3.2. Сырьевые материалы для производства строительной воздушной извести
Сырьем для производства воздушной извести являются все природные материалы, содержащие в основном углекислый кальций (известняк, мел, известковый туф и т. д.). Теоретический состав углекислого кальция, % по массе: 56 СаО и 44 СО2. Углекислый кальций встречается в природе в виде трех минералов: кальцита, арагонита и ватерита. Известковые горные породы весьма распространены и широко применяются в производстве вяжущих материалов.
Основными разновидностями известняков по структурным признакам являются кристаллические, органогенные, обломочные и известняки смешанной структуры. Кристаллические известняки сложены кристаллами кальцита различных размеров. Органогенные известняки представлены остатками животных или растительных организмов, состоящими из кальцита или арагонита и цементирующей их массы — микрокристаллического кальцита. Обломочные известняки представляют собой обломки ранее сформировавшихся известняков и кальцитового цемента. Известняки со смешанной структурой являются переходными разновидностями кристаллических, органогенных и обломочных известняков. Литологическая разновидность известняков — мел, представляющий собой рыхлую, слабо сцементированную тонкозернистую породу, состоящую из тонкого органогенного и перлитоаморфного кальцита. Существуют и другие разновидности известняков: оолитовые, известковые туфы и др.
Известковые горные породы обычно содержат примеси глинистых веществ, доломита, кварца, оксида железа. Количество примесей колеблется в довольно значительных пределах. Физическая структура известняков и наличие в них примесей влияют на процесс производства извести, изменяя температуру обжига, производительность печи и свойства конечного продукта.
По химическому составу карбонатные породы для производства извести делят на семь классов. Наиболее широко применяют плотные известняки и мел. Плотные известняки часто имеют мелкокристаллическую структуру. Иногда приходится использовать высокопрочные кремнистые известняки. Мел представляет собой мягкую, легко растирающуюся известковую породу. Рыхлая структура мела облегчает его добычу, но затрудняет обжиг в шахтных печах, так как куски мела легко крошатся, а образующаяся мелочь, заполняя пространство между обжигаемыми кусками, ухудшает тягу. При обжиге мела во вращающихся печах затруднений не встречается.
Предел прочности при сжатии кристаллических зернистых и плотных известняков (2400—2800 кг/м3) 20— 120 МПа. Прочность некоторых сортов мрамора достигает 300 МПа. Предел прочности при сжатии оолитовых известняков, известковых туфов, мела и ракушечников с плотностью 1000—2400 кг/м30,5—50 МПа. Влажность известняков составляет 3—10 %, а мела— 15—20 %.
Известняки встречаются во многих районах страны, и поэтому производство из них вяжущих материалов широко распространено.
3.3. Технология производства строительной извести
Процессы, протекающие при нагревании углекислого кальция и известняков
При обжиге карбонатного сырья для получения воздушной извести основным процессом является диссоциация углекислого кальция, сопровождающаяся поглощением теплоты, по следующему уравнению:
СаСО3(тв)+178,58 кДж = СаО(тв)+СО2(г).
Для разложения углекислого кальция требуется большое количество теплоты — 1780 кДж на 1 кг СаСО3.
Диссоциация карбоната кальция — типичный пример обратимой реакции, направление которой зависит от температуры и парциального давления СО2в окружающей среде. Для интенсификации реакции диссоциации уменьшают парциальное давление СО2, удаляя ее из печи, а также повышают температуру обжига по сравнению с теоретически необходимой.
На рисунке приведен график изменения парциального давления СО2над обжигаемым углекислым кальцием при разных температурах. Практически при обжиге парциальное давление углекислого газа в печном пространстве намного менее 0,1 МПа (содержание углекислоты колеблется в пределах 30—40 % ). вследствие чего температура диссоциации СаСО3не превышает 824—844 °С. Однако при обжиге кускового известняка, как только поверхностная оболочка на кусках, состоящая из оксида кальция, достигает видимой толщины, содержание углекислого газа вблизи зоны реакции повышается до 100 %, и температура диссоциации соответственно возрастает.
Степень и скорость реакции разложения углекислого кальция зависят от перепада температур у поверхности кусков и в их центре, размера кусков, упругости (парциального давления) углекислого газа, наличия в известняке примесей и др. Совершенно очевидно, что диссоциация карбоната кальция в центре крупных кусков намного отстает по времени от диссоциации на их наружной поверхности. На практике важно соблюдать необходимую длительность обжига различных по размеру и форме кусков карбоната кальция.
Теоретические и опытные данные по продолжительности декарбонизации известняка в различных печных агрегатах в зависимости от размера частиц и температуры обжига представлены на графике. Из этих данных следует, что с уменьшением размера обжигаемого зерна известняка время декарбонизации уменьшается. С уменьшением же размера зерен и одновременным повышением температуры обжига время полной декарбонизации частиц уменьшается в еще большей степени. Следовательно, основными путями увеличения скорости обжига известняка в печных агрегатах являются уменьшение размера обжигаемого зерна, отвод выделяющегося углекислого газа и повышение температуры обжига. Однако с повышением температуры обжига известняка изменяются свойства получаемой извести, увеличиваются ее плотность и размер кристаллов оксида кальция, уменьшается скорость гашения.
Практически температура обжига известняка в заводских условиях составляет 1000—1200°С. Это вызвано тем, что на заводе обжигают большое количество сырья с колеблющимся химическим составом, содержащее различные примеси, причем скорость обжига в этом случае приобретает большое значение. Поэтому в производстве приходится применять более высокие температуры обжига, чем в лаборатории. На каждом заводе температура обжига известняка устанавливается в зависимости от его плотности, наличия в нем примесей, типа печи и других факторов. При обжиге более плотных известняков удаление из обжигаемых кусков углекислоты затруднено и требует более высокой температуры. Наличие глинистых и магнезиальных примесей в известняках способствует выделению при обжиге углекислого газа и снижению температуры обжига.
