Физико-химические процессы в печи

 

В зависимости от характера физико-химических процессов, происходящих при нагревании сырьевого материала, печь по длине разделяют на 6 технологических зон (рис.17).

 

 

Рис. 17. Потребность тепла в отдельных технологических зонах

 

Вращающаяся печь для обжига клинкера мокрого способа производства условно делится на шесть технологических зон.

1. Зона сушки занимает 20 – 25% длины печи. В этой зоне испаряется физическая влага из шлама. Температура материала повышается от 15 – 20 °C до 170 – 200 °C. Температура газов снижается с 800 – 900 °С до 180 – 250 °С. Скорость движения жидкого шлама 4 – 6 м/мин, на участке подсушенного материала 0,8 – 1,5 м/мин. Скорость газов 7 – 8 м/с. Для интенсификации теплообмена в этой зоне устанавливают цепные завесы. При достижении определенной вязкости шлама в цепной завесе начинают образовываться гранулы. Материал, выходящий из цепной завесы, должен иметь температуру 90 – 110 °C и влажность 8 – 10%, так как при более низкой влажности резко усиливается пылеобразование и рециркуляция материала вследствие разрушения гранул. Цепная завеса занимает 18 – 20% длины печи.

2. Зона подогрева и дегидратации занимает 25 – 30% длины печи. В этой зоне удаляется химически связанная (гидратная) влага из глинистого компонента. Реакция сопровождается поглощением теплоты q₁ = 7880 кДж/кг гидратной влаги:

Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O = Al₂O₃×2SiO₂ + 2H₂O – q₁.

 

Температура газов на входе в зону 1100 – 1200 °С. Материал нагревается до 550 – 600 °С. Скорость движения материала 2 – 4 м/мин. Скорость газов до 13 м/с. В этой зоне устанавливают металлические теплообменники из жаропрочной стали.

3. Зона кальцинирования (декарбонизации) занимает 22 – 30% длины печи. В этой зоне протекают процессы разложения карбонатов магния и кальция. На реакции расходуется соответственно q₂ = 1400 кДж/кг MgCO₃ и q₃ = 1780 кДж/кг СaCO₃ количество теплоты.

MgCO₃ = MgO + CO₂ – q₂;

СaCO₃ = CaO + CO₂ – q₃;

 

Материал нагревается до 950 – 1100 °С. Температура газов на входе в зону 1500 – 1600 °С. Скорость движения материала 3 – 6 м/мин, газов до 16 м/с.

4. Зона экзотермических реакций занимает не более 5% длины печи. В этой зоне образуются клинкерные минералы (двухкальциевый силикат 2CaO×SiO₂, трехкальциевый алюминат 3CaO×Al₂O₃, четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO×Al₂O₃×Fe₂O₃, частично трехкальциевый силикат 3CaO×SiO₂). Температура материала быстро повышается до 1250 – 1300 °C за счет выделения теплоты при образовании минералов. Температура газов изменяется незначительно и составляет на входе 1600 – 1700°С.

5. Зона спекания занимает 13 – 18% длины печи. В ней часть материала (20 – 30%) плавится, образуя на футеровке обмазку толщиной 100 – 200 мм. В жидкой фазе образуется основной клинкерный минерал – трехкальциевый силикат 3CaO×SiO₂ (алит). Температура материала достигает максимального значения около 1450 °С. Участок, ближе к разгрузочному концу печи, где материал охлаждается с 1450 до 1350 °C (до температуры застывания расплава), по характеру происходящих физико-химических процессов следует относить к зоне спекания. В зоне спекания сжигается топливо. Максимальная температура газов достигает 1700 – 1800 °С. Скорость движения материала составляет 0,6 – 0,8 м/мин, газов – около 25 м/с.

6. Зона охлаждения занимает 2 – 6% длины печи. Материал охлаждается до 1100 – 1250 °С. Температура воздуха, подаваемого в печь из холодильника, составляет 400 – 800 °С.

Окончательное охлаждение клинкера происходит в холодильнике.

При обжиге клинкера по сухому или комбинированному способу протекают описанные выше процессы. Отличие заключается в том, что испарение влаги, дегидратация и частично декарбонизация материала происходят в запечных теплообменных устройствах.

В установках только с циклонными теплообменниками подогрев, испарение остаточной влаги, дегидратация и частично (до 15 – 30%) декарбонизация материала происходят в циклонных теплообменниках. Материал, проходя циклонный теплообменник за 25 – 30 с., нагревается до 750 –800 °С. В печи происходит окончательная декарбонизация материала, спекание и первичное охлаждение. Длина зон: декарбонизации – 45 – 55%, экзотермических реакций – 5 – 10%, спекания – 20 – 25%, охлаждения – 10 – 15%.

При наличии реактора-декарбонизатора материал поступает в печь с температурой 850 – 880 °C со степенью декарбонизации 90 – 95%. Это позволяет уменьшить длину печи или увеличить ее производительность. При этом в реакторе-декарбонизаторе сжигается 60% топлива, в печи – 40%. Воздух для горения топлива в реакторе-декарбонизаторе (третичный воздух) отбирается из клинкерного холодильника.

Нумерация циклонов на отечественных заводах принята по ходу газов, за рубежом – по ходу материала. Распределение температур материала и газов на входе и выходе из отдельных ступеней циклонов следующее:

– 1-я ступень (нижний “горячий” циклон): материал 650 и 800 °C, газы 950 и 800 °C;

– 2-я ступень: материал 500 и 650 °C, газы 800 и 650 °C;

– 3-я ступень: материал 250 и 500 °C, газы 650 и 500 °C;

– 4-я ступень (верхний “холодный” циклон): материал 40 и 250 °C, газы 500 и 300 °C.

Абсолютные значения температур могут несколько изменяться в зависимости от режима работы агрегата.

Основной теплообмен (80%) происходит в газоходах и только 20% теплообмена осуществляется непосредственно в циклонах.

При обжиге извести происходят процессы разложения карбонатов кальция и магния. При значительном содержании примесей они вступают в реакцию взаимодействия с оксидом кальция, образуя соединения нерастворимые в воде. Поэтому качество полученной извести будет зависеть от степени разложения карбонатов, условий обжига и химического состава карбонатной породы.

Тепловой баланс печи выражается уравнением, связывающим количество теплоты, внесенной в печь во время ее работы, с количеством теплоты, израсходованной на технологические процессы, и потерянной теплотой. Все статьи теплового баланса рассчитывают в кДж на 1 кг клинкера или 1 кг извести.

Структура статей теплового баланса позволяет наглядно определять источник потерь теплоты в обжиговом агрегате и устанавливать средства и способы по возможному их сокращению или устранению. При этом следует анализировать не только абсолютные, но и относительные значения статей потерь теплоты в структуре теплового баланса.

Методика составления теплового баланса вращающихся печей предусматривает, что тепловые параметры материальных потоков, поступающих в агрегат и выходящих из него, принимают по границам, выбранным в расчете материального баланса печи.  Для определения приходных и расходных статей теплового баланса используются данные, которые были получены в материальном балансе.

По закону сохранения энергии в любой установке приход теплоты должен быть равен его расходу.

В тепловом балансе решающее влияние на удельный расход топлива оказывают статьи расходов и потерь теплоты.

Тепловой эффект клинкерообразования  – это теоретический расход теплоты на образование 1 кг клинкера из сухой сырьевой смеси без материальных и тепловых потерь. Он представляет собой алгебраическую сумму теплоты на необратимые физико-химические превращения материала при его нагревании до температуры спекания. Тепловой эффект клинкерообразования зависит только от химического состава сырьевой смеси и не зависит от способа производства.

Теоретически при получении клинкера теплота расходуется на диссоциацию карбонатов кальция и магния, а также на дегидратацию глинистых минералов. Эти процессы протекают с поглощением теплоты и называются эндотермическими. При взаимодействии оксида кальция с кислотными оксидами (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃), образуются клинкерные минералы. Такие реакции сопровождаются выделением теплоты, т. е. являются экзотермическими.

Одним из способов снижения теоретического расхода теплоты на обжиг клинкера является использование отходов других отраслей промышленности, где ранее при термических процессах карбонат кальция был подвергнут диссоциации. К таким продуктам относятся доменный шлак, топливные золы и нефелиновый (белитовый) шлам. Применение их в качестве сырьевых материалов приводит к снижению теплового эффекта клинкерообразования до 1000 – 1100 кДж/кг клинкера. Процесс охлаждения клинкера (извести) является одной из наиболее ответственных стадий производства цемента (извести). Он оказывает влияние на структуру, минералогический состав, размалываемость клинкера и, следовательно, на качество цемента. От скорости охлаждения зависят соотношение кристаллической и стекловидной фаз, равномерность изменения объема и химическая стойкость цемента.

Охлаждение клинкера (извести) осуществляется в холодильниках – механизмах, непосредственно связанных с печью. Существует три основных типа холодильников: барабанные, рекуператорные и колосниковые.

Холодильники необходимы для интенсивного охлаждения продукта обжига, выходящего с температурой 1000 – 1300 °C из вращающейся печи. По своему назначению они являются утилизаторами тепла, так как теплота, выносимая клинкером (известью) из печи, используется для нагрева воздуха, поступающего в печь для горения топлива. Применение холодильников позволяет снизить расход топлива на обжиг.

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 объемом ~ 1,8 нм³/кг клинкера нагревается при мокром способе до ~ 300 ºС. КПД удлиненныхрекуператоров достигает ~ 75 %, клинкер в них охлаждается до ~ 130ºС и вторичный воздух нагревается до ~ 350 ºС.

Преимуществом рекуператорного холодильника является простота конструкции, отсутствие привода и избыточного аспирационного воздуха.

Недостатки холодильника заключаются в невысоком тепловом КПД, в повышенной температуре охлажденного клинкера.

Барабанный холодильник

 

Барабанные холодильники располагаются под разгрузочным концом печи и поэтому требуют установки печей на высоких фундаментах. Барабанный холодильник представляет собой металлический барабан, вращающийся со скоростью 3 – 6 об/мин от собственного привода. В барабанном холодильнике клинкер охлаждается с 1000 – 1100°C до 100 – 200°C. Охлаждающий воздух, нагреваемый до температуры 300 – 400°C, используется в качестве вторичного воздуха.

В отличие от колосниковых холодильников воздух для охлаждения клинкера поступает в рекуператорные и барабанные холодильники за счет разрежения, создаваемого печным дымососом. Весь охлаждающий воздух нагревается от клинкера, поступает в печь и используется для горения топлива. Таким образом, количество охлаждающего воздуха равно количеству вторичного воздуха, следовательно, в рекуператорных и барабанных холодильниках отсутствует избыточный воздух.

Аналогичным образом устроены и работают холодильники для охлаждения извести. Температурный режим работы их может меняться.

Холодильник представляет собой наклонный барабан, соединенный с печью вертикальной шахтой, по которой клинкер поступает на охлаждение. Принцип работы барабанного холодильника такой же, как рекуператорного. Он оснащен такими же пересыпными элементами и его эксплуатационные параметры сопоставимы с показателями работы рекуператорного холодильника. Отличие заключается в том, что холодильник конструктивно не связан с печью, имеет самостоятельный привод, и из него может быть отобран третичный воздух, и поэтому он применим для современных печей с декарбонизатором.

 

Колосниковый холодильник

 

Колосниковые холодильники в настоящее время наиболее распространены. Горячий клинкер с разгрузочного обреза печи ссыпается через вертикальную шахту на решетку холодильника, состоящую из последовательно чередующихся рядов неподвижных и подвижных колосниковых плит. Подвижные плиты совершают возвратно-поступательное движение на 150 мм и переталкивают клинкер к выгрузочной течке. Обычно имеются две решетки с самостоятельными приводами, что позволяет менять режим охлаждения в разных участках холодильника.

В пространство под колосниковыми решетками, разделенное на несколько камер, вентиляторами острого и общего дутья нагнетается холодный воздух, который, проходя через щели в плитах и слой лежащего на них клинкера, охлаждает этот клинкер до 40 – 100 °C, одновременно нагреваясь до 400 – 700 °C. Часть горячего воздуха (вторичный воздух), необходимого для горения топлива, поступает через шахту в печь за счет разрежения, создаваемого печным дымососом. Избыточный менее нагретый воздух отсасывается вентилятором, обеспыливается в электрофильтре и удаляется в атмосферу.

В печных установках сухого способа с реактором-декарбонизатором часть горячего воздуха (третичный воздух) с температурой 500 – 700 °C из шахты холодильника подается в реактор-декарбонизатор, пройдя промежуточную очистку в циклоне-осадителе.

Существуют различные конструкции колосниковых холодильников (многоступенчатые, с промежуточным дроблением и охлаждением водой, с двойным прососом воздуха). Однако принцип их работы не меняется.

В настоящее время наибольшее распространение имеют холодильники, в которых охлаждение клинкера происходит в слое при тесном взаимодействии проходящего через него воздуха. Такой непосредственный контакт воздуха с поверхностью клинкерных гранул обеспечивает высокую интенсивность теплообмена и поэтому позволяет повысить тепловой КПД холодильника и снизить его габариты. Этот эффективный процесс реализован в колосниковых холодильниках различных конструкций. Распространение получили в основном две принципиально отличающиеся разновидности: с провальной и беспровальной решетками. Каждый вид имеет несколько модификаций. В России и странах СНГ на высокопроизводительных печах мокрого способа преимущественно установлены отечественные колосниковые переталкивающие холодильники типа «Волга».