10.2.4.2. Влияние степени очистки циклонов на расход тепла

Степень очистки (КПД) циклонов оказывает влияние на удельный расход тепла, причем наибольшее – в верхних ступенях (рис. 10. 18). Эхо обусловлено тем, что при низком КПД нижних циклонов возникает дополнительная циркуляция материала внутри системы с незначительным выносом тепла за пределы теплообменников. Если же наблюдается низкий КПД в верхней 1- ой ступени, то нагретая мука с температурой 300°С выносится за пределы тепловой системы, где она охлаждается до 30... 50°С и при повторном нагреве потребуется восполнить потерянное тепло. Вследствие этого рекомендуется увеличивать КПД циклонов от нижних к верхним. Согласно данным фирмы KHD, степень осаждения циклонов по отдельным ступеням равна: I-ой - 96%, II- 90%, III-ей - 85%, IV и V-ой - 80%.

Высокая степень очистки I-ой ступени обеспечивается спаренными циклонами меньшего диаметра. Это обусловлено тем, что центробежная сила Ғ, определяющая выделение пыли из потока в циклоне, согласно уравнению обратно пропорциональна радиусу циклона R.

F=mV²/R

10.2.4.3. Влияние провалов материала и подсосов холодного воздуха на расход тепла

Провалы материала навстречу восходящему газовому потоку исключают часть системы из теплообмена и поэтому приводят к перерасходу топлива. Провалы особенно нежелательны в нижних двух ступенях, так как материал минуя при этом декарбонизатор, поступает неподготовленный в печь, в результате чего происходит замена интенсивного теплообмена во взвешенном состоянии на незначительную поверхностную теплопередачу к слою материала в печи. Причиной провала может быть неравномерное распределение материала по сечению газохода, что связано с нерациональной работой рассекателя (рис. 10.19), когда поток сырьевой муки компактной, плотной массой поступает в газоход и значительное количество ее может проваливаться вниз против газового потока в расположенные внизу циклоны или печь. При этом температура материала ниже участка провала будет меньше температуры газового потока.

Отбойные плиты в загрузочном коробе при правильной установке обеспечивают хорошее распределение муки по сечению газохода, что способствует хорошему теплообмену. Следовательно, если не совпадают температуры материала и газа в одном циклоне следует отрегулировать положение отбойной плиты.

Подсосы холодного воздуха. Необходимо еще раз подчеркнуть, что главные усилия по совершенствованию запечной системы следует направить на устранение подсосов. Теоретически - расчетная зависимость удельного расхода тепла от подсосов по ступеням запечных теплообменников свидетельствует, что эффективность от устранения подсосов увеличивается от верхних ступеней к нижним (рис. 10.20.).

Так, например, если подсосы воздуха по запечным теплообменникам составляют 60 %, и все они наблюдаются ниже IV-гo циклона, т.е. на обрезе печи в декарбонизаторе, то увеличение расхода тепла на кг клинкера составит =750 кДж. Если эти же подсосы проявятся на 1-ой ступени, то эта величина будет всего =100 кДж, т.е., в 7,5 раз меньше.

Движение газовых потоков из нижнего в верхний циклон через разгрузочные течки предотвращается отлаженной работой маятниковых затворов. Контроль осуществляется по их подвижности (рис. 10.21).

Рис. 10.21. Клапанные короба на трубопроводах сырьевой муки

Оценить влияние щелочесодержащих примесей и со­става газовой среды на клинкерное пыление.

Возврат пыли электрофильтров в печь, особенно с холодного конца, оказывает отрицательное влияние на формирование клинкерных гранул. Для выяснения особенности воздействия пыли на процесс клинкерного пыления определялось содержание R₂O и SO₃ в пыли электрофильтров и сырьевой смеси (рис. 13.2).