Плотные мрамороподобные известняки, не содержащие значительного количества примесей, обжигаются при температуре до 1300 °С, а иногда и превышающей ее. Более низкая плотность и присутствие примесей позволяют снизить температуру обжига извести. При использовании в качестве сырья магнезиальных известняков температура обжига может быть даже ниже 1000°С.
При неправильной эксплуатации печи, а также при попадании в нее кусков известняка больших размеров или более высокой плотности, на что не рассчитан установленный на заводе режим обжига, часть материала не дожигается, так как не успевает декарбонизировать-ся. Такой недожог уменьшает выход теста из кипелки, так как недожженная часть материала при гашении не рассыпается в порошок и остается в виде кусков. Вредного влияния на качество извести недожог не оказывает. При слишком высокой температуре обжига возможен пережог извести, при котором появляется крупнокристаллический оксид кальция. Пережог ухудшает качество извести, так как вызывает медленное гашение ее частиц. Последние могут полностью гаситься в сооружении и вызвать в нем не только трещины, но и разрушение. Крупные кристаллы оксида кальция в пережженной извести образуются в результате перекристаллизации СаО под воздействием расплава зольной части топлива или длительного нагрева при высокой температуре.
При получении молотой негашеной извести недожженные и пережженные частицы измельчаются и не являются отходом, причем вредное действие пережога при надлежащей тонкости помола уменьшается. Однако даже очень тонкий помол не может полностью устранить влияние пережога.
Зона разложения СаСО3в каждом куске распространяется от поверхности к его внутренним слоям с определенной скоростью, зависящей от температуры обжига, а также от структуры камня. Так, например, при температуре окружающей среды 900 °С скорость распространения зоны разложения СаСО3в известняке средней плотности составляет примерно 3 мм в 1 ч, а при 1100°С—14 мм в 1 ч. Следовательно, скорость обжига кусков известняка при 1100°С в 4,7 раза.больше, чем при 900 °С. С повышением температуры обжига удельный расход топлива уменьшается. Однако для получения быстрогасящейся извести необходимо вести обжиг до полной декарбонизации углекислого кальция при возможно более низкой температуре и минимальном выдерживании материала в этих условиях («мягкий» обжиг).
Известеобжигательные печи
Для обжига извести применяют в основном шахтные и вращающиеся печи. Выбор типа печи зависит от характера сырья, масштабов производства, применяемого топлива и других факторов. Обжиг извести можно вести на твердом, жидком и газообразном топливе. Наибольшее распространение получили шахтные известеобжигательные печи. Широкое распространение шахтных печей в производстве извести объясняется их преимуществом перед другими известеобжигательными агрегатами. Они надежны в эксплуатации, требуют меньшего по сравнению с другими печами расхода топлива и позволяют использовать местные его виды.
Шахтные печи чаще всего бывают круглого или прямоугольного поперечного сечения с закругленными торцовыми сторонами. В продольном сечении шахта может иметь форму цилиндра, двух усеченных конусов, сложенных широкими основаниями. Иногда шахта в верхней части имеет форму цилиндра, а в нижней — усеченного конуса и наоборот (рисунок).
Шахтные известеобжигательные печи работают непрерывно. Через определенные небольшие промежутки времени в верхнюю часть шахты загружают известняк, а из нижней части выгружают готовую известь. Известняк медленно опускается вниз по шахте, при этом сначала подогревается, затем обжигается и, наконец, в нижней части шахты охлаждается. Воздух для горения поступает снизу, охлаждает известь и подается в зону обжига подогретым. Дымовые газы вследствие отсоса или одновременного отсоса и дутья поднимаются вверх и поступают в дымовую трубу, отдавая по пути теплоту загружаемому в печь известняку и испаряя содержащуюся в нем влагу. Таким образом, в шахтных печах различают три зоны: первая — сушки и подогрева, вторая — обжига, третья — охлаждения.
Основными элементами шахтных печей являются: шахта, или рабочая камера печи, загрузочное и выгрузочное устройства, воздухоподводящие и газоотводящие аппараты и выносные топочные устройства для сжигания топлива вне шахты.
Внутри шахтные печи футерованы шамотным кирпичом. Более длительным сроком службы отличаются футеровки из многошамотных, хромомагнезитовых и высокоглиноземистых огнеупоров. За внутренним рабочим слом футеровки в стенке печи выкладывают изоляционный слой из шамотных легковесных огнеупоров. Пространство между кладкой и металлическим кожухом печи для большей теплоизоляции заполняют молотым шамотом или трепелом. Кожух изготовляют из листовой стали толщиной 8—14 мм. Иногда за рабочим слоем футеровки стенку печи выкладывают красным кирпичом. Рабочая высота шахты 10—28 м, диаметр до 6 м.
Подготовляют известняк для обжига в шахтных печах на дробильно-сортировочной установке, снабженной щековыми дробилками и грохотами. На современных заводах дробилка может принимать для дробления куски размером до 0,5 м при производительности 75 т/ч. В случае необходимости применяют двухступенчатое дробление. На дробильно-сортировочных установках известняк дробят и, как правило, разделяют на фракции определенных размеров.
Загружаемые в шахтную печь куски известняка имеют обычно размеры 0,06—0,2 м. При меньшем размере кусков известняка в шахтных печах создается весьма большое сопротивление движению газов и ухудшается тяга. Поэтому при обжиге кусков меньших размеров следует создавать условия ускорения движения газов. Для известняка с различными размерами кусков режим обжига приходится рассчитывать исходя из времени, потребного для обжига крупных кусков. Мелкие куски обжигаются раньше и продолжительное время занимают объем печного пространства, будучи уже обожженными.
