Печь для обжига цементного клинкера

Обновлено: 04.05.2024

Футеровка печной системы для обжига клинкера

Поскольку огнеупоры контактируют с обжигаемым материалом при высоких температурах, они должны быть химичес­ки устойчивыми по отношению к этим материалам. Поэтому первично огне­упоры делятся на кислые (для обжига кис­лых материалов), оснóвные (для обжига оснóвных материалов) и нейтральные.

Наиболее характерные представители указанных разновидностей огнеупоров: кислых — динас (в основном состоящий из полиморфных модификаций SiО2), оснóвных — периклаз (MgO) и нейтральных — алюмосиликатные (муллитосодержащие).

Для футеровки высокотемпературных зон вращающихся цементных печей, как правило, применяют оснóвные огнеупоры — периклазовые и, гораздо реже, доломитовые. Остальные участки и запечные системы могут футероваться нейтральными огнеупорами — шамотными и высокоглиноземистыми, которые обычно заметно дешевле и менее прихотливы, поскольку не подвержены гидратации. Кислые огнеупоры в цементных печах не применяются.

Огнеупоры могут поставляться в виде формованных изделий (обожженных или необожженных) или неформованными — в виде огнеупорных смесей, которые могут укладываться различными способами и на различных связках, или пластичных масс.

2. Свойства и методы испытаний огнеупоров

Из общепринятых характеристик огне­упоров для применения в цемент­ных печах имеют значение следующие: проч­ность, температура деформации под нагрузкой, пористость, кажущаяся плотность, термостойкость и химическая стойкость. В некоторых случаях для стационарных участков печного агрегата, например для шахты, холодильника, циклона, также имеет значение крип — ползучесть. Огне­упорность, определяемая по результатам испытаний, является очень условной характеристикой и для определения качества материала обычно значения не имеет.

Особо следует отметить показатель тер­­мостойкости — это способность огне­упора выдерживать смены температур без изменения прочностных показателей и растрескивания. Для его определения могут использоваться разные методы. Поведение огнеупоров при определении температуры деформации под нагрузкой (обычно равной 2 кг/см2 — около 200 кПа) очень различается для оснóвных и алюмосиликатных огнеупоров. Если последние деформируются постепенно в довольно широком интервале температур, то оснóвные огнеупоры разрушаются практически мгновенно при достижении определенной температуры.

Поскольку огнеупоры используются для защиты от перегрева металлического ограж­дения, существенное значение имеют их теплоизоляционные свойства. Они могут описываться через значение пористости — чем пористее огнеупор, тем выше его теплоизоляционные свойства. Также они могут описываться через плотность — чем она меньше, тем лучше теплоизоляция.

На данный момент общепризнанных методов определения химической стойкости не существует. Все они носят довольно условный характер и могут использоваться только для сравнительных целей.

3. Механизмы износа

Как правило, наиболее подвержена износу футеровка высокотемпературной зоны печи. Однако разъедание толщи огне­упора расплавом происходит только при грубых нарушениях технологии. В нормальных условиях перерождению подвергается только поверхностный слой огне­упора толщиной несколько миллиметров, на поверхность которого затем налипает слой обжигаемого материала — обмазка. Обмазка предохраняет огнеупор от воздействия материала и значительно улучшает теплоизоляцию. Без образования достаточно устойчивой обмазки обеспечить длительную службу футеровки в зоне спекания практически невозможно.

Обычный механизм износа огнеупоров — это сколы их поверхностных слоев. Сколы происходят под воздействием механических и термомеханических нагрузок по ослабленным слоям огне­упора, которые возникают в толще футеровки из-за химического износа. Особенно сильные термомеханические нагрузки возникают при остановках печи с ее охлаждением и последующим розжигом, что часто сопровождается обрушением обмазки и части футеровки.

Наиболее сильному механическому воздействию огнеупоры подвергаются на участках возле бандажей из-за деформации корпуса печи. Поэтому подбандажные участки являются наиболее уязвимыми в цементной печи, и в какой-то мере это относится и к алюмосиликатному огне­упору.

Основной химический износ происходит за счет диффузии газов из печного пространства в толщу огнеупора, поэтому большое значение имеет пористость изделий. При проникновении печных газов в огнеупоре откладываются щелочные соли, подвергающиеся возгонке в зоне спекания. Как правило, этот процесс приводит к возникновению зональности по толщине футеровки. В нескольких сантиметрах от горячей поверхности имеют место особенно интенсивное отложение солей, перерож­дение структуры и потеря прочности. Именно по этой зоне обычно происходит скол.

Проникновение щелочных солей в алюмосиликатные огнеупоры также приводит к перерождению слоев, особенно в зонах температур, близких к 1000 °C, т. е. в зоне загрузочной головки печи, вертикальном газоходе и нижнем циклоне. За счет новообразований здесь также происходят постоянные сколы.

