1.1.7.2.1 Процессы обжига

Сегодня в промышленно развитых странах для обжига цементного клинкера почти исключительно используются вращающиеся печи. Шахтные, доменные печи и агломерационные машины, использовавшиеся ранее, были вытеснены как менее эффективные по экономическим причинам. Вращающиеся печи, как правило, состоят из подогревателя – циклонного теплообменника и декарбонизатора, вращающейся печи и холодильника (Рисунок 1.15).

Вращающаяся печь является фактически агрегатом для спекания клинкера. Подогреватель (циклонный теплообменник и декарбонизатор), а также клинкерный холодильник печи служат для эффективного использования тепла. Кроме того, декарбонизаторы были разработаны и расположены в передней части вращающейся печи (до печи) и выполняют задачи по сжиганию топлива непосредственно в среде сырьевой муки.

Каждый из способов производства клинкера может быть интерпретирован по-разному, в зависимости от способа приготовления обжигаемой шихты, влажности сырья, затрат на топливо, инвестиционных издержек и затрат на готовую продукцию. Были разработаны три варианта процесса: мокрый способ,

Рисунок 1.15 - Вращающаяся печь с пятиступенчатым циклонным теплообменником, кальцинатором и клинкерным холодильником (по В.К.Классену)

Рисунок 1.16 - Типовая технологическая схема печной системы ILC компании FLSmidth

полумокрый или комбинированный и сухой процесс. Полумокрый, мокрый и полусухие (комбинированный) способы производства клинкера используются лишь эпизодически и заменяются на экономичный сухой способ из-за значительно более высоких затрат топлива на процессы сушки сырья (шлама). Каждый из этих методов основан на типичном сочетании процессов с предварительным нагревом и обжигом во вращающейся печи. Тип охладителя клинкера (холодильника) используется с другой стороны, независимо от выбранного метода получения клинкера. Подробная информация о процессах обжига клинкера в различных системах печей подробно освещена в работах [82, 83, 84, 85,86, 87, 88,89, 90,91].

Процедуры обжига

Сухой процесс получения клинкера достиг наибольшего распространения и значения. В сухом способе, в отличие от других методов, вода не добавляется, в результате чего время, необходимое для испарения большого количества воды, и тепло, необходимое для испарения воды, сохраняется. В сухом процессе вращающаяся печь представляет собой короткий цилиндрический барабан, преимущественно длиной 40-100 м и до 7 м в диаметре, с системой циклонных теплообменников. Были разработаны и предложены различные нагреватели для повышения степени декарбонизации сырьевой шихты перед входом во вращающуюся печь. В системе предварительного подогрева теплопередача происходит в непосредственном контакте твердой фазы диспергированной сырьевой смеси в газовом потоке.

Сырьевая мука подается в газоход между II и I ступенями циклонов, откуда она увлекается газовым потоком и попадает в циклон I ступени. Здесь сырьевая мука под действием центробежных сил оседает, после чего по патрубку направляется в газоход между II и III ступенями циклона. Из этого газохода сырьевая мука выносится в циклон II ступени, осаждается и по патрубку направляется в газоход между III и IУ ступенями циклонов, выносится в IУ циклон и оттуда направляется в нижнюю часть декарбонизатора. Таким образом, сырьевая мука последовательно проходит 4 ступени циклонов и поступает в декарбонизатор. После прохождения каждого циклона температура газов понижается в среднем на 200 ⁰С и конечная их температура составляет ~350 ⁰С.

Каждый циклон и соответствующий газоход образуют одну ступень нагрева. Основной теплообмен происходит в восходящем прямоточном потоке газа и материала в газоходах между циклонами. В самих циклонах образуется противоток – материал, выделяясь вследствие центробежной силы из газового потока, направляется вниз, а очищенный от пыли газ дымососом отсасывается вверх (Рисунок 1.16).

Таким образом, большую часть тепла от дымовых газов (до 80 %) сырьевая мука получает в газоходах, а циклоны больше играют роль пылеосадителей.

Крупным усовершенствованием сухого способа производства явилось оснащение системы циклонных теплообменников реакторами-декарбонизаторами, в которых декарбонизация шихты на 85…95 % осуществляется за счет автономного сжигания топлива в среде горячего воздуха, подаваемого из холодильника. В этих печах самый теплоемкий процесс – процесс декарбонизации - вынесен из вращающейся печи в суспензионный теплообменник, где скорость теплообмена на несколько порядков выше, чем во вращающейся печи. Это позволило уменьшить размеры вращающейся печи, увеличить число ее оборотов, создать агрегаты с единичной мощностью 10000…12000 т/сутки или 500 т/ч.

Декарбонизатор устанавливается между IV и V ступенями циклонных теплообменников. Декарбонизатор представляет собой циклон, в котором сжигается около 50…60 % топлива, расходуемого на обжиг клинкера. Для горения топлива подают третичный горячий воздух из холодильника с температурой до 900…1000 ^оС. Топливо подают через специальные топливные форсунки и сжигают в потоке материала. Температура газового потока снижается до 950…1100 ⁰С, а температура материала на входе в печь составляет 850…890 ⁰С. Степень декарбонизации достигает 85…95 %.

Декарбонизатор с восходящим вертикальным газоходом.

Печные системы с декарбонизатором в виде восходящего вертикального газохода высотою ~ 80 м получили в последние годы наибольшее распространение. Одним из типовых является реше­ние фирмы KHD Humboldt Wedag - PYROCLON-R.

Декарбонизатор представляет собой восходящий газоход с поворотом вниз, в котором протекает самая теплоемкая реакция клинкерообразования - разложение известняка. Для ускорения процесса диссоциации температура после декарбонизатора обыч­но поддерживается на уровне 850...880 °С. В схемах с декарбонизатором сырьевая мука из циклона IV-ой ступени направляется в нижнюю часть декарбонизатора, откуда уносится в вверх, где происходит интенсивный теплообмен между газом и материалом. Пройдя декарбонизатор, мука попадает в циклон V-ой ступени и далее подается в печь, степень декарбонизации материала достигает 95 %. В декарбонизаторе сжигается ~ 60 % топлива от общего количества. Третичный воздух подается на горение из головки печи с температурой около 950°С. Преимущества схе­мы заключаются в простоте конструкции декарбонизатора, низ­ком газодинамическом сопротивлении и высокой температуре третичного воздуха [82, 83, 84, 92].