Чем однороднее размер кусков, тем легче регулировать режим обжига и выше производительность печи. Поэтому при наличии на заводе двух печей более предпочтительно вести пофракционный обжиг, при котором в каждую печь загружаются однородные по размерам куски (размер наиболее крупных не должен превышать размера самых мелких кусков более чем в 2 раза). Целесообразно, например, разделение дробленого известняка на три фракции с размером кусков 0,08—0,15; 0,04—0,08; 0,02—0,04 м.
Если при обжиге известняка размером 0,08—0,15 м в пересыпных и полугазовых печах съем извести составляет в среднем 500 кг с 1 м3полезного объема шахты в сутки, то для кусков 0,04—0,08 м съем извести за тот же срок составит 1000 кг/м3, а для кусков 0,02—0,04 м — 2000 кг/м3. При обжиге крупных кусков известняка поверхностные слои дольше подвергаются воздействию высоких температур, чем внутренние, и, следовательно, более уплотнены. Поэтому желательно до известных пределов уменьшать размеры обжигаемых кусков известняка, что позволит увеличить производительность печей и уменьшить уплотнение поверхностных слоев кусков обжигаемой извести.
В зависимости от рода топлива и способа его сжигания шахтные печи подразделяют на пересыпные, длиннопламенные и газовые. В пересыпные шахтные печи топливо загружают в твердом виде вместе с известняком, и оно движется с ним вниз по шахте, сгорая и выделяя теплоту. В шахтных печах, работающих на длиннопламенном топливе, последнее предварительно сжигают в выносных топках, откуда горячие газообразные продукты поступают в шахту через специальные отверстия в ее стенках, расположенные примерно на расстоянии 1/3 высоты от основания. Газовые печи работают, как правило, на природном газе.
В пересыпных печах применяют топливо с малым содержанием летучих (антрацит, кокс и тощие сорта каменного угля), дающее при горении короткое пламя, а в печах, работающих на длиннопламенном топливе,— длиннопламенные угли, торф, дрова и сланцы (с большим содержанием летучих). Топливо для обжига извести сортируется и подсушивается.
Продолжительность горения кускового топлива в пересыпных печах должна соответствовать продолжительности обжига известняка. Если топливо сгорит прежде, чем известняк будет полностью обожжен, нижняя часть зоны обжига остается неиспользованной и часть извести будет недообожженной; при слишком крупном топливе процесс горения может быть излишне продолжительным и часть топлива поступит в зону охлаждения печи несгоревшей. Скорость горения зависит и от рода применяемого топлива. Например, скорость сгорания антрацита (если скорость горения кокса принять за единицу) составляет 0,89.
В зоне сушки и подогрева испаряется влага из известняка и из топлива (в пересыпных печах). Известняк в этой зоне нагревается до температуры начала диссоциации, а топливо — до температуры воспламенения. В зоне обжига происходит диссоциация СаСО3и MgCO3. Основная масса топлива сгорает в средней части зоны обжига, где условия для горения оптимальны с точки зрения температуры нагрева, количества воздуха и инертных газов. Поэтому здесь происходит максимальная теплоотдача материалу. В зоне охлаждения известь отдает теплоту поступающему снизу воздуху, омывающему куски обожженного материала.
При обжиге известняка на полугазе или газе воздух для горения поступает прямотоком (по направлению движения газов).
В шахтных печах тяга создается дымососом. Благодаря небольшому пылеуносу дымовая труба имеет небольшую высоту (10—15 м) и служит лишь для отвода газов, направляемых в нее дымососом. Дымосос создает значительное разрежение воздуха в шахте, что повышает скорость движения газов и воздуха и тем самым улучшает условия теплопередачи от газов обжигаемому материалу. В результате повышается производительность печи. Создаваемое дымососом разрежение в зависимости от размера шахты, кусков известняка и наличия искусственного дутья составляет 0,5—1,8 МПа. При наличии дымососа верхняя часть печи должна быть уплотнена во избежание подсоса наружного воздуха.
Опускающийся вниз по шахте материал создает большое сопротивление движению воздуха вверх, причем один дымосос не всегда обеспечивает подачу необходимого количества воздуха снизу в зону горения топлива. Поэтому иногда применяют искусственное дутье, при котором воздух подается в нижнюю часть печи вентилятором под давлением 2,5—6 МПа. Кроме того, некоторое количество воздуха может подводиться в шахту на нижнем уровне зоны обжига. Не всегда достаточно и одного искусственного дутья. При совместном отсосе и дутье скорость воздуха в шахте значительно увеличивается, что ускоряет горение топлива, а также процесс обжига и охлаждения извести. При отсутствии искусственных побудителей тяги производительность печи резко уменьшается.
Воздух под давлением подается в нижнюю часть печи через чугунные гребни с отверстиями, располагающимися над выгрузочным устройством. При применении дутья во избежание потери воздуха через выгрузочное устройство нижняя часть шахты герметизируется шлюзовыми или барабанными затворами.
При работе дымососной установки в печи возникает разрежение, а при подаче воздуха вентилятором — давление. При наличии того и другого в нижней части создается давление, а в верхней — разрежение. Давление воздуха в нижней части полугазовой печи может препятствовать прониканию в шахту полугаза, поэтому печи с полугазовыми топками работают под разрежением или при небольшом давлении воздуха, которое на уровне газовых влетов сходит на нет. Пересыпные печи могут работать как под сильным разрежением, так и при высоком давлении.
Нижнее дутье повышает производительность печи, но ухудшает качество извести — она сильно спекается, ее плотность увеличивается и замедляется скорость гашения. Сильное дутье влечет за собой перерасход топлива и понижает стойкость футеровки. Сильное разрежение не вызывает вредных последствий.
