Химическая энциклопедия - печи

Промышленные П.-устройства с камерой, огражденной от окружающей среды, предназначенные для получения материалов и изделий при тепловом воздействии на исходные в-ва. Теплота выделяется в результате горения топлива или превращения электрич. (реже солнечной) энергии. Осн. части П.: теплогенератор (источник тепла); рабочая камера, в к-рой находятся материалы или изделия; теплоотборник, служащий для охлаждения изделий после их термич. обработки; устройства для подвода топлива или электрич. энергии, а также для отвода продуктов сгорания; механизмы для загрузки, транспортировки через П. и выгрузки материалов или изделий; система автоматич. управления работой П.; строит. конструкции (фундамент, футеровка для ограждения рабочей камеры от окружающей среды, каркас для обеспечения необходимой прочности и крепления горелок или форсунок, кожух для герметизации П. и обеспечения ее прочности); устройства для утилизации тепла и продуктов сгорания топлива (рекуператоры, регенераторы). В большинстве П. теплогенераторы и теплоот-борники совмещены с рабочей камерой.

Классификация. П. классифицируют по термотехнол., теп-лотехн. и мех. характеристикам, а также с учетом конструктивных особенностей, состояния и Cв-в печной среды (смеси в-в в рабочей камере кроме исходных материалов и целевых продуктов). По термотехнол. признакам П. подразделяют на физические, в к-рых получение продукта основано на целенаправленных физ. превращ. исходных материалов без хим. взаимод. между ними, и химические, в к-рых получение продукта основано на целенаправленных хим. взаимод. между исходными материалами. По характеру течения тер-мотехнол. процесса во времени различают П. периодического и П. непрерывного действия.

По теплотехн. признакам П. подразделяют след. образом. В зависимости от источника тепла выделяют. экзотермич. (или пламенные), электротермич. (или электрич.), оптич. (в т. ч. гелиотермич., или солнечные) и смешанные П. В экзотермических П. источником тепла м. б. исходные материалы, вводимое топливо (газообразное, жидкое либо твердое) или и то и другое одновременно. Электротермические П. подразделяют на П. сопротивления, дуговые, дуговые П. сопротивления, электроннолучевые и индукционные. Различают также П. с теплогенерацией в рабочей камере и вне ее, со встроенными рекуператорами или без них, а также проходные (однократные) и рециркуляционные (многократные), в к-рых газообразный теплоноситель в рабочей камере используется соотв. один или много раз. В зависимости от вида теплообмена выделяют конвекционные, радиационные, кондуктивные и смешанные П.

По мех. признакам П. подразделяются след. образом: по способу транспортировки исходных материалов и полученных продуктов-на конвейерные, роликовые, рольганговые, вагонеточные и др.; по характеру движения газовых потоков в рабочих камерах-на П. с криволинейными (круговыми, циклонными и др.) или прямолинейными потоками; по взаимной ориентации потоков исходных материалов и продуктов-на прямоточные, противоточные и перекрестные.

Различают П. контролируемого и неконтролируемого хим. состава, вакуумные или работающие под давлением. П. бывают с газовой, жидкой, твердой или смешанной печной средой. Последняя состоит из продуктов сгорания топлива, отходов физ. и хим. превращений исходных материалов и из специально вводимых компонентов, необходимых для защиты исходных материалов и продуктов от нежелат. хим. воздействий.

По конструктивным признакам П. подразделяются на шахтные, туннельные, кольцевые, ретортные, муфельные, тигельные, горшковые, ванные, трубчатые, полочные, камерные, вращающиеся, колпачковые, ямные, секционные, многоподовые с пульсирующим или шагающим подом и т. д.

Основные показатели работы П.-производительность, тепловая мощность, кпд. Производительность обычно измеряют кол-вом исходного материала (сырья), проходящего через нее в единицу времени, или кол-вом продукта, получаемого за определенное время, и выражается в т/ч или т/сут. Тепловая мощность, или полезная тепловая нагрузка (иногда наз. также теплопроизводительностью), соответствует кол-ву тепла, воспринимаемого сырьем в П. в единицу времени; выражается в МВт. Кпд показывает, насколько эффективно используется тепло, получаемое при сжигании топлива, и составляет обычно 0,6-0,8.

