Оптимизация туннельных печей // Строительные материалы. 2016. № 4.
Авторы:
Шлегель И.Ф. - канд. техн. наук, доктор, профессор, член-корреспондент РАЕН, генеральный директор;
Иванов В.Г. - начальник отдела теплотехники;
Шаповалов Д.Л. - инженер-конструктор Института Новых Технологий и Автоматизации промышленности строительных материалов (ООО «ИНТА-Строй» г. Омск)
В керамической промышленности почти повсеместно обжиг кирпича ведут в туннельных печах различных конструкций, только на некоторых устаревших заводах используют кольцевые печи или усовершенствованные кольцевые печи со съемным сводом.
При проектировании кирпичных заводов используют принцип «плясать надо от печки», то есть производительность всего предприятия определяют по производительности печи, причем повышение её регламентируется качеством выпускаемой продукции.
Несмотря на преимущества туннельных печей по сравнению с кольцевыми, они имеют ряд недостатков, которые хорошо известны специалистам. Одним из основных недостатков является расслоение теплоносителя по высоте печного канала, которое наблюдается практически на всех участках печи. Теплоноситель с более высокой температурой поднимается вверх, а более холодный стремится вниз (рис. 1а).
Рис.1 Схема температурного распределения теплоносителя по высоте канала печи:
а) Без применения жаровых вентиляторов;
б) С применением жаровых вентиляторов;
в) Рекомендуемая температурная кривая;
1- жаровые вентиляторы в зоне нагрева; 2- жаровые вентиляторы в зоне охлаждения; 3- зона рекристаллизации (5730°С).
Такое расслоение теплоносителя особенно опасно в зоне рекристаллизации, то есть в момент перехода α (альфа) - кварца в β (бэтта) - кварц при температуре 5730°С, сопровождающимся изменением объема керамического черепка. Резкий переход через эту зону значительно снижает прочность, вплоть до полного разрушения. Примером этому явлению может служить хорошо знакомое растрескивание стеклянного стакана при наливе в него «крутого» кипятка, так как следующая точка рекристаллизации + 1020°С.
Поэтому через зону рекристаллизации стремятся пройти с плавным изменением температуры, чтобы не снизить прочность получаемого кирпича, а расслоение теплоносителя «растягивает» эту зону, что в итоге снижает производительность печи.
В зоне прогрева кирпича (рис. 1а) также желательно обеспечить равномерное повышение температуры вплоть до зоны обжига. На некоторых предприятиях возникают такие ситуации, когда из-за расслоения теплоносителя нижние ряды кирпича поступают в зону обжига недостаточно прогретыми, и, если пламя горелок направлено сверху вниз, то нижние ряды испытывают термоудар, результатом которого является брак части нижнего кирпича.
В технической литературе [1] для повышения производительности печи и качества обжига рекомендуют бороться с расслоением теплоносителя различными способами. Например, рекомендуют установку жаровых вентиляторов (рис. 2), крыльчатка которых выполнена из жаростойкой стали и установлена на длинном вертикальном валу, что ограничивает перенос тепла к подшипникам электродвигателя.
Рис.2 Схема установки жарового вентилятора в своде печи:
1- двигатель вентилятора; 2- съемная теплоизоляция; 3- крыльчатка вентилятора; 4- футеровка печи; 5- садка изделий на вагонетке; 6- вагонетка.
Применение таких вентиляторов требует наличия в своде печи отверстий с диаметром бóльшим, чем окружность лопастей, и их теплоизоляции, а также наличия подсводового пространства, что снижает общую эффективность печи.
Другой способ рекомендует установку жаровых вентиляторов с водяным охлаждением. Однако использование таких вентиляторов ведет к большому расходу воды и значительным капитальным затратам ввиду большой цены таких вентиляторов.
Поэтому ни один из предложенных способов ликвидации расслоения теплоносителя не нашел широкого применения в кирпичном производстве.
Была поставлена задача решить проблему передачи высокотемпературного теплоносителя простым и экономичным способом. Эта задача была решена три года назад на изобретательском уровне, о чем свидетельствует полученный патент [2]. Простая и надежная муфта (рис. 3) ограничивает перенос тепла от крыльчатки к валу электродвигателя без водяного охлаждения. Конструкция муфты имеет спицы, выполненные в виде лопастей, вращающихся в окружающем воздухе и охлаждаемые им, а вал выполнен из двух частей, соединенных этой муфтой.
Рис. 3. Схема устройства жарового вентилятора:
1- двигатель; 2- муфта; 3- крыльчатка; 4- улитка с воздухозаборником; 5- рама.
Предложенный жаровый вентилятор был изготовлен в двух экземплярах, которые установлены на шахтной печи кирпичного завода в г.Омске. Работа этих вентиляторов в течении 2-х лет позволяет сделать вывод о надежности такой конструкции.
Рис. 4. Установка жарового вентилятора на печи.
Испытания жаровых вентиляторов, проведенные институтом ИНТА-Строй, в период эксплуатации доказали возможность применения этих вентиляторов для транспортирования газов с температурой до 850°С. Этой лимитированной температуры достаточно, чтобы использовать такие вентиляторы для устранения расслоения теплоносителя в туннельных печах кирпичного производства. Однако для других условий эксплуатации, например, в металлургической промышленности могут быть изготовлены вентиляторы из специальной дорогостоящей жаропрочной стали с температурой применения до 1050°С.
В туннельных печах жаровые вентиляторы устанавливают между зоной обжига и зоной рекристаллизации, а также в зоне прогрева, как это показано на рис. 1,б. Схемы установки могут быть различны. Однако наиболее простой является схема, показанная на рис. 5.
Рис.5. Вариант установки жарового вентилятора ШЛ на печь:
1- жаровый вентилятор; 2- подающий трубопровод в печь; 3- забор воздуха из печи; 4- футеровка печи; 5- вагонетка.
При этом более холодные газы забирают в нижней части канала печи, а подают в подсводовое пространство, где они смешиваются с более горячей средой. Схема обеспечивает вполне качественное перемешивание газов с различной температурой, чем обеспечивается устранение расслоения температурных зон по высоте канала печи.
В настоящее время разработан типоразмерный ряд жаровых вентиляторов (таблица 1), который позволяет организовать жароперемешивание на туннельных печах любой мощности, так как это не требует перекачки больших объемов теплоносителя.
|
Индекс |
Производительность, |
Мощность, |
Габаритные размеры, |
Масса, |
|---|---|---|---|---|
|
ШЛ 416.40.00.000. |
0,6-1,1 |
2,2 |
660*491*660 |
75 |
|
ШЛ 416А.40.00.000. |
1,1-2,5 |
4 |
660*491*660 |
100 |
|
ШЛ 553.01.00.000. |
2,5-10,0 |
7,5 |
1262*991*672 |
195 |
|
ШЛ 557.01.00.000. |
7,5-22,0 |
11 |
1750*1350 *1250 |
390 |
|
ШЛ 558.01.00.000. |
14,5-32,0 |
22 |
2200*1600*1350 |
600 |
Применение жаровых вентиляторов на туннельных печах позволяет снизить цикл проталкивания вагонеток, то есть увеличить производительность печного комплекса на 5-10% или улучшить качество производимого кирпича.
Выпускаемые ООО «ИНТА-Строй» жаровые вентиляторы имеют стоимость в 3-5 раз ниже аналогичных водоохлаждаемых вентиляторов, и, в отличии от них, имеют неограниченное время рабочего цикла.