Міністерство освіти і науки України
КУРСОВА РОБОТА
на тему: «Печі для випалу повітряного будівельноговапна»
Виконав
Перевірив:
2009
Повітряне вапно
Повітряним вапном, називається в’яжуче, щодобувається помірним випалюванням (що не доводиться до спікання) карбонатнихпорід, які містять до 8% глинистих домішок.
Повітряне вапно буває таких видів:
а) негашене грудкове — продукт випалюваннякарбонатних порід;
б) негашене мелене — продукт помелу грудковоговапна;
в) гідратне гашене вапно — порошкоподібнійпродукт гідратації негашеного вапна.
Повітряне вапно забезпечує тверднення тазбереження міцності будівельних розчинів за повітряно-сухих умов.
Сировинні матеріали.
Для виробництва вапна застосовують, гірськіпороди, що складаються з карбонату кальцію. Карбонат кальцію трапляється вприроді у вигляд двох кристалічних модифікацій: кальциту та арагоніту.
Вапнякові породи є осадовими утвореннямиорганогенного або хімічного походження.
Колір вапнякових порід залежить від домішок. Чистівапняки звичайно мають біле забарвлення. Домішки оксидів заліза і марганцю забарвлюютьїх у жовтуваті, бурі, червонуваті тони, домішки вуглецьвмісних речовин — у сіріі чорні. Найхарактернішими домішками у вапняках є карбонат магнію, кремнезем,глинисті речовини, гіпс, пірит. У невеликих кількостях трапляються сполукифосфору.
Фізичні властивості сировини (міцність,стиранність) визначають вибір агрегату для випалювання, а хімічний складкількість домішок — температуру випалювання.
Фізико-хімічні основи процесу випалюваннявапняків.
Основним технологічним процесом під часдобування вапна є випалювання вапняку. Від нього залежать властивості кінцевогопродукту. Тому питання дисоціації карбонату кальцію в науковій літературіприсвячено дуже багато досліджень.
Теплота утворення />CaCO/> з елементів за реакцією
Ca (т) + 3O (г) + C (т) = CaCO/>
дорівнює 1210 кДж/моль.
Процес дисоціації CaCO/> відбувається, як і будьяка реакція розкладу, з поглинанням теплоти. Оскільки процес дисоціації CaCO/> - типова оборотна реакція,то її напрямок залежить від температури і парціального тиску CO/>:
CaCO/>/>/>CaO+ CO/> - 178 кДж
За законом діючих мас, константа рівновагиреакції дорівнює
/>;
де С/>/>, С/>, С/> - концентрації реагуючихречовин, моль/ л.
Концентрації С/>/>, С/> в одиниці об’єму сталі. Оскількице тверді речовини, концентрацію газу можна подати через його парціальний тиск,тобто С/>= р/>. Тому
/>t);
Для температур, що мають практичне значення,звичайно використовується наближений вираз.
/>ℓgр/>=/>
Графічно залежність Рсо2 від t подано на рис.12Вапно-випалювальні печі
Випалювання вапняку у наш час здійснюють ушахтних і обертових печах, у киплячому шарі, а також у завислому стані.
Шахтні печі.
Найбільше поширення набули шахтні печі,оскільки вони досить легкі в експлуатації, не вимагають великих капітальнихзатрат на будівництво, економічні в теплотехнічному відношенні. Недолікомшахтних печей є їх відносно невелика потужність (порівняно з обертовими печами),а також непридатність їх для випалювання дрібних фракцій (як правило, розмір кусківвапняку повинен бути не менше 40 мм і лише в печах спеціальної конструкціїможна випалювати куски вапняку розміром 10 — 20 або 20 — 40 мм). Шахтні печінепридатні для випалювання сировини, що легко
У шахтних печах можна застосовувати різнепаливо: вугілля, газ, нафту. Залежно від властивостей твердого палива шахтніпечі поділяються на пересипні (паливо завантажується разом з випалювальнимматеріалом і згоряє безпосередньо в печі) і печі з винесеними газовими топками,де відбувається попереднє повне спалювання палива або його газифікація.
У пересипних печах використовують паливо зневеликою кількістю летких — антрацит, кокс, пісні сорти кам’яного вугілля (короткополуменевепаливо).
У печах з винесеними топками бажано застосовуватипаливо з великою кількістю летких — довгополуневе вугілля, торф, сланці.
У пересипну шахтну піч вапняк і паливо подаютьзверху через спеціальний завантажувальний пристрій, причому, щоб уникнути приварів,паливо завантажують на віддалі 200-300 мм від стінок. Повітря необхідно дляспалювання палива, підводять у піч знизу. Випалене вапно вивантажуютьбезперервно спеціальним механізмами. Тепер усі печі працюють на вимушеній тязі,що створюється димососом. Більша частина печей працює під розрідженням. Штучнедуття застосовують значно рідше. У деяких печах вентилятором у верхній частині створюютьрозрідження, а в нижній — надлишковий тиск.
