ОБЖИГ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА

Влитие параметров процесса обжига клинкера на скорость движения и структуру материального потока во вращающихся печах

Эффективная работа вращающихся печей в значительной степени определяется интенсивностью теплообмена и, следова­тельно, зависит от характера движения материала в них [109—111, 248, 287—298]. Поэтому изучение закономерностей движения материала во вращающейся печи и влияния раз­личных управляющих факторов на структуру потока имеет важ­ное теоретическое и практическое значение.

В результате проведенных исследований по изучению механизма движения материала во вращающихся печах Е. И. Ходоровым [248, 287, 299, 300] предложены формулы для определения скорости его перемещения. Причины изменения скорости определяются совокупным действием следующих фак­торов: диаметром, наклоном и частотой вращения печи, системой теплообменных устройств, шероховатостью внутрен­ней поверхности печи, расходом и гранулометрией материала, коэффициентом его внутреннего трения, динамическим углом естественного откоса материала и углом наклона слоя относи­тельно печи. Установлено существенное влияние на процесс движения в печи критерия, который представляет собой отно­шение времени подъема частиц и времени их падения. Этот критерий определяет также степень равномерности распределе­ния температур в слое и, следовательно, влияет на величину теплообмена в печи.

Последующее уточнение механизма процесса и развитие представлений о характере движения материала во вращаю­щихся печах осуществлено многими исследователями [218, 288—293, 300—321]. При этом дополнительно установлено влияние энтальпии твердой фазы [307, 316], дисперсности материала [304], средневзвешенной массы гранул [311, 314, 317], скорости частиц на поверхности откоса [320, 291] и сил

Инерции при обрушении слоя [290] на продольную скорость движения материала.

Непосредственные измерения скорости материального пото­ка с помощью радиоактивных изотопов (РАИ) позволили уста­новить значительную неравномерность движения материала как по длине печи, так и различных фракций в одном сечении [291, 302—306, 308—310, 316, 317, 319, 321]. При этом отмечено резкое снижение скорости при достижении критической влаж­ности шлама, даже если это происходит не в цепной завесе; повышение скорости пылевидного материала по сравнению с гранулированным, особенно в зоне декарбонизации; увеличение времени пребывания материала в печи с увеличением исходной влажности шлама и влажности материала за цепной завесой. В отдельных случаях [316] сделана попытка определения интен­сивности продольного перемешивания по величине критерия Ре.

В развитие данных работ нами проводились исследования по влиянию внешних управляющих факторов на скорость движе­ния материала в различных технологических зонах печи [273, 276]. Установление подобных зависимостей имеет важное зна­чение при оптимизации, управлении и автоматизации процесса обжига клинкера.

Эксперименты проводились на четырех печах размером Х185 м Тонкинского цементного завода при использов. угольного топлива. Скорость движения материала и струїг потока определялись с использованием РАИ по известной ме­тодике [301, 322] с уточненными расчетами по [112, 323]. По характеру движения материала проведено 24 опыта в два этапа (1976 и 1978 гг.) при различных параметрах работы печей, отличающихся цепными завесами и скоростью вращения. Ос­новные технологические параметры процесса обжига регистри­ровались через каждые полчаса. Затем подсчитывались средне­статистические значения параметров за время одного испыта­ния, и в приведенном ниже корреляционном и регрессионном анализе эти данные принимались за одно наблюдение. Во время проведения экспериментов поддерживался установившийся для данной печи технологический режим.

Проведенные испытания позволили охватить широкий диа­пазон режимных параметров (табл. 26) и получить различные скорости и время продвижения материала в печах (табл. 27, рис. 69). Так, время прохождения материала по 185-метровой печи колебалось от 93 до 180 мин, средняя скорость v()—от 1,03 до 1,99 м/мин, а максимальная скорость на отдельных участках печи достигала 13 м/мин. Скорость движения материала на

Таблица 26

Параметры работы печей 5X185 м при исследовании структуры материального потока с РАИ

