Общие сведения о промышленных печах

В основе многих теплотехнологических процессов лежит тепловая обработка материалов и изделий: нагрев и плавление металлов, обжиг материалов, получение вяжущих материалов (цемент, известь, гипс), получение стекла, термическая переработка топлива и т.д.

Тепловая переработка материалов и изделий осуществляется в технологических или энерготехнологических агрегатах – промышленных печах, где материалам и изделиям придаются определенные свойства, агрегатное состояние, формируют нужный химический состав всего изделия или определенной его части. В процессе высокотемпературной обработки материалов можно получать ценные побочные продукты, сырье и топливо, такие как: доменный газ, коксовый газ, бензолы, аммиак и т.д.

В печах одновременно протекают ряд сложных процессов, таких как: горение топлива, передача тепла на кладку и материал, движение дымовых газов в рабочем пространстве, регенераторах и каналах, экзотермические (с выделением тепла) и эндотермические (с поглощением тепла) реакциями, нагрев тел сложной геометрической формы и т.д.

Источником тепла в печах является топливо: (газы, мазут, кокс и т.д.) и электрическая энергия с разными способами ее преобразования.

У истоков развития теории печей стоят М.В.Ломоносов, который уже в 1763 году опубликовал труд «Первые основания металлургии или рудных дел». В начале XIX века (1822 г.) французский ученый Фурье изложил теорию распространения тепла внутри твердых тел. В XX веке значительный вклад в теорию печей внесли русские ученые В.Е. Грум-Гржимайло, Н.В. Кирпичев, И.Г. Есьман, Н.Е. Скаредов, А.А. Гухман, М.А. Глинков, Б.И.Китаев и др.

В настоящее время теория печей базируется на теории теплообмена, аэромеханики, теории горения, теории тепловых балансов.

Тепловая обработка протекает на определенном температурном уровне, обеспечивающем развитие технологического процесса. Достижение необходимых температур является основным условием развития технологического процесса. Получить высокие температуры, необходимые для плавки металлов, обжига огнеупоров и т.д. не так просто. Не всегда можно достичь высоких температур только за счет химического тепла топлива, при его сжигании.

В высокотемпературных установках, для получения высоких рабочих температур, утилизации тепла уходящих газов и экономии топлива производят подогрев воздуха и низкокалорийного топлива. В некоторых случаях воздух дутья обогащают кислородом, увеличивая его содержание в дутье с 21% (естественное состояние воздуха) до 30÷35% и более. При этом уменьшается содержание балластного азота и значительно повышается температура горения.

В ряде случаев на качество тепловой обработки материала большое влияние оказывает светимость (радиационная способность) факела.

Придание факелу определенных радиационных свойств является вторым условием развития высокотемпературного технологического процесса в пламенных печах.

В ряде случаев в печах требуется поддерживать определенную газовую атмосферу (окислительную, восстановительную, нейтральную). Это позволяет уменьшить потери (угар) материала, увеличить производительность печей и улучшить качество конечного продукта.

Поэтому третьим условием развития технологического процесса является получение определенных свойств факела и газовой атмосферы в печах.

Высокая производительность печей определяется рядом факторов: заменой агрегатов периодического действия, устройствами непрерывного действия, повышением интенсивности теплообменных и массообменных процессов, протекающих в рабочем пространстве печей. Это достигается следующими мероприятиями:

- Повышением температуры в печах за счет сжигания высококалорийного топлива, высокотемпературного подогрева воздуха и низкокалорийного газообразного топлива (до 1200 ⁰С);

- Использование высокоскоростных свойств потока раскаленных газов в печах высокоскоростного нагрева;

- Увеличением светимости факела за счет двухстадийного сжигания высококалорийного топлива или подсветки факела мазутом;

- Увеличением температуры кладки, особенно в печах косвенного нагрева, когда основной тепловой поток попадает на материал с кладки;

- Избыточным давлением в рабочем пространстве печей, что предотвращает подсос окружающего воздуха в печь ( в доменных печах Р_изб≤3 бар);

- Использование высокой турбулизации потока (факела) в печах с кипящим слоем.