Процессы, протекающие в П. В рабочей камере одновременно осуществляются термотехнол., теплотехн. и мех. процессы, в к-рых участвуют исходные материалы, продукты, печная среда и футеровка. К мех. процессам относятся перемещение в рабочей камере исходных материалов, продуктов и печной среды, к-рые должны создавать в рабочей камере оптим. условия для осуществления термотехнол. процессов.

Термотехнол. процессы весьма разнообразны. К физ. процессам, в частности, относятся: 1) тепловая активация металлов и сплавов, к-рую проводят, напр., для их подготовки к послед. пластич. деформации (ковке, прокату, волочению и др.); 2) термич. обработка исходных материалов-способ изменения их структуры и Cв-в в заданном направлении путем их нагревания и охлаждения с определенным режимом изменения т-р во времени и по объему П.; напр., отпуск и нормализация стали заключаются в нагреве ее до т-р соотв. ниже нижней критической или выше (на 20-50 ⁰C) верхней критической, выдерживании при этих т-рах и послед. охлаждении, что приводит к повышению пластичности и ударной вязкости стали; 3) плавление исходных материалов, осуществляемое для послед. придания металлам и сплавам заданных форм, получения сплавов и твердых р-ров заданного хим. состава и физ. Cв-в, термич. рафинирования расплавл. металлов, направл. кристаллизации и зонной плавки при выращивании монокристаллов и глубокой очистки металлов и т. д.; 4) испарение исходных материалов, осуществляемое, напр., для селективного разделения расплавов и при первичной переработке нефти; 5) термич. обезвоживание жидких отходов эффективный способ снижения загрязнения окружающей среды, в результате к-рого получают твердый сухой остаток в виде порошка или гранул.

К хим. термотехнол. процессам относятся, в частности, крекинг, коксование, пиролиз, варка стекла, термохим. рафинирование (очистка от примесей) металлов, возгонка (перевод в-ва из твердого состояния в газообразное, напр. при получении желтого фосфора), термосинтез (получение при высоких т-рах CaC2, CS2 и др.), термич. разложение сложных хим. в-в (используется, напр., при получении кальцинир. соды, техн. углерода), высокотемпературная деструкция углеводородного сырья (напр., для получения из нефти низших олефинов и жидких продуктов пиролиза бензола, толуола и др.), термич. обезвреживание отходов (распад их на нейтральные к окружающей среде в-ва), а также обжиг, сжигание, выплавка, хим.-термич. обработка металлов.

Обжиг термич. обработка материалов с целью направл. изменения их физ. Cв-в и хим. состава. При этом исходный материал сначала нагревают до определенной т-ры, выдерживают при ней и затем охлаждают с заданной скоростью. Обжиг применяют для термич. подготовки руд и их концентратов к послед. переработке, для получения конечных хим. продуктов и изделий (ртути, сурьмы, извести, керамики, эмалей, красок и др.). Различают обжиг с получением порошка и обжиг со спеканием.

При обжиге могут протекать процессы дистилляции, пиролиза, диссоциации, синтеза новых соед. из исходных, спекания, кальцинации (напр., разложение NaHCO3) в сочетании с разл. хим. р-циями. По химизму протекающих процессов выделяют неск. видов обжига. Окислит. обжиг применяют для перевода сульфидов металлов в оксиды, иногда с получением окускованного материала (как, напр., при произ-ве меди, цинка, никеля). Окислительно-сулъфа-тизирующий обжиг применяют перед гидрометаллургич. переделом для перевода цветных металлов в р-римые в воде сульфаты, железа-в нерастворимые в воде оксиды. С помощью окислительно-возгоночного обжига из медеэлектро-литных шламов удаляют селен благодаря окислению его до SeO2, к-рый возгоняется. При окислительно-спекающем обжиге медеэлектролитные шламы спекают с содой для перевода селена в водорастворимые селенит и селенат натрия, а теллура-в р-римый в к-тах теллурат натрия. Окислит.-восстановит, обжиг отличается от окислительного введением в шихту нек-рого кол-ва угля, что приводит к образованию летучих низших оксидов и, т. обр., облегчает выделение в газообразном состоянии компонентов, высшие оксиды к-рых слаболетучи.

