13.2.3. Настыли в теплообменниках сухого способа

В печных системах сухого способа могут возникать кольца 3, 4 и 5 видов, причины и процессы образования которых идентичны печам мокрого способа, поэтому ниже будут рассмотрены особенности формирования настылей в теплообменниках. Настыли, периодически обрушаясь, закупоривают выходные течки циклонов, в результате чего прекращается движение основного материала по системе, что приводит к длительным простоям печи.

1. Химический и фазовый составы настылей

Настыли различной толщины наиболее часто образуются в декарбонизаторе, газоходах, нижних циклонах и на лотке перед печью. Химический состав настылей в сравнении с исходной сырьевой смесью и пылыо электрофильтров приведен в табл. 13.1.

Настыли представляют собой светло-бурые плотные образования слоистой структуры с серыми включениями. Как показали результата химического анализа, суммарное содержание нежелательных оксидов в исходном сырьевом материале не превышало 1%. По мере продвижения материала по циклонам в результате присадки из газовой фазы легковозгоняемых соединений содержание в материале на входе во вращающуюся печь составило: SО₃ = 1,83%, К₂О = 2,8% и хлора = 0,52 %, т.е. сумма всех примесей увеличилась более, чем в 5 раз, а ионов хлора в 20 раз. В настылях содержалось SО₃ от 2,4 до 2,89%, К₂О - от 3,88 до 7,12% и хлора - от 1,05 до 2,32%.

Таблица 13.1

Химический состав материала в печи сухого способа

Места отбора проб	Содержание оксидов, %
	ППП	SО3	К2О	Na2О	Cl-
Исходная сырьевая смесь
Силос	35,1	0,12	0,64	0,16	0,03
Пыль электрофильтров
Шнек	20,5	21,8	18,40	4,6	1,2
Настыли с различных участков печной системы
Декарбонизатор	52,9 39,5	2,89 2,40	3,88 7,12	0,6 1,9	1,05 2,32
Материал на входе во вращающуюся печь
Течка циклона	21,8	1,83	2,80	0,25	0,52
Лоток печи	14,3	2,51	3,12	0,2	0,38

Расположение и механизм образования настылей представлен на рис. 13.17.

В составе настылей также могут быть следующие соединения: 2С₂S∙СаCO₃, K₂SO₄, 3CA∙CaSO₄, 2C₂S∙CaSO₄ C₂AS,, 2CaSO₄∙K₂SO₄, KAS₂, K₃Na(SO₄)₂, NaKCO₃, CaCO_3, CaO, C₂S, KCl, R₂Ca(CО₃)₂. Минералогический состав настылей свидетельствует, что они в основном состоят из CaCО₃, 2C₂S∙CaCО₃, K₂SО₄, KCl и SiО₂. Следует отметить, что в них практически отсутствуют свободный СаО и C₂S, следовательно, в процессе диссоциации карбоната кальция выделившийся оксид кальция, в присутствии щелочесодержащих легкоплавких соединений, сразу взаимодействует с кремнеземом и неразложившимся кальцитом и образует спуррит. Исследование системы СаСО₃ - SiО₂ с добавками 3% CaSО₄, Na₂SО₄, K₂SО₄ и KCl в атмосфере СО₂ показали, что только в присутствии КС1 при температуре 760°С образуется спуррит, т.е. КС1 является минерализатором раннего образования спуррита. Следовательно, процесс настылеобразования в запечной системе обусловлен способностью хлора многократно возгоняться, накапливаться и конденсироваться на поверхности материала и газоходов.

Механизм образования настылей в теплообменниках и декарбонизаторе также связан с возникновением и уменьшением или полным исчезновением высокоповижного эвтектического расплава в системе щелочных солей и СаСO₃.

Вследствие повышенного содержания щелочных соединений в материале при температуре 750...900°С может возникнуть до 20% низкотемпературного расплава. В последующем в результате декарбонизации СаСO₃ уменьшается доля жидкой фазы, что и приводит к кристаллизации и твердению массы и образованию настылей.

Вероятность образования настылей, по данным фирмы KHD, зависит от содержания Сl^- и SO₃ в поступающем в печь материале (рис. 13.18).

Рис. 13.18. Вероятность образования настылей (данные KHD)

Охарактеризовать корректировка и гомогенизация сырьевой смеси при мокром способе.

Основными способами корректировки шлама являются порционный и поточный. Сущность порционного корректирования заключается в раздельном приготовлении мелового (известнякового), глиняного шламов и мелового шлама с железосодержащей добавкой, которыми заполняются отдельные вертикальные бассейны емкостью около 1000 м³ где осуществляется пневмоперемешивание (рис. 8.1, 8.2).

После пневмоперемешивания шлама в вертикальных бассейнах определяется его химический состав на рентгеновском спектрометре, и в соответствии с расчетом перекачивается соответствующее количество в бассейны готового шлама: вертикаль­ный или горизонтальный емкостью 5000...8000 м³ (рис. 8.3).

Если готовый шлам не соответствует требованиям технологического регламента, производится его докорректировка. После добавки каждой новой порции следует перемешивать шлам не менее 2 часов, затем заново проводить химический анализ. Следовательно, порционный способ корректировки требует большого количества емкостей и много времени и в конечном итоге не обеспечивает полной однородности шлама. Для лучшего перемешивания шлама его следует разливать по «зеркалу» бассейна, для чего над бассейном устанавливается распределительный желоб, вращающийся вместе с крановой мешалкой.

С увеличением, производительности заводов и развитием автоматизации возникла схема поточного корректирования, когда смешивание различных по составу шламов производится непрерывно в потоке. Одним из необходимых элементов поточной схемы является оперативный анализ химического состава сырьевой смеси, точное измерение и дозирование количества материала и шлама в непрерывном режиме.

Для получения оперативного и достоверного анализа шлама необходимо получение представительной пробы и проведение экспресс-анализа. В настоящее время имеются технические возможности организации такого процесса в 2-х вариантах: дискретный анализ усредненной пробы и непрерывный анализ материалов непосредственно в потоке. Дискретный анализ усредненной пробы по примеру Осколцемента можно организовать путем отбора из потока шлама каждые 2...3 минуты порцию около 15...20 литров, чтобы за час набрать 0,5 м³ шлама, который одновременно измельчается в специальном агрегате, представляющем собой подобие молотковой дробилки с вертикальным ротором. Экспресс-анализ осуществляется на рентгеновском спектрометре за несколько минут. В последние годы разработан поточный нейтронный анализатор, который позволяет определять химический состав и влажность шлама непрерывно в потоке.

Дозирование твердых материалов рекомендуется осуществлять весовыми ленточными дозаторами, приведенными на рис. 6.4. Для измерения объема шлама наиболее рациональными являются индукционные расходомеры, использующие принцип работы электрического генератора, т.е. согласно закону Фарадея ЭДС, наводимая на концах проводника (диаметр резинового патрубка), пропорциональна напряженности магнитного поля В и скорости шлама W (рис. 8.4). Так как I и В постоянны, то Е (наводимая ЭДС), пропорциональна скорости шлама W и, следовательно, объемному расходу шлама. Поэтому по величине ЭДС можно судить о количестве шлама.

Чтобы при поточном корректировании получить кондиционный состав шлама, необходимо организовать смешение компонентов в несколько этапов (рис. 8.5). Вначале смешиваются мел и глина с получением двух промежуточных шламов, состав которых по содержанию СаСО₃, (титр) несколько выше и ниже нормы. Например, при нормативном титре 76 % один шлам готовится с высоким титром – 80 %, а другой - с низким ~ 72 %.

Затем два промежуточных шлама смешиваются в соотношении - 1:1.

При таком подходе достигается более однородный состав конечного шлама, так как при небольших отклонениях соотношения «высокого» и «низкого» шламов из-за их близкого состава отклонение химического состава конечного шлама не будет выходить за пределы нормативного. Если же смешивались бы исходные компоненты с титром 98 и 10%, то небольшие колебания питания материалом приводили бы к значительным отклонениям химического состава готового шлама.

