Расчет печи кипящего слоя (стр. 1 из 5)

Расчет печи кипящего слоя

Введение

При производстве строительных изделий, деталей и материалов почти во всех случаях для перевода сырья в новое качество – готовую продукцию – применяют тепловую обработку. В большинстве случаев тепловая обработка дает возможность придать сырью новые, качественно отличные свойства, необходимые в строительстве. Такой процесс происходит за счет физических и физико-химических превращений в обрабатываемом материале, течение которых зависит от воздействия тепла

Для теплового воздействия материал помещают в установку, которую в общем случае называют тепловой установкой. Различные физические и физико-химические превращения в материале требуют различного теплового воздействия. Поэтому в каждой тепловой установке создают свой необходимый для обработки продукции тепловой режим. Под тепловым режимом понимают совокупность условий теплового и массообменного воздействия на материал, как-то: изменение температуры среды, скорость течения газов или жидкости, омывающих материал, концентрацию газов, их давление.

Тепловой режим установки будет воздействовать на сырье и за счет физических и физико-химических превращений в нем оно превратится в готовую продукцию.

Целью данного курсового проекта является расчет печи кипящего слоя по производству керамзитового песка.

Керамзитовый песок – искусственный пористый материал, полученный путем вспучивания глинистых пород при ускоренном обжиге или дробления керамзитового гравия. Вспучивание глин при быстром обжиге в определенных условиях является их важнейшим физико-химическим свойством.

В результате вспучивания получается легкий поризованный материал с мелкоячеистой структурой, обладающий малым объемным весом при значительной прочности и высокими теплозащитными свойствами.

Керамзитовый заполнитель наряду с тем, что имеет достаточную прочность и атмосферостойкость, обладает хорошим сцеплением с вяжущим и не содержит вредных примесей для вяжущего и арматуры, а также приготовляется чаще из местного сырья.

Керамзитовый песок применяется в качестве заполнителя при изготовлении теплоизоляционного и конструктивного (в том числе конструкционно-теплоизоляционного) легких бетонов, а также на теплоизоляционные засыпки и на прочие цели.

1. Технологическая часть

1.1 Сырьевые материалы для производства керамзитового песка

Сырьем для изготовления керамзита служат глинистые горные породы различного химико-минералогического состава и генетического происхождения. Они встречаются в природе в плотном, рыхлом и пастообразном состоянии. Размягчаясь в условиях ускоренной термической обработки, эти породы вспучиваются за счёт давления изнутри газообразных продуктов, выделяющихся в обжигаемой глинистой массе, и образуют стекловидной материал с ячеистой структурой.

Глиняные материалы образовались в результате выветривания изверженных полевошпатовых горных пород. Процесс выветривания горной породы заключается в механическом разрушении и химическом разложении. Механическое разрушение происходит в результате воздействия переменной температуры и воды. Химическое разложение происходит, например, при воздействии на полевой шпат воды и углекислоты, в результате чего образуется минерал каолинит.

Глиной называют землистые минеральные массы или обломочные горные породы, способные с водой образовывать пластичное тесто, по высыхании сохраняющее приданную ему форму, а после обжига приобретающее твердость камня. Наиболее чистые глины состоят преимущественно из каолинита и называются каолинами. В состав глин входят различные оксиды (А1₂О_З, SiO₂, Fe₂O₃, CaO, Na₂O, MgO и К₂О), свободная и химически связанная вода и органические примеси.

Большое влияние на свойства глины оказывают примеси. Так, при повышенном содержании SiO₂, не связанного с А1₂О_З, в глинистых минералах уменьшается связующая способность глин, повышается пористость обожженных изделий и снижается их прочность. Соединения железа, являясь сильными плавнями, понижают огнеупорность глины. Углекислый кальций уменьшает огнеупорность и интервал спекания, увеличивает усадку при обжиге и пористость, что уменьшает прочность и морозостойкость.

Глины характеризуются пластичностью, связностью и связующей способностью, отношением к сушке и к действию высоких температур.

В производстве обжиговых материалов наряду с глинами используются диатомиты, трепелы, сланцы и др. Так для получения пористых заполнителей – вспучивающиеся глины, перлит, вермикулит.

На многих керамических заводах отсутствует сырье, пригодное в естественном виде для изготовления соответствующих изделий. Такое сырье требует введения добавок.

Глины, содержащие повышенное количество глинистых фракций, обладают более высокой связностью, и, наоборот, глины с небольшим содержанием глинистых частиц имеют малую связность. С увеличением содержания песчаных и пылевидных фракций понижается связующая способность глины. Это свойство глины имеет большое значение при формовании изделий. Связующая способность глины характеризуется возможностью связывать частицы непластичных материалов (песка, шамота и др.) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие заданной формы.

