1.2.3.2 Обжиг извести

Целью обжига извести является преобразование карбоната кальция в оксид кальция. Теоретически для этого требуются 3154 кДж/кг CaO (при 20 °C). При 900 °C парциальное давление CО₂ достигает 1 бар. Практически температура обжига извести намного выше. Ряд потребителей (например, сталеплавильные комбинаты), желают кроме низкого остаточного содержания СО₂ также и хорошую реакционую способность, которая получается только в определенных типах печей. Для этого наряду с качеством обожженного продукта (химический состав, кристаллическая структура), первым делом играет роль температура обжига, которая определяют структуру пор продукта обжига. В дальнейшем в подробностях описываются самые важные реакции и процессы для обжига извести.

1.2.3.2.1 Шахтная печь на коксовом (угольном) и газовом топливе

Шахтная печь, в которой в качестве топлива использовался кокс (уголь), долгое время была самым распространенным обжиговым агрегатом. Она по-прежнему широко применяется для производства строительной извести. Шахтная печь состоит из шахты в форме цилиндра с загрузочным устройством для известняка и кокса наверху печи, и выгрузочным устройством внизу. Воздух подается снизу. Равномерное распределение топлива и известняка по сечению шахты важно для экономичной эксплуатации печи и получения качественной извести. Рисунок 1.52 показывает изменение температуры в шахте печи. В верхней части зоны обжига температура горячих газообразных продуктов сгорания составляет более 900 °C, дымовые газы проходят вверх, охлаждаются и покидают печь с температурой около 100 °C. В средней части (зона горения) происходят сгорание кокса и, возможно, альтернативного горючего, и тепловое разложения CaCO₃ на CaO и CО₂. Обжиг необходимо проводить до возможно полного удаления СО₂. Необходимо избегать, чтобы внутри крупных кусков известняка еще оставалась неразложившаяся CaCО₃. Это снижает качество (сорт) строительной извести.

В нижней части шахты (зона охлаждения) входящий снизу воздух охлаждает готовую обожженную известь до комнатной температуры. При этом воздух подогревается до 900 °C. Баланс тепла для зоны подогрева и охлаждения полностью совпадает.

Рисунок 1.52 – Изменение температуры в отапливаемой коксом шахтной печи О-окислительная зона; R-восстановительная зона

Извести с низким содержанием CaCO₃ содержат инертный материал в форме таких чуждых минералов как кварц. Тепловая степень эффективности шахтной печи хороша также при высокопроцентной извести. Расход тепла лежит в пределах 3550-3950 кДж/кг CaO.

Размер кусков кокса и обжигаемого известняка должны как можно лучше согласованы друг с другом. Рекомендуется соотношение от 0,5 до 0,75 [160]. Возможно более оптимальное отношение размеров кусков известкового камня и кокса способствует достижению благоприятного объема пустот между обжигаемым материалом и топливом. Воздух для горения топлива должен в достаточном объеме поступать в зону обжига шахтной печи.

Изменение режима обжига отражается на составе отходящих газов: чем выше объемная доля углекислого газа в отходящих газах, тем меньше расход топлива на обжиг и тем экономичнее работает печь.

На заводе ведется непрерывный и периодический контроль следую­щих параметров работы печи: постоянно регистрируется температура от­ходящих газов и низа печи, давление дутья и разряжение в верхней части печи, уровень шихты в печи и температура воды водоохлаждаемого обо­рудования. Периодически контролируется состав отходящих газов (СО₂, О₂, СО), химический состав поступающего сырья, активность выходящей извести, размер загружаемых частиц известняка и топлива.

В послевоенный период производительность силикатных заводов сдерживалась продолжительным гашением извести, что требовало уста­новки дополнительных гасильных барабанов. Можно было пойти по пути снижения температуры обжига и получения быстрогасящейся извести за счет обжига известняка при более низкой температуре, но при условии существенного уменьшения размера обжигаемых частиц известняка. Об­жиг мелкокускового известняка, продолжительность диссоциации которо­го сокращается, позволяет повысить производительность шахтных печей. Единственным препятствием при внедрении этой рекомендации было значительное гидравлическое сопротивление проходу газов через шахту печи, наполненную мелким известняком размером 30-80 мм при высоте шахты до 14 м. Попытка применения нижнего дутья не давала эффекта, так как печи, снабженные выгрузкой Антонова, не имели достаточно хо­рошего уплотнения внизу шахты. Высота шахты рассчитывалась на обжиг крупных кусков известняка. При обжиге мелкого известняка требовались значительно более короткие сроки нахождения сырья в печи. Поэтому было решено понизить уровень загрузки шахты на несколько метров при обжиге известняка мелких фракций, чтобы уменьшить сопротивление движению дымовых газов.

Так удалось увеличить производительность шахтных печей на Любе­рецком заводе силикатного кирпича до 70 т/сут против проектной 30 т/сут. Завод перешел на обжиг известняка по фракциям, которые выде­ляли после дробления и предварительного грохочения известняка. Изме­няя размеры частиц известняка, требовалось внести соответствующие из­менения и в размеры загружаемого в пересыпную печь угля. Следова­тельно, уровень загрузки шахтных печей был разный: при обжиге крупно­кускового известняка уровень был максимальный, промежуточной фрак­ции - средний и минимальный - в печи, обжигавшей мелкозернистый известняк.

При обжиге на природном газе улучшается качество извести, повыша­ется производительность печей, улучшаются условия труда. В печи диа­метром менее 1,8 м газ поступает в горелки, введенные в проемы в стенках печей. Если диаметр печи больше, то необходимо подать газ в цен­тральную часть печи через центральную горелку, устанавливаемую ниже уровня диаметрально расположенных металлических водоохлаждаемых балок.

При работе на природном газе важно равномерно распределить газ по поперечному сечению шахты. Газ поступает в пространство, образуемое нижней поверхностью водоохлаждаемой балки и откосом обожженной извести. Горение газа происходит выше его поступления на несколько метров.

При сжигании газа идет термический распад углеводородов и проте­кают цепные реакции окисления. В продуктах горения наряду с СО₂ и Н₂О содержится СО, Н₂, элементарный углерод (сажа). Сажа увеличивает удельный расход топлива и сокращает срок службы футеровки. Частым осложнением в работе печей является перекос пламени, вер­нее, зоны обжига, вызванный образованием настылей ("козлов"). Появление настылей, приваров обусловлено карстовыми включениями в извест­няке, снижающими температуру появления расплава. Возможно образование легкоплавких стекол волластонитового состава, которые самопроизвольно распадаются при охлаждении в результате известкового или силикатного распада.

Производительность газовых печей близка к производительности пересыпных, но расход топлива в первых несколько больше: 14-20% от массы извести.