Загрузка известняка и выгрузка обожженной извести в современных известеобжигательных печах механизированы. Для подачи известняка и топлива к загрузочному устройству печи предназначены большей частью скиповые подъемники с кнопочным управлением, электролебедкой и питателями для загрузки материала в ковш. Ковши загружаются из бункеров автоматическими дозаторами-питателями. На пересыпных печах применяют сдвоенные питатели для дозировки известняка и угля.
Правильная загрузка материала имеет большое значение для работы печи и процесса обжига. В полугазовых и газовых шахтных печах пламя стремится пробиться сквозь материал у стен печи, так как воздух подается большей частью с ее периферии. Кроме того, в полугазовых печах с выносными топками газы поступают главным образом через отверстия в стене шахты и поднимаются, не распространяясь к центру печи. Поэтому целесообразно загружать к стенкам более мелкий материал, а к центру — более крупный. В пересыпных печах для более длительной службы футеровки топливо засыпают на некотором расстоянии от стен печи.
Расход условного топлива в пересыпных печах составляет 13—18 % от массы обожженной извести, или 3800—4970 кДж на 1 кг. Производительность этих печей составляет 30—200 т/сут и зависит от их размеров, вида и размеров кусков обжигаемого материала и топлива, а также от условий дутья и тяги. Удельный съем извести с 1 м3внутреннего полезного объема печи (объемное напряжение печи) при обычном размере кусков известняка свыше 0,06 м составляет 600—800 кг/(м3-сут). Под внутренним полезным объемом понимается объем шахты на высоте от уровня ввода воздуха снизу шахты и до уровня отвода газообразных продуктов в верхней ее части.
На передовых заводах удельный съем извести доводят до 1200кг/(м3-сут) и выше. Напряжение поперечного сечения шахты (плоскостное напряжение), т. е. производительность печи, отнесенная к 1 м2сечения, доходит в пересыпных печах до 15—20 т/(м2-сут). Приведенные данные относятся к обжигу маломагнезиального известняка средней плотности с получением извести, активность которой не менее 85%. При использовании магнезиальных известняков эти показатели улучшаются, а для более плотных известняков—ухудшаются.
В газовых шахтных печах, а также печах, работающих на длиннопламенном топливе, газы подаются через устроенные в стенах печи газовые влеты и поднимаются вверх по шахте, главным образом вдоль ее стен. В результате материал по поперечному сечению печи обжигается неравномерно, причем известняк, расположенный в центре, обжигается слабее, чем находящийся у стен печи. Поэтому газовые печи с круглым сечением имеют диаметр не более 1,8 м. Производительность печей с таким малым диаметром невелика. Чтобы увеличить площадь сечения, шахтам печей придают прямоугольную форму с закругленными торцовыми сторонами, а для подачи топлива газовые влеты устраивают в длинных стенках шахты печи, причем расстояние между длинными сторонами должно быть не более 1,8 м. Увеличивают также площадь сечения круглой шахты, устанавливая в центре печи шамотные столбы (керны) с большим диаметром и высотой, доходящей до газовых влетов. При этом диаметр поперечного сечения шахты может доходить до 4 м.
При обжиге в полугазовых печах в топки подается недостаточное количество воздуха, а слой топлива держат сравнительно высоким, поэтому процесс горения в них протекает не полностью. Температура топочных газов более низкая (800— 1000°С), в них содержится существенное количество (не менее 15%) горючих газов (окиси углерода, водорода). Такие топочные газы, называемые полугазом или полугенераторным газом, поступают непосредственно в печь или в коллектор, представляющий собой кольцевой канал вокруг шахтной печи, соединенный с ней специальными окнами. В коллекторе состав полугаза усредняется, и он распределяется по сечению печи более равномерно, чем при непосредственной подаче из топок в печь. Полугаз сжигается в печи с дополнительно подведенным воздухом, при этом
развивается температура до 1100—1300°С. Количество полугазовых топок 2—6; они располагаются симметрично вокруг шахты.
Полугазовые топки слоевого типа отличаются невысокой тепловой производительностью, повышенным расходом топлива и другими недостатками. Более эффективны аэрофонтанные топки. Они представляют собой круглую шахту с нижним коническим основанием. В топку снизу подается под большим давлением воздух, а сверху с помощью загрузочного устройства — мелкозернистое топливо (размеры кусков до 5 мм). Мелкие частицы топлива под влиянием теплового излучения раскаленных стенок топки газифицируются и 'сгорают в топочном объеме. Более крупные частицы топлива отжимаются током воздуха к стенкам топки, где скорость воздуха меньше, и падают вниз в коническую часть топки, откуда вновь выбрасываются к стенкам топки, совершая такое движение до тех пор, пока под воздействием температуры они не разрушатся. Образовавшиеся при этом мелкие частицы увлекаются в топочное пространство, где газифицируются и сгорают. Зола частично уносится вместе с газами в шахту печи, а частично оседает на стенках топки. В аэрофонтанных топках можно сжигать различные мелкозернистые виды топлива. Такие топки позволяют механизировать процесс сжигания и просты в эксплуатации. Их недостаток — наплавление на внутренние стенки золы, которую нужно периодически очищать.
Расход условного топлива в полугазовых печах составляет 16—20 % массы обожженной извести, или 4700— 5850 кДж на 1 кг. Часть теплоты (около 20—30 % ) теряется при сгорании топлива в топке. Производительность печей с полугазовыми топками колеблется в пределах 15—50 т/сут и зависит от их размеров. Средний удельный съем извести 500—750 кг/(м3-сут) при обычном размере кусков известняка (свыше 0,06 м). Удельный съем рассчитывается на просветный объем полугазовых печей, под которым понимается объем шахты на высоте от места ввода теплоносителя в шахту и до места отвода газообразных продуктов.
