ОБЖИГ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА

Обжиг клинкера

Классен В. К

Интенсификация многих отраслей промышленности, в том числе и цементной, происходит в направлении увеличения еди­ничной мощности агрегатов с внедрением энергосберегающей

Технологии. Основным и самым энергоемким переделом в про­изводстве цемента является обжиг клинкера, потребляющий до 80% общей энергии. На получение цемента в нашей стране расходуется до 25 млн. т условного топлива в год.

Независимо от способа производства, завершающая стадия процесса обжига клинкера осуществляется преиму­щественно во вращающихся печах. Попытки осуществления спекания клинкера в других агрегатах-реакторах пока не полу­чили широкого промышленного внедрения. Особенностью работы вращающейся печи является то, что в одном агрегате одновременно протекают взаимообусловленные химические и физические превращения вещества, термохимические, тепло - массообменные, газодинамические процессы, осуществляется факельное сжигание топлива, происходит перенос возогнанных и конденсированных фаз из материального потока в газовый и обратно. Каждый из приведенных отдельных процессов сам по себе достаточно сложен. При управлении же всей системой в целом возникают дополнительные трудности, обусловленные взаимным влиянием указанных процессов, накладывающихся друг на друга.

Так, интенсивность сушки шлама определяет грансостав материала в подготовительных зонах, который, в свою очередь, существенно влияет на теплообмен между газовым потоком и обжигаемым материалом. Величина теплообмена в значи­тельной мере определяет температуру и энтальпию газового потока в зоне сушки и тем самым влияет на интенсивность этого процесса и грансостав высушенного материала. В резуль­тате возникает подобие замкнутого круга, когда нарушение в од­ном звене многократно усиливается в циклическом процессе. Подобные явления наблюдаются и в других участках печи. Например, при повышении слоя материала в печи необходимо увеличить расход топлива. С увеличением расхода топлива интенсифицируется декарбонизация материала в зоне кальци­нирования и, следовательно, скорость его движения, т. е. еще в большей степени увеличивается слой материала в зоне горения

З

Топлива, что требует более теплонапряженного факела. Однако выделяющееся в этих условиях большое количество углекислого газа из материала замедляет процесс горения топлива и, следо­вательно, снижает теплонапряжение и температуру факела,

Что, естественно, приводит к нарушению процесса спекания клинкера.

Подобные замкнутые взаимозависимые процессы наблю­даются и при рециркуляции пыли, выносимой и возвращаемой в печь в системах колосниковый холодильник — печь, уголь­ная мельница — печь и в других случаях. На основании при­веденных данных можно подчеркнуть принципиальную осо­бенность вращающейся печи по сравнению с другими тепло­выми агрегатами, которая заключается в том, что при эксплуа­тации невозможно обособленно влиять на какой-либо один про­цесс или параметр, щ затрагивая всю систему в целом. Напри­мер, если в туннельных печах можно изменять количество обжигаемого материала и, следовательно, скорость движения вагонеток, принудительно и совершенно независимо от состоя­ния газового потока в печи, то подобной свободы действия для вращающейся йечи не имеется. Причем с интенсификацией производства и увеличением мощности агрегатов усиливается и усложняется взаимное влияние физико-химических и теплотех - нологических процессов.

С увеличением единичной мощности вращающейся печи не только увеличивается производительность агрегата, но меня­ется и ряд важнейших теплотехнических характеристик (табл. 1).

При неизменном объемном теплонапряжении, которое для печей мокрого способа производства составляет около 43 кВт/м2, с увеличением мощности агрегата повышаются теплонапряжение на свободное сечение печи и поверхность футеровки и материала. Последнее обстоятельство связано с важными параметрами процесса. Вследствие уменьшения удельной поверхности теплообмена интенсификация теплопере­дачи может быть!» основном осуществлена путем увеличения температуры газшшго' потока. При этом возникают затруд­нения по сохранению футеровки в зоне спекания и созданию защитной обмазки. Порышенное теплонапряжение на свободное сечение при одновременном увеличении температуры газа в мощных печах приводит к значительному увеличению скорости газового потока, вследствие чего наблюдается тенденция к увеличению пылеуноса из отдельных зон агрегата. Это усили­вает внутреннюю и внешнюю циркуляцию пылевых потоков,

4

Что существенно меняет не только теплообмен в печи, но и ока­зывает значительное влияние на физико-химические процессы обжига клинкера. Кроме того, высокая скорость газа в печах мокрого способа приводит к пересушке материала в цепных завесах, ухудшая при этом грансостав и теплообмен в под­готовительных зонах печи.

Приведенные особенности и сложные взаимосвязи про­цессов, особенно ярко проявляющиеся для мощных агрегатов, в значительной мере определяют эксплуатационные параметры работы вращающихся печей.

Следует отметить, что значения режимных параметров носят обычно дискретный характер, т. е. при работе печи имеют­ся «разрешенные» и «запрещенные» уровни. Например, для печей мокрого способа производства «разрешенные» уровни по температуре материала за цепным теплообменником нахо­дятся в интервале 90—110°С и 270—350°С. Интервал от 110 до 250°С обычно «запрещен». Это происходит по следую­щим причинам. При 90—100°С обычно сохраняются хорошие гранулы за цепями, которые обеспечивают интенсивный тепло­обмен в последующих зонах. Если же в цепном теплообмен­нике произошли пересушка и разрушение гранул при темпе­ратуре выше 110°С, то в последующем уменьшается теплооб­мен и, чтобы обеспечить должную подготовку материала к

5

Зоне спекания, необходимо перегреть материал в цепях до 270— 350°С.

Эксплуатация высокопроизводительных вращающихся пе­чей в современных условиях не ограничивается только тепло - технологическими закономерностями, а в значительной степени усложняется применением сырья достаточно пестрого компо­нентного состава. Учитывая требования сегодняшнего дня по охране окружающей среды и применению безотходных тех­нологий, когда ресурсосбережение станет решающим источ­ником удовлетворения прироста потребностей народного хо­зяйства в топливе, энергии, сырье и материалах, необходимо более полно использовать природное сырье карьеров, вскрыш­ные породы и вторичные техногенные продукты других отрас­лей промышленности.

В результате длительной эксплуатации в отдельных случаях выработано относительно чистое сырье карьеров, вследствие чего цементные заводы вынуждены использовать загрязненные сырьевые компоненты. Примесные добавки в значительной сте­пени могут вноситься в обжигаемый материал и отходами других отраслей промышленности, и топливом. Так, в последнее время наблюдается тенденция использования для обжига цементного клинкера высокосернистого мазута и высокозоль­ного твердого топлива, оказывающих определенное влияние как на теплотехнологические процессы в печи, так и на качество продукции.

Современное цементное производство оснащается высоко­эффективными пылеулавливающими установками, попутно за­держивающими возгоняемые при высоких температурах и кон­денсируемые в пылеулавливающих аппаратах различные при­меси. Вследствие внешней и внутренней циркуляции легковозго - няемых соединений количество примесей на отдельных участках технологического процесса достигает значительной величины и иногда превосходит суммарное содержание таких основных компонентов портландцементной сырьевой смеси, как глино­зем и оксид железа. Из изложенного вытекает, что одной из особенностей современного производства портландцемента, особенно на стадии обжига клинкера, является участие в физи­ко-химических и теплотехнологических процессах большого количества побочных примесей.

Изучение процессов обжига клинкера во вращающихся печах за 100-летний период их эксплуатации проведено многими исследователями. При этом работы в основном подразделяются на два относительно обособленных и самостоятельных направ-

6

Ления: исследование физико-химических процессов клинкеро - образования со значительным химическим уклоном и изучение теплотехнических закономерностей во вращающейся печи.

В данной книге сделана попытка преодолеть указанную разобщенность и на основе обобщения известных работ и собст­венных исследований развить представления о взаимосвязи одновременно протекающих в печи разнородных процессов,. предложить более эффективные способы интенсификации обжи­га клинкера в существующих агрегатах. Полученные при этом отдельные закономерности могут быть использованы и при разработке новых способов обжига клинкера.

.

ОБЖИГ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА