10.2.2. Печь с запечным декарбонизатором

Дальнейшее революционное развитие процесс обжига цементного клинкера получил с внедрением запечного декарбонизатора (рис. 10.12).

Принцип нового решения заключается в том, что при сухом способе самая теплоемкая зона - зона декарбонизации, потребляющая до 60% тепла, выносится из вращающейся печи в суспензионный теплообменник, где скорость теплообмена на несколько порядков выше, чем во вращающейся печи. Это позволило уменьшить размеры вращающейся печи, создать установки с единичной мощностью до 10...12 тыс. тонн клинкера в сутки и увеличить производительность печи до 500 т/ч.

Первая установка по сжиганию дополнительного топлива в запечной системе была реализована фирмой «Гумбольдт» в 1966 году. По данной схеме воздух для сжигания топлива подавался через печь, поэтому производительность увеличивалась всего на ~ 20%. Через год в 1967 г. Японская фирма Ishikawajima-Harima Heavy Industries, Ltd. (IHI) осуществила принципиально новую схему обжига с подачей воздуха из холодильника, минуя печь, в декарбонизатор. Такой воздух получил наименование третичного, в отличие от вторичного, который подается из холодильника непосредственно во вращающуюся печь.

С 1967 года печи с декарбонизаторами стали совершенствоваться и производиться всеми ведущими машиностроительными фирмами мира. Поэтому на сегодняшний день имеются десятки различных типов декарбонизаторов, которые по своим технологическим принципам можно свести к четырем основным вариантам (рис. 10.13).

Описать физическую сущность зависимости Эйгена.

Физическая сущность положений Эйгена вытекает из необходимости обеспечения заданного теплообмена между газовым потоком и материалом. В факельном пространстве лучистый теплообмен определяется уравнением Стефана-Больцмана с дополнениями Блоха (16.5).

Q_л = 5.67 · E_м [E_ф (T_ф / 100)⁴ – а_ф (Т_м / 100)⁴ ] (16.5)

Теплообмен Q_л, зависит от температуры факела Т_ф и температуры материала Т_м в 4-ой степени, поэтому при небольшом изменении этих параметров значительно изменится теплообмен. Следовательно, для обеспечения заданного теплообмена необходимо поддерживать стабильную температуру факела, которая выражается уравнением

t_ф = (q_т + q_в – q_ф ) / V_пг ·С_пг (16.6)

где q_T теплота сгорания топлива, q_В теплосодержание воздуха, q_Ф - теплоотдача от факела, V_пг и С_пг - объем и теплоемкость продуктов горения.

Рассмотрим ситуацию при q_т = 6000, q_в =1000, и q_ф = 1600 кДж; V_пг = 2 м ³ и С_пг =1,5 кДж/(м³·К):

t_ф= (6000+1000-1600) / 2·1,5=1800 ⁰С

Если при таких условиях теплосодержание вторичного воздуха уменьшить на Δq_в = - 200 кДж и восполнить недоста­ющее тепло топливом Δq_т = + 200 кДж (данные изменения ниже в расчетах выделены красным шрифтом), то на его сгорание потребуется дополнительное количество воздуха. Это приведет к увеличению объема продуктов горения, т.е. знаменателя в уравнении на ΔV_пг =0,067м³ и, следовательно, снизится температура факела до t_ф ≈ 1740°С:

t_Ф

При таких условиях коэффициент теплопотерь был бы равен единице, но не обеспечивалась требуемая температура факела:

m

Только при увеличении Δq_т до 2000 кДж, т.е. на величину в 10 раз превышающую потери тепла с воздухом Δq_в = 200 кДж можно получить исходную температуру:

t_A

Тогда теоретическое значение коэффициента теплопотерь будет

m

Таким образом, физическая сущность установленной зависимости об особой ценности высокотемпературного тепла заключается в необходимости обеспечения заданной температуры факела. Если вместо горячего подавать холодный воздух, то, чтобы получить заданную температуру факела, необходимо многократно увеличить расход топлива.

Описать футеровочные огнеупорные материалы.

Футеровка - слой огнеупора, покрывающий внутреннюю часть печи, служит для защиты корпуса от воздействия высоких температур и снижения теплопотерь через корпус. На различных участках вращающейся печи преимущественно используются следующие огнеупорные материалы (рис. 11.1).

Рис.11.1. Футеровка вращающейся печи мокрого способа производства

I участок - область теплообменных устройств (зоны сушки и частично подогрева);

II участок - подготовительные зоны (часть зоны подогрева и декарбонизации);

III участок - высокотемпературные зоны (экзотермических реакций и спекания).

