нередко подходящие параметры обжига подбираются опытным путем, но в соответствии с нормативами должны учитываться также химические и минералогические свойства сырья. Так, для концентратов с повышенным содержанием свинца, железа и кремнезема применяются умеренные температуры. Это позволяет минимизировать нежелательное образование силиката и спекание материала. Средние режимы такой обработки находятся в границах 900-1000 °С. Конт
роль температуры печи кипящего слоя обычно осуществляют термопарами, которые фиксируются в точках рабочей зоны. В каждом слое допускается небольшое отклонение порядка 15-20 °С. Ручная регуляция температуры также предусматривает операцию охлаждения водой – этот метод чаще используют на зарубежных предприятиях.
Тягодутьевые параметры печи КС
Уже отмечалось, что воздушные потоки играют одну из ключевых ролей в рабочем процессе данного оборудования. Как минимум, они реализуют две функции: поддержку оптимального псевдожидкого состояния сырья и окисление сульфидов при обжиге. Обеспечение достаточных условий для протекания основных рабочих процессов возможно только при поддержке соответствующего давления воздушных потоков. Например, давления 15-16 кПа при скорости потоков 10-12 м/с будет достаточно для поддержки 100-сантиметрового кипящего слоя печи.
Принцип действия агрегатов с тягодутьевым устройством допускает и вертикальную циркуляцию воздуха, но важно учитывать, что превышение уровня давления именно в этом контуре циркуляции может привести к выдуванию материала за пределы зоны кипения.
Вывод продуктов сгорания
Для выпуска отработанных газов используется система цилиндрических патрубков, которые по принципу вытяжки охватывают всю зону кипения. И опять же, объемы абсолютного вывода гари несравнимы с показателями других промышленных печей для обжига. Это объясняется несколькими этапами постобработки. Так, существуют стадии вторичной переработки горючей органической части шихты с выгоранием углеродных остатков кипящего слоя в печи. Процесс продолжает реакция прокаливания зольного осадка при температурах 700-1050 °С. Перед тем как механика выгрузит отходы, происходит и дезодорация газов, что также обуславливает надежность работы печей КС. И только после этого за пределы рабочей площадки обслуживающий персонал вывозит остатки несгоревшей золы.
Расчет конструкции агрегата
При расчете печей КС используют несколько параметров, среди которых свойства и характеристики целевого сырья, а также требования к объемам отходящего газа с выделением пылевидных фракций. На основе этих данных определяются и показатели работы функциональных узлов конструкции. В промышленных системах расчет печи кипящего слоя обычно делается на основе стандартного производственного объема в 50 тыс. м3/год, для которого будут актуальны следующие рабочие параметры:
- Плотность фракции сырья – 540 кг/м.
- Температурный режим в зоне термической подготовки – 350 °С.
- Температура в топке для обжига – 1105 °С.
- Температура производственного сырца – 10 °С.
- Температура воздушной среды – 16 °С.
- Коэффициент использования агрегата – 0,9.
- Потери в процессе прокаливания – 12 %.
Плюсы и минусы печей КС
У агрегатов с поддержкой кипящего слоя немало достоинств, обусловленных высокой производительностью, функциональностью и гибкостью в структурном переустройстве. Особенно последние модели удобны возможностями модульной компоновки, что позволяет с минимальными затратами интегрировать печную станцию в инфраструктуру предприятий с индивидуальной проектировкой. Что касается самого процесса эксплуатации, то преимущества обжига в печах кипящего слоя заключаются в низких показателях топливного расхода, возможности применения сырья мелкой фракции (0,6-2 мм) и технической надежности. Отмечается и высокое качество готового продукта переработки, но это касается лишь отдельных материалов.
Если говорить о минусах печей КС, то главным будет высокий коэффициент пылеуноса шихты. Уносимая из теплотехнических узлов пыль составляет 25 % от общего объема выпуска. Данный эффект объясняется активностью отходящих газов, которые и разносят частицы мелкой фракции. На крупных предприятиях с пылеуносом борются с помощью циклонов, устанавливаемых за печными конструкциями. По обратным каналам циркуляции эти агрегаты возвращают пыль в топку или зольник.
Заключение
В России оборудование для промышленного обжига давно пользуется высоким спросом, и сегодня существует немалый потенциал для проектирования и выпуска современных печей КС. В частности, предприятие «ТАГМЕТ» специализируется на изготовлении сооружений для обжига известняка. Комплексную разработку предлагает НПП «Кальцит». В частности, сотрудники этого предприятия применяют новые технологии переработки мелкозернистого материала, что расширяет спектр применения печей кипящего слоя.
Производитель промышленного оборудования Envirotherm также предлагает ряд инновационных решений. Без потери в объемах и скорости выпуска агрегаты этой компании обеспечивают многоступенчатую газоочистку и эффективное сжигание осадков кипящего слоя. В конечном итоге достигается экологическая чистота всех производных компонентов с воздушной средой. Также многие предприятия предлагают комплексную модернизацию уже существующих, но устаревших печей КС с возможностью частичной замены рабочих модулей.
