Технологические печи для проведения высокотемпературных химических процессов

Основной аппаратурой для осуществления высокотемпературных хи­мических процессов являются промышленные печи различной конструк­ции. Промышленной печью называют аппарат, в котором за счет сгорания топлива, протекания других экзотермических химических реакций или применения электрической энергии выделяется тепло, используемое для тепловой обработки различных веществ, претерпевающих при этом физи­ческие и химические превращения.

Технологические печи классифицируются, в первую очередь, по на­значению, источнику тепловой энергии, способу нагрева, конфигурации рабочей камеры и другим признакам. Ниже приводятся некоторые типы печей и указывается их предназначение.

1.Шахтные печи: доменные печи для выплавки чугуна; печи цветной металлургии для выплавки меди, свинца, никеля; газогенераторы для гази­фикации твердого топлива и другие.

2.Барабанные печи: цементные для производства цементного клинкера; обжиговые для обжига колчедана, восстановления сульфатов и другие.

3.Туннельные печи: для пиролиза древесины, сланца; плавильные для плавки серной руды; обжиговые для обжига огнеупоров и керамики и другие.

4.Камерные печи: для коксования твердого топлива; отжиговые для отжига металла и стекла и другие.

5.Трубчатые печи: конверторы для паровой или паровоздушной конверсии природного газа; пиролизные печи для крекинга и пиролиза древесины, нефтепродуктов и другие.

6.Циклонные печи: для сжигания твердого топлива и обжига колчедана и руд цветных металлов и другие.

7.Печи взвешенного (кипящего) слоя: обжиговые для обжига колче­дана, руд цветных металлов; регенераторы для выжигания углерода с по­верхности катализатора; газогенераторы для газификации и пиролиза твердого топлива; печи крекинга для разложения тяжелых углеводородов и другие.

8.Механические полочные печи: для обжига колчедана, руд цветных
металлов и солей.

9. Печи пылевидного обжига руд цветных металлов, колчедана, сжи­гания топлива.

10. Ванные печи: отражательные для выплавки стали, цветных метал­лов, стекла; конверторы для выплавки и переплавки стали и цветных ме­таллов; тигельные для переплавки чугуна, термической обработки метал­лов и другие.

11. Электрические печи: дуговые для плавки и рафинирования цветных металлов, стали; сопротивления для получения карбидов, графита, кварцевого стекла, сероуглерода; комбинированные для получения карби­да, фосфора, электролиза расплавов, получения электрокорунда, огнеупо­ров; индукционные для переплавки металлов и сплавов, варки кварцевого стекла.

Схема циклической печи для обжига серного колчедана при­ведена на рис. 7.3. Тангенци­альный ввод вторичного воздуха (по аналогии с ци­клоном) обеспечивает завих­рение среды в печи. При этом резко интенсифициру­ются процессы массо- и теплопереноса, за счет чего в печи развивается высокая температура (до 1400°С), превышающая температуру плавления огарка, который удаляется в жидком виде. Расплавленный огарок, в со­став которого входят окислы железа, других металлов, алюмосиликаты, а также кварц, поступает в ванну с водой и застывает в виде гранул диаметром 5-8 мм. Его используют в доменном производстве при получении чугуна.

Процесс обжига пирита (сульфида железа, содержа­щегося в серном колчедане) можно представить следую­щей суммарной реакцией:

4FeS + 11O₂ -> 2Fe₂O₃ +8SO₂ + Q.

Концентрация сернистого ангидрида (SO₂) в газе доходит до 14 %, а отсут­ствие в нем пыли упрощает последующую схему переработки газов обжига на серную кислоту.

В электродуговых печах нагрев материала осуществляется за счет те­пла дуги, которая образуется между электродом и нагреваемым материа­лом (прямой нагрев) или между двумя электродами (косвенный нагрев).

На рис. 7.4 представлена схема электродуговой печи прямого нагрева для производства карбида кальция. Печь состоит из стального корпуса 1 и свода 5, выложенных огнеупорным кирпичом 7. В своде печи имеются патрубки 4, через которые проходят угольные электроды 3 меньшего диамет­ра. Под печи выло­жен угольными блоками 8 и имеет уклон в сторону летки 6. Из негаше­ной извести и кокса готовится шихта, которая непрерывно загружается в печь через кольцевые от­верстия между электродами и внутренними стенками патрубков. Реакционные газы отводятся через пат­рубки 2. Расплав карбида кальция периодически отводится через летку 6.

Карбид кальция образуется при взаимодействии извести с коксом при 1800 - 2000°С по уравнению

СаО + ЗС -> СаС₂ + СО + 475 кДж.