1. Теплообмен в печи

Рациональное сжигание топлива имеет важнейшее значение при эксплуатации цементных вращающихся печей. Путем регулирования процесса горения можно изменять гранулометрию клинкера и величину обмазки в зоне спекания, повышать стойкость футеровки и производительность печи, существенно снижать удельный расход тепла. Для этого необходимо обеспечивать высокий уровень теплообмена по всей длине факела и не допускать местного перегрева футеровки на коротком участке. При выявлении путей оптимизации теплопередачи в пламенном пространстве необходимо использовать уравнение лучистого теплообмена, так как этот вид теплоотдачи от факела в зоне спекания составляет более 97%.

Q_л = 5,67 × E_M (9.1)

где Q_л - лучистый теплообмен от факела к материалу; 5,67 - постоянная Стефана-Больцмана, излучение абсолютно черного тела;

, E_M - степень черноты факела и материала; - температура факела и материала в К; поглощающаяся способность факела.

Согласно уравнению Стефана-Больцмана с дополнениями Блоха, лучистый теплообмен во вращающейся печи определяется температурой и степенью черноты факела и материала. Далее будет рассматриваться влияние изменения параметров факела при постоянных параметрах материала. Теплообмен интенсифицируется наиболее сильно при увеличении температуры факела Т_ф, так как зависит от нее в 4-ой степени (уравнение 9.1). Однако значительное увеличение температуры при высокой скорости горения приводит к местному перегреву огнеупора и низкой стойкости футеровки. Кроме того, при этом могут увеличиться теплопотери через корпус.

Поэтому для обеспечения достаточной величины теплообмена и высокой стойкости футеровки необходимо сжигать топливо с относительно умеренной температурой и высокой степенью черноты факела Е_ф, которая выражается уравнением Бугера (рис. 9.5).

Уравнение свидетельствует, что при неизменном диаметре и давлении газа в печи величину ε_Ф можно увеличить только увеличением показателя k, который зависит от содержания в факеле трехатомных газов и твердых частиц (Тв.ч.), обуславливающих светимость пламени. Светимость пламени можно существенно изменять путем регулирования процесса горения топлива. Например, при уменьшении коэффициента избытка воздуха возрастает доля СО₂, Н₂О и концентрация углеродистых частиц в факеле вследствие снижения скорости горения. Другие способы формирования рационального факела будут приведены ниже.

Оптимизировать процесс обжига цементного клинкера.

Задачи оптимизации и взаимосвязь отдельных параметров зада ч и

Повышение: 1) производительности…………G_кл, т/ч;

2) стойкости футеровки….........N_фут, сутки;

3) Качества клинкера:

активности………………………A_КЛ, MПа,

гранулометрии……………………КП, %;

Снижение: 4) расхода топлива ……………..q_T, кДж/кг;

5) Пылеуноса……………………... Пу, %;

Улучшение 6) экологии окружающей среды.

Зависимости

Тепловая мощность печи: Q_П = 43∙V_п, кВт, где,

43 - теплонапряжение внутреннего объема печи в кВт/м³;

V_п- внутренний объем печи мокрого способа в м³

1. Производительность…………..G_кл = Q_n / q_yд

2. Стойкость футеровки…………п_ф ~ f(1/q_F) ~ f (1 / q_yд).

3. Качество клинкера: - активность - А_кл = ?;

-KП= f(q_yд)~ q_yд =f(KП).

4. Расход топлива ………………… q_т ~q_{yд .}

5. Пылеунос ПУ=f (W ⁴_газа), где W ⁴_газа - скорость газа,

которая пропорциональна объему газов на 1 кг клинкера;

V^∑ _газА = V^С _газА + V^т _газА; V^С _{газ А}≈ 1,5нм³; V^т _газА ≈ 2 нм³, где V^С _газА, V^т _газА - объем газов из сырья и от сгорания топлива, поэтому пылеунос ориентировочно будет пропорционален

ПУ=f(q²_yд).

6)Экология CО₂ ~ f(q_уд) NO_x ~ f(t_ф) ~f(q_yд).

При решении вышеперечисленных шести задач необходимо рассмотреть взаимосвязь отдельных параметров.

1. Производительность печи G_кл определяется тепловой мощностью Q_П, которая зависит от способа производства и размера печи. Многочисленными теплотехническими испытаниями установлено, что для печей мокрого способа различных размеров относительно постоянной величиной остается объемное теплонапряжение q_V, которое равно около 43 кВт/м³ внутреннего объема печи (табл. 16.1). При этом с увеличением размера агрегата увеличиваются теплонапряжение на поверхность футеровки q_F, на сечение печи q_S, скорость газового потока в конце факела W_газа и необходимая для обжига температура факела t_ф.

Таблица 16.1

Теплотехническая характеристика вращающихся печей мокрого способа производства

Следовательно, производительность при постоянном размере печи будет равна тепловой мощности Q_П, деленной на удельный расход тепла q_уд. И увеличить производительность можно только путем снижения удельного расхода тепла или изменением способа производства.

2. Стойкость футеровки N_фут в значительной степени зависит от теплонапряжения иа поверхность футеровки q_F и поэтому, чем ниже удельный расход тепла q_уд, тем выше стойкость фугеровки.

3. Качество клинкера включает два показателя: активность А_кл и фракционный состав, проявляющийся в негативном явлении - клинкерном пылении КП. Активность клинкера индивидуальна, поэтому явных зависимостей нельзя привести. Отдельное сырье требует «крепкого» обжига, чтобы получить высокую активность, другое, напротив, - относительно «слабого» обжига. Поэтому напрямую активность клинкера не связана с удельным расходом тепла q_yд. При возникновении же клинкерного пыления увеличивается расход топлива, так как снижается тепловой КПД холодильника вследствие провала мелкой фракции через решетку и снижения теплообмена. Увеличение расхода топлива приводит к дополнительному увеличению клинкерной пыли, что, в свою очередь, увеличивает еще больше расход топлива. Таким образом, наблюдается саморазвивающийся процесс типа «снежного кома».

4. Расход топлива q_т, совершенно очевидно, пропорционален удельному расходу тепла q_yд.

5. Пылеунос ПУ зависит от скорости газового потока W_газа в 3 или 4 степени. Скорость газового потока в печи зависит от суммарного объема V^∑ _газ т.е. выхода газа из сырья (V^С _газ =1,5 нм³) и продуктов горения топлива (V^Т _газ= 2 нм³). Всего 3,5 нм³. Так как выход газа из сырья не изменяется, то пылевынос зависит от удельного расхода тепла ~ q²_уд.

6. Экология окружающей среды, помимо выброса пыли, зависит от концентрации в отходящих газах СО₂, СО и NO_x, которая возрастает с увеличением удельного расхода тепла q_yд.

Остановка с выработкой всего материала из печи.

При остановке печи на капитальный ремонт с заменой части или всей футеровки необходимо выработать весь материал из печи. Желательно выполнить эту задачу без выпуска недожженного клинкера. Для этого необходимо иметь возможность регулируемой подачи большого объема воды в печь, равного ~ 50% от расхода шлама.

Процесс выработки производится следующим образом. Через каждые 3...4 часа, в зависимости от времени прохождения материала через печь, снижается подача шлама ориентировочно на 10%, которая восполняется водой, в количестве, обеспечивающем сохранение прежней температуры отходящих газов. После подхода пониженного количества материала к зоне спекания уменьшается расход топлива, затем вновь снижается расход шлама, далее повторно производятся эти действия до полной выработки материала с выпуском кондиционного клинкера.