Восстановит. обжиг применяют для получения металлов или их низших оксидов из высших, напр. MnO из концентрата MnO2. С помощью восстановит. магнетизир. обжига слабомагн. железную руду переводят в искусств. магнетит. Восстановительно-металлизирующим обжигом получают губчатое железо и железные порошки, восстановительно-дистилляционным сурьму. Восстановительно-сульфатизи-рующий обжиг служит для переработки бедных никель-кобальтовых руд, восстановительно-хлорирующий обжиг-для облегчения извлечения Ti, Nb и Cu из никелевых концентратов (обжиг производится в присут. газообразного хлора). Восстановительно-хлорирующий сегрегац. обжиг осуществляют в присут. твердого восстановителя с добавкой хлоридов Na и Ca и используют для подготовки труднообогатимых руд цветных металлов к флотации или магн. сепарации.

Хлорирующий обжиг применяют для перевода ценных компонентов руды в легкорастворимые или легколетучие хлориды (напр., при произ-ве титана и циркония). В результате декарбонизир. обжига удаляют карбонаты Ca, Mo, Ba (напр., при обжиге известняка, доломита, магнезита, фосфорита). Кальцинирующий обжиг применяют для удаления конституц. влаги и CO2 (при произ-ве соды, извести и т. д.). Дистилляц. обжиг-отгонка в парообразном состоянии из руды или ее концентратов ценных составляющих (напр., Sb, Hg, As), к-рые затем конденсируют.

Обжиг проводят для получения минер. вяжущих в-в (портландцемента, высокообжигового гипса и др.), искусств. пористых заполнителей (керамзита, вспученного перлита, аглопирита и др.). Иногда обжиг совмещают со спеканием руды или концентрата с активными добавками (сода, мел и т. д.) или компонентами шихты (обжиг с окускованием) для облегчения послед. обработки.

Сжигание-процесс горения исходных горючих материалов для получения новых продуктов или освобождения хим. энергии. В П. сжигают сероводород, серу, фосфор, ацетилен, уголь, мазут, пропан, бутан, прир. газ и др.

Выплавка металлов-процесс получения металлов из руд и шихт, основанный на полном их расплавлении и разделении расплава. Таким образом получают сталь, чугун, никель, кобальт, свинец, черновые медь и кадмий, олово, сурьму и др. (см. Металлургия).

Хим.-термич. обработка металлов-процесс диффузионного насыщения пов-сти металла разл. хим. в-вами при повыш. т-рах для придания металлам повыш. износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости, уста-лостной прочности и др. св-в.

При хим. превращениях исходных материалов в П. наряду с целевыми продуктами образуются твердые, жидкие и газообразные отходы, нек-рые из к-рых экологически вредны. Эти отходы перерабатывают на новые полезные продукты или подвергают хим. либо термич. обезвреживанию в других П. Термотехнол. процессы, приводящие к появлению экологически вредных реакц. газов, необходимо осуществлять так, чтобы эти газы не контактировали с дымовыми газами, получаемыми при сжигании топлива.

Конструкции П. В зависимости от целей и характера термотехнол. процессов конструкции П. имеют свои особенности. В качестве примера на рис. 1 приведена схема герметизированной электрической ванной П., предназначенной для получения желтого фосфора. Она имеет круглую форму и футерована углеграфитными блоками, а верх. часть стенки шамотными кирпичами. Осн. конструктивный элемент этой П.-ванна 6. В ней осуществляются превращ. исходных материалов и получается желтый фосфор, к-рый возгоняется и выводится из П. В боковых стенках ванны установлены летки 10 для выпуска шлака и феррофосфора. Ванна заключена в металлич. кожух 4, к-рый обеспечивает ее мех. прочность и герметичность. Ванна сверху закрывается сводом 8 из жаропрочного железобетона; на своде установлена электроизоляц. газонепроницаемая металлич. крышка 3. На своде и крышке имеются отверстия для прохода электродов 7, течек (отверстий) 2 для подачи исходных материалов и отводов газообразных продуктов. Передача электроэнергии электродам, удерживание, регулирование их положения в ванне осуществляется с помощью электрододержателей 1. П. непрерывно охлаждается водой.

Рис. 1. Электрич. руднотермич. печь для получения фосфора: 1 -электрододер-жатель; 2-течки; 3-крышка; 4-кожух ванны; 5-водоохлаждение ванны; 6-ванна; 7-электроды; 8-свод; 9 трансформатор; 10-летка.

Рис. 2. Вращающаяся печь: 1-откатная головка; 2-горелка; 3-барабан; 4-бандаж; 5-венцовая шестерня; 6-пыльная камера; 7-наклонная течка; 8-опорная станция; 9-опорно-упорная станция; 10-механизм привода.

На рис. 2 приведена схема вращающейся П., в к-рой осуществляется обжиг сыпучих материалов (шамота, магнезита, доломита, керамзита, боксита, марганцевой, цинковой и др. руд, киновари и т. д.). Эта П. имеет цилиндрич. рабочую камеру барабан 3, выполненный из огнеупорного кирпича и заключенный в стальной корпус, на к-ром установлены бандажы 4 и венцовая шестерня 5. Бандажами П. устанавливается на упорные и опорные ролики, к-рые смонтированы на металлич. рамах и находятся на бетонном фундаменте (опорно-упорная станция 9). Загрузка исходного материала производится по наклонной течке 7, расположенной в пыльной камере 6, а разгрузка осуществляется через откатную головку 1, в к-рой установлена горелка (или форсунка) 2 для сжигания топлива. Перемещение исходного материала вдоль продольной оси П. осуществляется благодаря вращению корпуса, установленного под углом 2-4° к горизонту. Во вращение П. приводится спец. механизмом привода 10. В месте соединения корпуса П. с пыльной камерой и откатной головкой установлены уплотняющие устройства. В рабочей камере нек-рых П. имеются внутри-печные теплообменники для интенсификации обжига. В нашей стране эксплуатируются вращающиеся П. диаметром от 1 до 7 м и длиной от 12 до 230 м.

На рис. 3 приведена схема многоподовой П., предназначенной для обжига сыпучих материалов (сульфидов металлов, магнезита, извести, золотои серебросодержащих руд и т. д.). Она выполнена из огнеупорных и теплоизоляц. материалов; снаружи заключена в стальной кожух. Топливом в ней может служить мазут или прир. газ. Рабочая камера имеет форму вертикального цилиндра, разделенного горизонтально расположенными подами 1 на неск. кольцевых реакц. камер с разл. температурными режимами. На подах имеются отверстия 2, расположенные попеременно на периферии или в центре, для пропускания исходного материала и печных газов. Перемещение по подам с одноврем. перемешиванием обжигаемого материала осуществляется перегребающим устройством, состоящим из центрального пустотелого вала 6 и закрепленных в нем рукояток с гребками 5 (мех. мешалками). Центральный вал и рукоятки охлаждаются воздухом, подаваемым от вентилятора 7. Этот воздух затем м. б. использован для сжигания топлива. Перегребающее устройство приводится во вращение механизмом привода 8, состоящим из электромотора и спец. редуктора, расположенного под П.

Исходный материал загружают на верх. под через шнек 4 и гребками перемещают до отверстия на нем, через к-рое он подается вниз-на след. под, совершая сложный зигзагообразный путь по всем подам, и выгружается внизу П. На нек-рых кольцевых камерах снаружи П. установлены горелки 10 для сжигания газообразного топлива (топливного газа), полученные дымовые газы в смеси с газами, к-рые выделяются при протекании термотехнол. процессов, являются теплоносителями, движутся по рабочим камерам вверх и выводятся из П. Мазутное топливо сжигается в спец. отдельно стоящей топке 9, и образовавшиеся газы по футеров. трубе подаются в П. Диаметр промышленных П. обычно 1,6-6,8 м, число подов 4-16, общая пов-сть подов составляет 6,5-370 м ².