Перша — зона підсушування палива і вапняку. Тутвидаляється гігроскопічна волога. Зона підсушування залежно від вологостіматеріалу займає по висоті 8 — 12% пічного простору. За нею розміщена зонапідігрівання, в якій вапняк нагрівають до 800-850 °С. Тут паливо також і «коксується».Кисень у цій зоні відсутній, тому леткі речовини, виділення яких розпочинаєтьсяпри температурі 250°С і найінтенсивніше відбувається при температурі 500-700°С,не згоряють. Тепловтрати з легкими речовинами при спалюванні антрацитудосягають 8,5%, а при спалюванні коксу — 2% питомої теплоти згоряння палива,тому в пересипних печах не можна використовувати паливо, що містить великукількість летких речовин. Зона підігрівання є найбільшою за довжиною і займаєдо 40% пічного простору. За цією зоною йдуть зона горіння палива і зонарозкладання вапняку. Зона горіння палива дещо довша, оскільки частина паливазгоряє нижче за зону розкладання. Максимальна температура досягається на межіміж зонами випалювання й охолодження вапна.
У зоні горіння палива відбуваються реакції (забіреакційною схемою, запропонованою З.В. Чухановим):
4С + 3О/>=2СО + 2СО/> (окислення вуглецю);
3С + 2О/>=2СО + СО/>;
С + О/>=СО/> (горіння вуглецю);
С + СО/>=2СО (відновлення оксиду вуглецю (ІV));
2СО + О/> =2СО/> (горіння оксиду вуглецю (ІІ)).
У продуктах згорання завжди міститься деяка кількістьСО (1,0-1,5%), який видаляється з печі з димовими газами.
У зоні охолодження вапно має температуру ~ 100- 150°С.
Питома витрата палива у пересипних печах становить13-16% маси випаленого вапна. Потужність шахтних печей на сучасних заводахстановить 50 — 200 т/добу. Добовий вихід вапна з 1 м³ корисного об’ємупечі становить 700 — 900 кг (у перерахунку на активність 93%). Окремі заводидобиваються добового виходу вапна до 1100 — 1300 кг/м³. У пересипні печізавантажують, як правило, куски вапняку розміром 60 — 1540 мм. Відношеннясереднього розміру кусків палива до середнього розміру кусків вапняку звичайноколивається в межах від 0,5: 1 до 1:
1. У пересипних печах вапно забруднюєтьсязолою палива.
При використанні довгополуменевого паливазастосовують печі з винесеними топками. Топки бувають двох видів: повногозгоряння і напівгазові. У топки повного згоряння паливо завантажується тонкимшаром, воно повністю згоряє до СО/>, іпродукти згоряння з температурою 1100 — 1300 °С надходять у шахтну піч. У такихпечах витрата вугілля досягає 25% маси вапна. В напівгазових топках, внаслідоктого, що паливо завантажується товстим шаром і подається недостатня кількістькисню, відбувається неповне згоряння. Напівгаз, тобто газ, що містить значнукількість горючих (Н/> і СО) зтемпературою 800 — 1000 °С, спрямовують у піч через спеціальні впускники. Одночасноподають додаткову кількість повітря. Витрата палива становить 18 — 20% маси вапна.
У печах з винесеними топками вапно отримуютьчистіше, однак вони менш потужні й економічні, що обмежує їх застосування. Оскількигази, що подаються, не можуть проникати в глибину більше ніж на 0,9 м, діаметрпечей з винесеними топками обмежується — 1,8 м. Печі з винесеними топками виготовляютьпрямокутної видовженої форми або з кернами всередині для зменшення поперечногоперерізу. Є печі з винесеними топками для випалювання дрібняку.
Застосовують також комбінований метод, приякому частину палива вводять у вигляді крупки з вапняком, а частину — спалюютьу винесених топках. Функціонують також печі, в які паливо в порошкоподібномустані у суміші з повітрям вводять через спеціальні труби на кількох рівнях. Утаких печах добувається м’яко випалене вапно, а зола легко відокремлюються відвипаленого продукту.
У газові печі газ подають або в центр шахтипечі, або на різні горизонти по висоті. Останній спосіб дає змогу підтримуватирівномір нішу температуру в зоні випалювання. Потужність таких печей до 200т/добу, витрата палива — 14-20% маси вапна.
У печах на нафті, яка має дуже високутемпературу горіння, для спалювання застосовують не чисте повітря, а його сумішз відхідними газами. Нафту спалюють у камері неповного згоряння, розвиваючитемпературу 900 — 1000 °С. Горючі гази догоряють уже в шахті на значній їївідстані по висоті. Піч Азбе (США), що працює за цим принципом, витрачає на 11%палива. Основні техніко-економічні показники шахтних печей наведено у табл.1
Таблиця 1. Основні показники роботи шахтнихпечейТип печі Вид палива Висота, м
Внутрішній
Діаметр,
мм
Потужність,
т/добу Витрата умовного палива, кг/т Пересипна кокс 18,0 3,2 100 125-133 Те саме Те саме 19,0 4,3 200 125-133 " " 24,0 6,2 450 115-120
На паливі
Газоподібному
Рідкому
напівгазоподібному
Природний газ
Мазут
вугілля
19,0
19,0
17,0
4,3
4,3
2,94
200
150
30
145
175
145
У наш час впроваджуються у виробництвопересипні шахтні печі потужністю 200-450 т/добу і печі на і газоподібномупаливі потужністю 100, 200 і 500 т/добу.
Обертові печі дають змогу випалювати дрібніфракції, а також м’які породи і діставати м’яко випалене вапно. Довжина такихпечей від 30 до 100м. Чим довша піч, тим менша питома витрата палива. Дляполіпшення теплотехнічних показників обертових печей за ними встановлюютьпарові котли-утилізатори, оскільки температура відхідних газів досягає700-800°С. Застосовують також підігрівники вапняку, і тоді матеріал надходить упіч з температурою 500 — 700 °С. Підігрівники бувають шахтні, циклонні й увигляді конвеєрної гратки. Якщо витрата теплоти без додаткових пристроївстановить 25 — 30%, то в печах з підігрівниками вона знижується до 16-20%. Пічустаткована барабанними холодильниками для охолодження вапна, що виходить з неї.Потужність печей 200-500 т/добу. В подальшому впроваджуватимуться печіпотужністю до 1000 т/добу.
Переваги обертових печей полягають у повніймеханізації та автоматизації процесів, а також у тому, що в них можнавипалювати м’які породи і шлами, чого не можна зробити у шахтних печах, івикористовувати будь-який вид палива. Основні техніко-економічні показникиобертових печей наведено у табл.2.
Недоліком обертових печей порівняно з шахтнимиє підвищена витрата палива, запиленість відхідних газів, що вимагаєвстановлення пиловловлювачів, велика витрата металу на 1т потужності, підвищенікапіталовкладення, значна витрата електроенергії. Шахтний прямоточно — протиточний підігрівач сировини конструкції ВНИИстром (рис.3)
Обертова піч являє собою стальний барабан,зварений з окремих частин і футерований всередині вогнетривом. Печівстановлюють під кутом 2-5° до горизонту.
Таблиця 2. Основні показники роботи обертовихпечейПоказники Тип печі З внутрішнім теплообмінником З конвеєрною ґраткою З шахтним підігрівом З циклон — ним теплообмінником З паровим котлом-утилізатором
Розмір печі
Довжина
діаметр корпусу
118
3,6
50
3,6
50
3,6
50
2,7
75
3,6 Потужність, т/год 12,5 12,7 12,7 7,5 15,0 Витрати умовного палива, кг/т 380 234 204 138 286 Вид сировини Крейдяний шлам крейда Вапняк Карбонатит Вапняк Вологість,% 40 16,5 2,0 3,0 4,0 Розмір кусків, мм -
10-25
25-50
10-20
20-40 0,088-0,10 25-50 Тип холодильника
Барабанний
2,3*38м2,5*25м2,5*38м2,5*20м2,5*38 Т вапна, що вивантаж.,°С 150 200 200 200 150 Т газів на вих. з тепло об. пристрою,°С 250 250 430 145 200 Інші способи випалювання
Останнім часом провадиться розробка іншихспособів випалювання, призначених для добування вапна з дрібно кускового іпиловидного матеріалів. Дрібно кусковий матеріал можна випалювати в киплячомушарі, в спеціальній печі. Піч складається з кількох камер (2-5), розділенихгратчастими куполоподібними склепіннями. Сировину подають у верхню камеру пошнековому живильнику. Крізь отвори у ґратці матеріал не провалюється, оскількицьому перешкоджають висхідні потоки газів. Висота псевдо зрідженого шару вкамері дорівнює 1,0-1,2м. Із склепіння на склепіння матеріал переміщується поспеціальних трубах. У верхніх камерах сировина підсушується, в середніх — випалюється, а в нижніх — охолоджується. Завдяки інтенсивному руху газівматеріал весь час перебуває в напівзавислому стані, що за зовнішнім виглядомнагадує кипіння. Трьохзонна піч киплячого шару (ДонНДІЧормет) без зониохолодження працює з 1955 р. на Макіївському металургійному заводі. Потужністьцієї печі 300 т/добу, питома витрата палива 220 кг/т. Недоліком установки євелике пило винесення (до 30%) і необхідність застосування близьких зарозмірами фракцій вапняку (0,3-2,5; 2,6-10; 3-12мм).
Піч киплячого слою представляє собоювертикально встановлену футеровану циліндричну шахту, розділену по висотірешітками на зони (рис.4)
Промислові печі для випуску киплячого шарумають чотири зони для випуску вапна, дві зони підігріву сировини, зону випалу ізону охолодження вапна і спеціально збудований для цих печей футерований циклон(«гарячий циклон», в якому виділяється пил з підходящих газів зонивипалу.
Керамічні решітки зони підігріву печі зібраніз шамотної цегли спеціальної конструкції.
В печах киплячого шару використовують тверде,рідке і газоподібне паливо. В нашій країні в печах для виробництва вапнаприміняють газоподібне паливо, а також розроблені проекти печей, працюючих намазуті.
Характерною особливістю температурного режимупечі киплячого шару є ступінчата зміна температури матеріалу по камерам, щозабезпечує одночасне потрапляння в камеру випалу матеріалу з низькоютемпературою і вихід з неї газів з температурою, значно вищу ніж дисоціаціяСаСО/>. Це супроводжуєтьсязбільшенням витрат теплоти на випал. Тому температуру у зоні випалу необхіднопідтримувати ближче до температури дисоціації СаСО/> (900-950°С).
Ще одною особливістю цих печей є наявністьгарячого циклону, обумовлюючого втрати фізичної теплоти виносу вапна притемпературі 900-950.
Печі киплячого шару обладнанні зовнішнімипереточними пристроями, які збільшують витрати теплоти в навколишнє середовище(питома втрата теплоти на випал карбонатних порід в таких печах вище, ніж упечей шахтного типу).
Внаслідок рухомості (текучості) частоккиплячий шар зберігає в зоні випалу визначений рівень, що залежить від величиниперепаду тиску ожижаючого середовища в шарі. При додаванні в шар матеріалу знього відповідно витікає така ж кількість матеріалу. Ця властивість киплячогошару дозволяє керувати процесом випалу та змінювати час перебування матеріалу вшарі.
Характер горіння газоподібного палива вкиплячому шарі і розподілення температури по висоті шару залежать від висотиділянки зміщення газу з повітрям.
Для випалювання вологої крейди вНауково-дослідному інституті основної хімії випалювання проводили в зависломустані в установках із топками повного або неповного згорання. Подрібнена крейданадходила в підсушувальну трубу, де висушувались відхідними газами. Одночасновідбувалося й подальше само подрібнення її. Не подрібнені часточки крейди черезсепаратор повертались на дроблення. Дрібні часточки, що відділились у циклонівід газів, подавались у піч, що є порожнистою трубою. Тут крейдадекарбонізувалась і з потоком газів вапно надходило в циклони, де осаджувавсяготовий продукт. У наш час у печах для випалювання в завислому стані витратапалива ще дуже висока, навіть вища, ніж в обертових печах. Однак в міру їхудосконалення вони стануть конкурентноздатними, оскільки дадуть змогу одночасноздійснювати підсушування і випалювання пиловидної м’якої сировини.
У ВНДІБудпроекті освоєно експериментальнуфільтрувально-фонтануючого шару, що є вдосконаленою моделлю печі киплячого шару.Пиловинесення в печі становить лише 10%. У подальшому такі печі потужністю200-300 т/добу доцільно впроваджувати там, де є багато відходів у виглядідрібняку (
Вибір того чи іншого агрегату для випалюваннявапняку залежить від фізико-механічних властивостей сировини, виду палива. Підчас випалювання щільного вапняку перевагу віддають шахтним, під час випалюванням’яких порід — обертовим печам. Якщо у вапняку міститься багато домішок (глинистихабо магнезіальних), випалювання найкраще виконувати в печах з винесенимитопками або в обертових печах, де легше регулювати температуру. Інтенсифікуватироботу шахтних і обертових печей для випалювання вапняку можна, використовуючидобавки хлоридів. При цьому потужність шахтних печей збільшується на 10%, ацикл випалювання в обертових печах різко скорочується. Під час транспортуванняі зберігання грудкового вапна потрібно оберігати його від зволоження, оскількипри цьому не тільки погіршується його якість, але й може статися самозайманнядерев’яних предметів, з якими вони стикаються.
Список використаної літератури
1. А.В. Ралко «Тепловые процессы в технологиисиликатов», Киев, «Вища школа», 1986.
2. Н.М. Бобкова «Общая технология силикатов»,Минск, «Вышэйшая школа», 1987
3. О.О. Пащенко «В’яжучі матеріали», Київ,«Вища школа», 1995.