Природным газ отличается от газа из полугазовых гопок более высоким содержанием горючих. При обжиге в шахтных печах на природном газе повышается качество извести, увеличивается производительность печи, улучшаются условия труда. При переводе действующих пересыпных и полугазовых шахтных печей на газовое топливо особенно важно создать условия для равномерного распределения газа по поперечному сечению шахты. В печах диаметром менее 1,8 м газ подается в печь с помощью горелок, введенных в специальные проемы в стенках печи. При большем диаметре осуществляется периферийная и центральная подача газа, а при щелевидном сечении шахты — только периферийная подача на двух уровнях и более. Центральную подачу газа производят с помощью вертикального керна или диаметрально расположенных металлических балок, охлаждаемых водой, с подбалочными горелками. Это позволяет ввести дополнительное газообразное топливо в центр шахты. Водоохлаждаемые балки затрудняют эксплуатацию печи и вызывают потери теплоты с охлаждающей водой. Для замены испортившейся балки необходимо останавливать и разгружать печь. Поэтому вместо этих балок устанавливают воздухоохлаждаемые консольные фурменные горелки, которые можно заменять без остановки печи.
Первичный воздух для сжигания газа (примерно 25 % всего объема) подается выше газовых влетов по периферии и под балку по отдельному трубопроводу или засасывается через газовые влеты. Вторичный воздух подается через низ печи.
Производительность газовых печей 15—200 т извести в сутки. Удельный съем извести с 1 м3полезного (рабочего) объема шахты составляет 500—900 кг/(м3-сут), а с 1 м2поперечного сечения шахты — 9—16 т/(м2-сут). Расход условного топлива 14—20 % массы извести, или 4100—5900 кДж на 1 кг готового продукта.
Обжиг извести на мазуте имеет свои особенности. В смеси с воздухом мазут быстро сгорает, при этом развиваются высокие температуры, требующие использования специальных горелок. Для обжига на мазуте можно использовать не чистый воздух, а его смесь с отходящими газами. При этом замедляется скорость горения, снижается температура и улучшается качество извести. Форсунки вводят распыленный мазут в специальные форкамеры, где он газифицируется.
Поступающие в печь при опускании клапана куски известняка и топлива направляются к стенкам печи, где концентрируются мелкие куски камня и угля, а в центре — крупные. Это способствует выравниванию скорости восходящего газового потока по поперечному сечению шахты печи.
Загружать печь можно с помощью кюбеля, представляющего собой цилиндр вместимостью 3—7 т с многостворчатым дном, все створки в котором могут открываться мгновенно и одновременно. Диаметр цилиндра несколько меньше диаметра печи. Кюбель заполняют на поворотном столе, причем в середину загружают крупный известняк с углем, а к периферии — мелкий известняк без угля. Заполненный кюбель с помощью тельфера и монорельса подают на печь, после чего сразу открываются все створки дна, и шихта загружается в печь примерно в том же порядке, в каком она была в кюбеле. Один кюбель обслуживает несколько печей. В современных шахтных печах устанавливают радиоактивные указатели уровня их загрузки. От импульса указателя уровня автоматически включается питание печи известняком и топливом.
При обжиге извести часть теплоты расходуется на испарение влаги и известняка и на разложение карбонатов кальция и магния. Остальная часть теплоты теряется с отходящими газами вследствие химической и механической неполноты сгорания топлива, с выгружаемой из печи известью, через стенки шахты и т. д. Отношение полезно затраченной теплоты ко всему расходу теплоты называют тепловым коэффициентом полезного действия, характеризующим эффективность работы печного агрегата в тепловом отношении. Обычно этот коэффициент составляет 0,40—0,75 в зависимости от способа обжига и конструкции печи.
Режим обжига может регулироваться путем изменения скорости выгрузки и загрузки, а также работы дутьевого вентилятора и дымососа. При обжиге в печах с выносными топками регулируется также работа топок.
Сопоставление шахтных печей различных видов показывает, что пересыпные печи наиболее просты по устройству, требуют меньшего расхода топлива, удобнее в эксплуатации и не нуждаются в частых ремонтах. Однако вследствие того, что куски топлива сгорают в них среди обжигаемого материала, качество извести хуже, чем в газовых печах. Полученная известь обожжена неравномерно, содержит медленно гидратирующийся пережог. Зола топлива не только механически загрязняет известь, но, взаимодействуя с ней, ухудшает качество готового продукта. Пересыпные печи работают только на антраците или тощих углях.
Обжиг на природном газе или жидком топливе позволяет получать известь более высокого качества.
В отходящих из шахтных печей газах содержится большое количество углекислоты, получающейся как от сгорания топлива, так и вследствие разложения известняка. На ряде заводов, обжигающих известь для технологических нужд, углекислый газ улавливается и используется в производстве. Отходящие газы, имеющие сравнительно высокую температуру и незначительные примеси известковой и зольной пыли, поступают в газоочистители и затем утилизируются.
Обжиг извести во вращающихся печах имеет следующие преимущества: большую производительность единичного агрегата (до 1000—1200 т/сут); высокое качество продукта, равномерность его обжига и высокую степень диссоциации известняка; возможность обжига мелких фракций известняка, мела и других карбонатных пород; сравнительно небольшую продолжительность обжига, меньшие затраты рабочей силы на выпуск единицы продукции.
Вместе с тем, обжиг во вращающихся печах требует большего расхода топлива и электроэнергии и больших капиталовложений. Для обжига применяют твердое пылевидное, жидкое (мазут) и газообразное (природный газ) топливо. Из вращающихся печей происходит значительный унос пыли (10—15 % ), что требует установки эффективных пылеулавливающих аппаратов.
Длина известеобжигательных вращающихся печей 30—110 м, диаметр 2—3,6 м. Угол наклона печи 3—5°. Частота вращения 0,5—1,2 мин-1. Производительность вращающихся печей 500—900 кг/м3 извести в сутки. Расход условного топлива — до 20—30% массы обожженной извести.
Во вращающихся печах целесообразно обжигать известняк кусками однородных размеров. Можно также обжигать мелкие фракции известняка, являющиеся отходами в результате его дробления и сортировки при обжиге в шахтных печах. Можно обжигать и мелоподобный известняк низкой прочности, однако его необходимо сушить или готовить в виде шлама, содержащего 36— 44 % воды.
Для получения извести применяют в основном сухой способ производства. Применение вращающихся печей позволяет добиться полной механизации и автоматизации процесса производства. Вместе с тем эти печи отличаются большим расходом топлива из-за значительных потерь теплоты с отходящими газами. Для устранения этого необходимо устанавливать в печи и за ней теплообменники для подогрева сырья. Необходимы также эффективные холодильные устройства для утилизации теплоты выгружаемой извести. В промышленности используются холодильники барабанного типа и колосниковые. Наиболее эффективны в работе (охлаждение извести от 1000—1100°С до 40—80°С) колосниковые холодильники.
Последние годы ведется разработка новых способов обжига извести в печах с «кипящим» слоем, в циклонно-вихревых печах и в обжиговых машинах с вращающейся колосниковой решеткой. Эти способы обжига позволяют использовать установки, отличающиеся более высокой удельной производительностью.
Весьма эффективен обжиг в «кипящем» слое, обеспечивающий быструю передачу большого количества теплоты от газа к обжигаемому материалу. Сущность метода обжига в «кипящем» слое заключается в том, что через слой материала, находящегося на решетке, пропускают восходящий поток газа со скоростью, при которой в слое происходит непрерывная циркуляция отдельных частиц. В таком состоянии материал приобретает текучесть, т. е. сходство с жидкостью (происходит его псевдоожижение). Сочетание псевдоожижения с обжигом измельченного материала (до 12 мм) способствует перемешиванию частиц материала, выравниванию температур по всему слою и интенсифицирует теплопередачу. Поэтому температуру газов можно поддерживать близкой к теоретической температуре диссоциации известняка.
Обжиг в «кипящем» слое производится в реакторе, представляющем собой вертикальную металлическую, отфутерованную внутри шахту, разделенную но высоте огнеупорными решетчатыми сводами на три — пять зон. Для передачи материала из одной зоны в другую к решеткам присоединены трубы из легированной стали с ограничителями на концах. Высота кипящего слоя определяется расстоянием от обреза переливной трубы до решетки. По периферии реактора или в его нижней части установлены горелки для газообразного или жидкого топлива. Воздух к горелкам и под нижнюю дутьевую решетку подается воздуходувкой.
Конструкция реактора и характер продвижения в нем обусловливают получение извести повышенного качества при низком расходе топлива. Работа реактора может быть полностью механизирована и автоматизирована. Недостатком этой установки являются высокий пылеунос (до 30 % ) и возможность обжига лишь узких фракций известняка (0,3—3; 3—12 мм). Это существенно усложняет подготовку сырья и очистку отходящих газов.
Перспективен обжиг извести во взвешенном состоянии и на агломерационных решетках в установках различных конструкций.
Технологические схемы получения строительной извести
Для получения строительных материалов на основе извести применяют порошкообразную (или тестообразную) известь, измельчение которой в тонкий порошок (или суспензию, содержащую тонкодисперсную фазу) осуществляется путем механического или химического диспергирования комовой извести.
При измельчении комовой извести механическим путем (при помоле) получают молотую негашеную известь. Для этого можно использовать различные агрегаты, например шаровые и трубные мельницы (одно-, двух- и трехкамерные), быстроходные молотковые мельницы, молотковые дробилки тонкого дробления и т. д.
При тонком помоле негашеной извести в шаровых и трубных мельницах часто происходит замазывание футеровки и мелющих тел тонкодисперсными частичками измельчаемого материала. Это резко ухудшает условия помола и снижает производительность мельниц. Для предотвращения агрегирования тонкодисперсных зерен извести и налипания их на бронефутеровку, шары и отверстия в перегородках и диафрагмах, к извести добавляют более твердый материал (кварцевый песок и т. д.).
Перед тонким измельчением крупные куски комовой извести (более 80 мм) целесообразно предварительно дробить в щековых или молотковых дробилках. В этом случае лучшими мелющими телами в шаровых мельницах будут мелкие шары (диаметром 20—25 мм).
При тонком измельчении негашеной извести только с использованием дробилок (при последующем гашении ее совместно с песком в технологической схеме производства силикатного кирпича) целесообразно применять двухстадийное дробление. Для достижения достаточно тонкого измельчения извести (проходит 50 % извести через сито № 021) на второй стадии дробления колосники на молотковой дробилке сближаются так, чтобы расстояние между ними составляло 6—8 мм. Вследствие образования при помоле негашеной извести едкой пыли, состоящей в основном из оксида кальция, помольные установки необходимо оснащать эффективными обеспыливающими устройствами (рукавными фильтрами и т. д.). Тонкость помола негашеной извести оказывает большое влияние на ее свойства, особенно при наличии пережога. Тем не менее, даже весьма тонкий помол не может компенсировать отрицательные явления, которыми сопровождается «жесткий» неравномерный обжиг извести.
