Известковая печь — это печь, используемая для обжига известняка ( карбоната кальция ) для получения извести в форме негашеной извести ( оксида кальция ). Химическое уравнение этой реакции :
Эта реакция может происходить при температуре выше 840 °C (1540 °F), но обычно считается, что она происходит при 900 °C (1650 °F) (при этой температуре парциальное давление CO2 составляет 1 атмосферу ), но для ускорения реакции обычно используют температуру около 1000 °C (1830 °F) (при этой температуре парциальное давление CO2 составляет 3,8 атмосферы [1] ). [2] Избыточной температуры следует избегать, поскольку она приводит к образованию нереакционноспособной, «мертвообожженной» извести.
Гашеную известь ( гидроксид кальция ) можно получить путем смешивания негашеной извести с водой.
.jpg/1280px-%C3%87atalh%C3%B6y%C3%BCk_2008_DSC_0007_(2767648656).jpg)
Поскольку известь так легко получается путем нагревания известняка, известь, должно быть, была известна с самых древних времен, и все ранние цивилизации использовали ее в строительных растворах и в качестве стабилизатора в глиняных штукатурках и полах. [3] Согласно находкам в Айн-Газале в Иордании, Йифтахеле в Израиле и Абу-Хурейре в Сирии, датируемым 7500–6000 гг. до н. э., самое раннее использование извести было в основном в качестве связующего вещества на полах и в штукатурке для покрытия стен. [4] Это использование штукатурки, в свою очередь, могло привести к развитию протокерамики, сделанной из извести и золы. [4] В растворе самым древним связующим веществом была глина. [4] Согласно находкам в Чатал-Хююке в Турции, за глиной вскоре последовала глина, а затем известь в 6-м тысячелетии до н. э. [4]
Знания о его ценности в сельском хозяйстве также являются древними, но широкое сельскохозяйственное использование стало возможным только тогда, когда использование угля сделало его дешевым [5] на угольных месторождениях в конце 13-го века, а отчет о сельскохозяйственном использовании был дан в 1523 году . [6] Самые ранние описания печей для обжига извести мало чем отличаются от тех, которые использовались для мелкосерийного производства столетие назад. [ необходима цитата ] Поскольку сухопутная транспортировка таких полезных ископаемых, как известняк и уголь, была затруднена в доиндустриальную эпоху, их доставляли по морю, и известь чаще всего производилась в небольших прибрежных портах. [ необходима цитата ] Многие сохранившиеся печи до сих пор можно увидеть на причалах вдоль побережья Британии.
Постоянные печи для обжига извести делятся на две большие категории: «факельные печи», также известные как «прерывистые» или «периодические» печи; и «протяжные печи», также известные как «вечные» или «текущие» печи. В факельной печи нижний слой угля наращивался, а печь сверху заполнялась исключительно мелом. Огонь горел в течение нескольких дней, а затем вся печь была освобождена от извести.
В печи для вытяжки, обычно каменной конструкции, мел или известняк накладывался слоями с дровами, углем или коксом и поджигался. По мере сгорания известь извлекалась из нижней части печи через вытяжное отверстие. Дополнительные слои камня и топлива добавлялись сверху. [7] [8]
Общей чертой ранних печей была камера сгорания в форме яйцевидной чаши с воздухозаборником у основания («глаз»), сделанная из кирпича. Известняк дробили (часто вручную) до довольно однородного размера 20–60 мм ( 1–2+1 ⁄ 2 дюйма) куски – мелкий камень отбраковывался. Последовательные куполообразные слои известняка и дерева или угля наращивались в печи на колосниковых решетках поперек глазка. Когда загрузка была завершена, печь разжигалась снизу, и огонь постепенно распространялся вверх по шихте. После прогорания известь охлаждалась и выгребалась через основание. Мелкий пепел выпадал и отбраковывался вместе с «отходами».
Можно было использовать только кусковой камень, поскольку шихта должна была «дышать» во время обжига. Это также ограничивало размер печей и объясняло, почему все печи были примерно одного размера. Выше определенного диаметра полуобожженная шихта, скорее всего, обрушится под собственным весом, погасив огонь. Поэтому печи всегда производили 25–30 тонн извести за партию. Обычно печи требовался день на загрузку, три дня на обжиг, два дня на охлаждение и день на разгрузку, поэтому нормальным был недельный оборот. Степень обжига контролировалась методом проб и ошибок от партии к партии путем изменения количества используемого топлива. Поскольку существовали большие разницы температур между центром шихты и материалом вблизи стены, обычно получалась смесь недожженной (т. е. с большими потерями при прокаливании ), хорошо обожженной и пережженной извести. Типичная топливная эффективность была низкой, на тонну готовой извести использовалось 0,5 тонны или более угля (15 МДж/кг).