Магнезиальные огнеупоры обладают высокой химической устойчивостью, в том числе и к щелочным солям. Они практически не подвергаются химическому износу. Но использование чистых магнезиальных огнеупоров практически невозможно ввиду их низкой термостойкости, они легко растрескиваются при смене температур. Чтобы магнезиальные огнеупоры обладали достаточно высокой термостойкостью, в них добавляют шпинель. Благородная шпинель сохраняет устойчивость даже при 2000 °C. Но именно она и реагирует с солями, вследствие чего происходит ее разрушение. Подбор оптимального состава и количества шпинели в магнезиальных огнеупорах — это направление постоянных исследований и новых решений.

При использовании альтернативного топлива, особенно в случае наличия в нем поливинилхлорида (ПВХ), нужно учитывать количество поступающего хлора, поскольку хлорид калия в зоне спекания испаряется полностью, накап­ливается в обжигаемом материале, разъе­дает футеровку, а на поверхности цик­лонных теп­лообменников осаждается в виде жидкос­ти, из-за чего начинается образование налипаний, которое может привести к экстренной остановке печного агрегата. В этом случае обязательна установка байпаса, если превышено ограни­чение по поступлению хлора в печь (не более 0,02 %).

При подборе огнеупоров нужно учитывать абразивные свойства материалов в различных зонах. Сырьевая мука имеет очень низкие абразивные свойства, поверхность футеровки может практически не подвергаться истиранию в течение многих лет. Совершенно иная ситуация с клинкером, который является очень абразивным материалом. Поэтому зоны охлаждения, шахты, вход в холодильник подвержены довольно сильному абразивному износу. В этих зонах целесообразно применение алюмосиликатных огнеупоров с добавлением карборунда, а также высокоглиноземис­тых огнеупоров.

Длина зон спекания в цементных печах зависит от вида топлива. При использовании угля зона получается короткой (ее длина равна 4—5 диаметрам печи) и перенапряженной. Если же используется газ, то зона спекания длиннее — 8—10 диамет­ров печи. Лучеиспускание в первом случае гораздо интенсивнее, теп­лопередача тоже, поэтому при использовании угля в зоне спекания срок службы огнеупоров часто меньше.

В большинстве случаев при нормальной эксплуатации срок службы огнеупоров на отдельных участках составляет примерно год. С таким интервалом и производятся плановая остановка и перефутеровка печи.

4. Выполнение и ремонты футеровок

Методы укладки футеровок различаются в зависимости от используемых материалов.

Для выполнения арки или круговой футеровки вращающейся печи штучными огнеупорами кирпич должен иметь клиновидную форму, поскольку длина внешней окружности больше, чем внутренней. В России, а теперь и во всем мире, для кладки используется набор из двух клиньев, один из которых рассчитан на больший диаметр, второй на меньший; таким образом, из кирпичей этого набора можно выполнять футеровку на разных диаметрах. Ранее в Европе на каждый диаметр печи выпускался кирпич своего размера.

При укладке используются передвижные кружала или применяется система распоров с подворотами печи. Если используются кружала — кладка происходит кольцами, если система распоров – тогда вперевязь.
В высокотемпературных зонах наиболее часто используются прокладки из стальных пластин, которые помещают между кирпичами в расчете на то, что сталь расплавится и сварит кирпичи между собой. Многие фирмы выпускают огнеупоры сразу в кассетах, спрессованные с такими пластинами, а также метят внут­реннюю сторону кирпича, чтобы исключить ошибку при укладке. Зоны высоких температур почти всегда футеруются кирпичами.

В запечной системе целесообразно использовать бетоны. Как правило, эти системы футеруются двумя слоями, ино­гда используются муллитовые маты — материал с высокими теплоизоляционными свойствами.
Требования к условиям хранения различных огнеупоров неодинаковы. Например, магнезиальные огнеупоры необходимо хранить на крытых складах, так как они реагируют с водой. Остальные огнеупоры допустимо хранить под навесами.

Пластичные массы с фосфатными связками поставляются в виде брикетов в герметичных упаковках. Для их укладки используют системы анкеров. Пластичные массы применяются на геометрически сложных участках, например, на горелке.

Ремонты футеровки бывают плановые и внеплановые, случаются и горячие ремонты, когда печь либо не остывает, либо остывает не полностью (как правило, таких ремонтов требуют высокотемпературные зоны). Значительную трудность представляет собой задача предварительного определения объемов ремонта. Для планового ремонта закупаются и подаются в печь сотни тонн огнеупоров, привлекаются ремонтные бригады, проводится установка транспортеров, подводится демонтажная техника. В последнее время применяются специальные тепловизионные методы, которые позволяют определить и рассчитать необходимый объем работ и выполнить необходимую подготовку.

Кирпичную футеровку иногда меняют панелями, не целиком, а частями, по обрезным швам. Отбойными молотками удаляется полоса кирпичей (штроба), а затем печь проворачивается, и оставшийся кирпич обваливается.
Демонтаж футеровки — сложная и опас­ная часть ремонта, поэтому предпочтительнее выполнять демонтаж при помощи специальной техники.

Отработанный огнеупор утилизуется. Иногда возможна его последующая переработка в заполнители для огнеупорных бетонов. При утилизации огнеупоров необходимо учитывать, что отходы магнезиально-хромистых огнеупоров представляют особую опасность, так как во время эксплуатации в них образуется шестивалентный хром, для которого введены очень строгие ограничения на его попадание в окружающую среду.

5. Особенности эксплуатации футеровок

При правильной эксплуатации огне­упорная футеровка может прослужить достаточно долго и не требовать остановок печи за весь срок между плановыми ремонтами. Для этого существует ряд общих рекомендаций.
Во-первых, следует избегать вращения печи в холодном состоянии, поскольку в нагретом, соответственно, расширенном состоянии футеровка «садится» на корпус печи, а при остывании и усадке возникают зазоры, и при повороте возможно смещение и скручивание футеровки, что может вызвать ее обрушение.

Во-вторых, желательно избегать остановок печи с охлаждением, так как при этом происходит обрушение обмазки, которая может захватывать с собой и огнеупоры.

В-третьих, если в печной системе используются бетоны, розжиг печи следует проводить очень постепенно и равномерно, чтобы футеровку не повредило паром. Обычно это происходит в течение нескольких суток, по специальному графику розжига.

В-четвертых, нежелательно форсировать печь и создавать короткую и перенапряженную зону спекания. Если это возможно, рекомендуется поддерживать длину зоны горения максимальной, хотя в печах сухого способа выполнить эту задачу весьма непросто из-за того, что вторичный воздух имеет очень высокую температуру.

Большую помощь в правильной экс­плуа­тации огнеупорной футеровки могут оказать сканирующие инфракрасные устройства с соответствующим программным обеспечением. Они позволяют вовремя обнаружить проблемы и принять меры по наращиванию обмазки на опасных участках.

На многих заводах для улучшения образования обмазки и предохранения корпуса печи вдоль высокотемпературной зоны устанавливают воздуходувки, охлаж­дающие корпус печи.

6. Заключение

Основные тренды в улучшении качества магнезиальных огнеупоров — это использование все более чистых материалов, высокотемпературный обжиг исходных материалов и изделий, обжиг с нагрузкой, что приводит к увеличению стои­мости. Естественно, такое увеличение стоимости огнеупоров оправдано только в том случае, если оно обеспечивает соответствующее сокращение эксплуатационных расходов.

Интересно направление использования доломита. Он намного дешевле магнезита, а по своим огнеупорным качествам ничуть ему не уступает. Главный недостаток доломита — наличие в больших количествах свободного оксида кальция, который легко гидратируется, что делает применение доломитового кирпича очень сложным.

Печи для обжига клинкера

Для получения клинкера сырьевую смесь (в виде шлама муки или гранул) обжигают во вращающихся печах.
Вращающаяся печь — пустотелый, открытый с торцов, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом барабан, установленный с наклоном 3—4° к горизонту и вращающийся со скоростью 1—1,5 об/мин в зависимости от диаметра и производительности печи. Печь работает по принципу противотока. Сырьевую смесь подают со стороны верхнего «холодного» конца печи, а со стороны нижнего «горячего» конца непрерывно загружают топливо— воздушную смесь Благодаря вращению и наклону барабана сырьевая смесь движется к разгрузочной части печи. Обожженный клинкер через соединительную камеру поступает в холодильник. Отработанные газы выбрасываются в атмосферу через пылеуловители.
Вращающуюся печь по характеру процессов, происходящих во время обжига, разделяют на шесть температурных зон — испарения (или подсушки), подогрева, декарбонизации, экзотермии, спекания и охлаждения (см. гл. 4, § 17). Зоны испарения и подогрева занимают обычно 50—60 % длины печи, декарбонизации и экзотермии— 25—30 %, спекания — 10—15% и охлаждения — 2—4%. В печах сухого способа производства портландцемента зоны испарения, подогрева и частично декарбонизации выносят из корпуса в отдельно установленные агрегаты. Сырьевая смесь, проходя последовательно все зоны в печи, превращается в клинкер.
Корпус вращающейся печи имеет по всей длине постоянный или переменный диаметр. В печах с переменным диаметром зоны спекания и подсушки расширены.
Для снижения расхода топлива вращающиеся печи оборудуют встроенными или отдельно установленными теплообменными устройствами; для охлаждения клинкера предусматривают отдельно стоящие или укрепленные на корпусе печи холодильники.
Вращающиеся печи классифицируют: по конструкции корпуса — печи с корпусом, имеющим одинаковый диаметр по всей длине; печи с корпусом, расширенным в зоне спекания; печи с корпусом, расширенным в зоне подсушки; печи с корпусом, расширенным в зонах спекания и подсушки:

конструкции устройства для снижения расхода топлива — печи со встроенными теплообменниками, печи с кальпинаторами, печи с концентраторами шлама, печи с* циклонными теплообменниками;

конструкции привода — печи с приводом от одного или двух электродвигателей, печи с гидравлическим приводом,
конструкции холодильника — печи с холодильниками барабанного типа, печи с рекуператорными холодильник ками, печи с колосниковыми холодильниками.
Главные параметры вращающейся печи — диаметр и длина. На цементных заводах эксплуатируются вращаюЛ щиеся печи длиной от 36 до 230 м, диаметром от 2,1 до 7 м. Отношение длины к среднему диаметру для печей мокрого способа 27—41, сухого— 15—17.
Если вращающаяся печь имеет одинаковый диаметр по всей длине, то размеры ее, например диаметр 7 м и длину 230 м, обозначают так: «печь вращающаяся 7х Х230» Если вращающаяся печь имеет расширенную по сравнению с зонах спекания зону подсушки, то диамет-1 ры их указывают в виде дроби. Например, печь длиной 150 м и диаметром барабана в зоне спекания 4 м, в зоне подсушки 3,6 м обозначают: «печь вращающаяся 4/3,6x150»; при наличии в печи двух расширенных зон (спекания и подсушки) — «печь вращающаяся 4/3, 6/4 X X150» и т. д.
В цементной промышленности постоянно ведутся работы по созданию новых конструкций печных агрегатов большой производитель-! ности и с высокими удельными съемами клинкера сім8 печи, пониженным расходом топлива и высоким качеством получаемой продукции. При этом имеется тенденция к созданию малогабаритных агрегатов — реакторов с интенсивным обменом между материалом и теплоносителем, отличающихся значительно большей скоростью процесса обжига клинкера
Разрабатываются и совершенствую іся способы получения клиі- кера во взвешенном состоянии, в кипящем слое, во взвешешю-фсн- танирующем состоянии, путем плавления, в вакуумной камере и др.
Принцип обжига во взвешенном состоянии заключается в том, что материалы движутся прямотоком или противотоком с горячими газами и равномерно распределяются в них.
В качестве печного агрегата для производства клинкера используется циклонная топка, применяющаяся в металлургии. Это цилиид-J рический барабан диаметром 0,5 м и длиной 1,5 м, отфутерованный хромомагнезитом. Тонкоизмельченная сырьевая смесь подхватывается в печи тангентально вводимым потоком воздуха и жидкого топлива и рассредотачивается в печном пространстве. Время обжига материала во взвешенном состоянии от долей секунды до нескольких секунд. Температура обжига достигает 2000 СС. Обожженный материал выносится из печи потоком дымовых газов и осаждается в пи- леосадительных устройствах.
В Японии созданы установки для высокоскоростного обжига цементного клинкера во взвешенном состоянии. Кроме того, предложена однореактивная печь, представляющая собой цилиндрическую или коническую камеру, в которую из бункера по загрузочному верхнему патрубку поступает тонкомолотая сырьевая смесь. В верхней части камеры тангентально вводится поток воздуха и жидкого топлива. Воспламенение топлива происходит в самой камере. Скорость теплоносителя регулируется путем изменения давления и скорости подачи воздушно-топливной смеси. У стенок камеры поток теплоносителя, закручиваясь по спирали, спускается вниз, а в центре камеры движется по спирали снизу вверх. Попадающие в центр камеры через загрузочный патрубок часгицы сырьевой смеси подхватываются поднимающимся потоком и движутся по спирали вверх, постепенно перемещаясь от центра камеры к ее стенкам. Для предотвращения уиоса материала скорость его не должна быть слишком большой. Подходя к стенкам камеры, частицы сырьевой смеси вместе с подогретыми частицами, подаваемыми через нижний патрубок, опускаются вниз, а газы через нейтральное отверстие в торцовой стенке удаляются из камеры. Затем обожженный материал поступает в холодильник, а из него в выгрузочное отверстие.
Подъем и опускание взвешенных частиц обеспечивают интенсивный теплообмен и высокую скорость реакции клинкерообразования.
Способ обжига материала в кипящем слое заключается в том, что через слой гранулированного материала пропускают снизу вверх поток горячих газов с такой скоростью, чтобы гранулы находились в непрерывном движении. Материал в таком состоянии имеет сходство с кипящей жидкостью
Обжиг клинкера в кипящем слое осуществлен в опытно-промыш- леиной печи НИИЦемента — цилиндрической шахте переменного диаметра. Гранулированная сырьевая смесь поступает сверху, а топливо и воздух снизу. Материал последовательно проходит через все зоны шахты. В сечении зоны наименьшего диаметра при движении газового потока образуется кипящий слой с интенсивным перемешиванием материала. Интенсивный теплообмен между материалом и газами позволяет ускорить процесс клинкерообразования и улучшить теплотехнические показатели работы печного агрегата.
Фирмой «Пайзел» (США) предложена установка для обжига цементного клинкера в кипящем слое, представляющая собой печь- реактор диаметром 2,5 и высотой 5 м. Сырьевая мука пневмовин- товым насосом подается в реактор через донную колосниковую решетку. Обожженный клинкер по трубе поступает в холодильник. Затем клинкер рассеивается на грохоте, в результате чего гранулы размером менее 2,5 мм возвращаются в реактор в качестве затравки. Съем готовой продукции в несколько раз превышает съем с вращающейся печи.
НИИЦементом совместно с Институтом тепломассообмена АН БССР разработана конструкция многореакториой шахтной безрешеточной печи для обжига клинкера во взвешенно-фонтанирующем состоянии. Печь состоит из конических реторт-реакторов. По высоте она делится на зоны подогрева, обжига и охлаждения. Сырьевая смесь поступает сверху в виде гранул, а в самый нижний реактор подается воздушное дутье и обожженный материал, который здесь и охлаждается. Клинкер образуется в вышерасположенном реакторе, где происходит сжигание топлива. В каждом реакторе материал находится в пульсирующем взвешенно-фонтанирующем состоянии.
Частота пульсации определяет производительность установки, коте,, рая в свою очередь должна быть строго согласована с необходимы» временем термообработки материала.
Способ плавления клинкера, предложенный В. В. Серовым, зц. ключается в получении портландцемента путем обогащения извесТняком огненно-жидких шлаков. В конвертор диаметром 3, высотой 8 м и вместимостью 10 т расплава загружают жидкий шллк, и* вестняк и железную руду. СНизу конвертера через две фурмы жидкий шлак под давлением вдувают топливо вместе С воздухе; обогащенным кислородом. Температура расплава в конрерюре по?, тигает 1900—2000 °С. Расплавленный клинкер, выпущенный из ков- вертера, охлаждается на грануляционном барабане. Клинкер можно плавить и в энергетических котельных топках, получаемый при этоц в виде отхода шлак близок по составу к портландцементу.
Принцип обжига цементной сырьевой муки в вакуумной камер» батарейного типа при помощи электронного пучка разработан в ГДР. Дне обжиговой камеры имеет конфигурацию переменного сечения, профиль которого определяется углом естественного откоса сыры, вой муки и цементного клинкера. Для создания глубокого вакуума вся система помещена под колокол, в верхней и нижней частях которого имеются шлюзовые затворы для загрузки сырьевой муки к иыгрузки цементного клинкера. Вакуум в системе создается при помощи вакуумных насосов, которые отсасывают воздух из системы. Готовый клинкер выгружают из камеры, дробят в клинкерной дробилке и охлаждают в холодильнике. Нагретый в холодильнике воздух используется для подогрева сырьевой муки в бункере загрузочного устройства. Подогрев производится без смешивания материала с теплоносителем. Установка оборудована системой автоматического регулирования

Обжиг клинкера

Технологии. Основным и самым энергоемким переделом в про­изводстве цемента является обжиг клинкера, потребляющий до 80% общей энергии. На получение цемента в нашей стране расходуется до 25 млн. т условного топлива в год.

Независимо от способа производства, завершающая стадия процесса обжига клинкера осуществляется преиму­щественно во вращающихся печах. Попытки осуществления спекания клинкера в других агрегатах-реакторах пока не полу­чили широкого промышленного внедрения. Особенностью работы вращающейся печи является то, что в одном агрегате одновременно протекают взаимообусловленные химические и физические превращения вещества, термохимические, тепло - массообменные, газодинамические процессы, осуществляется факельное сжигание топлива, происходит перенос возогнанных и конденсированных фаз из материального потока в газовый и обратно. Каждый из приведенных отдельных процессов сам по себе достаточно сложен. При управлении же всей системой в целом возникают дополнительные трудности, обусловленные взаимным влиянием указанных процессов, накладывающихся друг на друга.

Так, интенсивность сушки шлама определяет грансостав материала в подготовительных зонах, который, в свою очередь, существенно влияет на теплообмен между газовым потоком и обжигаемым материалом. Величина теплообмена в значи­тельной мере определяет температуру и энтальпию газового потока в зоне сушки и тем самым влияет на интенсивность этого процесса и грансостав высушенного материала. В резуль­тате возникает подобие замкнутого круга, когда нарушение в од­ном звене многократно усиливается в циклическом процессе. Подобные явления наблюдаются и в других участках печи. Например, при повышении слоя материала в печи необходимо увеличить расход топлива. С увеличением расхода топлива интенсифицируется декарбонизация материала в зоне кальци­нирования и, следовательно, скорость его движения, т. е. еще в большей степени увеличивается слой материала в зоне горения

Топлива, что требует более теплонапряженного факела. Однако выделяющееся в этих условиях большое количество углекислого газа из материала замедляет процесс горения топлива и, следо­вательно, снижает теплонапряжение и температуру факела,

Что, естественно, приводит к нарушению процесса спекания клинкера.