Большим резервом в повышении эффективности помола извести является введение в нее незначительных количеств поверхностно-активных веществ, таких, как сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ), триэтаноламин, мылонафт и др. Для производства молотой негашеной извести пригодны известняки со значительным содержанием глинистых и магнезиальных примесей, так как в этом случае не образуется отходов в виде непогасившихся частиц, неизбежных при получении гидратной извести. При изготовлении смешанных вяжущих на основе извести (известково-шлакового, известково-зольного, известково-глинитного и т. д.) эффективнее применение негашеной извести, чем гидратной.
При увлажнении негашеной извести (комовой или молотой) водой происходит ее химическое диспергирование. В основе этого процесса лежит химическое взаимодействие оксида кальция с водой с образованием гидроксида кальция. В технологии этот процесс, идущий с выделением 65,1 кДж теплоты на 1 г-моль СаО, называется гашением извести и протекает по следующей реакции: СаО+Н2О = Са(ОН)2.
Возможна и большая степень связывания воды при гашении извести. Различают следующие стадии гашения СаО в пушонку, вначале в негашеную известь впитывается вода, и увлажненная масса уплотняется. При этом образуется промежуточное соединение типа окси-гидрата кальция по следующей реакции: СаО+2Н2О = СаО-2Н2О. Затем плотная гомогенная масса быстро разогревается и превращается в «бурлящий» порошкообразный продукт. Это сопровождается бурным парообразованием. Процесс самопроизвольного разложения оксигидрата кальция описывается уравнением CaO-2H2O = Ca(OH)2+H2O+65,l кДж.
Гидроксид кальция, образующийся в результате приведенных реакций, имеет вид хлопьевидного продукта — пушонки. Таким образом, химическое диспергирование (саморассыпание) при гашении извести происходит в результате увеличения удельного объема твердой фазы, что имеет место при превращении СаО в Са(ОН)2и усугубляется разрыхлением продукта за счет парообразования.
При гашении извести в тесто идут те же процессы, что и при гашении в пушонку, но частички гидроксида кальция имеют несколько большие размеры, так как масса разогревается меньше из-за избытка воды, имеющей максимальную теплоемкость. Известны случаи (при условии интенсивного отвода теплоты), когда гашение извести водой не сопровождается ее саморассыпанием, а приводит к получению плотного и прочного камня, состоящего в основном из Са(ОН)2.
Теоретически для гашения извести в пушонку необходимо вводить 32,13 °/о воды от массы СаО. На практике, в зависимости от наличия примесей в извести, степени ее обжига и способа гашения, воды берут в два-три раза больше, так как вследствие интенсивного парообразования значительная ее часть испаряется. При недостатке воды происходит так называемое перегорание гашеной извести, сопровождающееся появлением трудно гасящихся частиц. Их образование происходит вследствие того, что гидратация извести сразу после затво-рения водой наиболее энергично происходит на поверхности зерен, на которой быстро возникает тестообразный слой из гидроксида кальция. Этот слой гидрата, в результате отсоса из него воды внутренними частями зерен негашеной извести, подсыхает, уплотняется и препятствует доступу воды внутрь зерен, замедляя их гидратацию (гашение).
При гашении извести в пушонку излишним количеством воды интенсивность испарения воды снижается (в результате большой теплоемкости воды) и часть ее остается в свободном виде, ухудшая качество порошкообразного продукта, поэтому содержание влаги в пу-шонке не должно превышать 5 %. Количество воды, необходимой для гашения извести в тесто зависит от состава извести, качества ее обжига, способа гашения и других факторов. Чем жирнее известь (меньше в ней примесей, мягче и полнее обжиг), тем больше воды содержит приготовленное из нее известковое тесто. В среднем при гашении извести в тесто требуется 2,5 л воды иа 1 кг негашеной извести. При введении большего количества воды получают известковое молоко.
При гашении тощей извести образуются более крупные зерна с меньшей удельной поверхностью. Такая известь связывает и удерживает меньшее количество воды, а это, в свою очередь, снижает выход теста и делает его менее пластичным.
При затворении водой начальные стадии процесса гашения извести протекают сравнительно медленно. Это обусловлено образованием плотного тестообразного слоя на поверхности зерен извести, замедляющего взаимодействие с водой внутренних слоев этих зерен. Для устранения этого явления и ускорения гашения извести целесообразно энергичное перемешивание гасящейся извести. Положительные результаты дает гашение извести насыщенным водяным паром при повышенном давлении в закрытых барабанах.
На практике гашение извести можно производить вручную и с помощью специальных механизмов: гидраторов и гасителей. Гашение извести вручную в настоящее время практически не применяется.
Заводское производство гидратной извести-пушонки состоит из следующих операций: 1) дробления комовой извести; 2) ее гашения; 3) силосования продукта гашения; 4) отсева непогасившихся частиц, их помола и смешения с основной массой гашеной извести; 5) упаковки готового продукта. Для всех операций, кроме гашения извести, используется типовое оборудование, обычно применяемое в производстве вяжущих веществ. Гашение извести в пушонку производится в специальных аппаратах— гидраторах непрерывного или периодического действия.
В гидраторах при энергичном перемешивании извести с водой происходит быстрая гидратация, начинающаяся на поверхности кусков. Вначале получается пластичное тесто, превращающееся затем в горячий порошок, из которого в результате экзотермии процесса гидратации испаряется избыток воды, и порошок подсыхает.
Пушонка по сравнению с комовой негашеной известью имеет следующие преимущества: известь-пушонка представляет собой готовый продукт, а комовая известь — полуфабрикат, подлежащий переработке (гашению или помолу); известь-пушонка не содержит крупных непогасившихся частиц, так как они отделяются при гашении и измельчаются на заводе; упакованную пушонку удобнее транспортировать, хранить и дозировать, чем комовую негашеную известь. Но стоимость производства извести-пушонки и транспортирования (так как она содержит 32—35 % воды) выше, чем этот показатель для комовой негашеной извести.