Из приведенных данных видно, что значительная разница наблюдается в количестве щелочных оксидов и серного ангидрида. Сумма R₂O и SO₃ в пыли электрофильтров иногда превышала 17 %, тогда как в сырьевом шламе не достигала 1,5%. Содержание щелочей и SO₃ в пыли электрофильтров в зависимости от режима обжига и состава сырья может изменяться в пределах R₂О=K₂О+Na₂О = 4...13%; SO₃ = 2...9%. Рентгенофазовым анализом установлено, что щелочи в пыли электрофильтров представлены преимущественно сульфатами состава глазерита K₃Na(SO₄)₂ и хлоридами KCl.

Рис. 13.2. Содержание примесей в сырье и пыли электрофильтров

Совокупное влияние щелоче- и серосодержащих примесей и состава газовой среды на процесс клинкерного пыления изучалось при обжиге сырьевых смесей (КН = 0,9; п = 2,2; р =1,3), синтезированных из химических реактивов, без добавки и с 5% K₃Na(SО₄)₂. Образцы обжигались до различных температур, охлаждались и определялись их масса, усадка, пористость и прочность при сжатии (рис. 13.3).

Эксперименты проводились в атмосфере воздуха и газовых средах, близких к составу газов вращающихся печей. Принята следующая классификация сред:

- окислительная: α = 1,3...1,6; О₂ = 4...8%; СО₂ = 6...9%; СО < 0,02%;

- нейтральная: α = 1,1... 1,2; О₂ = 2.. .4%; СО₂ = 10... 14%; СО < 0,02%;

- восстановительная: α = 0,8... 0,9; О₂= 0; СО₂= 10... 12%; СО < 0,8...2%.

При анализе полученных результатов замечено, что состав газовой среды практически не оказывает воздействия на спекание бездобавочной смеси, но в значительной степени влияет на возгонку K₃Na(SО₄)₂, усадку и прочностные показатели образцов, содержащих глазерит. Наибольшую усадку и, следовательно, наименьшую пористость имеют образцы, обожженные в атмосфере воздуха. С увеличением количества горючего газа и уменьшением воздуха усадка понижается, а пористость увеличивается. Причем, чем интенсивней происходит возгонка солей из материала, тем слабее идет процесс усадки. Это, вероятно, обусловлено тем, что пары щелочей и сернистого ангидрида повышают давление в порах и препятствуют уплотнению частиц.

Кривые изменения пористости спеков хорошо согласуются с интенсивностью возгонки K₃Na(SО₄)₂. Наиболее интенсивно возгонка происходит в восстановительной атмосфере, где весь введенный щелочной сульфат возгоняется уже к 1350°С, тогда как в воздушной среде при этой температуре практически только начинается возгонка, к 1450°С возгонка составляет всего 20% от введенного в сырьевую смесь глазерита. Вследствие ин­тенсивной возгонки K₃Na(SО₄)₂ в восстановительной среде по­ристость спеченного клинкера достигает более 50 %, что почти в 2 раза выше, чем полученного в воздушной среде.

Естественно, прочность спеков хорошо согласуется с их пористостью. Прочность при сжатии спеков из бесщелочной смеси независимо от газовой среды в печи постепенно увеличивалась до 45 МПа. Характер нарастания прочности образцов, содержащих сульфаты щелочей, существенно отличался от первых. С 700 до 800°С прочность незначительно повышалась, однако, уже к 900°С снижалась до 1,0...1,2 МПа. Эта температура близка к температуре плавления K₃Na(SО₄)₂ и декарбонизации СаСО₃, и совпадает с прекращением усадки образца. В дальнейшем такая низкая прочность спеков оставалась неизменной почти до 1300°С.

Прочность образцов в температурном интервале 1450°С зависит от состояния газовой среды. В воздушной атмосфере прочность при 1450°С достигала 24 МПа, в окислительной - 19 МПа, в нейтральной - 12 МПа, а в восстановительной - всего 4,5 МПа, т.е. в 10 раз меньше, чем прочность образцов из бесщелочного сырья.

Приведенные лабораторные исследования подтверждаются промышленными данными, которые свидетельствуют, что в большинстве случаев при клинкерном пылении в материале печей наблюдается повышенное содержание щелочных оксидов и серного ангидрида (~ 10%) даже при относительно низком их содержании в сырье и клинкере (рис. 13.4).

Это свидетельствует о высокой степени циркуляции этих примесей в системе. Интенсивная их возгонка происходит после усвоения извести и совпадает, как будет показано далее (рис. 13.5), с процессом разрушения гранул в печи. В связи с вышесказанным становится понятным, что при обжиге в печи сырьевой смеси, содержащей повышенное количество щелочных сульфатов, особенно в восстановительной среде, гранулы приобретают большую пористость и малую прочность.

Таким образом, одной из причин возникновения клинкерного пыления является образование при возгонке щелочных примесей пористых клинкерных гранул пониженной прочности, которые склонны разрушаться в пыль при их движении во вращающейся печи.

Оценить горелочные устройства для вращающихся печей.

Оценить использование горючих отходов при мокром способе производства.

Как уже отмечалось выше, при мокром способе производства наиболее рациональный вариант использования материалов, содержащих горючие вещества, совместный помол техногенного продукта с традиционными сырьевыми компонентами. В этих условиях достигается заданный стабильный химический состав шлама, так как при совместном помоле сырьевых компонентов и топливо содержащих техногенных материалов корректировка производится традиционным способом.

Теплотехнические расчеты и проведенные на «Уралцементе» и Углегорском заводе испытания показали, что каждый процент введенной в шлам горючей массы обеспечивает экономию около 15 кг условного топлива на тонну клинкера. Учитывая, что теплота сгорания горючей составляющей обычно не менее Q_Н^Г = 30 МДж/кг, то при 1% содержании его в сухой сырьевой смеси это составит ~ 15 кг/т или 450 МДж/т, что соответствует ~ 450/29,3 ~ 15 кут/т клинкера.

Однако при введении выгорающих добавок в шлам следует учитывать некоторые особенности эксплуатации вращающейся печи, которые обусловлены необходимостью иметь достаточное количество кислорода в подготовительных зонах, чтобы обеспечить сжигание содержащегося в шламе топлива. Допустимый ввод горючей массы в шлам определяется именно этими обстоятельствами, так как при недостатке или большом избытке воздуха в пламенном пространстве, как показано в разделе 9.3.1. (рис.9.6), снижается температура факела и, следовательно, теплообмен в зоне спекания. Поэтому при превышении коэффициента избытка воздуха определенной величины не достигается требуемая для спекания клинкера температура факела.

Теплотехнические расчеты и промышленные испытания свидетельствуют, что для обеспечения необходимой температуры факела для спекания клинкера в сырьевую смесь можно вводить до 3 % выгорающей добавки. Это позволит заменить до 45 кут/т клинкера ценного форсуночного топлива на горючие отходы.

Одновременно при этом дополнительно обеспечивается еще три положительных эффекта. Органическая составляющая техногенных материалов, как правило, является разжижителем и интенсификатором помола шлама, что естественно привело к снижению его влажности и повышению производительности сырьевых мельниц следовательно, к экономии электроэнергии. Выгорание горючей составляющей интенсифицирует подготовку материала до зоны спекания, что способствует формированию гранулированного клинкера. Кроме того, клинкер, полученный из сырьевой смеси с выгорающими добавками, более пористый и обладает повышенной размолоспособностью, вследствие чего увеличивается производительность цементных мельниц, приводящая к дополнительной экономии электроэнергии.

Следует иметь в виду, что если при применении минеральных техногенных материалов снижается удельный расход тепла на обжиг клинкера и, следовательно, пропорционально увеличивается производительность печи, то при использовании горючих добавок один вид топлива заменяется на другой, и поэтому производительность печи остается неизменной.

Эффективность использования минеральных и топливо содержащих техногенных материалов приведена на рис. 15.4 и свидетельствует, что при их совместном применении можно в пределе снизить удельный расход технологического ценного форсуночного топлива ниже 100 кут/т клинкера, т.е. приблизиться к расходу по сухому способу.

Рис. 15.4. Эффективность использования минеральных и горючих техногенных материалов

Если даже только частично реализовать данное направление с введением до 25% шлака и 2,5% горючего вещества, то можно достигнуть величины ~ 130 кут/т, и снизить выброс СО₂ в атмосферу с 860 до 630 кг/т клинкера.

Промышленные испытания, проведенные в 1983г. на Семипалатинском заводе по использованию вскрышных пород Экибастузского угольного месторождения показали положительное влияние выгорающих включений на свойства сырьевого шлама, его размалываемость, значительно легче происходил обжиг сырьевой смеси, что позволило на 3,6 кут/т клинкера снизить расход топлива. Полученный более пористый клинкер легче размалывался.

На зарубежных заводах в качестве частичной замены топлива во вращающихся печах сжигают изношенные автомобильные покрышки. По данным Ассоциации Производителей Резины в США в 2004 г. 43 цементных завода постоянно использовали в качестве топлива покрышки. Топливо из покрышек по теплотворной способности примерно равноценно мазуту, постепенное сгорание покрышек в печи позволяет уменьшить до 30 % выбросы NO_x, а также уменьшить и выброс в атмосферу отходящих газов. Автомобильные покрышки сжигаются на цементных заводах Европы и Японии.

В России на Карачаево-Черкесском цементном заводе также успешно использовали автомобильные покрышки, подавая их за цепную завесу.

Под руководством Т.В. Кузнецовой проведены исследования на Руставском цементном заводе по использованию отходов углеобогащения, содержащих 20...30 % равномерно распределенных углистых включений с теплотой сгорания 22,6...24,3 МДж/кг (5400...5800 ккал/кг).

Отходы обогащения Карагандинских углей снижали удельные затраты энергии на помол шлама на 15...20 %, влажность сырьевого шлама снижалась на 2-3 %, температура декарбонизации шихты с углеотходами снижалась на 15°С, а температура появления жидкой фазы - на 20 °С. С введением в шихту углеотходов повышалась пористость спеков с 30 до 40 %, что облегчало помол цемента. Активность цемента возросла на 1,0...3,1 МПа. Конечный эффект от введения в сырьевую смесь углеотходов проявляется в снижении расх расхода технологического топлива на 8... 30 %.

Оценить теплообмен в пламенном пространстве печи.

Оценить теплообменные устройства вращающейся печи мокрого способа производства.

Теплообменные устройства предназначены для снижения расхода топлива и должны обеспечивать:

• интенсивный теплообмен между материалом и газовым потоком;

• длительную эксплуатацию цепей, предотвращение их выгора­ния;

• рациональное продвижение материала на различных участках;

• образование и сохранение гранул для некоторого сырья;

• предотвращение образования колец в печи;

• пониженное сопротивление газовому потоку;

• низкий пылеунос.

Комплекс теплообменных устройств обычно состоит из цепных завес и зацепных периферийных теплообменников, которые расположены в области температур материала до 500 °С и выполнены в виде цепных ковриков, а при более высоких температурах в виде керамических теплообменников (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Расположение теплообменников е печи

Цепные теплообменники располагаются обычно на участке 25...35% длины печи и вместе с керамическими теплообменниками могут распространяться до 50% ее длины.

При вращении печи на начальном участке цепи покрываются пленкой шлама, которой непосредственно передается тепло от газового потока конвекцией. После частичного высыхания шлама и достижения критической влажности материал ссыпается с цепей, при этом обеспечивается регенеративный теплообмен, когда цепь нагревается в газовом потоке в верхнем положении и отдает тепло материалу при погружении в него.