Производство извести иногда осуществлялось в промышленных масштабах. Один из примеров в Эннери в Северном Девоне , Англия , недалеко от Грейт-Торрингтона , состоял из трех печей, сгруппированных в форме буквы «L», и был расположен рядом с каналом Торрингтона и рекой Торридж для доставки известняка и угля, а также для вывоза кальцинированной извести в те дни, когда еще не было дорог с надлежащим покрытием . [9]
Обычными были наборы из семи печей. Бригада по загрузке и бригада по разгрузке работали с печами по очереди в течение недели.
Редко используемая печь была известна как «ленивая печь». [10]
В конце 19-го и начале 20-го веков город Варата в Джиппсленде , Виктория , Австралия, производил большую часть негашеной извести, используемой в городе Мельбурн, а также вокруг других частей Джиппсленда. Город, который теперь называется Уокервилл , был расположен на изолированной части побережья Виктории и экспортировал известь на корабле. Когда это стало невыгодным в 1926 году, печи были закрыты. Современная область, хотя и не имеет городских удобств как таковых, позиционирует себя как туристическое направление. Руины печей для обжига извести можно увидеть и сегодня.
Печь для обжига извести также существовала в Вул-Бей , Южная Австралия .
Большая печь в Криндледайксе около Хейдон-Бридж , Нортумбрия, была одной из более чем 300 в графстве. Она была уникальной для этой местности, поскольку имела четыре вытяжных арки для одного горшка. Поскольку производство сократилось, две боковые арки были заблокированы, но были восстановлены в 1989 году организацией English Heritage .
Развитие национальной железнодорожной сети сделало местные небольшие печи все более нерентабельными, и они постепенно вымерли в течение 19 века. Их заменили более крупные промышленные предприятия. В то же время новые области применения извести в химической , сталелитейной и сахарной промышленности привели к появлению крупных предприятий. Они также увидели развитие более эффективных печей.
Печь для обжига извести, возведенная в Дадли , Западный Мидлендс (ранее Вустершир ) в 1842 году, сохранилась как часть музея Black Country Living , который открылся в 1976 году, хотя печи в последний раз использовались в 1920-х годах. Теперь она одна из последних в регионе, где до 1960-х годов доминировала угольная промышленность и добыча известняка. [11]
Теоретическое тепло (стандартная энтальпия ) реакции, необходимое для производства извести с высоким содержанием кальция, составляет около 3,15 МДж на кг извести, поэтому печи периодического действия были эффективны всего на 20%. Ключом к повышению эффективности стало изобретение печей непрерывного действия, позволяющих избежать непроизводительных циклов нагрева и охлаждения печей периодического действия. Первыми были простые шахтные печи, по конструкции похожие на доменные печи . Это противоточные шахтные печи. Современные варианты включают регенеративные и кольцевые печи. Производительность обычно составляет 100–500 тонн в день.
Топливо впрыскивается на полпути вверх по шахте, создавая максимальную температуру в этой точке. Свежее сырье, подаваемое сверху, сначала высушивается, затем нагревается до 800 °C, где начинается декарбонизация, и происходит все быстрее по мере повышения температуры. Под горелкой горячая известь передает тепло воздуху горения и охлаждается им. Механическая решетка извлекает известь снизу. Вентилятор втягивает газы через печь, а уровень в печи поддерживается постоянным путем добавления сырья через воздушный шлюз. Как и в печах периодического действия, можно использовать только крупный, сортированный камень, чтобы обеспечить равномерный поток газа через загрузку. Степень обжига можно регулировать, изменяя скорость извлечения извести. Возможно потребление тепла всего 4 МДж/кг, но более типично от 4,5 до 5 МДж/кг. Из-за пика температуры на горелках до 1200 °C в шахтной печи условия идеальны для производства средне- и твердообожженной извести.
Они обычно состоят из пары шахт, работающих попеременно. Во-первых, когда шахта A является «первичной», а B — «вторичной», воздух для горения добавляется сверху шахты A, в то время как топливо немного ниже через фурмы горелки. Пламя сверху-вниз. Горячие газы проходят вниз, пересекают шахту B по так называемому «каналу» и поднимаются к выхлопу шахты B. В то же время в обе шахты охлаждающий воздух добавляется снизу, чтобы охладить известь и сделать выхлоп газов через дно печи невозможным, поддерживая постоянное положительное давление. Воздух для горения и охлаждающий воздух покидают печь совместно через выхлоп в верхней части шахты B, предварительно нагревая камень. Направление потока периодически меняется на противоположное (обычно 5–10 раз в час), шахты A и B меняют роль «первичной» и «вторичной» шахты. Печь имеет три зоны: зону предварительного нагрева сверху, зону обжига в середине и зону охлаждения близко к дну. Циклирование создает длинную зону горения с постоянной, относительно низкой температурой (около 950 °C), которая идеально подходит для производства высококачественной мягкой реактивной извести. При температуре отходящих газов всего 120 °C и температуре извести на выходе из печи в диапазоне 80 °C потери тепла в регенеративной печи минимальны, расход топлива составляет всего 3,6 МДж/кг. Благодаря этим особенностям регенеративные печи сегодня являются основной технологией в условиях существенных затрат на топливо. Регенеративные печи строятся с производительностью от 150 до 800 т/день, типичным является значение от 300 до 450.
Они содержат концентрический внутренний цилиндр. Он собирает предварительно нагретый воздух из зоны охлаждения, который затем используется для создания давления в средней кольцевой зоне печи. Воздух, распространяющийся наружу из зоны давления, вызывает противоточный поток вверх и прямоточный поток вниз. Это снова создает длинную, относительно холодную зону обжига. Расход топлива составляет от 4 до 4,5 МДж/кг, а известь обычно среднеобожженная.
Вращающиеся печи начали использоваться для производства извести в начале 20-го века и теперь составляют большую долю новых установок, если затраты на энергию не так важны. Раннее использование простых вращающихся печей имело преимущества, заключающиеся в том, что можно было использовать гораздо более широкий диапазон размеров известняка, от мелочи и выше, и нежелательные элементы, такие как сера, можно было удалить. С другой стороны, расход топлива был относительно высоким из-за плохого теплообмена по сравнению с шахтными печами, что приводило к чрезмерной потере тепла в отходящих газах. Старомодные «длинные» вращающиеся печи работают при 7–10 МДж/кг. Современные установки частично преодолевают этот недостаток, добавляя подогреватель, который имеет такой же хороший контакт твердых частиц/газа, как и шахтная печь, но расход топлива все еще несколько выше, обычно в диапазоне 4,5–6 МДж/кг. В показанной конструкции круг шахт (обычно 8–15) расположен вокруг стояка печи. Горячий известняк выгружается из шахт последовательно, под действием гидравлической «толкающей плиты». Типичными являются печи производительностью 1000 тонн в день. Вращающаяся печь является наиболее гибкой из всех известковых печей, способных производить мягкую, среднюю или твердую обожженную, а также мертвообожженную известь или доломит.
Все вышеперечисленные конструкции печей производят отходящий газ, который несет с собой значительное количество пыли. Известковая пыль особенно едкая. Для улавливания этой пыли устанавливается оборудование, обычно в виде электрофильтров или рукавных фильтров. Пыль обычно содержит высокую концентрацию таких элементов, как щелочные металлы , галогены и сера.
Известковая промышленность является значительным источником выбросов углекислого газа . Производство одной тонны оксида кальция включает разложение карбоната кальция с образованием 785 кг CO 2 в некоторых применениях, например, при использовании в качестве строительного раствора ; этот CO 2 позже повторно поглощается, когда раствор сгорает.
Если тепло, подаваемое для образования извести (3,75 МДж/кг в эффективной печи), получено путем сжигания ископаемого топлива, оно выделит CO2 : в случае угольного топлива 295 кг/т; в случае природного газа 206 кг/т. Потребление электроэнергии эффективной установкой составляет около 20 кВт·ч на тонну извести. Этот дополнительный ввод эквивалентен примерно 20 кг CO2 на тонну, если электричество вырабатывается с помощью угля. Таким образом, общий выброс может составлять около 1 тонны CO2 на каждую тонну извести даже на эффективных промышленных предприятиях, но обычно составляет 1,3 т/т. [13] Однако, если источником тепловой энергии, используемой при его производстве, является полностью возобновляемый источник энергии, такой как солнечная, ветровая, гидро- или даже ядерная энергия; может не быть чистого выброса CO2 в процессе обжига. Для производства требуется меньше энергии на единицу веса, чем для портландцемента , в первую очередь потому, что требуется более низкая температура.
Двухарочная печь для обжига извести Wainmans – внесена в список памятников архитектуры II категории – 1 февраля 2005 г.
Подробности и изображение: https://web.archive.org/web/20140522012536/http://cowlingweb.co.uk/local_history/history/wainmanslimekiln.asp
.jpg/1280px-Old_lime_kiln_of_1906_at_Simplon,_Namibia_(2017).jpg)