Первая половина холодной части цепной завесы не футеруется. В этой области температура достаточно низкая, и потери через корпус незначительны. При этом происходит увеличение внутреннего диаметра печи, снижается скорость газового потока и, следовательно, пылеунос. Вторая половина зоны сушки при температуре материала до 100 °С футеруется бетоном на портландцементной связке и для противодействия истиранию армируется. Армирование может производиться металлическими спиралями диаметром ~ 100 мм и толщиной прутка 6...10 мм, которые привариваются к корпусу, а затем заливаются бетоном. При плохой грануляции материала температура порошкообразной смеси в горячей части цепной завесы достигает ~ 400 °С, тогда эта часть футеруется огнеупорным бетоном на основе жидкого стекла или глиноземистого цемента. Для предотвращения истирания бетон рекомендуется покрывать жаростойкими металлическими бронеплитами. Участок цепного коврика следует футеровать шамотным кирпичом.

ІІ -ой участок футеруется шамотным огнеупором на связке или без нее. В качестве связки может применяться портландцементная суспензия или специальный мертель. Химический состав шамотного кирпича следующий: SiO₂ = 67...50 %, А1₂O₃ = 28...45 %, Fe₂O₃ ≈ 5 %, термостойкость более 50 циклов, огнеупорность более 1580 °С. Несмотря на высокую огнеупорность шамотный кирпич нельзя укладывать на участках, где температура выше 1100 °С, так как кислый огнеупор с избыточным СаО сырьевой шихты образует эвтектику в системе CaО-SiО₂-Al₂О₃ при 1163 °С и, следовательно, в результате интенсивного химического взаимодействия происходит растворение алюмосиликатов в обжигаемом материале с разрушением футеровки.

Зона спекания - самый ответственный участок печи, так как здесь на футеровку воздействуют высокая температура и клинкерный расплав. Вследствие того, что клинкер является основным материалом, то и огнеупор для данной зоны должен быть основным. Наибольшее распространение в настоящее время имеют огнеупоры на основе MgO.

По содержанию MgO и связки определяется название огнеупора. Хромомагнезитовый: MgO ≥ 42 %, Cr₂О₃ ≥ 15 %, магнезитохромитовый: MgO > 60 %, Сг₂О₃ ~ 10 %, огнеупорность этих материалов более 1750°С; периклазошпинельный MgO ≥ 60 %, А1₂О₃ ≈ 6 %, периклазовый MgO ≥ 90 %, огнеупорность которых более 1900 °С. Чем больше MgO и меньше кислой состав­ляющей, тем выше огнеупорность, но клинкер труднее припекается к огнеупору, т.е. хуже образуется обмазка. Это приводит к ряду отрицательных последствий: снижаются стойкость футеровки и теплоизоляция, увеличиваются потери тепла через корпус и общие потери тепла. Кроме того, все огнеупоры, содер­жащие повышенное количество MgO, обладают пониженной термостойкостью (3...5 циклов смены температур), поэтому при возникающих теплосменах в огнеупоре образуются сколы кир­пича на глубине 20...30 мм от поверхности.

Футеровка вращающейся печи сухого способа производства осуществляется такими же огнеупорными материалами, как и в печи мокрого способа: подготовительные зоны - шамотным огнеупором, а спекания - кирпичом на основе MgO (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Футеровка вращающейся печи сухого способа производства

При футеровке циклонных теплообменников используется многослойная футеровка, состоящая из теплоизолирующего и защищающего от износа огнеупорного слоя. Теплоизолирующий слой выполняется панелями из силиката кальция или легковесных огнеупорных кирпичей. При футеровке теплообменника широко используется огнеупорный бетон.

Описать характеристики портландцементного клинкера.

1. Портландцемент продукт тонкого помола клинкера и гипса.

Характеристика портландцементного клинкера

3CaО· SiО₂ ...(C₃S - алит) ~ 60 %

2CaО· SiО₂ ...(C₂S - белит) ~ 14 %

3CaO · Al₂O₃ ...(С₃A) ~ 8 %

4CaO· Al₂O₃·Fe₂O₃ {C₄AF) ~ 14 %

Прочие фазы ...~ 4 %

Микроструктура клинкера с обозначением основных фаз приведена на рис. 1.

Рис. 1. Микрофотография клинкера

Основной клинкерный минерал C₃S представлен в виде многогранников сине-фиолетового цвета с прямыми очерченными краями, C₂S имеет округлую форму более светлого бежевого оттенка, C₄AF - белая промежуточная фаза с высокой отражательной способностью, С₃A - темные «прожилки» на светлом фоне C₄AF.