Основными критериями пригодности глинистого сырья для производства керамзита являются:

- его способность вспучиваться при термической обработки в пределах

- 1050–1250 С и образовывать при этом материал, имеющий ячеистое строение с объёмным весом в куске в пределах 200–1350 кг/м³;

- содержание не более 30% песчаных и пылеватых частиц. А отдельные окислы в следующих пределах: SiO₂ – 50–55%

А1₂О₃ – 15–25%

CaO– доЗ%

MgO– до 4%

Fe₂O₃+FeO– 6,5–10%

Na₂O+K₂O– 3,5–5%

– отсутствие частиц карбонатов кальция и магния крупнее 0,2 мм и гипса;

– содержать тонкодисперсных органических примесей в пределах 1–2%, однако в некоторых случаях недостаток их может быть восполнен соответствующими добавками (нефтяные продукты и отходы).

1.2 Процессы, происходящие при обжиге керамзитового песка

Создание пористой структуры керамзита достигается вспучиванием размягченного при термической обработке глинистого сырья газами (СО, СО₂, Н₂О, SO₂, O₂, N₂, CH), выделяющимися в процессе нагревания. Наилучший керамзит получают при оптимальном соотношении вязкости и связности сырья в нагретом состоянии при условии достаточного газовыделения. Это соотношение должно выдерживаться в течение всего периода газовыделения.

Получение керамзита с наилучшими показателями связано с характером газовой среды внутри гранул и в печном агрегате, также с режимом сушки и обжига сырца и охлаждении обожженных гранул.

Характер газовой среды при термической обработке сырцовых гранул обуславливается:

A) составом продуктов сгорания топлива;

Б) коэффициентом избытка воздуха;

B) составом газов, выделяемых органическими примесями глинистой породы (летучих и при окислении коксового остатка), карбонатами и продуктами реакций, зависящих от химического состава породы;

Г) составом парообразных продуктов, образующихся при удалении химически связанной воды различных глинистых минералов, также получаемых при испарении влаги сырцовых гранул, загружаемых в печь.

Продукты сгорания топлива и избыточный воздух, подаваемые в печь под давлением, устремляются в основном по оси печи. Парообразные и газообразные продукты, выделяемые исходным сырьем при его нагревании и обжиге, отмывают гранулы и затем перемешиваются и удаляются с продуктом сгорания топлива.

Вспучиванием называют процесс увеличения материала в объеме, сопровождающегося образованием внутренней, преимущественно замкнутой пористости.

а)

Для уяснения основных закономерностей процесса вспучивания глиняной гранулы рассмотрим его в самом схематическом приближении.

Рис. 1. Схема вспучивания элементарной ячейки глиняной гранулы а) сухая гранула; б) вспученная гранула; 1 – пора; 2 – спекшаяся оболочка; 3 – сухая гранула; 4 – вспученная гранула

Представим себе, что нагревается полый глиняный шарик радиусом Го (рис. 1),

который можно уподобить элементарной поре глиняной гранулы. Во время нагрева при достижении определенной температуры глиняная оболочка рассматриваемого шарика начнет размягчаться, спекаться и в конечном счете уплотнится и станет газонепроницаемой, находясь в пиропластическом состоянии. Если в этот момент внутри шарика по каким-либо причинам начнут выделяться газы, то, не имея выхода через оболочку, они будут создавать во внутренней полости шарика избыточное давление, под воздействием которого оболочка будучи размягченной, начнет расширяться и радиус ее станет rвсп.Это и будет представлять собой вспучивание элементарной ячейки глины.

Таким образом, процесс вспучивания состоит из двух стадий: первая – спекание с образованием закрытой поры и вторая – собственно вспучивание под давлением газов, выделяющихся внутри закрытой поры. Сумма таких элементарных актов в каждой ячейке глиняной гранулы и обусловит общий процесс вспучивания всей гранулы. При этом, рассматривая процесс вспучивания всей гранулы, необходимо иметь в виду, что по своей толще она нагревается неравномерно: с поверхности нагревается быстрее, чем в центре. Поэтому поверхность гранулы еще до того, как вся ее масса приобретает пиропластическое состояние, покрывается плотной спекшейся газонепроницаемой оболочкой 2, предотвращающей утечку газов из гранулы даже в том случае если поп давлением газов отдельные перегородки пор окажутся прорванными.

Основным условием, обеспечивающим вспучивание глинистых пород при их нагревании, является совмещение во времени пиропластического состояния глины с интенсивным газовыделением внутри обжигаемого материала. В глинах при их нагревании выделяется довольно значительное количество газообразных продуктов, причем экспериментально установлено, что вспучиваемость глин зависит от удельного газовыделения, которое у хорошо вспучивающихся глин превышает 100 мг/г. В настоящее время можно считать установленным, что источниками газовыделения в глинах являются реакции разложения и восстановления оксидов железа при их взаимодействии с органическими примесями или добавками в глине, а также химически связанная вода глинистых минералов. Схема восстановительных реакций может быть представлена следующими уравнениями: