6.5. Обжиг портландцементных сырьевых смесей

В зависимости от технологии подготовки сырьевых смесей к обжигу, различают два основных способа производства клинкера — мокрый и сухой.

При мокром способе во вращающуюся печь подают сырьевой шлам (суспензию) влажностью от 30 до 45 %, который получают путем размучивания и помола или сочетанием этих приемов. Мокрый способ подготовки целесообразен, когда высокая естест­венная влажность и физические свойства компонентов сырья (пластичная глина, мел с высокой влажностью и т. д.) препятст­вуют экономичному получению сырьевой муки. Мокрый способ производства характеризуется высокими удельными затратами тепла на обжиг, которые колеблются в широких пределах в за­висимости от конструкции и размеров печи, холодильника и теплообменных устройств, свойств сырья, химического и минера­логического состава сырьевых компонентов и могут составить 5,2 МДж/кг до 6,9 МДж/кг (12504-1650) .

При сухом способе подготовки сырьевые компоненты измель­чаются, перемешиваются и поступают на обжиг в виде сухой сырьевой муки с влажностью 1—2%, при этом удельный расход тепла на обжиг в современных печных установках с циклонными теплообменниками составляет от 3,1 МДж/кг до 3,6 МДж/кг

(740-870) Н5£ ' кг

Проектирование технологического процесса обжига сырьевой шихты включает выбор вида и способа подготовки топлива, типа и конструкции печного агрегата и компоновочных решений печ­ного цеха.

Таблица 6.7.

Размер печи	Производительность
	ч/сутки	т/час
 5,6х185 м	1820	75,8
 5,0х185 м	1730	72,0
 4,5х170 м	1200	50,0
 4,0х150 м	840	35,0
 3,6х150 м	600	25,0

Для обжига по мокрому способу производства применяются вращающиеся печи с внутрипечными теплообменными уст­ройствами и отношением длины печи к диаметру L/D = 33 — 38.

Производительность отечественных агрегатов мокрого способа следует принимать в соответствии с табл. 6.7

Опыт эксплуатации длинных вращающихся печей с внутрипеч­ными теплообменными устройствами показал нецелесообразность применения пересыпных тепло­обменников (циклоидных, лопа­стных и др.). Их установка при­водит к резкому увеличению выноса пыли из печи и, как следствие, к неравномерному движению материала по печи, износу футеровки и снижению К_и печного агрегата. Наиболее экономически целесообразными следует признать теплообменные устройства, конструируе­мые и монтируемые из цепей различной длины при оптималь­ных для конкретных условий способах и схемах их подвески. Цепные теплообменники просты в изготовлении, монтаже и легко ремонтируются даже при сравни­тельно непродолжительных остановках печи.

Выбор схемы навески, проектных и конструктивных параметров цепных теплообменных устройств производится на основе исследования реологических свойств шлама (влажности начальной и начала потери текучести, вязкости и т. д.) На основании полученных характерных точек выполняется расчет параметров цепной завесы — длина отрезков, плотность на участках и т.д.

Температура отходящих газов длинных вращающихся печей в зависимости от влажности и физических свойств сырьевой ших­ты составляет 170—250 °С. Концентрация пыли в отходящих га­зах при теплообменных устройствах, соответствующих свойствам шлама, составляет 12—25 г/м³. Аэродинамическое сопротивление таких печей составляет 1,5—2,0 кПа.

При высокой естественной влажности шлама может быть осуществлено снижение его влагосодержания двумя способами: химическим — путем введения разжижителей шлама и механи­ческим — путем обезвоживания шлама в фильтрах или испа­рителях.

Зависимость расхода тепла от влажности шлама показана на рис. 6.36.

Протяженность зоны спека­ния может быть ориентировоч­но определена исходя из зна­чения среднего оптимального объемного теплового напряже­ния зоны спекания, которая по опытным данным составляет около 12,56-10⁵ КДж/м³-ч. На рис. 6.37 показана ориентиро­вочная зависимость длины зоны спекания (в диаметрах Дев) от удельного расхода тепла на об­жиг.

Как за рубежом, так и в Рос­сии подавляющее число строя­щихся заводов проектируются для обжига сухой сырьевой ших­ты во вращающихся печах с циклонными теплообменниками, в которых тепловая подготовка шихты осуществляется во взве­шенном состоянии в газоходах и циклонах за счет тепла отходя­щих из печи газов температурой 1000—1100 °С. Проходя циклон­ный теплообменник за 20— 25 сек, шихта нагревается до температуры 800—850 °С и декарбонизируется, примерно, на 15%.

Производительность отече­ственных агрегатов сухого спо­соба следует принимать в соот­ветствии с табл. 6.8.

К недостаткам печных уста­новок с циклонными теплооб­менниками следует отнести сравнительно низкую стойкость футеровки в печи на участке на­чала зоны высоких температур (задний переходной участок), а также чувствительность к нали­чию в сырьевых материалах и топливе щелочей и сернистых соединений. Практика работы показывает, что в печах с запечными теплообменниками (циклонные, камерные и др.) продол­жительность кампании футеровки в 2—5 раз меньше, чем в печах для обжига шлама и составляет, в зависимости от ряда эксплуатационных факторов 80—140 суток. Основной причиной сравнительно низкой стойкости футеровки в печах с циклон­ными теплообменниками является нестабильность положения и протяженности зоны кальцинирования, которая возникает в ре­зультате поступления в печь дисперсного порошка сильно аэрированного газами и воздухом, захваченными при прохож­дении через теплообменник и загрузочную головку. При от­сутствии возможности организовать управление или регулиро­вание движением такого потока материала, даже при незначительных изменениях какого-либо из факторов, влияю­щих на скорость движения (температура, химсостав сырьевой шихты, наличие примесей и т. д.) приводят к нарушению ре­жима движения материала по печи. При этом происходит бы­строе изменение положения границ зоны спекания и смена температуры обмазки, приводящие к срыву ее с примыкаю­щим к ней слоем огнеупора. Это явление при частой повто­ряемости и является причиной быстрого разрушения футе­ровки в начале зоны спекания.

Таблица 6.8.

Размер печи		Производительность
			т/сутки	т/час
Печные агрегаты с запечными теплообменниками:  5,0х75 м  4,0х60 м  3,6х56 м	1700 1000 750			70,8 41,7 31,2
Печные агрегаты с запечными теплообменниками и декарбонизаторами:  5,0х100 м  4,5х80 м  4,0х60 м	5000-55000 3000-3300 2000-2200			208,3-229,2 125,0-137,5 83,3-91,7

По опытным данным количество ремонтов в начале зоны спекания примерно в 1,5 раза больше, чем на других участках зоны.

Для улучшения условий работы футеровки и повышения срока ее службы, а также увеличения удельной загрузки печи при обеспечении стабильности теплового режима работы и возможности регулирования процесса декарбонизации оказалось це­лесообразным перенести процесс декарбонизации материала пол­ностью или частично из вращающейся печи в специальное устройство «декарбонизатор».

При обжиге в печах с циклонными теплообменниками сырьевой шихты с повышенным содержанием щелочей в элементах теплооб­менника (загрузочная головка, газоходы, циклоны и течки) и в клинкере остается больше щелочных оксидов (К₂О и Na₂O), чем в печных установках других конструкций. В ходе обжига при темпе­ратуре выше 800 °С щелочи начинают возгоняться и переносятся вместе с топочными газами в более холодные зоны, где и конден­сируются на стенках циклонного теплообменника и материале, особенно в загрузочной головке и газоходе I ступени. Это обсто­ятельство в отдельных случаях приводит к образованию насты­лей, мешающих нормальному ведению процесса обжига. Помимо этого, пыль, выносимая из теплообменника отходящими газами, во избежание превышения содержания щелочей в клинкере выше нормативной величины, не может быть возвращена обратно в процесс обжига.

Для исключения вредных последствий влияния щелочей часть отходящих от печи газов, минуя теплообменник, через специаль­ный (байпасный) клапан, расположенный над загрузочной голо­вкой, направляется в отдельный байпасный газоход.

В связи со снижением тепловой эффективности теплообмен­ника при устройстве байпасной системы через нее экономически целесообразно отводить не более 25% объема печных газов, так как при увеличении объема отводимых через байпас газов более 25% щелочность снижается незначительно. В большинстве слу­чаев сброс в байпасную систему около 10—13% отходящих газов обеспечивает получение качественного клинкера и надежность работы теплообменника.

На рис. 6.38 показана схема циклонного теплообменника с байпасной системой отделения щелочной пыли и сбросом очи­щенных газов в циклонный теплообменник. Схема применяется при сравнительно низкой концентрации щелочей и высокой на­чальной влажности сырьевой шихты.

На рис. 6.39 дана схема циклонного теплообменника с байпас­ной системой отделения пыли и сбросом очищенных газов в атмос­феру.

При работе печи с байпасной системой расход тепла на обжиг повышается на 16 — 20^- на каждый процент объема байпасируемого газа. Одновременно увеличивается и расход электро­энергии, в среднем, на 2 кВт.ч/т клинкера. Количество пыли, отводимое байпасной системой, равно примерно 1% массы сырь­евой шихты, загружаемой в теплообменник на каждые 10% объ­ема байпасных газов.

При проектировании системы байпасирования газов следует то, что снижение температуры отводимых газов с 1050— 100 °С до 475 °С следует производить только воздухом. Дальнейшее охлаждение может осуществляться с помощью тонко распыленной воды. Менее чувствительны к влиянию щелочей конструкции теплообменников с большим поперечным сечением в переходной зоне между вращающейся печью и теплообменни­ком, а также все конструкции шахтного и камерного типа SKET/ZAB (ГДР), теплообменник «Пршеров» (ЧССР) и др. В России успешно работает печная установка с шахтно-циклонным теплообменником и печью 0 4,0x60 м на Катав-Ивановском заводе. Опыт эксплуатации теплообменников этой группы пока­зывает, что они практически не чувствительны к щелочному воздействию и при сравнительно низких скоростях газа во всех сечениях теплообменников обеспечивают значительное уменьше­ние аэродинамического сопротивления по сравнению с циклонными теплообменниками. Вместе с тем, тепловая эффективность этой группы теплообменников несколько ниже, чем циклонных теплообменников.

Удельный расход тепла на обжиг составляет 3 8 кгкл.

Ц иклонные теплообменники с «декарбонизаторами». В цик­лонных теплообменниках с декарбонизаторами (кальцинаторами) процесс декарбонизации материал почти полностью (примерно на 90%) проходит в теплообменнике. Этот процесс во всех конст­рукциях декарбонизаторов протекает практически при постоян­ной температуре газов ~900°С с минимальной разностью темпе­ратур между газом и материалом, равной примерно 50 °С. При этом обеспечивается степень декарбонизации материала, посту­пающего в печь примерно на 90 %. Этот эффект достигается за счет суспендирования частиц материала в газах и сжигания в топке декарбонизатора примерно 60 % топлива. При этом расход топлива в самой печи уменьшается вдвое и составляет примерно 40% от общего расхода топлива. Однако, чтобы печь могла ра­ботать в нормальном тепловом режиме, в ней нужно сжигать такое количество топлива, при котором скорости газов в печи достигнут расчетных величин. В результате производительность печи может быть увеличена вдвое.

На рис. 6.40 представлена схема работы декарбонизатора RSP фирмы «Онода» — (Япония). Как показано на схеме, сырьевая шихта из циклона II ступени при температуре около 700 °С спу­скается в вихревой кальцинатор и равномерно рассеивается по его сечению тангенциально подводимым горячим воздухом с тем­пературой 650 °С из холодильника. При этом достигается интен­сивный теплообмен между материалом и продуктами горения топлива. Декарбонизатор установлен параллельно выходящему от печи газоходу (смесителю), соединяющему загрузочную голо­вку с циклоном I ст.

Д екарбонизатор состоит из двух камер (топок): вихревой го­релки — 7 и вихревого кальцинатора — 10. Вихревая камера обо­рудована горелкой — 7, служащей для розжига и поддержания устойчивого и интенсивного горения факелов форсунок (горелок) — 9 вихревого кальцинатора. Более того, вихревая горелка обеспечивает устойчивый процесс горения в RSD даже в период не полностью завершенного розжига печи и в переходные режи­мы работы установки. Вихревой кальцинатор оборудован тремя рядами форсунок, которые установлены перпендикулярно к об­разующей кальцинатора.

Устойчивое горение топлива в форсунках (горелках) вихревой горелки и кальцинатора поддерживается горячим избыточным воздухом от холодильника.

Выходящие из декарбонизатора газы поступают в смеситель­ную камеру, где происходит, их смешение с выходящими из печи газами, а затем смесь газов поступает в нижний циклон.

При применении циклонного теплообменника с декарбониза­тором расход топлива в нем составляет около 55—60% (из них в вихревой горелке 2—5% и вихревом кальцинаторе 98—95%) и в печи 45—40%. В самой печи осуществляется только завер­шение процесса декарбонизации, а также окончание незавершен­ных процессов клинкерообразования. Заданный тепловой режим в кальцинаторе поддерживается регулированием подачи топлива в горелки (форсунки).

При увеличении производительности печи примерно вдвое уменьшаются соответственно и потери тепла корпусом печи и циклонного теплообменника в окружающую среду, в резуль­тате чего удельный расход тепла на обжиг в установке с теплообменником и кальцинатором снижается примерно на 5-6%.

По данным фирмы «Онода» и др. источников, при применении кальцинаторов типа RSP производительность печных установок с циклонными теплообменниками может быть увеличена в 2— 3 раза. Кроме того, исследованиями установлено, что благодаря сжиганию топлива в декарбонизаторах (около 60%) в условиях быстрого перепада температур газов при общем более низком температурном режиме обеспечивается значительное (в 2,5— 3 раза) снижение содержания оксидов азота (КОг) в отходящих от установки газах. Одновременно снижается возгонка и улету­чивание сульфатов с отходящими газами.

В табл. 6.8 приведены характеристики печных установок с циклонными теплообменниками и декарбонизаторами.

Если сырьё или топливо содержат чрезмерное количество вредных циркулирующих в системе примесей, можно предусмот­реть сброс части газов через байпас. Схема установки циклонного теплообменника RSP с байпасом дана на рис. 6.41.

М ногие цементные машиностроительные фирмы за последние 15—20 лет в Японии, ФРГ, Дании и др. разработали и изго­тавливают более десятка различных систем выносных декарбонизаторов, обеспечивающих большую или меньшую степень декарбонизации материала, поступающего в печь. Ниже приведены схемы наиболее распространенных и надежных в работе цик­лонных теплообменников с декарбонизаторами.

На рис. 6.42 приведена схема работы циклонного теплообмен­ника фирмы «Смидт», который может быть рекомендован как при строительстве новых установок, так и для реконструируемых печей с циклонными теплообменниками. В этой установке так же, как и системе RSP, имеется специальный воздуховод, по которому транспортируется горячий воздух от холодильника к кальцинатору. Наличие 2-х независимых ветвей позволяет вы­полнить реконструкцию печной установки в период работы дей­ствующего циклонного теплообменника. При реконструкции по схеме фирмы «Смидт» производительность печи может быть уве­личена в два — четыре раза (в зависимости от размера печи). Система предусматривает возможность выполнять теплообменник с тремя и четырьмя ветвями циклонов при производительности по клинкеру до 10000 т/с.

В кальцинаторе фирмы «Смидт» воздух из холодильника, сырьевая шихта и газы от сжигания топлива взаимодействуют в прямотоке в цилиндре с коническим верхним и нижним кон­цами.

Основная особенность кальцинатора состоит в качестве сме­шения сырьевой шихты и топлива перед встречей с воздухом от холодильника температурой до 900 °С. Система одинаково успешно может применяться практически при любом виде топ­лива.

На рис. 6.43 показана схема работы печи с кальцинатором «Кавасаки Хеви Индастриз» (Япония). Кальцинатор состоит из цилиндрической камеры с коническим днищем, установленной в нижней части циклонного теплообменника, в котором материал сначала попадает в аппарат «кипящего слоя», в котором «кипе­ние» во входной горловине и в нижней части основной камеры поддерживается воздухом из холодильника температурой до 900 °С. В верхней части камеры «кипящего» слоя установлены горелки для сжигания топлива и второй, расположенный танген­циально, ввод воздуха от холодильника.

Верхняя часть цилиндрической камеры — вихревая камера, представляет собой продолжение камеры «кипящего» слоя, в ко­торой имеются тангенциально расположенное впускное отверстие для отходящих газов из печи температурой 1000—1100°С и вы­ходное отверстие, через которое газы и декарбонизированные частицы материала выносятся в газоход 1 ст. По данным фирмы, этот кальцинатор обеспечивает увеличение производительности печи в 2—2,5 раза по сравнению с обычным циклонным тепло­обменником.

На рис. 6.44 приведена схема распределения температурных полей и потоков в реакторе -f «ДД».

С хемой предусматривается дополнительное сжигание топли­ва под течками циклонов II ст. и входным коллектором третичного воздуха (из холодильника). Газы из печи 1000—1050 °С подаются через пережим в нижнюю кони­ческую часть цилиндрического кальцинатора. Предлагаемая схе­ма подвода материала и газов обеспечивают создание интенсив­ных циркуляционных контуров, способствующих увеличению времени пребывания материала в области температур 850—900 °С. Воздух из холодильника температурой около 800 °С подается в нижнюю часть кальцинатора (над приемной конической ча­стью).

В средней части кальцинатора имеется второй пережим, слу­жащий также для создания циркуляционных контуров.

Далее материал подается в разделительный тройник. При этом часть газа с высокой концентрацией взвешенных частиц материала проскакивает вверх и, ударяясь в потолок специаль­ной выгнутой формы, теряет скорость и вовлекается в создаю­щиеся циркуляционные контуры, обеспечивающие увеличение времени пребывания частиц в кальцинаторе. Другая часть газа (с меньшей концентрацией материала) направляется непосредст­венно в циклоны I ст.

Характеристика работы циклонного теплообменника с кальци­натором «ДД» ф. «Кобэ Стил и Нихон Цемент» приведены в табл. 6.9.

Помимо рассмотренных установок существуют так же системы с «внутренними» декарбонизаторами, в которых сжигание топли­ва организовано в нижнем газоходе, соединяющем печь с цикло­ном I ступени.

Таблица 6.9.

Наименование	Размерность	Параметры
Размеры печи	м, DxL	 4,6х76
Размеры кальцинатора	м, dxh	 6,2х18
Габариты циклонного теплообменника	м, DxLxh	22,5х16,5х75
Производительность	т/сутки	3800
Удельный расход на обжиг	Ккал/кг кл.	710
Температура отходящих газов	0С	320
Потеря давления	кгс/м2	600
Количество ступеней циклонов	шт.	5

В качестве агрегата для обжига сухой сырьевой шихты в России приняты печи 0 4,5X80 м с циклонными теплообменни­ками и декарбонизатором системы RSP расчетной производитель­ностью 3500 тонн клинкера в сутки при удельном расходе тепла на обжиг 3480—3640^—^- (830-=-870)^-^ и применении в качестве технологического топлива соответственно мазута и газа. Общий вид такой установки приведен на рис. 6.45, а в таблице приведены характеристики и параметры работы этой печной установки.

Благодаря сравнительно простым и надежным конструктив­ным решениям и высоким технико-экономическим показателям печные установки с циклонными теплообменниками и декар­бонизаторами завоевали за последние два десятилетия призна­ние во всем мире.

Печи с конвейерными кальцинаторами, а также установки с длинными вращающимися печами для обжига сырьевой муки, как менее экономичные и надежные, в последнее десятилетие не проектируются.

Декарбонизаторы для сжигания твердого топлива отечествен­ной промышленностью пока не разработаны. В практике зарубеж­ных заводов декарбонизаторы на твердом топливе уже применяют­ся довольно широко и в том числе в странах, сравнительно недавно вставших на путь индустриализации (Индия, Китай).

Реконструкция длинных вращающихся печей мокрого спо­соба. Реконструкция печей мокрого способа с переводом на обжиг сырьевой муки преимущественно осуществляется по сле­дующей схеме: приготовленный по мокрому способу сырьевой шлам частично обезвоживается в фильтр-прессах до влажно­сти 18—22%, полученный обезвоженный остаток («корж») под­вергается измельчению в дробилках с одновременной сушкой.

В качестве сушильного агента используются отходящие из цик­лонного теплообменника газы с температурой около 600 °С. По­лученная сухая сырьевая шихта подается в двух- или односту­пенчатый циклонный теплообменник, где подвергается термообработке отходящими из печи газами с температурой око­ло 1100°С.

Нагретый в теплообменнике материал поступает во вращаю­щуюся печь для дальнейшей термической обработки. Схема ра­боты печной установки комбинированного обжига с устройством для дополнительной декарбонизации в газоходе I ступени пока­зана на рис. 6.46. Первая установка такого типа с печью 0 5,0X125 м пущена в эксплуатацию на Себряковском цементном заводе. Па­раметры работы комбинированной печной установки приведены в табл. 6.10.

Таблица 6.10.

Сравнительные параметры работы печи  5,0х185 м до и после реконструкции

№ п/п	Наименование параметров	Размерность	Печь  5,0х185 м до реконструкции	Печь  5,0х185 м после реконструкции
1.	Влажность шлама	%	39	-
2.	Влажность коржа	%	-	20
3.	Температура отходящих газов после печи	0С	220	1000-1100
4.	Удельный расход тепла на обжиг		6320	4190
5.	Производительность печи	т/ч	74	95
6.	Температура газов после циклонов II ст.	0С	-	600