Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Тунельная печь

ВСТУП

Пічні установки служать для випалу сипучих матеріалів, суспензій чи виробів різноманітних форм та розмірів. Показником успішно проведеного випалу являється висока якість готового продукту, отриманого в результаті впливу на матеріал ряду внутрішніх факторів, називаємих режимом випалу. Під режимом випалу розуміють сукупність температурних та аеродинамічних умов і тривалості випалу, а також характеру газового середовища, в якому відбувається випал. [1]

Кожні матеріали або вироби, які випалюються в тій чи іншій конструкції печі, потребують індивідуального режиму випалу. Різкий режим випалу відрізняється високими швидкостями збільшення і зниження температури. М’який режим на відмінну від різкого протікає при малих швидкостях збільшення та зменшення температури.

Промислові печі, які використовують у виробництві керамічних матеріалів та виробів, класифікують за наступними признаками:

По технологічному призначенню розрізняють печі: для випалу кускових матеріалів; для випалу формованих виробів; для спікання кускових матеріалів; для отримання силікатних розплавів.
По режиму роботи – печі періодичної дії та непереривної дії.
По конструктивній схемі(формі робочої камери) печі бувають: шахтні, обертові, камерні, кільцеві, тунельні, щілинні, ванні
По способу теплообміну прийнято розрізняти печі прямого вогню, в яких нагріваємий матеріал контактує з полум’яними газами, і печі муфельні (радіаційні), в яких теплота полум’яних газів передається нагріваємому матеріалу через проміжну стінку (муфель).
По джерелу тепловиділення – печі полум’яні та електричні.

Тунельні печі з’явилися в середині XIX ст. Перший патент на тунельну піч був оголошений в 1840 р. Р. А. Іордом, а забудована перша така піч була в 1853 р.

До числа перших конструкцій раннього періоду відносяться печі Раша, Боррі та інші, не маючи практичного успіху із за ряду технічних недоліків. Важливими із них були: погана ізоляція коліс, букс й інших металевих частин вагонеток від дії високих температур, які отримують в каналі зони випалу.

Боку належить заслуга влаштування пісочного затвору у вагонетці для захисту від нагріву металевих її частин. Перша тунельна піч Бока була збудована в 1873 р. для випалу цегли. Паливо закидалося через отвори склепіння в шахти, залишені для спалювання палива в завантаженні цегли на вагонетках.

Проте внаслідок невеликої довжини й інших конструктивних недоліків перші печі, збудовані для випалу цегли, не отримали поширення.

Стійка і надійна робота тунельних печей почалася з будівництва французькою фірмою «Фужерон» печі з топками, розташованими х двох сторін зони випалу.

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

1.1 Обгрунтування вибраного типу установки

Тунельні печі порівняно з іншими печами мають значну перевагу. Садку і вивантаження сировини роблять не в печі, що дозволяє механізувати ці процеси і різко покращити умови праці. Керуванням режимом випалу повністю автоматизовано. Для цих печей характерний невеликий перепад температур в зоні «взвару». До недоліків тунельних печей потрібно віднести значні втрати палива, приблизно на 20 % більше, чим на кільцевих печах, більшу коштовність будівництва печі.

Тунельні печі працюють по безперервному циклу. В них всі стадії випалу (загрузка – вивантаження) здійснюються одночасно і безперервно. По формі робочого тунелю печі бувають з прямолінійним, рідше кільцевим каналом. По способу переміщення виробів, які випалюють: вагонеточні, стрічкові з цепним або сітчастим конвеєром, роликові з крокуючим або обертовим подом. По способу нагріву печі відкритого полум’я, муфельні і напівмуфельні. Тунельні печі працюють по принципу протитоку. Паливо, чке використовують – газ. [2]

Переваги: безперервність процесу випалу, кращі умови загрузки і вишгрузки виробів, зручність і надійність регулювання режиму випалу.

Недоліки: розшарування потоків пічних газів в зонах підігріву і охолодження і тому велика різниця температур між верхніми і нижніми частинами загрузки і вигризки на вагонетках, великі розміри робочих каналів і значна кількість вогнеприпасу.

1.2 Опис конструкції та роботи теплової установки

Тунельні печі на сьогоднішній час – найбільш сучасний тип печей для випалу всіх видів формованих виробів.

Робочою камерою тунельної печі є прохідний канал, повністю заповненим вагонетками на яких знаходяться випалювані вироби. В середній частині печі розташована зона випалу. В неї подають паливо, продукти горіння якого омивають виріб, який знаходиться в зоні підігріву. Відпрацьовані димові гази викидаються в атмосферу димососом. Повітря нагнітається вентилятором в кінець зони охолодження, омиває випалені вироби, охолоджує їх і сам при цьому нагрівається. Нагріте повітря поступає в зону випалу, де воно використовується для горіння палива.

В зоні підігріву вироби досушуються і підігріваються, в зоні випалу нагрів виробів продовжується до кінечної температури випалу. В зоні охолодження спочатку вироби швидко охолоджуються ( доки знаходяться в піропластичному стані). Процес охолодження закінчується при досягненні виробами температури 50 – 60 ⁰С.

Тунель повинен бути повністю завантажений вагонетками. Вагонетку подають до загрузочного торця печі і заштовхують в піч спеціальним механізмом – штовхачем. При цьому весь потяг вагонеток, який знаходиться в тунелі, переміщується на довжину однієї вагонетки, а з іншого кінця печі виштовхується вагонетка з охолодженими виробами. Таким чином в тунельних печах на відміну від кільцевих місцезнаходження теплових зон стабільно, а випалює мий матеріал переміщується відносно цих зон.

Досить різноманітні аеродинамічні схеми тунельних печей. Найпростішою є схема з лише одним димососом але існує схема з примусовим відбором повітря із зони охолодження спеціальним вентилятором, який може передавати гаряче повітря в сушилку, до пальників в зону підігріву.

Рециркуляція відпрацювавши газів дає можливість дещо турбулізувати потік в зоні підігріву та знизити його температурне розшарування, а також в мірі регулювати температурну криву в цій зоні.

Пристрій завіс дозволяє аеродинамічно відключати зону випалу від суміжних зон, зробити в ній установлене середовище, що дуже важливо для останніх стадій випалу.

Розміри випалює мого каналу тунельних печей коливаються в достатньо великому діапазоні: довжина 5 – 208 м, а площа робочого перерізу ( перерізу в якому розміщуються вироби, що випалюють) 3 – 9 м².

В більшості діючих печей випалюємий канал перекритий арочним склепінням. Проте в останні роки широко розповсюдженні перекриття каналу панелями або балками із жаростійкого бетону.

Стіни в діючих печах збірні, футеровані шамотною цеглою і облицювальною звичайною глиняною цеглою. Проте на сьогодні створені проекти тунельних печей в яких весь випалюємий канал виконаний із збірного жаростійкого залізобетону, що дозволяє будувати печі індустріальними методами. За кордоном почали будувати стіни тунельних печей із волокнистих керамічних матеріалів, які дають можливість до мінімуму зменшити товщину стіни і зменшити її теплову інерцію.

Найважливіший конструктивний елемент тунельної печі – пісочний затвор. Найбільш вразливим елементом пісочного затвору є – ніж, який сприймає інтенсивне теплове випромінювання і тому швидко деформується. Використовуємі обмазки ножа різними вогнетривкими складами не довговічні. В нашій країні виготовляється мулітокремнезевий картон, який витримує температуру до 1150⁰С. Захисна наклейка такого картону за допомогою високотемпературного алюмохромфосфатного клею при нанесенні на ніж пісочного затвору значно збільшить його довговічність.

Вагонетки тунельних печей футерують жаростійким бетоном або шамотними каменями для безпеки металевих частин від дії високих температур. Для збільшення рівномірності випалу футерують вагонетки з каналізуємим подом. В сучасних закордонних конструкціях вагонеток також передбачають такі установки.

Пальники розташовують в бокових стінах печі, але в нових конструкціях з плоским перекриттям їх встановлюють в перекритті, що полегшує обслуговування печі, дає можливість будувати печі більшої ширини. Газомазутні форсунки забезпечують швидкий перехід із газу на мазуту і навпаки. Зручні вони і тим, що при них найбільше просто досягається встановлююче середовище в пічному просторі подачу пару в мазутний канал, якщо піч працює на газу і навпаки. Камера горіння виконана із жаростійкого металу і представляє собою перфорований циліндр.

Кускове вугілля завантажують в тунельну піч, як і в кільцеву, зверху через топні трубки. Обслуговування печі при цьому ускладнюється важкістю золовидаленням , в зв’язку з чим печі з твердого палива переводять на природний газ.

Для випалу різних виробів тунельні печі при зберіганні основної форми тунелю і принципу дії відрізняються деякими конструктивними особливостями, різними видами режиму випалу,типом і щільністю усадки, видом спалює мого палива.

Тунельні печі відрізняються більшою тепловою економічністю, витрачають порівняно небагато палива.

В ряду з великими перевагами тунельні печі в порівнянні з іншими типами печей вимагають значно великих капіталовкладень на будівництво і експлуатацію. Конструкція печі: каркас, рельси, пісочні затвори, вагонетко вий парк. Тунельні печі використовують багато електроенергії на роботу вентиляторів.

2 Розрахунок тунельної печі для випалу шамотних вогнетривів

Вихідні дані

Продуктивність печі, т/рік 52000

Залишкова вологість сирцю, % 0,8

Брак випалу, % 3,4

Втрати при прожарюванні, % 4,3

Паливо природний газ №5 Дашавського родовища

Робоча вологість газу, % 1,0

Максимальна температура випалу, ⁰С 1390

Початкова температура матеріалу, ⁰С 40

Кінцева температура матеріалу, ⁰С 90

Тривалість випалу, годин 66

Температура навколишнього повітря, ⁰С 20

Температура газів, що відходять з печі, ⁰С 385

Температура повітря, що подається на горіння, ⁰С 400

Температура повітря, що відбирається на сушку, ⁰С 285

Розмір вагонетки (lxb), м 3х3,1

Вагова ємкість вагонетки по виробах, т 11,3

Висота садки виробів на вагонетку, м 1,85

Час роботи печі, год 8385

2.1 Конструктивний розрахунок печі

2.1.1 Визначення внутрішніх розмірів тунелю

Графік режиму випалу знаходиться на рис. 2.1

Рис. 2.1 – Режим випалу виробів

Згідно з кривою випалу (рис. 2.1) загальна тривалість теплової обробки становить 66 год. Приймаємо тривалість підігріву z = 28,38; випалу z=10,56; охолодження z=27,06 год.

Необхідна масова місткість печі за виробами, що завантажуються, т:

_(2.1)

де– продуктивність печі за рік, т;

Z – тривалість теплової обробки, год;

– кількість годин роботи печі за рік;

m – втрати залишкової вологості, втрати при прожарюванні, брак і втрати виробів, %

Кількість вагонеток, що одночасно знаходяться в печі:

_(2.2)

Приймаємо ціле число вагонеток N = 40, тоді довжина печі, м

_(2.3)

Масова місткість печі, т

_(2.4)

Внутрішні розміри тунелю визначаються з огляду на розміри вагонетки і висоту садки виробів:

- висота тунелю

_(2.5)

- ширина тунелю

(2.6)

Внутрішній об’єм печі при цьому буде складати

_(2.7)

Щільність садки виробів

_(2.8)

Продуктивність печі по завантажених виробах

_(2.9)

Продуктивність печі по випалених виробах менша за рахунок втрат залишкової вологи та при прожарюванні

Довжина різних зон печей:

Зона підігріву:

. Кількість позицій (вагонеток у зоні)

розраховуємо як . Приймаємо ціле 17 позицій, що буде складати 3 17 = 51 м.

Зона випалу:

. Приймаємо 6,5 позицій, тобто 19,5 м.

Зона охолодження:

. Приймаємо 16,5 позицій, тобто 49,5 м.

Перевірка: вагонетки

або

_{Інтервал
штовхання вагонеток}

_{Число
вагонеток, які виходять
із печі за 1 год.}

(2.10)

Відповідно до кривої випалу, а також по технологічним властивостям матеріалу, що піддається тепловій обробці, приймаємо схему опалювання печі (рис.2.2): охолодження виробів проводиться холодним повітрям, що нагнітається вентилятором на початку зони охолодження. Частина повітря з температурою 285⁰С відбирається на сушіння, інше повітря з температурою 400⁰С направляється по спеціальних каналах до пальників; відбір димових газів (продуктів горіння) з температурою 385⁰С проводиться по каналах, які розташовані по обидва боки печі в зоні підігріву; гази по колекторах надходять у збірний канал, направляються до димососу та димової труби, за допомогою якої викидаються в атмосферу.

Рисунок 2.2 Схема тунельної печі для випалу шамотних вогнетривів:

1 – трубопровід холодного повітря;

2 – трубопровід відбору повітря на сушку;

3 – відбір повітря на горіння палива;

4,5 – стояки подачі газу і повітря до пальників;

6 – канали відбору димових газів;

7 – збірний канал димових газів

2.1.2 Вибір матеріалів для футерування та розмірів огороджень печі

Матеріали і розміри огороджень печі приймаємо згідно з умовами теплової обробки у окремих дільницях.

Стіни в зоні підігріву довжиною 51 м викладають із шамотного легковагу (ρ=1,9 т/м³) товщиною 240 мм, шамотного легковагу (ρ=1,0 т/м³) товщиною 400 мм. Склепіння на цій дільниці викладається із шамотного легковагу (ρ=1,9 т/м³) товщиною 300 мм, шамотного легковагу (ρ=1,3 т/м³) товщиною 100 мм, шамотної засипки товщиною 100 мм та шамотного легковагу (ρ=1,3 т/м³) товщиною 100 мм.

Стіни в зоні випалу довжиною 19,5 м викладаються із магнезітохроміта товщиною 180 мм, шамотного легковагу (ρ=1,9 т/м³) товщиною 40 мм, динасової цегли (ρ=1,1 т/м³) товщиною 860 мм, шамотної засипки товщиною

120 мм та керамічної цегли товщиною 60 мм; склепіння – із шамотного легковагу (ρ=1,9 т/м³) товщиною 300 мм, шамотного легковагу (ρ=1,3 т/м³) товщиною 100 мм, шамотної засипки товщиною 80 мм, шамотного вогнетриву (ρ=0,8 т/м³) товщиною 200 мм.

Зона охолодження довжиною 49,5 м викладена: стіни – із шамотного легковагу (ρ=1,9 т/м³) товщиною 240 мм, шамотного легковагу (ρ=1,3 т/м³) товщиною 400 мм; склепіння – із шамотного легковагу (ρ=1,9 т/м³) товщиною 300 мм, шамотного легковагу (ρ=1,3 т/м³) товщиною 100 мм, шамотної засипки товщиною 100 мм та шамотного легковагу (ρ=1,3 т/м³) товщиною 100 мм.

Вагонетки (під печі) футеруються динасовою цеглою товщиною 120 мм, шамотним легковагом (ρ=1,3 т/м³) товщиною 490 мм і керамічною цеглою товщиною 245 мм.

Для зручності наведені дані подані у вигляді таблиць (табл. 2.1, табл. 2.2 )

Таблиця 2.1 – Характеристика футерівки вагонетки

Номер шару	Вид вогнетриву	Товщина шару, м	Щільність, кг/м³	Маса шару, кг	Теплоємкість, кДж/(кг град)
1	Динасовий	0,12	1900	2120,4	0,795+335 10^-6
2	Шамотний легковагий	0,490	1300	5924,1	0,837+264 10^-6
3	Керамічна цегла	0,245	1800	4101,3	0,837+264 10^-6
4	Метал	-	7800	1450

Розрахунок маси шарів вагонетки проводимо з огляду на об’єм шару та його щільність. Знаходимо маси шарів:

Маса шару динасу (ρ = 1,9т/м³):

Маса шару шамотного легковагу (ρ = 1,3т/м³):

Маса шару керамічної цегли:

Таблиця 2.2 – Матеріал та товщина шару футерування стін і склепіння на різних дільницях печі

Назва дільниці	Довжина дільниці,м	Назва огородження	Матеріал футерівки	Товщина шару, м
Підігрів	51	Стіна	1. Шамотний легковагий (ρ=1,9 т/м³) 2. Шамотний легковагий (ρ=1,0 т/м³)	0,240 0,400
Підігрів	51	Склепіння	1. Шамотний легковагий (ρ=1,9 т/м³) 2. Шамотний легковагий (ρ=1,3 т/м³) 3. Шамотна засипка 4. Шамотний легковагий (ρ=1,3 т/м³)	0,300 0,100 0.100 0,100
Випал	19,5	Стіна	1. Магнезітозхроміт 2. Шамотний легковагий (ρ=1,9 т/м³) 3. Динасова цегла (ρ=1,1 т/м³) 4. Шамотна засипка 5. Глиняна цегла	0,180 0,040 0,860 0,120 0,060
Випал	19,5	Склепіння	1. Шамотний легковагий (ρ=1,9 т/м³) 2. Шамотний легковагий (ρ=1,3 т/м³) 3. Шамотна засипка 4. Шамотний легковагий (ρ=1,3 т/м³)	0,300 0,100 0,080 0,200
Охолодження	49,5	Стіна	1. Шамотний легковагий (ρ=1,9 т/м³) 2. Шамотний легковагий (ρ=1,3 т/м³)	0,240 0,400
Охолодження	49,5	Склепіння	1. Шамотний легковагий (ρ=1,9 т/м³) 2. Шамотний легковагий (ρ=1,3 т/м³) 3. Шамотна засипка 4. Шамотний легковагий (ρ=1,3 т/м³)	0,300 0,100 0.100 0,100

ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК ПЕЧІ

Містить розрахунок горіння палива, складання теплового балансу зон підігріву та випалу з метою визначення витрат палива, складання теплового балансу зони охолодження з метою визначення кількості повітря, що подається на охолодження виробів (відбирається на сушіння і горіння) та складання загального теплового балансу для перевірки правильності проведених розрахунків.

РОЗРАХУНОК ГОРІННЯ ПАЛИВА

Розрахунок горіння палива може виконуватися на ЕОМ за програмою “GGT” або аналітичним способом.

Склад природного газу дашавського родовища наведений у табл. 3.1.

Таблиця 3.1 – Склад природного газу дашавського родовища, об %

Компоненти	СН₄	С₂Н₆	С₃Н₈	С₄Н₁₀	СО₂	N₂	Разом
Вміст	97,9	0,5	0,2	0,1	0,1	1,2	100

Проводимо перерахунок складу газу на робочий:

Дані розрахунку наводимо в табл. 3.2.

Таблиця 3.2 – Робочий склад, об %

Компоненти	СН₄	С₂Н₆	С₃Н₈	С₄Н₁₀	СО₂	N₂	Н₂О	Разом
Вміст	96,921	0,495	0,198	0,099	0,099	1,188	1,0	100

Теплотворна здатність палива:

кДж/м³.

Теоретичні витрати сухого повітря:

м³/м³

Теоретичні витрати атмосферного повітря при вологовмісті d=10 г/кг сухого повітря:

м³/м³.

Теоретичний вихід димових газів (продуктів горіння):

Усього продуктів горіння:

Відсотковий теоретичний склад продуктів горіння:

Усього 100%.

Розраховуємо коефіцієнт надлишку повітря, при якому забезпечується робоча температура в печі:

(3.1)

де і_заг. = с_д·t_к - тепломісткість димових газів при калориметричній температурі горіння палива, кДж/м³.

Тепломісткість визначаємо за складом димової суміші та ентальпії її компонентів при дійсній температурі горіння t_д:

(3.2)

де і_д (і_заг) - тепломісткість димових газів при дійсній температурі, яка зазвичай на 50 – 100°С вища, ніж температура випалу матеріалу.

t_д = 1390 +50 = 1440°С

η - пірометричний коефіцієнт горіння палива (для тунельних печей прийнято η = 0,80 [1]).

(3.3)

для СО₂ і = 3371,2 кДж/м³

для Н₂О і = 2669,2 кДж/м³

для N₂ і = 2087,6 кДж/м³

кДж/м³

Дійсні витрати сухого повітря, м³/м³.

Дійсні витрати атмосферного повітря, м³/м³

Кількість та склад продуктів горіння:

Усього продуктів горіння .

Відсотковий склад продуктів горіння:

Складаємо матеріальний баланс процесу горіння на 100 м³ газу при α = 1,43 (табл. 3.3).

Таблиця 3.3 - Матеріальний баланс процесу горіння на 100 м³ газу при α=1,43

Прибуток	кг	Витрати	кг
Природний газ		Продукти горіння
СН₄ = 96,921·0,717 С₂Н₆ = 0,495·1,356 С₃Н₈ = 0,198·2,02 С₄Н₁₀ = 0,099·2,84 СО₂ = 0,099·1,977 N₂ = 1,188·1,251 Н₂О = 1,0·0,804	69,492 0,671 0,40 0,281 0,196 1,486 0,804	СО₂ = 0,99·100·1,977 Н₂О = 2,2·100·0,804 N₂ = 10,62·100·1,251 О₂ = 0,85·100·1,429 Непогодженість	195,72 176,88 1328,56 121,47 -1,9
Повітря
О₂ = 197,2·1,43·1,429 N₂ = 197,2·1,43·3,762·1,251 Н₂О = 0,16·10·13,43·0,804	402,97 1327,15 17,28
Разом	1820,73	Разом	1820,73