Простейший вариант гидратора непрерывного действия — гасильный шнек, представляющий собой закрытый желоб, в котором вращается лопастной винт. Известь подают с одного конца шнека через загрузочную воронку, а воду — через боковые отверстия шнека или через полый вал. Увлажненная известь перемешивается лопастями, продвигается вдоль шнека и выгружается в другом его конце.
Многобарабанный лопастной гидратор состоит из семи цилиндрических барабанных лопастных гидраторов, установленных один над другим. Каждый барабан гидратора снабжен горизонтальным валом с лопастями, расположенными по винтовой линии, а также загрузочной воронкой и выходным патрубком. Подлежащая гашению известь поступает в приемную воронку верхнего барабана, увлажняется водой и транспортируется лопастями к выходному патрубку этого барабана. При этом происходит интенсивное перемешивание и гашение извести. Из верхнего барабана известь поступает в следующий, расположенный под ним, и таким образом передвигается сверху вниз из одного барабана в другой. При продвижении по барабанам гидратора известь полностью гасится, после чего выгружается через патрубок нижнего барабана и направляется на сепарацию, где отделяются крупные непогасившиеся куски. Производительность такого гидратора составляет 5 т/ч.
На ряде заводов по производству силикатного кирпича для гашения извести продолжают применять вращающиеся гасильные барабаны периодического действия, в которых молотая негашеная известь гасится в смеси с песком под давлением 0,3—0,5 МПа. Гашение извести в этих барабанах, включая загрузку и выгрузку, продолжается 30—40 мин.
На заводах, изготовляющих строительные растворы, гашение извести в известковое тесто производится с помощью барабанных гасителей. Комовую негашеную известь дробят в щековых дробилках до размера кусков не более 50 мм, затем она поступает на виброгрохот, где орошается горячей водой. Просыпающиеся через отверстия виброгрохота куски смоченной водой извести скапливаются в гасильном бункере, откуда после 2-часовой выдержки подают в барабанный гаситель. Туда же поступает горячая вода с температурой 40—50°С.
Из барабанного гасителя влажная масса в виде известкового молока выливается на виброгрохот с отверстиями размером 0,75 мм. При этом крупные частицы непогасившейся извести попадают в бункер отходов, а известковое молоко — в сборный чан, откуда насосами перекачивается в железобетонные чаны-отстойники. Каждый такой чан высотой 6 м и диаметром 5,5 м имеет четыре вертикальных фильтра, представляющих собой металлическую оцинкованную трубу длиной 6 м, диаметром 0,6 м с отверстиями размером 5 мм, расположенными по всей ее высоте. Труба заполнена крупным песком и заканчивается внизу конусообразным патрубком с краном для выпуска воды, выходящим через днище чана. Содержащаяся в известковом молоке лишняя вода уходит через фильтры, а материал, находящийся в чанах в течение 16 ч и содержащий к этому времени примерно 75 % воды приобретает сметанообразную консистенцию. Полученную сметанообразную известковую массу подают затем в железобетонные чаны для вызревания известкового теста, а отделившаяся известковая вода поступает в специальный чан и используется для гашения извести в барабанном гасителе.
До сих пор находит применение известегасильная машина, в которой гашение извести в известковое молоко совмещено с измельчением ее катками. Это ускоряет гашение и устраняет отходы, содержание которых может достигать 30 %. В цилиндрическую вертикальную чашу машины, заполненную водой до уровня сливного отверстия, периодически или непрерывно подается комовая известь. В чаше вращаются катки, прижимаемые к днищу пружиной. Куски комовой извести интенсивно перемешиваются с водой, гидратируются и измельчаются. Образующееся при этом известковое молоко с мелкими непогасившимися частицами извести через закрытое защитной сеткой (с отверстиями в свету 0,6 мм) сливное отверстие и сливной лоток поступает в сепаратор-отстойник. Крупные непогасившиеся частицы извести остаются в чаше машины до тех пор, пока не погасятся или не измельчатся. Резервуар сепаратора-отстойника разделен на две половины не доходящей до дна вертикальной перегородкой. Он имеет два отверстия— нижнее, перекрываемое шибером, и верхнее — открытое. Если в сепараторе-отстойнике открыто нижнее отверстие, то все известковое молоко выходит через него, если верхнее — то выходящее известковое молоко будет содержать только самые тонкодисперсные фракции твердой фазы.
Сепаратор-отстойник применяют в тех случаях, когда необходимо получить известковое молоко высокого качества, которое можно применять без дополнительной выдержки. Наличие в извести тонкоизмельченных негасящихся частиц не ухудшает ее качества. Известегаситель установлен на специальной тележке и может перемещаться по цеху. Его производительность по негашеной извести составляет 2—3 т/ч.
Для получения из комовой извести известкового молока применяется также термомеханический гаситель, состоящий из двух вставленных один в другой горизонтальных вращающихся барабанов. Между стенками этих барабанов имеется зазор 12 мм. Внутренний барабан разделен решеткой на камеру гашения и камеру измельчения. Внутри камеры гашения к стенкам барабана приварены продольные уголки обеспечивающие интенсивное перемешивание гасящейся из вести. Камера измельчения загружена мелющими телами. В гаситель известь загружается через воронку, а готовое известковое молоко сливается через патрубок и лоток. Вода вначале поступает в рубашку, образованную стенками внешнего и внутреннего барабанов, где нагревается за счет экзотермии процесса гашения извести и далее попадает во внутренний цилиндр на гашение извести. Непогасившиеся частицы извести периодически выгружаются через люк. Производительность термомеханического гасителя составляет 2 т/ч.