Печах №1,2 значительно ниже, чем на 3 и 4 печах. ЧастичЛ это можно объяснить замедленной скоростью вращения первьі двух печей — 0,93 против 1,25 об/мин. Однако увеличенная час­тота вращения является не единственной причиной увеличения скорости продвижения материала. Так, расчеты показ/ли (табл. 27), что за один оборот в среднем материал смещался по печам № 1—на 1,13—1,25 м; № 2—на 1,11 — 1,32 м; № 3— на 0,82 1,14 м; №4—на 1,09 -1,59 м. Наибольшая скорость lipo­id

Таблица 27

Характер движения материала в печи 5X185 м

Рис. 70. Скорость движения материала в печах

5X185 м

Движения наблюдалась на 4-й печи, что явь

Ее работы. Доказательством того, что техн^

Метры влияли на скорость продвижения матер..

Тот факт, что при одинаковой частоте вращения врс,..

Бывания материала в одной печи изменялось в пределах 50 мин.

Интересно проследить, как изменялся характер движения материала по длине печи. Для этого в табл. 27 приведены следующие данные: средние скорости движения материала v,— v4 на участках одинаковой длины печи (L = 50 м, L2 = L3 = L4 = = 45 м) и среднее время т пребывания материала в различных технологических зонах. Первая зона — цепная завеса L = 50 м; две другие зоны: подготовки и обжига—не имели одинаковой длины в различных опытах, а определялись по изменению ско­рости материального потока. При суммарной длине в 135 м от 50 до 185 м они разграничивались точкой пересечения касатель­ных к кривым изменения скорости в районе 130—160 м (рис. 70), которая отделяла зону декарбонизации от последующих зон. Зона подготовки включала часть зоны подогрева (в цепях материал был перегрет до 350—400°С) и декарбонизации. При­веденные в табл. 27 и на рис. 70 данные свидетельствуют о

140

Таблица 28

Влияние технологических параметров на скорость движения материала в отдельных зонах печи

І 41

Значительных колебаниях характера движения материала в отдельных зонах. Так, время пребывания материала в зоне подготовки изменялось от 18 до 51 мин, а в зоне обжига — от 52 до 104 мин.

Для оценки влияния отдельных факторов на характер дви­жения материала был проведен корреляционный анализ, коэф­фициенты сведены в табл. 28 и рис. 71.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что помимо частоты вращения печи на скорость перемещения материала существенное влияние оказывает мощность цепной завесы и связанные с ней температура отходящих газов и разрежение за обрезом печи, а также температура материала в зоне каль­цинирования. Причем, чем выше температура отходящих газов и, следовательно, менее экономично работала печь, тем меньшее время материал находился в печи; коэффициент корреляции г составил 0,64.

Особенно сильное влияние температура отходящих газов оказывала на скорость движения материала в зоне декарбо­низации и подогрева (г = 0,94), где оно даже выше, чем влияние частоты вращения печи (г = 0,81). Вероятно, это связано с тем, что скорость движения материала в зоне декарбони­зации в значительной степени определяется скоростью диссо­циации и, следовательно, интенсивностью теплопередачи в этой зоне. С увеличением температуры отходящих газов увеличи­вается расход тепла и, следовательно, температура газового потока по длине печи. Вследствие этого усиливается тепло­передача, растет температура материала в зоне кальциниро­вания, ускоряется диссоциация карбоната кальция и продвиже­ние материала в печи. Действительно, удельный расход тепла на 4-й печи был значительно выше, чем на первых двух, что, вероятно, и определяло чрезмерно высокую скорость передви­жения материала в этой печи.

В предыдущих опытах, проведенных с РАИ, была отмечена более низкая скорость движения материала в печах мокрого способа; максимальное значение составляло обычно около 2—3 м/мин [268, 269, 304, 319]. В отдельных случаях [308] при использовании низкопластичного сырья на Чимкентском заво­де v~4 м/мин, причем она увеличивалась с увеличением разме­ра печи. Как отмечалось в работах [317, 319], в печах сухого способа скорость материала в 1,5—2 раза выше, чем в печах мокрого. Вероятно высокая максимальная скорость в печах Топ - кинского завода, достигавшая обычно 6 м/мин, а в отдельных случаях до 13 м/мин, обусловлена пылевидным состоянием материала за цепной завесой и повышенным удельным тепло - напряжением на поверхность откоса материала [324].

Необходимо обратить внимание на следующий интересный факт. Во всех экспериментах наблюдалось понижение скорости движения материала в средней части печи. Временное пониже­ние скорости движения материала можно объяснить образова­нием промежуточных легкоплавких щелочесодержащих соеди­нений, которые, смачивая твердые частицы, могут снижать текучесть материала и, следовательно, увеличивают коэффи­циент внутреннего трения и динамический угол естественного откоса.

Факторы—влажность шлама и производительность, оказы­вающие, по данным Е. С. Кичкиной и др. [304], существенное влияние на характер движения материала в печах Себряковско - го завода, не имеют существенного значения для Топкинского завода. Вероятно, это связано с тем, что во время экспери­мента во всех случаях материал за цепной завесой был пере­сушен и состоял в основном из пылевидной фракции. Содер­жание частиц менее 1 мм было 40—70%.

Для установления функциональной связи между параметра­ми процесса обжига и характером движения материала в печи проведен регрессионный анализ. В результате получены следую­щие уравнения:

Т0=337,1—0,217tor—70,6РПК—294Пп -1,920кл +8,35, (13)

Vm - 0,0058tor + 0,0062t3K -f 4,79Пп - 5,13, (14)

Vrl-0>033t()1 -0,006t1K + 3Pl]K+8,36nn-0,165t:jl -5,427, (15) v,, = 38,78 - 0,02tor - 0,004t3K - 1,5PliK -

— 0,153Gm — 0,0078tK1 — 0,0057tmi. (16)

Полиномные уравнения дают возможность оценить влияние нескольких факторов на параметры скорости движения мате­риала. Как видим, в модели движения потока материала вош­ли основные технологические параметры, которые характеризу­ют тепловой и аэродинамический режимы, а также физические параметры печи и геометрические показатели цепной завесы. При повторных экспериментах с РАИ в 1978 г. были получены такие же качественные зависимости.

Вполне понятно, что вышеприведенные формулы не могут быть использованы для расчета скорости движения материала в любых вращающихся печах. Этим же недостатком, как

Отмечалось в работе [291], обладали и уравнения, выведенные из представления о челночном механизме движения материала, так как обычно остается неизвестным основной параметр, опре­деляющий скорость в конкретной обстановке — коэффициент внутреннего трения или динамический угол естественного откоса слоя.

Кроме того, высокие скорости в зоне декарбонизации (до 13 м/мин) и визуальные наблюдения свидетельствуют, что в отдельных случаях при интенсивном выделении С02 из пыле­видного материала создавался псевдоожиженный слой, который течет, как жидкость. Естественно, что в этих случаях механизм движения отличался от ранее принятых представлений. Дейст­вительно, расчеты показали, что при 800—900°С из каждого кг сырья выделяется 0,6—0,7 реальных м3 газа, т. е. объем выхо­дящего газа, по крайней мере, в 1000 раз больше объема твер­дой фазы. Поэтому при высокой скорости нагрева может создаваться эффект аэрожёлоба, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Авторы [300, 315] оспаривали правомерность применения математической статистики для оценки скорости движения ма­териала в печи в зависимости от режимных параметров, мотивируя тем, что полученные регрессионные уравнения не от­ражают механизма процесса. Полученные формулы (13—16) не претендуют на раскрытие физической сущности процесса движения материала в печи, однако они позволили установить очень важную для практики взаимосвязь между скоростью материального потока и удельным теплонапряжением на поверхность слоя в печи.

При управлении печью это проявлялось в конкретной за­висимости, многократно проверенной в течение 7 лет на 20 печах 5 цементных заводов, и заключалось в том, что при увеличении расхода топлива увеличивалась скорость движения материала, особенно в зоне декарбонизации. Принципиально величина удельного поверхностного теплонапряжения, влияя на скорость диссоциации карбоната кальция, может быть использована в оценке значений коэффициента внутреннего трения или динами­ческого угла естественного откоса в дополнение к известным уравнениям [248, 290, 291].

Как уже отмечалось, наряду со скоростью большое влияние на теплообмен в печи оказывает структура материального по­тока, поэтому целесообразно определение этой характеристики материала в действующей печи.

В работе предлагалось вести оценку по критерию Пекле, являющемуся мерой интенсивности продольного перемешива­ния. Однако предлагаемые авторами формулы, по которым нами первоначально были обработаны эксперименты с РАИ, соответствуют аппарату «закрытого» сосуда и потому характе­ризуют структуру потока в целом по кривым отклика на входе и выходе [323, 112]. К подобному агрегату, например, может быть отнесена цементная мельница. Вращающаяся печь является типичным аппаратом «открытого» сосуда, когда в точ­ках ввода и измерения концентрации трассера, а также между измеряемыми точками характер потока одинаков [112].

Исследуемый участок представляет собой отрезок L беско­нечной трубы. Для «открытого» сосуда момент распределения составляет

Т Ре4 Ре'

Ре = ^. (18)

Методика обработки экспериментальных данных, получен­ных с применением РАИ, и расчет критерия Ре производились следующим образом:

— определялись величины ординат — с(Т|) кривых и соот­ветствующее им время Tj через равные промежутки Ат на каждом j-ом участке (j = l-|-m) от начала печи до j-ro конт­рольного сечения (мест установки датчиков) (рис. 72);

— рассчитывались среднее время пребывания материала— т: и дисперсия GJ,

145

— строились графики изменения a2 по длине печи сглажи­ванием кривых;

— рассчитывался (нарастающий по длине печи) критерий Ре по полученным новым данным а*, исходя из уравнения для «открытого» сосуда (17), положительный корень которого равен

TOC o "1-3" h z Ре. = 8 —; (21)

— рассчитывались значения критерия Ре на отдельных участках печи длиною L=10 м.

ЛРе = , (22)

VI + 8Ла2 - 1

А2 ■ т2 — а - . ■ тг

Д(Т2 = —1---------------- а----------- l^J--------- L^l (23)

Лт -

Результаты измерений и расчетов приведены на рис. 73 и 74 и свидетельствуют, что гидродинамический режим в исследуе­мых печах характеризуется различными значениями критерия Пекле.

Из теории процессов химической технологии известно, что подобный вращающейся печи аппарат работает наиболее ра­ционально, когда потоки в нем стремятся к идеальному вытесне­нию, что на практике соответствует критерию Ре^20. Рассмат­ривая значения критерия Ре (рис. 73, 74), можно заметить, что наименьшая величина Ре на печи № 4 обусловливает наиболее высокий расход тепла. Причем максимум скорости движения ма

Териала (рис. 70) совпадаете минимум Ре. Следовательно, чем выше скорость потока, тем интенсивней происходит продольное перемешивание материала. Дополнительная проверка этого по­ложения была осуществлена по содержанию СаС03 в различ­ных фракциях материала, отобранного в начале и в конце зоны декарбонизации. Результаты анализа, проведенного на кальци - метре, показали, что в начале зоны декарбонизации степень диссоциации карбоната кальция в гранулах размером 5 мм со­ставляла 10—12 относительных %, а в пыли (фракции в 1 мм) — 40—50%. В конце же зоны декарбонизации, напротив, неразложившегося СаС03 в пыли было около 19%, а в гранулах всего 7%.

Эти результаты подтверждают полученные с помощью РАИ данные, что при высокой скорости происходит интенсивное продольное перемешивание материала. Причем здесь могут наблюдаться значительные байпасные потоки пылевой фрак­
ции, с теми же отрицательными последствиями, что и при про­вале материала в циклонных теплообменниках.

Механизм расслоения потока материала находит объясне­ние в следующем процессе. Высокое удельное теплонапряжение на поверхность материала и футеровки вызывает местный пере­грев части материала при его первичном контакте с футе­ровкой. Интенсифицирующееся при этом газовыделение увели­чивает скорость части потока, вследствие чего данный материал попадает в более высокотемпературную область с саморазвити­ем процесса. Отсюда становится понятной отмеченная раньше тенденция увеличения скорости и интенсивности продольного перемешивания с увеличением размера печей и теплонапряже - ния в них.

Приведенные на рис. 74 данные показывают, что идеальное вытеснение практически наблюдается лишь в зоне спекания. В остальной же части печи критерий Ре имеет достаточно низкое значение. В то же время, сравнивая отдельные экспери­менты, например, 2(1) и 4(2), видим, что путем удачного подбо­ра теплообменных устройств и режимных параметров работы печи можно в несколько раз увеличить критерий Ре, следовательно, существенно улучшить эффективность работы агрегата.

Рассмотрим поведение пыли, циркулирующей в системе. Со­гласно [304, 308—310, 319], во вращающихся печах имеется несколько очагов пылевыделения. Самый интенсивный обычно находится в конце зоны сушки, когда материал теряет пластич­ность, и происходит разрушение гранул. Второй участок, выде­ляющий в газовую фазу достаточно большое количество пыли, располагается в конце зоны декарбонизации. Практически во всех экспериментах, проведенных с РАИ, отмечается унос пыли из зоны спекания и даже охлаждения. В работе [304] предполагался выход пылевой фазы даже из рекуператорного холодильника. Подобные результаты получены и в наших опы­тах с РАИ на Топкинском заводе, где при общем пылеуносе из печи около 27 т/ч четко вырисовывались два очага выделения РАИ: один в конце зоны цепей при достижении нулевой влажности шлама, а другой — на стыке зон декарбонизации и спекания.

Кроме очагов пылевыделения, нами с помощью РАИ опре­делялись места присадки пыли, возвращаемой в печь пневмо - винтовым насосом с горячего конца и за цепную завесу. Было установлено, что при подаче пыли с горячего конца основная доля РАИ пролетала через всю печь, присаживаясь в холодной

Части цепной завесы на участке длиною 10—12 м. Если же пыль вдувалась за цепную завесу, то присадка её наблюдалась с 8 по 50 м печи. Полученные с применением РАИ экспериментальные данные вызывают большие сомнения, так как не согласуются с результатами химического состава материала в различных участках печи. При исследовании пылевых циркуляционных потоков были сделаны следующие допущения:

— пыль, вдуваемая в факельное пространство, при пролете вместе с газовым потоком через печь приобретает температуру газового потока (выше 1500°С) и потому успевает полностью декарбонизироваться;

— пыль, выделяющаяся из материала в газовую фазу, также успевает приобрести температуру газового потока, по­этому, если материал попадает в газовую фазу с температурой выше 900°С, он также успевает полностью декарбонизиро­ваться;

— прямыми измерениями была определена температура ма­териала за цепной завесой на 53 м печи, которая составляла около 400°С;

— позонный расчет теплового баланса печи показал, что температура газа на входе в цепную завесу была более 1000°С;

— следовательно, вся пыль, выделяющаяся в свободном пространстве печи, подвергается полной декарбонизации в газо­вом потоке.

В последующих расчетах были взяты средние данные из нескольких опытов. Степень превращения материала оценива­лась по содержанию С02 в пробах. Концентрация углекислоты определялась несколькими методами: по титру, на кальциметре, РФА, ДТА и пересчитывалась в % к массе клинкера. Результаты анализа показали, что массовые % С02 равны соответственно в шламе — 50%; в пыли электрофильтров — 37%, в материале за цепной завесой на 53 м — 48% и на 75 м — 47%.

Используя вышеуказанные допущения, рассчитаем:

— количество прокаленной пыли, поступившей вместе с зо­лой угля из горячей части печи в цепную завесу

G, u (50 48) • 100 _ Vy.

Ирис 50 /О-

— количество прокаленной пыли, присевшей к материалу до 75 м

Q0.75 = (50—47) ■ 100 = 6о/

Ирис /О"

— количество пыли, выделившейся из участков печи, где температура газового потока выше 900°С, т. е. ориентировочно после 50 м.

Д. тпк— (50- 37)- 100 = 26„/ п.. 5() /о •

Таким образом, проведенный анализ, который нам представ­ляется достаточно правомерным, показывает:

— из 30% пыли и 5% золы топлива, подаваемых с горячего конца, а также из пыли, выделившейся в зоне декарбонизации, только 4% долетает до цепной завесы.

— основным очагом пылевыделения на ТЦЗ является горя­чая часть цепной завесы, из остальной части печи уносится менее 26% пыли.

Данные выводы существенно отличаются от результатов, полученных с применением РАИ, поэтому методика определе­ния циркуляционных пылевых потоков с использованием РАИ представляется автору не вполне корректной, а результаты, полученные при этом, сомнительными.

Возможно, оксид лантана вследствие высокой дисперсности или возгоняемости совершает самостоятельный кругооборот, от­личный от основного пылевого потока. Большей достовер­ностью, по нашему мнению, обладают, данные, полученные на основании физико-химического состояния материала в различ­ных участках системы.

В связи с отсутствием достаточно надежного метода по выявлению очагов пылеобразования дальнейшие исследования были направлены на изучение влияния технологических пара­метров на процессы пылеобразования и установление причин пыления в мощных вращающихся печах.

Как уже отмечалось, особенностью высокопроизводитель­ных печей является повышенное теплонапряжение на поверх­ность теплообмена и скорость газового потока. Оба эти фактора значительно усиливают пылеунос. В то же время многолетние исследования на печах ТЦЗ показали, что величина пылеу - носа из однотипных печей 5X185 м может изменяться от 13 до 50 т/ч при нулевой влажности материала и отсутствии гранул за цепной завесой. Поэтому был применен экспериментально - статистический анализ по влиянию технологических парамет­ров на пылеобразование в печи.

Количество выносимой из печи пыли определялось пря­мым взвешиванием уловленного в электрофильтре материала. Взвешивание производилось при работе системы пылевоз - врата несколько раз в течение 3—5 мин при постоянном тепло­го

Технологическом режиме. За одно измерение принималось среднее значение из 3—5 опытов, если разброс был не более 20 относительных %. Одновременно при этом проводились изме­рения основных режимных параметров и скорости материаль­ного потока в печи с помощью РАИ. Результаты статистической обработки, выраженные через коэффициенты парной корре­ляции, приведены на рис. 75 и свидетельствуют, что все факто­ры, увеличивающие расход топлива и смещение технологиче­ских зон к холодному концу печи, приводят к возрастанию пылеуноса. В той же мере воздействуют высокие скорости материального потока в печи, особенно в зоне декарбонизации и цепей.

Несколько подробней следует остановиться на цепном тепло­обменнике. На ТЦЗ испытывались гирляндные, свободнови - сящие и комбинированные цепные завесы. Во всех случаях не удавалось получить гранулированный материал после цепей. В данных конкретных условиях оказывалось, что наибольший пылеунос до 42—50 т/ч наблюдался при трехзаходной гирлянд - ной навеске, а наименьший — 13—20 т/ч при комбинированной, когда при общей длине 42 м и поверхности около 4000 м2 имелись следующие участки, начиная от холодного конца: 6 м шести - заходный фильтр-подогреватель с плотностью около К^ ~ 3 м2/м2; 13 м трехзаходной гирлянды с К —3,3 м2/м2; 12 м сво- бодновисящей с К~7,6 м2/м2; 11 м свободновисящей с -11 м2/м2.

Особенностью данной навески является то, что она имеет наиболее высокую плотность в горячей части. Обычно комби­нированные завесы выполнялись в обратную сторону — с холодного конца высокоплотный свободновисящий участок, а с горячего — гирлянда, чтобы не разрушались гранулы. Подоб­ная схема была опробована на ТЦЗ, но в силу того, что не удавалось получить гранулированный материал, наблюдался повышенный пылеунос (до 40—50 т/ч). Эффективность осу­ществленной на ТЦЗ завесы объясняется тем, что плотный участок воспринимает тепловой удар газового потока, тем са­мым снижается его температура в остальной части завесы. При этом значительно увеличивается участок цепей с влажным состоянием материала и, следовательно, улучшается его пыле­улавливающая способность.

Проведенные исследования по структуре материального потока и пылеобразованию в печах свидетельствуют об их тесной связи с состоянием газовой фазы, поэтому дальнейшие исследования осуществлялись по газодинамике печи.