Подобные замкнутые взаимозависимые процессы наблю­даются и при рециркуляции пыли, выносимой и возвращаемой в печь в системах колосниковый холодильник — печь, уголь­ная мельница — печь и в других случаях. На основании при­веденных данных можно подчеркнуть принципиальную осо­бенность вращающейся печи по сравнению с другими тепло­выми агрегатами, которая заключается в том, что при эксплуа­тации невозможно обособленно влиять на какой-либо один про­цесс или параметр, щ затрагивая всю систему в целом. Напри­мер, если в туннельных печах можно изменять количество обжигаемого материала и, следовательно, скорость движения вагонеток, принудительно и совершенно независимо от состоя­ния газового потока в печи, то подобной свободы действия для вращающейся йечи не имеется. Причем с интенсификацией производства и увеличением мощности агрегатов усиливается и усложняется взаимное влияние физико-химических и теплотех - нологических процессов.

С увеличением единичной мощности вращающейся печи не только увеличивается производительность агрегата, но меня­ется и ряд важнейших теплотехнических характеристик (табл. 1).

При неизменном объемном теплонапряжении, которое для печей мокрого способа производства составляет около 43 кВт/м2, с увеличением мощности агрегата повышаются теплонапряжение на свободное сечение печи и поверхность футеровки и материала. Последнее обстоятельство связано с важными параметрами процесса. Вследствие уменьшения удельной поверхности теплообмена интенсификация теплопере­дачи может быть!» основном осуществлена путем увеличения температуры газшшго' потока. При этом возникают затруд­нения по сохранению футеровки в зоне спекания и созданию защитной обмазки. Порышенное теплонапряжение на свободное сечение при одновременном увеличении температуры газа в мощных печах приводит к значительному увеличению скорости газового потока, вследствие чего наблюдается тенденция к увеличению пылеуноса из отдельных зон агрегата. Это усили­вает внутреннюю и внешнюю циркуляцию пылевых потоков,

Изменение теплотехнических параметров в зависимости от мощности вращающейся печи

Реферат: Вращающаяся печь 5х185 м для обжига клинкера по мокрому способу

1. Тема курсового проекта: Вращающаяся печь 5x185м для обжига клинкер по мокрому способу. Топливо – газ тюменский.

2. Содержание проекта: а) расчеты горения топлива и печи по методическим указаниям, спец. расчет – колосниковый холодильник; б) графика – горячий конец печи с холодильником.

3. Особые дополнительные сведения:

Химический состав сырьевой смеси, %

Минералогический состав клинкера, %

Влажность шлама W=36 %

5. Тепловой баланс установки составлять без холодильника, принимая температуры:

окружающей среды 10 O C

клинкера из печи 1100 O C

воздуха из холодильника 500 O C

(весь воздух через холодильник)

отходящих газов 200 O C

потери в окружающую среду 13 O C

Цементный клинкер получают в основном из мокрых сырье­вых смесей (шламов) с влажностью от 30% до 50% во вращаю­щихся печах, не имеющих запечных теплоутилизаторов. К преимуществам мокрого способа обжига относятся просто­та приготовления сырьевой смеси, легкость достижения однород­ности ее состава, сравнительно небольшие энергозатраты и до­статочно гигиенические условия труда (отсутствие запыленно­сти). Недостатком мокрого способа является повышенный рас­ход топлива.


Вращающаяся печь диаметром 5 м и длиной 185 м конструкции УЗТМ (рис.), состоит из цилиндрического корпуса 1 , опирающего­ся через бандажи 2 на опорные ролики 3. Корпус имеет уклон 3,5—4% и вращается со скоростью 0,5—1,2 об/мин. Привод пе­чи двойной и состоит из двух электродвигателей 4 , двух редукторов 5, двух подвенцовых шестерен и одного венцового коле­са 6 .

В середине печи, на одной из ее опор, устанавливается пара роликов (горизонтально) для контроля за смещением печи вдоль оси (вниз или вверх). Вспомогательный привод включается в ра­боту при ремонтах печи, в период розжига и остановки, когда печь должна вращаться медленно. Шлам подается в питательную трубу 7 при помощи ковшовых или объемных дозаторов, на­ходящихся у холодного конца печи. Со стороны головки 8 в печь подается топливо и воздух; в результате сгорания топлива по­лучаются горячие газы, поток которых направлен от горячего конца печи к холодному—навстречу движущемуся материалу. Для улучшения теплопередачи и обеспыливания газов внутри печи в холодном ее конце размещается цепной фильтр-подогре­ватель 9 , создается цепная завеса 10 и устанавливаются теплообменники 11 . Пыль, уловленная за печью в результате газоочистки, возвращается обратно в печь. Она транспортируется пневмонасосом в бункер, а из него при помощи периферийного загружателя 12 направляется в полую часть пе­чи, расположенную рядом с цепной завесой со стороны горяче­го конца. Клинкер охлаждается в колосниково-переталкивающем холодильнике 14. На печах длиной 185 м кор­пус в зоне спекания оборудован установкой для водяного охлаждения 15 и центральной системой смазки 16 .

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ЦЕМЕНТНОЙ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

1.1 Расчет горения топлива.

В справочнике находим состав заданного вида топлива на горючую массу и влажность рабочей массы топлива (W P ).

ПЕЧИ СУХОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА КЛИНКЕРА

Обжиг— завершающая технологическая операция производства клинкера. В процессе обжига из сырьевой смеси определенного химического состава получают клинкер, состоящий из четырех основных клинкерных минералов.

В качестве установок для получения клинкера могут быть использованы различные по своей конструкции и принципу действия тепловые агрегаты.

Однако в основном для этой цели применяют вращающиеся печи, в них получают примерно 95% клинкера от общего выпуска, 3,5% клинкера получают в шахтных печах и оставшиеся 1,5% — в тепловых агрегатах других систем — спекательных решетках, реакторах для обжига клинкера во взвешенном состоянии или в кипящем слое.

Вращающиеся печи являются основным тепловым агрегатом как при мокром, так и при сухом способах производства клинкера.

Обжигательным аппаратом вращающейся печи является барабан, футерованный внутри огнеупорными материалами. Барабан установлен с наклоном на роликовые опоры.


С поднятого конца в барабан поступает жидкий шлам или гранулы. В результате вращения барабана шлам перемещается к опущенному концу. Топливо подается в барабан и сгорает со стороны опущенного конца. Образующиеся при этом раскаленные дымовые газы продвигаются навстречу обжигаемому материалу и нагревают его. Обожженный материал в виде клинкера выходит из барабана.

Рисунок14.1 - Технологическая схема получения цемента по мокрому способу: 1 - щековая дробилка; 2 - молотковая дробилка; 3 - склад сырья; 4 - мельница «Гидрофол»; 5 - мельница мокрого помола; 6 - вертикальный шламбассейн; 7 - горизонтальный шламбассейн; 8 - вращающаяся печь; 9 -холодильник; 10 - клинкерный склад; 11 - мельница; 12 - силос це­мента.

В качестве топлива для вращающейся печи применяют угольную пыль, мазут или природный газ. Твердое и жидкое топливо подают в печь в распыленном состоянии. Воздух, необходимый для сгорания топлива, вводят в печь вместе с топливом, а также дополнительно подают из холодильника печи. В холодильнике он подогревается теплом раскаленного клинкера, охлаждая последний при этом. Воздух, который вводится в печь вместе с топливом, называется первичным, а получаемый из холодильника печи — вторичным.

Образовавшиеся при сгорании топлива раскаленные газы продвигаются навстречу обжигаемому материалу, нагревают его, а сами охлаждаются. В результате температура материалов в барабане по мере их движения все время возрастает, а температура газов — снижается.

Сырьевой шлам, имеющий температуру окружающего воздуха, попадая в печь, подвергается резкому воздействию высокой температуры отходящих дымовых газов и нагревается.

Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 1 470°C в течение 2…4 часов в длинных вращающихся печах (3,6х127 м, 4×150 м и 4,5х170 м) с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы.

Вращающуюся печь мокрого способа условно можно поделить на зоны:

· сушки (температура материала 100…200 °C — здесь происходит частичное испарение воды);

· экзотермических реакций (1 200…1 350 °C) завершается процесс твёрдофазового спекания материалов, здесь полностью завершается процесс образования таких минералов как С3А, С4АF (F — Fe2O3) и C2S (S — SiO2) — 3 из 4 основных минералов клинкера;

· охлаждения (1 300…1 000 °C) температура понижается медленно. Часть жидкой фазы кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.

Основные минералы клинкера: алит, белит, трехкальциевый алюминат и аллюмоферит

Алит- самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45…60%. Он быстро твердеет и набирает высокую прочность, интенсивно выделяет тепло. Алит представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2…4%) MgO, Al2O3, P2O5, Cr2O3 и других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства минерала.

Белит- второй по важности и содержанию (20…30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента; обладает малым тепловыделением. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор b-двухкальциевого силиката (b-С2S) и небольшого количества (1…3%) Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3.

Трехкальциевый алюминат содержится в клинкере в количестве 4…12% и при благоприятных условиях обжига получается в виде кубических кристаллов размером до 10-15 мкм; образует твердые растворы сложного состава. Он очень быстро гидратируется и твердеет, но имеет небольшую прочность и наибольшую интенсивность тепловыделения. Является причиной сульфатной коррозии бетона, поэтому в сульфатостойком портландцементе содержание С3А ограничено 5%.

Четырехкальциевый алюмоферрит в клинкере содержится в количестве 10. 20%. Алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава, в клинкерах обычных портландцементов ее состав близок к 4CaO×Al2O3×Fe2O3. По скорости гидратации минерал занимает промежуточное положение между алитом и белитом.

Наименование Формула Сокращенное обозначение Примерное содержание в клинкере, %
Алит (трехкальциевый силикат) 3CaO×SiO2 C3S 45-60
Белит (двухкальциевый силикат) 2CaO×SiO2 C2S 20-30
Трехкальциевый алюминат 3CaO×Al2O3 C3A 4-12
Целит (четырехкальциевый алюмоферрит) 4CaO×Al2О3×Fe2O3 C4AF 10-20

ПЕЧИ СУХОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА КЛИНКЕРА

Печи сухого способа производства примерно в два раза короче печей мокрого способа при равной или даже большей производительности. Современные мощные печи этого способа имеют размеры: 6,4/7,0x95 м, 5x75 м и производительность 25 т/ч и 75 т/ч соответственно. Уменьшение длины печи связано с двумя основными факторами: во-первых, в печах сухого способа в принципе отсутствует зона сушки, во вторых, часть процессов выносится из печи в запечные теплообменные устройства (циклонные теплообменники, реактор-декарбонизатор или конвейерный кальцинатор).

В основу конструкций печей с циклонными теплообменниками положен принцип эффективного теплообмена между отходящими из печи дымовыми газами и частицами сырьевой муки, находящимися во взвешенном состоянии. Уменьшение размера частиц обжигаемого материала и увеличение его удельной поверхности, а также максимальное использование всей поверхности частиц для контакта с теплоносителем интенсифицируют теплообмен между ними. Этот способ передачи теплоты обеспечивает быстроту и равномерность нагрева и поэтому весьма эффективен. Во взвешенном состоянии при достижении температуры диссоциации декарбонизация СаСОз протекает также гораздо быстрее, чем при обжиге шихты в слое. Но все процессы, связанные с непосредственным контактом частиц-реагентов между собой (твёрдофазовые реакции, спекание), наоборот, замедляются.

Откорректированная сырьевая мука поступает в систему циклонных теплообменников. Отходящие из вращающейся печи газы с температурой 900-1000°С по газоходу 10 движутся в циклонный теплообменник IV ступени, а затем последовательно проходят циклонные теплообменники III, II и I ступеней, пылеулавливающее устройство и дымососом 9 через Дымовую трубу 1 выбрасываются в атмосферу.


В узких газоходах циклонных теплообменников средняя скорость газов составляет 15-20 м/с, что значительно выше скорости витания частиц сырьевой муки. Поэтому поступающая в газоход между I и II ступенями циклонов сырьевая мука увлекается потоком газов и выкосится в циклонный теплообменник I ступени, где материал подогревается, а газы охлаждаются. Осевший в циклоне материал через затвор-мигалку 11 поступает в газоход между II и III ступенью циклонов, а из него выносится с газовым потоком в циклон II ступени. Затем материал движется в газоходах и циклонах III и IV ступеней. Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, и при этом нагревается. По выходе из циклона IV ступени материал имеет температуру 700-800°С, затем он подаётся во вращающуюся печь 8 для дальнейшего обжига.

Время пребывания частиц сырьевой муки в циклонном теплообменнике не превышает 25-30 с, и за это очень короткое время материал нагревается, полностью дегидратируется глинистая составляющая сырьевой смеси, а также на 25-30% успевает пройти декарбонизация карбонатной породы. Таким образом, в циклонном теплообменнике осуществляются процессы, которые соответствуют зоне подогрева и частично зоне кальцинирования.

Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками имеют высокие технико-экономические показатели, длительный срок службы, просты по конструкции и надёжны в эксплуатации (отсутствие Движущихся элементов), они отличаются высоким коэффициентом использования. Основным недостатком данного теплообменного Устройства является большая высота циклонной башни - 50-60 м.

Наиболее современными являются технологии, основанные на трёхступенчатом обжиге, которые позволяют направлять в обжиговую печь материал который декарбонизирован почти ПОЛНОСТЬЮ. Для интенсификации процесса диссоциации CaСО3 между запечным теплообменником и печью устанавливается специальный реактор – диссационная ступень (декарбонизатор), представляющая собой печь специальной конструкции с вихревой форсункой, где происходит сжигание топлива и декарбонизация сырьевой муки в вихревом потоке

Температура материала на входе в реактор составляет 720-750С. В результате сгорания дополнительного количества топлива температура газового потока повышается до 1000-1050, а материал нагревается до температуры 920-950. Каждая Частица материала находится в системе "циклонный теплообменник - Диссоционный реактор" всего 70-75 с, но по выходе из нее степень его декарбонизации составляет 85-95%.

Установка диссоционной ступени позволяет повысить съем клинкера с 1 м3 внутреннего объёма печи в 2,5-3 раза, в результате печь диаметром 5-5,5 м может иметь производительность 6000-8000 т/сут удельный расход теплоты снижается до 3-3,1 кДж/кг клинкера. Размеры реактора невелики, он может быть использован не только при строительстве новых линий, но и при модернизации уже существующих коротких вращающихся печей с циклонными теплообменниками.


Рисунок 14.2 - Технологическая схема получения цемента по сухому способу: 1 - бункер известняка; 2 - щековая дробилка; 3 - молотковая дробилка; 4 - бункер глины; 5 - валковая дробилка; 6 - объединенный склад сырья; 7 - мельница «Аэрофол»; 8 - циклон-осадитель; 9 - промежуточный силос; 10 - сепаратор; 11 - мельница; 12 - гомогенизационный силос; 13 - запасной силос; 14 - печь с циклонными теплообменниками; 15 - холодильник; 16 - склад клинкера и добавок; 17 - мельница; 18 - цементный силос.

Читайте также: