Теплотехника и тепловые установки предприятий строительных материалов

Им. В.Г.Шухова

 

ТеПЛОТЕХНИКА И ТЕПЛОВЫЕ УСТАНОВКИ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Учебное пособие для студентов специальности 270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций

 

Белгород

 2012

Министерство образования и науки

 Российской Федерации

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г.Шухова

Кафедра технологии цемента и композиционных материалов

 Утверждено научно-методическим советом университета

 

ТеПЛОТЕХНИКА И ТЕПЛОВЫЕ УСТАНОВКИ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

 

Учебное пособие для студентов специальности 270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций

 

 

Белгород

2012

УДК 621.036(07)+66.04(07)

ББК 31.3 я 7

   Т 34

 

Составитель: А.В. Черкасов

 

 

Рецензент д-р техн. наук, проф. П.А.Трубаев

 

 

Т 34	Теплотехника и тепловые установки предприятий строительных материалов: учебное пособие / сост.: А.В. Черкасов. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. – 75 с.

 

 

Конспект лекций содержит необходимые теоретические сведения по основным разделам дисциплины «Теплотехника и тепловые установки предприятий строительных материалов».

Предназначен для студентов специальности 270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций.

Публикуется в авторской редакции. Электронный ресурс № 1419

 

 

УДК 621.036(07)+66.04(07)

ББК 31.3 я 7

 

ã Белгородский государственный технологический университет (БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2012

Оглавление

Введение	5
Тема 1 1.1.Топливо и его горение 1.2. Характеристика топлива 1.3. Твердое топливо 1.4. Жидкое топливо 1.5. Газообразное топливо       1.6. Подготовка топлива       1.7. Рациональное факельное сжигание топлива  во вращающейся печи     1.8. Горелочные устройства для вращающихся печей	9 10 11 11 12 13   18 23
Тема 2 2.1. Обжиг клинкера 2.2. Тепловые установки для обжига вяжущих материалов. 2.2.1. Устройство и принцип работы вращающейся печи 2.3. Теплообменные устройства вращающейся печи мокрого способа производства 2.4. Процессы, протекающие в печи мокрого способа. Физико-химические процессы в печи	26   28   28   30   34
Тема 3 3.1.Устройство и принцип работы клинкерного холодильника 3.2. Рекуператорный (планетарный) холодильник     3.3. Барабанный холодильник     3.4. Колосниковый холодильник       3.5. Холодильники с беспровальной решеткой	35 35 37 38 44
Тема 4 4.1. Печные системы сухого способа производства 4.2. Особенности работы печных систем  с декарбонизаторами 4.3. Влияние подсосов холодного воздуха на расход тепла 4.4. Материальный и тепловой балансы печной системы сухого способа 4.5. Печная система комбинированного способа производства клинкер	52   54   58   58 60
Тема 5 5.1. Футеровка печных агрегатов для обжига клинкера 5.2. Кладка огнеупорной футеровки 5.3. Способы повышения стойкости футеровки	61 63 66
Тематика вопросов для самостоятельных работ	68
Библиографический список	70

 

 

Введение

Основными видами тепловых установок в производстве строительных материалов и изделий являются установки: сушильные, печные и для тепловлажностной обработки бетонных, железобетонных и других строительных изделий.

 Кроме основных, имеются и вспомогательные теплоснабжающие установки, характерные для различных производств.

Сушильными называют установки, в которых происходит тепловой процесс удаления влаги, не связанной химически с материалом. Эта влага удаляется частично или полностью при сравнительно невысоких температурах материала, изменяя его технологические свойства. Новыми свойствами могут быть повышенная прочность (глиняный сырец, гипсовые и теплоизоляционные изделия), повышенная теплота сгорания, полнота процессов горения и пониженная коррозийность продуктов сгорания топлива и т.д. В некоторых производствах (в технологии теплоизоляционных материалов) сушка совмещается с полимеризацией органических вяжущих и очень часто предшествует обжигу строительных материалов и изделий.

Печными называют установки, в которых при сравнительно высокой температуре (120–2000°С) в обрабатываемом материале происходят физико-химические процессы, изменяющие его химический состав и свойства. Так, в известеобжигательной печи при температуре около 1000°С происходит разложение СаСО₃ на известь СаО, выдаваемую из печи как продукт (вяжущее для строительных целей), и на углекислоту СО₂, уходящую из печи в качестве отхода. Эта углекислота может быть использована в свою очередь как продукт для сатурации, для ускорения твердения изделий на основе извести и т.д. Обжиг в печной установке сырья – известкового камня – придает получаемому продукту (извести) совершенно новые качества – качества вяжущего материала.

В печах твердый сырьевой материал может быть доведен при высоких температурах (1300–2000°С) до полного расплавления и выдан из печи в жидком виде для отливки строительных изделий или раздува полученного расплава на вату, используемую в строительстве в качестве теплоизоляционного материала.

Тепловлажностными называют установки, в которых в горячей и влажной среде бетонные, железобетонные, силикатные и другие изделия твердеют (физико-химический процесс образования искусственного камня) до прочности, близкой к стандартной, в десятки раз скорее, чем при естественном вызревании. Тепловлажностная обработка производится в автоклавах, в камерах пропаривания, в специальных формах (кассетах) и в других установках при температурах порядка 60–200°С и относительной влажности среды около 100%.

К вспомогательным тепловым установкам относятся установки для пароувлажнения глин, для оттаивания и подогрева заполнителей бетона и др.

Кроме того, на многих заводах строительных материалов и изделий имеются собственные теплоснабжающие установки: парокотельные, газогенераторные станции и соответствующие трубопроводы, связывающие эти установки с теплопотребителями (паропроводы, газопроводы, трубопроводы горячей воды и конденсата).

Выбор типа тепловой установки зависит от принятой технологии и способа тепловой обработки. Применяют следующие способы тепловой обработки: сушку, дегидратацию, или удаление гидратной влаги, обжиг (в том числе декарбонизация) без спекания материала или с частичным его спеканием, плавку, варку, тепловлажностную обработку при атмосферном давлении, при вакууме, при давлении выше атмосферного (автоклавная обработка). Важнейшим условием экономичной, интенсивной и высококачественной тепловой обработки строительных материалов и изделий является точное соблюдение установленного теорией и практикой теплового режима.

Тепловым режимом называются основные параметры, при которых происходит по времени тепловая обработка материалов и изделий: температура, относительная влажность, давление, состав газов и скорость их движения. Нарушение оптимального режима при тепловой обработке материалов и изделий приводит к выпуску бракованной продукции, снижению производительности установки, к перерасходу топлива, электроэнергии и других материальных средств, т.е. к повышению себестоимости продукции, что недопустимо.

Процессы тепломассообмена могут протекать в однокомпонентной среде (например, испарение капель жидкости, транспортируемых потоком перегретого пара), а также в бинарных и многокомпонентных смесях (например, конденсация пара из парогазовой смеси).

Перенос вещества через граничную поверхность обычно обусловлен фазовыми переходами. Он может быть организован и специально, например, в форме вдува (отсоса) вещества через поверхность мелкопористой стенки.

Движение жидкой или газообразной фазы относительно граничной поверхности может происходить под действием внешних источников движения (вынужденная конвекция) или за счет различия плотности в разных областях среды, находящейся в поле гравитационных сил (свободная или естественная конвекция).

Тепло - и массообменные процессы могут протекать в условиях химической пассивности компонентов, а также при наличии химических реакций как в объеме смеси (гомогенные реакции), так и на межфазной границе (гетерогенные реакции).

Скоростной и качественный теплообмен в установках возможен при правильном использовании законов теплопередачи в различных технологических процессах. Общие законы теплообмена уже известны из курса теплотехники, здесь же рассматривается их применение для тепловой обработки строительных изделий. Свойства обрабатываемых материалов следует предварительно изучить: эндо - и экзотермические реакции при их нагреве, теплоемкость, теплопроводность в зависимости от температуры и влажности, изменение состава и структуры.

Теплообмен лучеиспусканием характерен для высокотемпературных процессов в печах: вращающихся для получения цементного клинкера, керамзита и т. д., ванных для расплава минерального сырья и для других печей с развитым пламенным пространством. Теплообмен лучеиспусканием при умеренных температурах (300–500°С) используется также для сушки инфракрасными лучами. При небольших температурах, маломерном объеме, где происходит теплообмен, и при воздействии па материал прозрачных газов (при малом содержании в газах водяных паров, углекислоты и твердых частиц) доля лучеиспускания в теплопередаче незначительна.

Теплообмен конвекцией более характерен для большинства процессов тепловой обработки при протекании газов через плотный, кипящий или взвешенный слой материала, через садку изделий, у поверхности рекуператоров, над поверхностью влажных материалов при их сушке и т. д.

Передача теплопроводностью имеет место всегда при нагреве или охлаждении обрабатываемого материала, стен и других ограждений тепловых установок, а также при передаче тепла через пограничные слои теплоносителей. Теплообмен может совершаться при установившемся состоянии, например передача тепла через ограждения непрерывно действующих установок и при неустановившемся состоянии, например, нагрев изделий внешними или внутренними источниками тепла, аккумуляция тепла в стенах периодически действующих установок или в подине вагонеток туннельных печей. В реальных производственных условиях обычно имеет место комбинированный теплообмен: от газов к материалу (внешняя задача) лучеиспуеканием, конвекцией и в самом материале (внутренняя задача) – теплопроводностью. Особенно сложным является процесс теплопередачи через муфель печи к изделию.

При тепловой обработке многих материалов в них, помимо нагрева, происходят сложные физико-химические процессы экзо - или эндотермического характера, фронт распространения которых имеет определенную скорость, зависящую от свойств материалов. Учет этих процессов в расчете теплообмена обязателен. В некоторых случаях для упрощения затрату тепла на реакции, происходящие в материале, условно относят к удельной теплоемкости материала при нагреве. Естественно, такая теплоемкость будет выше теплоемкости материала в тех же температурных пределах при охлаждении, когда никаких реакций уже совершаться не будет.

Подавляющая часть строительных материалов и изделий получается в результате того или иного вида тепловой обработки: известь и цемент при обжиге в печах, гипс – при его дегидратации в варочных котлах, кирпич из глиняных масс – после тепловой обработки в сушилках и печах, бетонные и железобетонные изделия – в результате тепловлажностной обработки в пропарочных камерах или автоклавах.

Строительство в России может быть осуществлено только при условии широкого развития производства строительных материалов, изделий и сборных элементов зданий на высокомеханизированных заводах строительной индустрии, на заводах-автоматах. Их тепловые установки характеризуются непрерывностью и автоматичностью процесса, интенсивным теплообменом и высокой экономичностью.

Тема 1

 

 

Топливо и его горение

Топливом называют горючие вещества, взаимодействие которых с кислородом воздуха сопровождается выделением теплоты и света.

Технологическим топливом считают топливо, сжигаемое в заводских печах, топках сушилок и других установках для использования тепла в технологических процессах производства.

Рабочее топливо – топливо в том виде, в каком оно поступает в топки и в печи для сжигания. Используется во всех теплотехнических расчетах.

Виды топлива по происхождению: природное и искусственное, по агрегатному состоянию: твердое, жидкое и газообразное.

Состав топлива

характеризуется содержанием в нем отдельных химических элементов и веществ и выражается в процентах.

В состав рабочей массы твердого и жидкого топлива входят следующие элементы:  – углерод,  – водород,  – сера,  – азот,  – кислород,  – зола,  – влага.

Верхние индексы «р» обозначают рабочую массу топлива. Количественное содержание отдельных элементов рабочей массы твердого и жидкого топлива выражается в процентах по массе.

Газообразное топливо представляет собой смесь различных горючих и негорючих газов: горючие – метан CH₄, этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀, пентан C₅H₁₂, оксид углерода CO, водород H₂ и др.; негорючие – азот N₂, углекислый газ CO₂.

В отличие от твердого и жидкого состав газообразного топлива выражается в процентах по объему.

Горение топлива представляет собой процесс окисления горючих составляющих топлива кислородом воздуха.

Расчет горения топлива производят на единицу топлива: на 1 кг твердого или жидкого топлива или на 1 м³ природного газа.

Теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы топлива (при нормальных физических условиях: температуре – 0 °C и давлении – 0,1013 МПа).

Теплота сгорания топлива определяется в калориметрической установке или рассчитывается по составу топлива. В теплотехнических расчетах за основной показатель качества топлива принимают низшую рабочую теплоту сгорания , которая не учитывает теплоту конденсации водяных паров, образующихся при сгорании топлива.

Теплота сгорания различных видов топлива составляет:

– твердого топлива – 21…29 МДж/кг топл.;

– газообразного топлива – 32…38 МДж/м³ топл.;

– жидкого топлива – 38…44 МДж/кг топл.

 

В цементной промышленности для обжига цементного клинкера, сушки сырья и добавок применяется твердое, жидкое и газообразное топливо.

 

Характеристика топлива

 

Характеристика топлива включает следующие показатели: химический состав, теплоту сгорания, расход воздуха на горение, выход продуктов горения, жаропроизводительность (теоретическую температуру горения) и содержание CO₂+ SO₂ в сухих продуктах горения (RO₂ ^max).

Твердое топливо

К основным видам твердого топлива, используемого в цементной промышленности, относятся каменные и бурые угли, горючие сланцы. В России преимущественно применяется каменный уголь, поэтому ниже приводятся данные именно по этому топливу. Для твердого топлива в зависимости от состава различают рабочую, сухую, горючую и органическую массы.

 

Рабочая масса – индекс С ^р

Сухая масса – индекс С ^с

Горючая масса – индекс С^г

Органическая масса – индекс С ^о

Каменный уголь – характеристика горючей массы:

1) содержание:

· углерод – 75…90%,

· водород – 4…6%,

· кислород – 2…15%,

· летучие – 10…50%,

· зольность – 13…22% (сухой массы),

· влажность – 5…15% (природной рабочей массы),

· RO ₂ ^max * = 18,0…19,3%;

2) теплота сгорания  = 31…35 МДж**/кг;

3) жаропроизводительность   = 2020…2120°С;

4) теоретический расход воздуха на 1 кут – 7,63 нм³;

5) выход продуктов горения на 1 кут – 7,92 нм³.

 

Жидкое топливо

В качестве жидкого топлива для вращающихся печей применяют в основном топочный мазут марок 40 и 100.

1) состав мазута:

· углерод – 86,1…86,3%,

· водород – 9,6…10,7%,

· сера     – 0,5…3,5%,

· влажность  – 0…2%,

· RO ₂ ^max   – 15,9…16,2%;

2) теплота сгорания: М 40 –  = 38,5…40,7 МДж/кг,

М 100 –  = 38,3…40,3 МДж/кг;

3) жаропроизводительность   = 1400…2000°С;

4) теоретический расход воздуха на 1 кут – 7,63 нм³;

5) выход продуктов горения на 1кут – 8,18 нм³;

6) температура застывания: М 40  < +10ºС, М 100 < +25ºС;

7) температура вспышки: М 40 > 90ºС, М 100 > 110ºС.

 

 

Газообразное топливо

В качестве газообразного топлива используется природный газ, который в основном состоит из метана и незначительного количества высокомолекулярных углеводородов.

 

Подготовка топлива

Топливо для сжигания во вращающейся печи требует определенной подготовки.

Твердое топливо

 

Во вращающейся печи осуществляется факельное сжигание топлива, поэтому твердое топливо предварительно подвергается сушке и помолу до порошкообразного состояния. Основным твердым топливом, используемым при обжиге клинкера во вращающейся печи, является каменный уголь, поэтому далее будут рассматриваться способы подготовки и сжигания именно пылеугольного топлива.

К форсуночному топливу предъявляются следующие требования:

· содержание летучих –  ~ 15…30%;

· зольность –   ≤ 30%;

· влажность –  ~ 1…2%;

· остаток на сите №02 – R ₀₂~1,5…2,0%; №008 – R ₀₀₈~10…15%;

· теплота сгорания низшая –   ≥ 21 МДж/кг.

 

Схемы подготовки форсуночного топлива

 

Подготовка топлива сводится к сушке и помолу угля. При высокой исходной влажности кусковой уголь может подвергаться предварительной сушке в сушильном барабане. Однако, как правило, в современных технологических схемах производится одновременная сушка и помол угля. При этом используются три принципиально различные схемы:

· объединенная с печью система, когда весь сушильный агент направляется в печь в качестве транспортирующего угольный порошок первичного воздуха (рис.1);

· разъединенная схема, когда используется индивидуальная независимая от печи сушильно-помольная система (рис. 2);

· систем прямого вдувания угольного порошка из быстродействующей мельницы в печь (рис.3).

Общим для всех схем является необходимость из-за взрывобезопасности поддержание температуры после мельницы для большинства углей до 70ºС. Только для тощих допускается 80ºС.

 

Рассмотрим особенности работы каждой схемы.

Объединенная с печью система. Особенность данной схемы заключается в следующем:

·  в качестве сушильного агента используются газы из специальной топки или избыточный воздух из колосникового холодильника;

· газы из мельницы после частичной очистки в циклоне направляются вентилятором во вращающуюся печь в качестве первичного воздуха, вследствие чего не требуется дополнительное пылеулавливающее оборудование и отсутствует выброс угольной пыли газов в атмосферу, следовательно, она более экологична;

 

Рис. 1. Объединенная с печью система подготовки угля Рис. 2. Разъединенная с печью система подготовки угля Рис..3. Система прямого вдувания угольного порошка в печь

· завышенное, до 30%, количество холодного первичного воздуха взамен горячего вторичного, обусловленное большим объемом сушильного агента, приводит к перерасходу топлива и к нерациональному факелу.

Разъединенная схема возникла именно в связи с необходимостью устранения этих недостатков. Это стало особенно актуально с появлением горелок, позволяющих сжигать угольное топливо с небольшим, до 7%, количеством первичного воздуха и смеси различных топлив, в том числе и техногенных материалов.

Недостатком разъединенной схемы является необходимость установки дополнительного оборудования: электрофильтра, вентилятора, бункера, пневмотранспорта, трубы (на рис.2 выделено синим цветом). Это, естественно, приводит к дополнительным капитальным затратам и перерасходу электроэнергии. Однако экономия топлива и другие положительные моменты перекрывают эти недостатки, поэтому в настоящее время, в основном, применяется подобная схема.

Система прямого вдувания угольного порошка из мельницы в печь имеет предельно малое количество оборудования. Такая схема особенно эффективна при сушке угля невысокой влажности. Преимущества системы прямого вдувания, помимо обозначенных для первой схемы, заключаются в ее компактности, малом количестве оборудования, низких капитальных затратах и пониженном расходе электроэнергии. Недостатки те же, что и для первой схемы. Однако из-за значительного уменьшения суммарной длины газоходов и количества оборудования существенно уменьшается сопротивление системы, что позволяет значительно снизить объем сушильного агента и, соответственно, первичного воздуха.

 

Системы помола и сушки угля

 

В связи с тем, что в России на существующих заводах в основном используется устаревшая объединенная система мельница-печь, то далее будут рассмотрены способы совершенствования этой схемы. Основные параметры ее работы приведены на рис. 4.

Наиболее распространенный недостаток – нехватка кондиционного угольного порошка для стабильной работы печи – вызван низкой сушильной производительностью мельницы, что вызвано недостатком сушильного агента. Это связано со значительными подсосами холодного воздуха (до 400%) по тракту, большими сопротивлениями отдельных участков системы и нерациональной работой топки. Естественно, что это приводит к многократному повышению объема холодного первичного воздуха и пропорциональному снижению количества горячего вторичного воздуха.

Рис..4. Параметры работы системы мельница – печь с модернизацией отдельных узлов

 

Для уменьшения гидравлического сопротивления и подсосов холодного воздуха рекомендуется выполнять модернизацию следующих узлов.

Узел I. Этот участок трубопровода частично перекрыт течкой и кусковым углем, так что свободное сечение, составляет всего 30…40% от исходного. Изменением положения газохода исправляется этот недостаток.

 

Узел II и III. В процессе помола выходная решетка мельницы может постепенно забиваться крупкой, что приводит к увеличению сопротивления мельницы. Кроме того, в выходном газоходе происходит отложение угольной крупки, перекрывающей сечение и, следовательно, увеличивающей сопротивление (узел III). Для предотвращения этих недостатков следует убрать решетку, изменить форму газохода, и в цапфе мельницы установить обратный трубошнек. При этом крупные частицы по наклонному газоходу поступают в трубошнек, который возвращает их обратно в мельницу. Это позволяет снизить сопротивление мельницы на 5…10 мбар и подсосы – на 100…250%.

Известно, что с увеличением доли первичного воздуха интенсифицируется горение топлива и снижается стойкость футеровки. Вследствие этого, часто возникает необходимость снизить количество первичного воздуха. В то же время угольное отделение требует высоких скоростей в газоходах, 15…20 м/с, и не позволяет уменьшить долю первичного воздуха. Поэтому рекомендуется осуществлять рециркуляцию части воздуха в системе. Это обеспечивает нормативные скорости в угольной системе и позволяет снизить долю первичного воздуха до требуемой величины, 20…25%.

Узел IV. В некоторых случаях происходит нерегулируемый «самотек» угольного порошка через питатель, что связано с прорывом воздуха в питателе и аэрацией угля в бункере. Во избежание этого явления рационально применять питатели, в которых реализуется принцип самоуплотнения, т.е. уплотнение обеспечивает сам материал, и поддерживать под течкой не более 2 мбар. Для этого в двухлопастном питателе высота верхних лопастей должна быть больше нижних на 25…35 мм, тогда и верхние и нижние лопасти будут заполнены углем, что способствует хорошему уплотнению. Для снижения статического давления воздуха в течке до 1…2 мбар диаметр диффузора должен быть на 50…100 мм меньше сопла форсунки.

 

 

Во вращающейся печи

 

Учитывая, что вращающаяся печь является не только теплообменным агрегатом, но одновременно включает в себя и топку, большое внимание в теории и практике работы печи уделяется процессу горения топлива в ней и формированию оптимальной формы факела.

 

Тема 2

Обжиг клинкера

Портландцементный клинкер обжигают в печных агрегатах. Наибольшее распространение получили печные агрегаты с вращающимися печами, что обусловлено их высокой единичной производительностью, возможностью использовать различные виды технологического топлива, простотой обслуживания и надежностью эксплуатации. Распространенные ранее цементные шахтные печи практически полностью выведены из эксплуатации во всех промышленно развитых странах вследствие своей неэкономичности. В печной агрегат входят:

– вращающаяся печь с внутренними или запечными теплообменными устройствами;

– система дозирования и подачи шлама или сырьевой муки;

– устройство для сжигания топлива;

– тягодутьевое оборудование;

– холодильник клинкера;

– система очистки отходящих газов вращающейся печи и избыточного воздуха из холодильника клинкера;

– различное вспомогательное оборудование.

Вращающаяся печь представляет собой стальной полый барабан, сваренный из отдельных обечаек (стандартных стальных листов толщиной 25 – 50 мм). Утолщенные участки относятся к наиболее горячим зонам печи.

Печь может иметь один диаметр по всей длине, а может иметь переменный профиль с расширенными участками с холодного, с горячего конца или сразу с обоих (печь с пережимом). Обычно длина расширенных участков составляет 15 – 25% общей длины печи. Размеры вращающихся печей выражают в виде множителей, показывающих диаметр и длину. Например: вращающаяся печь размером 4,5 170 м. Здесь 4,5 – диаметр печи, м, 170 – длина печи, м. Если печь имеет расширенные зоны, то диаметр их выражают дробью. Например: вращающаяся печь размером 3,6/3,3/3,6 150 м. Здесь 3,6/3,3/3,6 – переменный диаметр печи, м, 150 – длина печи, м.

На корпус печи (обечайку) насажены бандажи (утолщенные стальные кольца), с помощью которых печь опирается на свободно вращающиеся ролики, устанавливаемые на железобетонных опорах, расстояние между которыми составляет 25 – 35 м. Количество опор на печи мокрого способа составляет 6 – 8. На корпусе печи крепится также венцовая шестерня, которая вместе с входящей с ней в зацепление подвенцовой шестерней, редуктором и электродвигателем составляет систему привода печи. Частота вращения печи от главного привода 0,5 – 1,5 об/мин.

При нормальной эксплуатации печь вращается со скоростью 1,1 – 1,4 об/мин. В случаях, когда необходимо увеличить время тепловой обработки материала в подготовительных зонах, скорость может быть снижена до 0,5 об/мин (так называемый «тихий ход»). Перед остановкой печи для равномерного остывания корпуса ее переводят на вспомогательный привод с частотой вращения 0,05 – 0,1 об/мин.

Печь расположена с уклоном 3,5 – 4% в сторону разгрузочного (горячего) конца.

Вращение и уклон печи обусловливают перемещение материала как в поперечном сечении (подъем и пересыпание слоя), так и вдоль оси в сторону разгрузочного конца. Средняя скорость движения материала составляет 1 – 1,5 м/мин. Газовый поток движется в противоположном направлении (навстречу материалу от горячего к холодному концу) со средней скоростью 13 м/с.

Для обжига клинкера в мировой и отечественной цементной промышленности преобладающими являются агрегаты с вращающимися печами, работающими по мокрому (влажность шлама 32 – 45%) и сухому (влажность сырьевой муки 0,5 – 2%) способам.

Конструкции непосредственно вращающихся печей сухого способа идентичны конструкциям печей мокрого способа. Отличительной особенностью печной установки сухого способа является наличие выносных (запечных) теплообменных устройств в виде этажерки, состоящей из нескольких (4 – 6) циклонов, расположенных друг над другом и соединенных газоходами и течками для сухой сырьевой смеси. Иногда одна ступень циклонов заменяется шахтой. Общая высота этажерки примерно равна длине вращающейся печи. Современные агрегаты оснащаются реактором-декарбонизатором (кальцинатором), расположенным между нижним (“горячим”) циклонным теплообменником и вращающейся печью.

Кроме того, используются также вращающиеся печи с конвейерным кальцинатором (печи “Леполь”), в которых обжигают гранулы с влажностью 12 – 14%, приготовленные из сырьевой муки. Однако число таких агрегатов невелико. Их распространению препятствуют необходимость иметь хорошо гранулируемое сырье, сложность конструкции и трудности в эксплуатации, обусловленные разрушением гранул в процессе термообработки.

В практике цементной промышленности в ограниченном количестве эксплуатируются печные агрегаты комбинированного способа. На таких заводах полученный по мокрому способу шлам с влажностью 40 – 45% частично обезвоживается на пресс-фильтрах. Полученный материал – кек с влажностью 18 – 20% затем подсушивается в сушилках-дробилках до 1 – 2% и обжигается в обычных печах сухого способа с запечными теплообменниками.

На заводах строительных материалов для обжига извести используются агрегаты с вращающимися печами, работающими по мокрому (влажность шлама 38 – 45%) и сухому (влажность природного мела или известняка 15 – 28%) способам. Большая часть извести обжигается в шахтных печах. Но при обжиге мела рыхлая его структура затрудняет обжиг в шахтных печах, так как куски мела легко крошатся, а образующаяся мелочь заполняет пространство между кусками и затрудняет движение газов.

Тема 3

 3.1. Устройство и принцип работы клинкерного холодильника

Клинкерные холодильники при производстве цемента, предназначены для выполнения следующих задач:

– рекуперации тепла клинкера и нагрев воздуха для горения, обеспечивающие экономию топлива;

– охлаждения клинкера до низкой температуры для того, чтобы при его дальнейшей транспортировке и переработке не происходил перегрев оборудования и обеспечивался эффективный помол цемента высокого качества;

– повышения качества клинкера с фиксацией активных модификаций клинкерных фаз путём резкого его охлаждения.

В настоящее время в основном используются следующие клинкерные холодильники:   рекуператорные, барабанные и колосниковые.

 

3.2. Рекуператорный (планетарный) холодильник

 

Рекуператорные (многобарабанные или планетарные) холодильники состоят из нескольких (10 или 11) сварных металлических цилиндров, установленных в виде венца по окружности горячего конца печи и вращающихся вместе с печью. Каждый цилиндр на четверть длины от патрубка входа клинкера футерован огнеупорами или чугунными бронеплитами. Остальная часть снабжена пересыпающими полками и короткими цепями для интенсификации теплообмена. Соотношение длины к диаметру отдельного цилиндра составляет в старых конструкциях 5 – 6, в новых удлиненных рекуператорах – до 12. Температура охлажденного клинкера в старых конструкциях составляет около 250 – 400 °C, в новых удлиненных рекуператорах – до 100 – 150 °C. Вторичный воздух нагревается соответственно до 200 – 400 °C и 350 – 550 °C.

Рекуператорные холодильники представляют собой барабаны, расположенные вокруг выгрузочного конца печи. Применяются холодильники двух типов: - традиционные короткие, когда 8…12 барабанов диаметром ~ 1,5 м и длиной до 7 м подвешены консольно на корпусе печи, и модернизированные удлиненныерекуператоры размером до 2×20 м, которые из-за большой массы устанавливаются на продленном корпусе печи с выносной роликоопорой (рис.18.).

Принцип работы холодильника показан на рис.19.

Клинкер через периферийные отверстия в конце печи по загрузочным лейкам поступает в рекуператоры. Навстречу клинкеру движется воздух, так что холодильник работает по принципу противотока. Для интенсификации теплообмена внутри барабана устанавливаются пересыпные элементы. Форма элементов выполняется таким образом, чтобы клинкер пересыпался по всему сечению рекуператора (рис. 20). В зависимости от температуры клинкера по длине рекуператора устанавливаются пересыпные элементы различной формы.

Рис. 18. Удлиненный рекуператорный холодильник с выносной опорой

 

Рис. 19. Схема рекуператорного (планетарного) холодильника

 

 

Рис. 20. Пересыпка клинкера по сечению барабана

 

В высокотемпературной области выполняется футеровка из огнеупорного шамотного кирпича переменной высоты. Далее устанавливаются полки из жаропрочной стали, а затем – жаростойкие ковши. Для снижения теплопотерь через корпус необходимо высокотемпературную часть барабана (примерно 65%) теплоизолировать.

Тепловой КПД традиционного короткогорекуператорного холодильника составляет обычно ~ 65 %, при этом клинкер охлаждается от ~ 1100 до ~ 300^оС, а вторичный воздух о