Тепловая работа любой печи характеризуется рядом показателей, важнейшими из которых являются тепловой и температурный режимы, производительность печи, удельный расход топлива и коэффициент полезного действия. Тепловой режим характеризует изменение во времени тепловой нагрузки, т.е. количества теплоты, подаваемой в печь в каждый момент времени, а температурный режим представляет собой изменение температуры печи во времени или по длине печи.

В рабочем пространстве вращающейся печи протекают процессы выделения теплоты при сжигании топлива, движения газовой среды и материала, внешнего и внутреннего теплообмена. Эффективность тепловой работы печи зависит от того, насколько совершенно осуществляются в ней эти процессы. От организации тепловой работы вращающихся печей зависят не только производительность и экономичность процесса производства глинозема, но и срок службы печи и качество конечного продукта. Процесс спекания осуществляют при достаточно высоких температурах. По мере изменения температуры по длине рабочего пространства вращающихся печей происходят процессы с образованием различных неустойчивых соединений.

В пламенных печах одним из основных и наиболее эффективных способов улучшения их тепловой работы является интенсификация теплообменных процессов за счет совершенствования процессов горения. Рациональное сжигание топлива позволяет создать в рабочем пространстве вращающихся печей необходимые температурный и газовый режимы, предусмотренные технологией глиноземного производства.

При нагреве сыпучих материалов во вращающихся печах теплота поступает в зону технологического процесса за счет одновременного протекания всех трех видов теплообмена. На участках, где температура продуктов сгорания достигает 1200...1600°С, осуществляется радиационный режим работы печи. По мере продвижения продуктов сгорания топлива по длине печи они охлаждаются до нескольких сот градусов и режим тепловой работы печи постепенно становится конвективньм. Конкретное распределение в печи зон с конвективным и радиационным режимами работы зависит от вида и параметров технологического процессов. С точки зрения внешнего (по отношению к нагреваемому материалу) теплообмена вращающаяся печи может быть условно разделена на энергетически однородные участки - тепловые зоны, в пределах которых температуру, радиационные характеристики и коэффициент теплоотдачи от газов к материалу можно считать постоянными величинами. Кроме того, в рабочем пространстве происходит и так называемый внутренний теплообмен: поступившая в слой материала теплота распределяется в нем путем теплопроводности. При вращении барабана печи происходит энергичное перемешивание сыпучего материала, температура по высоте слоя практически выравнивается и его можно считать тонким в тепловом отношении телом, нагрев которого может сопровождаться эндо- и экзотермическими реакциями. Перенос теплоты в кладке печи происходит также вследствие теплопроводности. Изменение температуры внутренней поверхности футеровки во времени носит циклический характер. Время цикла равно времени полного оборота печи. Условно его делят на два периода. В первом периоде поверхность кладки находится в контакте с греющими газами и постепенно нагревается, получая от нее теплоту излучением и конвекцией. Ко второму периоду относят время ее контакта с нагреваемым материалом, в течение которого температура поверхности кладки снижается. Анализ данных расчета поля температур кладки, полученных при решении уравнения теплопроводности с использованием численных методов, показал, что колебания температуры во времени происходят на определенном расстоянии от поверхности футеровки, получившим название глубины проникновения тепловой волны. Колебания температуры, достигающие на внутренней поверхности барабана при входе и выходе ее из-под слоя шихты нескольких сотен градусов, распространяются на глубину 1...5 см., чем ближе к поверхности, тем выше термические напряжения, возникающие в кладке, и тем больше вероятность ее разрушения (трещины, сколы и т.д.).

Вращающиеся печи глиноземного производства работают в режиме противотока. Максимальную температуру и газы, и материал имеют со стороны топливной камеры, а минимальную - со стороны загрузочной камеры.

Температурный режим работы вращающихся печей не изменяется во времени, индивидуален для каждого вида технологического процесса и в значительной мере определяется химическим и фракционным составом перерабатываемых материалов. Обычно его устанавливают опытным путем и организуют таким образом, чтобы в печи строго соблюдался график нагрева шихты, соответствующий технологии данного процесса.

Рассмотрим температурный режим процесса спекания бокситов. Все рабочее пространство вращающейся печи можно условно разделить на четыре зоны, в которых происходят определенные изменения обрабатываемой шихты.

Первая зона, которую называют зоной сушки и обезвоживания, находится в верхней части печи со стороны загрузки шихты. Вначале из шихты испаряется внешняя влага, и температура материала при этом остается практически неизменной близкой к 100 °С. Затем температура высушенной шихты возрастает до 600 °С. Движущиеся навстречу ей газы охлаждаются от 1100 до 240 °С.

Во второй зоне, называемой зоны кальцинации, температура шихты продолжает расти и достигает 1000 °С. В этой зоне происходит полное разложение карбоната кальция, требующее затрат теплоты, поэтому температура газов снижается с 1300 до 1100 °С.

Третья зона - зона спекания - характеризуется максимальными значениями температур как шихты (1000...1200 °С), так и газов (1350...1450 °С), так как именно здесь происходит горение факела. В третьей зоне полностью разлагается Na₂CО₃ и завершается процесс спекания.

Четвертая зона - зона охлаждения - располагается за срезом заглубленного в печь топливосжигающего устройства, т.е. за горящим факелом. Благодаря потоку идущего из холодильника воздуха, имеющего температуру 150...300°С, обеспечивается охлаждение спека до температуры 1000°С, что резко увеличивает его механическую прочность (по сравнению с размягченным состоянием), необходимую для перегрузки в расположенный в низу холодильник.

Нужно учитывать, что качество готового продукта, получаемого во вращающихся печах, определяется не только кинетикой, но и движением материала, т.е. временем его пребывания в печи. В зависимости от того, насколько мгновенные скорости отдельных частиц отличаются от средней скорости движения материала (при постоянном распределении температуры по длине печи), изменяется степень превращения каждой частицы и, следовательно, фазовый состав глинозема. Наличие в печи частиц с различными скоростями движения и неопределенность соотношения таких частиц из-за технологических возмущений, нарушающий установившийся режим, затрудняют надежный контроль и регулирование тепловой работы печей. В то же время одной из главных задач оперативного управления является поддержание всех параметров на заданном уровне, что возможно только при своевременной и непрерывной информации о качестве целевого продукта.

Исходные данные для расчета

Заданная производительность печи G=16 т/час. Состав обрабатываемого боксита приведен в табл. 1. Влажность боксита составляет 10 %. Состав используемого в процессе спекания известняка приведен в табл. 2. Содержание Na₂CO₃ в соде составляет 98 %. Содержание Al₂O₃ в товарном глиноземе равно 98,8 %. Товарный выход глинозема из боксита составляет 80 %.

Таблица 1.

Состав боксита, %