Если при порционном корректировании горизонтальные бассейны служат для хранения шлама, то при поточном приготовлении в горизонтальных бассейнах производят перемешивание и усреднение шлама. На основе традиционной технологии с порционным корректированием разработана полупоточная схема корректирования. Сущность ее заключается в том, что вертикальные бассейны, оснащенные автоматическими уровнемерами, выполняют функции дозирующих устройств.

В свое время на кафедре «Технологии силикатов» ЮКГУ им. М Ауезова (Л.Г. Трофимова, Б.Т. Таймасов) была разработана и внедрена в производстве №1 АО «Карагандацемент» полупоточная схема корректировки сырьевого шлама. Было предложено изменить систему приготовления шлама, полностью отказавшись от корректировок в вертикальных бассейнах. Последние используются в качестве емкостей промежуточного дозирования. Для обеспечения работоспособности и надежности системы осуществлен ряд прогрессивных технологических решений, средств механизации и автоматизации, дистанционного управления, увеличена скорость слива шлама и мощность шламнасосов. Полупоточная схема позволила увеличить скорость поступления нормального откорректированного шлама в 2,5…3 раза за счет исключения операций усреднения и корректировки отдельных порций сырьевой смеси.

Охарактеризовать материально-солевые кольца, причины образования и способы предотвращения. Низкоосновные кольца, причины образова­ния и способы предотвращения.

Материально-солевые кольца в литературе имеют различные названия (спурритовые, сульфатные, материальные) в зависимости от преобладающей в них фазы. Данные образова­ния условно отнесены к кольцам, фактически они представляют собой наросты на футеровке в подготовительных зонах толщиною около 200 мм, а также на цепях в горячей части завесы (рис. 13.12, 13.16).

Рис. 13.16. Наросты на цепях в горячей части завесы

Данные образования на футеровке периодически обрушаются, вызывая волнообразное движение слоя материала в печи, вследствие чего возможны выпуск недожога или пережога клинкера и обрушение обмазки в зоне спекания. При возникновении наростов на цепях ухудшается теплообмен, что приводит к снижению производительности печи и повышению удельного расхода топлива. В составе наростов на указанном участке печи могут быть следующие соединения: 2С₂S∙СаCO₃, 2C₂S∙CaSO₄, 3CA∙CaSO₄, KCl, 2CaSO₄∙K₂SO₄, CaO, CaCO_3, C₂AS, KAS₂, K₃Na(SO₄)₂, K₂SO₄, NaKCO₃, C₂S.

Механизм образования данного типа наростов также связан с возникновением и уменьшением или полным исчезновением жидкой фазы. В температурном интервале 690...900 ^оС вследствие повышенного содержания щелочных соединений в материале печи, может возникнуть 15...25% низкотемпературного расплава, так как каждый процент щелочного оксида совместно с анионной частью и карбонатом кальция дает 4…5% жидкой фазы. В отдельных системах эвтектический расплав возникает при следующих температурах: KCl - K₂SO₄*(690 ); K₂СO₃ - CaCO₃ (745 и 795 ); K₃Na(SO₄)₂ - CaCO₃ (820 ); K₂SO₄ - CaCO₃ (880 ). В последующем в результате декарбонизации СаСО₃ и возгонки летучих компонентов по нижеприведенным схемам уменьшается доля жидкой фазы, что и приводит к кристаллизации и отвердеванию массы с образованием наростов и колец.

R₂Ca(CO₃)₂+CaCO₃+SiO₂ R₂CO₃+2C₂S·CaCO₃ C₂S+CaO+ R₂О +CO₂

R₂SO₄+ CaCO₃+SiO₂ 2C₂S · CaSO₄+ R₂О +CO₂

Низкоосновные кольца чаще всего возникают в начале зоны спекания. Эти кольца светло-серого цвета в основном состоят из незавершенных продуктов обжига цементного клинкера и содержат достаточно высокое количество свободной извести (5...10%). Они имеют высокую прочность, иногда даже выше, чем основная обмазка в зоне спекания.

Этот факт свидетельствует о том, что при относительно низкой температуре обжига в данных условиях имелось большое количество расплава. При высокой скорости продвижения материала в зоне декарбонизации тепловые процессы опережают химические реакции. В этих условия до 1200...1300°С формируются минералы низкой основности, которые образуют до 50% расплава. В последующем, насыщаясь оксидом кальция, выкристаллизовываются С₂S и C₃S, количество жидкой фазы уменьшается, и образуется нарост. Возникнув на начальной стадии, кольцеобразование интенсивно саморазвивается, так как увеличивается разность температур поверхности кольца и материала за кольцом, что усугубляет ситуацию.

Таким образом, причина образования подобного вида колец связана с недостаточной подготовкой материала до зоны спекания и высоким контрастом теплового поля печи на данном участке. Поэтому такие явления обычно наблюдаются при работе на коротком теплонапряженном дальнем факеле, и могут быть предотвращены рациональным режимом сжигания топлива, приведенном в разделе 13.1.4 (рис. 13.11).

Охарактеризовать основные причины клинкерного пыления.

Основные причины клинкерного пыления обусловлены:

составом сырья по основным оксидам и модулям;

составом и способом возврата пыли электрофильтров в печь;

наличием щелочесодержащих примесей;

составом газовой среды в печи;

режимом обжига и степенью подготовки материала до зоны спекания;

процессом горения топлива и формой факела;

эффективностью работы холодильника и температурой вторичного воздуха.

Охарактеризовать особенности обжига пыли во вращающейся печи.

На рис. 19.4 приведены особенности расположения технологических зон при обжиге пыли в сравнении с рядовой сырьевой смесью. Эти особенности обусловлены различным составом этих шламов.

Рис. 19.4. Особенности положения технологических зон в печи при обжиге пылевого шлама

Из-за высокой влажности пылевого шлама (~ 50%) и, следовательно, повышенной массы воды расход тепла на ее испарение увеличивается с 2400 до 3200 кДж/кг клинкера. Вследствие этого, а также из-за необходимости снижения поверхности цепной завесы, протяженность зоны сушки увеличилась с 25 до 48%. Причиной снижения поверхности цепей являлось образование шламово-солевых колец в цепной завесе с периодичностью 2...4 недели из-за высокого содержания в пыли щелочных сульфатов (табл. 19.1). Предотвратить их образование удалось только снижением поверхности цепей настолько, чтобы влажность материала на выходе из них была в пределах 22...24%.

Следующая особенность заключалась в уменьшении протяженности зоны декарбонизации с 33 до 16%, что связано с уменьшением ППП шлама и выделяемого СO₂ из карбоната кальция с 0,54 до 0,27 кг/кг клинкера и соответственно уменьшением расхода тепла в этой зоне с 2100 до 1050 кДж/кг.

В связи с тем, что повышенное содержание щелочных сульфатов приводило к клинкерному пылению, то зона спекания максимально приближалась к порогу печи, для чего горелка выдвигалась назад из печи в приемную шахту. При этом в печи практически отсутствовала зона охлаждения.

В результате реализации такой системы использования пыли на остальных 5-ти печах пылеунос значительно сократился, в связи с чем, количества пыли не хватало для круглосуточной работы одной печи на пылевом шламе. Поэтому эта печь периодически (через ~ 12 часов) переключалась на рядовой или пылевой шлам. Для того чтобы не происходило загустевания смеси шламов при каждом переходе цепная завеса в течение 15...20 минут промывалась водой.

Применение данного способа позволило на пяти печах снизить удельный расход топлива и повысить качество клинкера, обеспечивающего устойчивый выпуск цемента марки 500. Активность обожжённого из пыли клинкера составляла около 35 МПа, поэтому он использовался в смеси с рядовым клинкером при выпуске цемента марки 400. В связи с тем, что количество такого клинкера было менее 10%, в целом по заводу значительно улучшились все технико-экономические показатели

Охарактеризовать печи мокрого способа производства.

Обжиг цементного клинкера по мокрому способу производится в длинных вращающихся печах с отношением длины к диаметру L/D = 37. Наибольшее распространение в последние десятилетия получили печи Ø5x185 м с колосниковым холодильником «Волга 75», описание которых приводится ниже.