ОБЖИГ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА

Кольцеобраэование В цементных вращающихся печах и способы предотвращения колец

Вопросы кольцеобразования во вращающихся печах изу­чались многими исследователями [49, 44, 10, 100, 91, 369, 437— 461, 420—423]. Однако до настоящего времени причины и меха­низм образования различных колец остаются неясными.

Многообразие возможных случаев приводится в работах [437, 438], согласно которым Дэвис насчитал 22 различные причины образования колец. Даже при наличии в каждом случае только двух получается 484 возможных сочетания. Причины образования колец предлагается разделить на кон­структивные, физико-химические и химические [438]. Конструк­тивные включают особенности конструкции печи, цепных завес, аэродинамические характеристики дутьевых вентиляторов, кон­струкции форсунок, способа подачи вторичного воздуха. Физико-химические связаны со свойствами топлива — тон­костью помола угля и температурой плавления золы. Химиче­ские—с составом обжигаемого материала, изменением модулей.

Кюль [439] классифицирует кольца во вращающихся печах на следующие три вида: шламовые, подпорные и спекания (клинкерные). Шламовые кольца возникают в цепных теплооб­менниках. Их образование рассматривается как физико- механический процесс налипания густой, вязкой массы шлама к корпусу печи. Некоторые авторы [439—441] справедливо замечают, что ввод пыли вместе со шламом, особенно с большим содержанием щелочей и серы, способствует образованию шламовых колец. Дерена [440, 441] приводит следующие при­чины образования шламовых колец: а) низкая температура у загрузочного конца; б) колебания температуры; в) малый диа­метр печи; г) короткие цепи (образующиеся комья не раз­биваются); д) добавка пыли перед цепной завесой.

Подпорные кольца [439] образуются в средней части печи, когда температура материала достигает 900—1000°С. Возникно­вение этих колец связано с химическими взаимодействиями. Они, хотя и образуются на участке до зоны спекания, т. е. до момента возникновения клинкерного расплава, но тот факт, что материал прилипает к корпусу печи, говорит об участии жидкой

Фазы. Фрей [442J возникновение подпорных колец объясняет образованием сульфата кальция как результата взаимодейст­вия оксида кальция с серосодержащей газовой средой. Кюль, соглашаясь с ним, дополнительно обращает внимание на эвтек­тику в системе CaS04 СаО в указанном интервале температур. Дорманн [443], Фогель [444] и Цоллингер [445] считают, что наряду с S03 большое значение имеют щелочи, которые, смеши­ваясь с вышеуказанной эвтектикой, усугубляют положение. Кё - барих [446] обнаруживал кольца в зоне кальцинирования, возникавшие в результате применения различного сорта углей, состав золы которых при этом имел большое значение. Зундиус и Петерсон [447] исследовали состав сульфатных колец и обнаружили в них минерал зеленого цвета (до 70%), со­стоящий из двойной сульфатной соли и силикатов с соотно­шением 1:1,75. Сульфатная часть имела состав — Ca(Na2, К2) S04, силикатная — Ca(Mg, Fe) О: Si02 = 2,17:1. Остальная часть кольца состояла из оксида кальция, ангидрида и браунмиллерита.

Детальные исследования подпорных колец провел Амафудзи [100]. Он пишет, что нарост располагался обычно на участке длиной 5—6 м от границы зоны спекания в сторону холодного конца. Толщина его составляла 0,3—1,0 м и постепенно увели­чивалась к входной части. Колько разделено на два участка. Форма их дает основание предположить, что они образовались отдельно друг от друга, в связи с изменившимися условиями обжига. Кольца эти имели слоистую структуру и сверху как будто отшлифованы. Состав их следующий: ближе к корпусу обнаружены перекристаллизованный кальцит и углерод, далее спуррит и на поверхности белит и частично алит. На основа­нии проведенных исследований автор считает, что эти наросты образуются при 800—900°С вследствие взаимодействия окиси кальция, белита и углекислоты газовой среды с образованием кальцита и спуррита. Большое значение при этом придается восстановительной атмосфере.

Несомненный интерес в области исследования сульфатных колец представляют работы Витольса [81, 448]. Он наблюдал интенсивное образование колец при применении нефтяного топлива с большим содержанием серы. Рост колец, по мнению автора, протекает следующим образом. Вначале образуется светлая масса, которая через сутки темнеет и затвердевает. Светлая масса при охлаждении растрескивается и разрушается. Если же кольцо успело потемнеть, то всякая борьба с ним становится бесполезной.

Химизм этого процесса сводится к следующему: в результате сгорания серы топлива или возгонки из сырья образуется S02. Это легколетучий компонент и, если предотвратить его окисление, он с дымовыми газами уносится из печи. В случае же перехода S02 в S03 происходит адсорбирование послед­него на материале и образование щелочных сульфатов, которые и являются причинами кольцеобразования. На процесс окисле­ния влияют температура, наличие кислорода и присутствие ка­тализаторов. Интенсивное окисление происходит в интервале 700—400°С. Хорошим катализатором являются оксид железа и водяные пары. В связи с вышеуказанным для борьбы с кольцами оказались действенными следующие мероприятия: повышение температуры мазута до 160°С (с целью снижения коэффициен­та избытка воздуха), снижение содержания оксида железа, уда­ление части теплообменных устройств и повышение влаж­ности шлама [81, 448].

Кольца спекания или клинкерные образуются при непосред­ственном участии силикатного расплава [439]. Кюль указывает на многообразие причин их возникновения. По его мнению, трудно найти здесь строгие закономерности. Бывают случаи, что в нормально работающей печи вдруг возникает кольцо, причем состав сырья и топлива не менялся; при работе нескольких печей на одинаковом сырье и топливе в одних возникают кольца, а в других — нет.

Однако замечено, что печи с меньшим диаметром более склонны к кольцеобразованию. Это объясняется большим со­прикосновением факела, а, следовательно, и золы топлива с футеровкой.

Кюль не согласен с мнением некоторых авторов, утверждаю­щих, что футеровочный материал играет роль при кольце - образовании, так как он всегда покрыт слоем обмазки и не может воздействовать через нее. Ряд авторов [439, 449—450] изучали воздействие состава сырья на процессы кольцеобразо­вания. Общее мнение таково: понижение содержания оксида кальция и кремнезема и увеличение количества оксида железа приводит к снижению температуры появления жидкой фазы и способствует кольцеобразованию. Фрей [442] и Кремер [452] причину видят не столько в составе сырья, сколько в коле­баниях состава, т. к. при переходе с более жесткого на легко обжигаемый материал происходит увеличение количества жид­кой фазы, а, следовательно, склонность к кольцеобразованию растет. Коршунова [453], Матушек [449], Слегтеи [451] и

Др. обращают внимание при кольцеобразовании на условия горения топлива, состав угля, зольность и ее состав.

Особый интерес представляют многолетние наблюдения и ис­следования Слегтена. Занимаясь вопросом кольцеобразования, он пытался устранить известные причины, но безуспешно. Лишь после того, как на печах была улучшена подготовка материала за счет подогревателя шлама, кольца в печи исчезли. Ме­ханизм роста кольца представлялся ему следующим образом. Вследствие вращения печи футеровка постоянно испытывает теплосмены, с одной стороны нагреваясь факелом, а с другой — охлаждаясь материалом. Разность температур, по данным Гиги, достигает 130°С. В этих условиях основную роль в кольцеобразовании играют такие факторы, как наличие пыли в материале, количество жидкой фазы и степень охлаждения. Степень охлаждения зависит от подготовки материала. Первый слой обмазки на огнеупоре создается вследствие выделения из сырья и просачивания в кирпич оксида железа. В дальней­шем нарастает слой, близкий по составу к клинкеру, богатому плавнями. Поверхность футеровки становится липкой. Частички пыли остаются сухими, т. к. они движутся в глубине слоя ма­териала, а затем внезапно приобретают текучесть, вызванную выделением углекислоты. Часть мелкой пыли достигает поверх­ности футеровки и прилипает к ней под давлением окружающих гранул. Выйдя из-под материала, частички пыли сильно разо­греваются и спекаются с обмазкой. Далее цикл повторяется. С возникновением небольшого нароста положение усугубляется, т. к. выступающая кромка разогревается сильней, и к ней начи­нают прилипать не только пылинки, но и гранулы. В этих усло­виях кольцо растет как по высоте, так и в сторону холодного конца печи. В заключение автор утверждает: «Наблюдения над образованием колец во вращающихся печах не дают материала для однозначного заключения об их причинах и мерах преду­преждения. Единственным положительным указанием является достигнутое на трех печах уменьшение кольцеобразования, обусловленное установкой подогревателей Виккерса, которые удлиняют срок нахождения материала в печи и улучшают его подготовку».

Дерена [440] приводит следующие причины образования клинкерных колец: а) изменение температуры вторичного воз­духа; б) утолщение футеровки на участке головки печи (поро­га); в) крупный размол угля; г) низкий силикатный модуль; д) длинный «султан» у факела. Гимборг [369] предлагает для ликвидации зольных колец увеличивать диаметр угольной фор­сунки, уменьшать количество первичного воздуха, перемещать высокотемпературную зону в печи и снизить подпЪрный порог.

Приведенная литература свидетельствует о том, что боль­шинство работ направлены на исследование колец, образую­щихся в высокотемпературной части печей. Частично изучен механизм образования этих колец. Имеющаяся литература не объясняет механизма образования шламовых колец.

Согласно нашим исследованиям и наблюдениям за работой вращающихся печей на многих заводах, можно выделить пять видов колец, принципиально отличающихся по своему физико - химическому составу (рис. 96), а именно — шламовые (1); шламово-солевые (II); материально-солевые (III); материаль - но-клинкерные (IV); клинкерные (зольные) — (V). Рассмотрим причины, возможный механизм образования отдельных колец и способы их предотвращения.

/ Ц Ш IV V

1) Шламовые кольца возникают непосредственно на шайбе холодного конца печи. Размер кольца определяется положением шламовой течки (h=0—400 мм,/—1—3 м).3а кольцом на кор­пусе печи обычно имеется шламовая корка толщиной 10—20 мм. Химический состав материала кольца соответствует составу обычного шлама. Следовательно, механизм образования этого кольца не связан с гидратационными явлениями.

По нашему мнению, причина кроется в следующем. На тех печах, где цепная завеса* редкая и далеко расположена от холодного конца, шлам, не задерживаясь в приемной части, ухо­дит в печь, в связи с чем корпус печи здесь всегда нагрет от­ходящими газами. Шлам, протекая по горячему корпусу, частично высыхает и образует корку. При отсутствии шлама струя его из течки ударяет о корпус, разбрызгивается, капель­ки, высыхая, образуют кольцо и частично вылетают в пыле - уловительную камеру. Следовательно, для предотвращения кольца на холодном обрезе печи необходимо погасить струю

Шлама из трубы, что было осуществлено путем создания шламовой ванны в приемной части печи. Подпор шлама созда­вался либо дополнительной шайбой высотой 300 мм, либо повышением плотности цепного фильтра-подогревателя. Внед­рение предложенных рекомендаций полностью предотвратило образование данного вида колец,

2) Шламово-солевые кольца особенно подробно изучены на печах ЧЦЗ, где они постоянно возникали при подаче пыли электрофильтров с холодного конца на участке 16—23 м длины печи. Кольца имели чрезвычайно плотное слоистое строение, протяженность по длине печи составляла 1 —6 м при толщине до 1,0 м, с большим трудом удалялись с помощью пневмати­ческих молотков после остановки печи. Они, значительно умень-

7 т!

Шая свободное сечение печи, с одной стороны, способствовали возникновению клинкерной пыли из-за недостатка воздуха и низкой температуры отходящих газов, с другой — препятст­вовали прохождению шлама и вызывали перелив его в пылеуло- вительную камеру.

С целью ликвидации этих колец на вращающихся пе­чах испытывались различные схемы навески цепей: непере - крещивающиеся и перекрещивающиеся гирлянды, винтовая трехзаходная гирлянда, густая свободновисящая, гирлянды с прямым и обратным винтом и др. Однако положительные результаты на первом этапе не были достигнуты. Поэтому необходимо было провести исследования по выяснению причин и механизма их образования. Для этого в действующих и остановленных печах отбирались пробы пылей электрофильт­ров, шлама, шламовых колец и клинкера. Химический состав отобранных проб приведен в табл. 52.

Как видно из результатов химического анализа, в пробах колец обнаруживалось повышенное содержание К20, Na20 и S03. Соотношение прочих оксидов изменялось мало. Петрогра­фический анализ позволил установить кроме обычных сырье­вых компонентов различное в различных участках кольца содержание сульфата калия (от 15 до 50%) и около 5% слож­ных силикатов. Кальцит в пробах колец часто имел кайму. Петрографический анализ пыл ей электрофильтров показал присутствие в них небольшого количества клинкерных соединений и значительного количества сульфатов калия. Рентгеновский анализ пылей и колец свидетельствует о ка­чественном сходстве составов. Рентгенограммы водных вытя­жек из пыли и материала колец совершенно идентичны.

Количество растворимых соединений в составе усредненной пыли составляло 10—20%. Количество возвращаемой в печь пыли не превышало 12—16% от общего питания шламом. Зна­чит, количество растворимых соединений в сырье, подаваемом в печь, колебалось в пределах 1,5—3%. В составе растворимых солей преобладали арканит — K2S04 и глазерит — K3Na(S04)2. Содержание растворимых соединений в составе колец составляло 20—30%. Приведенные факты позволили ут­верждать, что кольцеобразование в цепной завесе объясняется кристаллизационными процессами и осложнялось процессами гидратации кальциевых соединений, содержащихся в пылях, уловленных цепями и электрофильтрами. Здесь также имеет место химическое взаимодействие растворимых соединений с компонентами сырья с образованием щелочных силикатов.

Ниже приводится вероятный, по нашим представлениям, механизм кольцеобразования. Шлам, подаваемый через течку в печь при возврате пыли, содержит в среднем около 2% раство­римых щелочных сульфатов, в пересчете на сухое вещество.

Растворимость сульфата калия, который преобладает в составе солей, при 100°С составляет около 23%. По мере высыхания концентрация рассола в шламе повышается от 3—3,5 до 23%, что соответствует влажности шлама порядка 20%. В этих условиях при большой скорости испарения влаги, обуслов­ленной развитой цепной завесой и высокой температурой газов, происходит массовая кристаллизация щелочных сульфатов на частицах сырьевой смеси и корпусе печи, образуя здесь коагуляционную структуру. Процессы перекристаллизации растворимых соединений и гидратации клинкерных соединений в гидротермальных условиях быстро упрочняют и цементируют кольцо. Следовательно, для образования кольца необходимы два условия: наличие растворимых солей и интенсивное испа­рение воды. Опыты, проведенные на вращающихся печах ЧЦЗ, подтвердили данный вывод. Положительно решить практическую задачу по предотвращению колец в цепных за­весах удалось двумя путями: разработкой и внедрением спе­циальной шестизаходной винтовой свободновисящей цепной завесы и снижением водорастворимых солей в шламе.

Особенность предложенной схемы навески заключалась в ее высокой транспортирующей способности и малой скорости испа­рения влаги из-за низкой плотности (рис. 97). Характер работы цепей определялся при вращении непосредственно в печи. На­блюдения за работой свободновисящих, навешенных в шахмат­ном порядке, цепей показали их низкую эффективность по очи­щению корпуса печи от материала. Концы цепей длиной 2,4 м при вращении в месте подъема материала создавали клубок, который ограничивал свободное скольжение цепей по корпусу. Цепь освобождалась из клубка лишь тогда, когда ее закреплен­ный конец поднимался почти в верхнюю точку печи. Ско­ванность движения цепей отчетливо наблюдалась в присутствии материала.

Наблюдения за работой цепей позволили прийти к выводу о необходимости навески свободновисящей цепной завесы в шесть заходов по винту, что позволяло повысить подвижность каждой цепи и затруднить налипание материала на корпус. При навеске шестизаходной свободновисящей цепной завесы, кроме того, учитывалась необходимость быстрого продвижения вязкого материала на участке вероятного образования кольца, увеличения диапазона (участка цепи), на котором материал пе­рс содит от жидкого состояния к сухому, и раскрепощение каждой цепи, т. е. увеличение свободы движения цепи по корпусу.

Участок I, К = 6,2м'/м*

FJJJJ ' 1

12000

РИс. 97. Схема навески цепной завесы, предотвращающей кольцеобраэо-

Вание.

Угол наклона спирали винта к образующей цилиндра печи был выбран 60°. Заход винта способствовал продвижению материала вдоль оси печи, при вращении под материал сначала входила та часть винта, которая находилась ближе к холод­ному концу, и при выходе из материала как лопасть шнека продвигала материал в сторону горячего конца печи. Цепи крепились к корпусу печи на скобах. Навеска цепей произ­водилась следующим образом: шаг навески по окружности печи 1880 мм, шаг навески по винту 320 мм. Такая схема навески выбрана не случайно. Навешенные по окружности цепи (6 пл./ с шагом 1880 мм при работе печи не соприкасались друг с дру­гом, поскольку их длина равна шагу навески—1900 мм, а, следовательно, не сдерживалось свободное движение цепей по корпусу печи при вращении. Это не давало материалу задержи­ваться на корпусе печи. Шаг навески цепей по винту 320 мм выбран с таким расчетом, что цепи при опускании на корпус печи своими свободными концами укладывались одна к другой ровным ковром. Материал при движении попадал на этот ковер, с которого при вращении передавался цепями на другой учас­ток такого же ковра, выстланного следующими цепями, и т. д. Коэффициент плотности навески цепей на участке вин­товой завесы составил 1,7 м2/м2. После навески шестизаход - ной винтовой свободновисящей цепной завесы образование шламово-солевых колец прекратилось.

Второй метод предотвращения кольцеобразования заклю­
чался в уменьшении количества водорастворимых щелочных солей в шламе. Это было достигнуто путем прекращения воз­врата пыли электрофильтров на пяти печах путем ее обжига в отдельной печи. В этих условиях образование колец прекрати­лось на печах, работавших на чистом шламе, даже при высокой плотности цепной завесы. На последней же печи, хотя количе­ство растворимых соединений повысилось в несколько раз, при малой поверхности цепной завесы кольца не возникали. Объясняется это тем, что насыщение рассола солями наступало за цепным теплообменником, а т. к. здесь поверхность тепло­обмена в 5—6 раз меньше, чем в цепях, то скорость испарения влаги была небольшой и, следовательно, не наступала массовая кристаллизация, и не цементировалось кольцо.

3) . Материально-солевые кольца в литературе имеют различные названия — спурритовые, сульфатные, материаль­ные, в зависимости от преобладающей фазы в них. По нашим данным, в составе наростов на указанном участке печи могут быть следующие соединения: 2C2S • CaC03, K2S04,. ЗСА •

. CaS04, 2C2S - CaS04, C2AS, 2CaS04 • K2S04 KAS2, K3Na(S04)2, NaKC03, CaC03, CaO, C2S, KC1 (рис. 98). Меха­низм образования данного типа колец также связан с возникно­вением и уменьшением или полным исчезновением жидкой фазы. Вследствие повышенного содержания щелочных соединений в материале печи, как установлено в главе 2, при температуре 750—900°С может возникнуть до 20% низкотемпературного расплава. В последующем в результате декарбонизации СаС03 уменьшается доля жидкой фазы, что и приводит к кристалли­зации и твердению массы и образованию наростов и колец.

4) . Материально-клинкерные кольца чаще всего возникают в начале зоны спекания. Эти кольца в основном состоят из незавершенных продуктов обжига цементного клинкера. При достаточно высоком содержании свободной извести (5—10%) и светло-сером цвете они имеют высокую прочность, иногда даже выше, чем основная обмазка в зоне спекания.

Этот факт свидетельствует о том, что при относительно низ­кой температуре обжига в данных условиях имелось большое количество расплава. Это явление можно объяснить, исходя из работ Юнга [37] и Барбанягрэ [246]. При высокой скорости продвижения материала в зоне декарбонизации тепловые процессы опережают химические реакции. В этих условиях компоненты шихты успевают быстро нагреваться до 1200— 1300°С и могут еще состоять из значительного количества

Несвязанных СаО и Si02. При достижении основности части шихты около единицы может образоваться при этих температу­рах около 50% расплава. В последующем, насыщаясь окси­дом кадьция, выкристаллизовываются C2S и C^S, количество жидкой фазы уменьшается, и образуется нарост. Возникнув на начальной стадии, кольцеобразование интенсивно саморазви­вается, т. к. увеличивается разность температур поверхности кольца и материала за кольцом, что усугубляет положение.

Таким образом, причина образования подобного вида кольца связана с недостаточной подготовкой материала до зоны спекания и высоким контрастом теплового поля печи на данном участке. Поэтому такие явления обычно наблюдаются при работе на коротком теплонапряженном дальнем факеле и могут быть предотвращены рациональным режимом сжи­гания топлива, показанным в разделе 4.4.

5). Клинкерные (зольные) кольца возникают на стыке зон спекания и охлаждения. Механизм их образования связан с рез­кой кристаллизацией клинкерного расплава. В ранних рабо­тах они получили название зольных колец, т. к. их возник­новение увязывалось с легкоплавкой золой топлива. Однако, наблюдениями установлено, что подобные кольца образуются и при сжигании беззольных топлив: газа и мазута. Обычно причина заключается в высококонтрастном поле на границе зон. Оно вызывается коротким теплонапряженным факелом и холодным вторичным воздухом. Причем здесь так же, как и в предыдущем случае, процесс саморазвивается. При возникно­вении сначала небольшого кольца, кромка его охлаждается сильнее, а за кольцом клинкер перегревается больше, и вследст­вие этого происходит быстрый рост кольца по охлажденной кромке. Для предотвращения колец здесь также рекомендуется работать на относительно удлиненном факеле и особо важно обеспечить высокую температуру подогрева вторичного возду­ха, ни в коем случае не допуская подсосов через неплотности в головке печи и уплотнении.

В результате проведенных физико-химических и тепло- технологических исследований пяти видов колец предложен еди­ный механизм их образования. Во всех случаях процесс кольце­образования связан с существованием или возникновением и исчезновением или уменьшением жидкой фазы.

Для первых двух видов колец это обусловлено испарением исходной воды шлама с высыханием и отвердеванием материа­ла, которое во втором случае усугубляется кристаллизацией щелочных солей с цементацией массы. Третий тип колец в зоне декарбонизации образуется в результате временного возник­новения при 750—900°С высокоподвижного эвтектического расплава в системе щелочных солей и карбоната кальция. Карбонатный расплав пропитывает большую массу материала, с повышением же температуры происходит выделение С02 из системы с уменьшением количества и увеличением вязкости жидкой фазы, что и является причиной образования и отвер­девания кольца. В четвертом случае повышение количества

В четвертом случае повышение количества жидкой фазы при 1200—1300°С обусловлено низкой основностью силикат­ного расплава, близкого по составу к металлургическим шлакам. Уменьшение же расплава происходит вследствие взаи­модействия СаО с жидкой фазой и последующей кристаллиза­ции высокоосновных силикатов кальция, что и приводит к за­твердеванию кольцевого нароста. На последней стадии клин­керный расплав исчезает в результате охлаждения материала. Предварительный перегрев клинкера и, следовательно, увели­чение доли жидкой фазы и последующее резкое охлаждение способствуют образованию кольца.

4.4. Теплотехнологические основы интенсификации обжига клинкера во вращающихся печах

Интенсификация процесса обжига портландцементного клинкера в современных вращающихся печах сводится к реше­нию следующих основных задач:

— улучшение качества;

— увеличение производительности печи;

— повышение стойкости футеровки;

— снижение удельного расхода топлива;

— уменьшение пылевыноса из печи.

Способы повышения качества клинкера при использовании различных видов топлива и в присутствии примесей показаны в главах 4.1. и 4.2. В данном разделе рассматриваются методы решения остальных теплотехнологических задач. Важ­нейшей из них является снижение удельного расхода тепла, т. к. при этом одновременно обеспечиваются увеличение про­изводительности печи, стойкости футеровки, и вследствие сни­жения скорости газового потока, значительно уменьшается пы- леунос.

При рассмотрении вопроса снижения удельного расхода теп­ла необходимо исходить из взаимосвязи расходных статей теп­лового баланса, теоретические основы которой изложены в разделе 3.1. На основании этих положений первостепенная роль отводится экономии высокотемпературного тепла в горячей части печи. В результате экспериментов на промышленных вращающихся печах 10 цементных заводов установлено (рис. 99), что коэффициент теплопотерь, определяющий значи­мость тепла в высокотемпературных зонах, в практических условиях колеблется от 2 до 5. На рис. 100 и в табл. 53 пока­зано, при каких величинах теплопотерь в горячей части печи они оеределяют общий расход тепла, и при какой влажности шлама они утрачивают первостепенное значение. Чтобы опре­делить удельный расход по номограмме, необходимо при соответствующих теплопотерях в горячей части печи или кпд

НГ/Т НА

До.-5" І

AQ факти­ческая экономия

9ы-7

Рис. 99. Изменение значимости экономии тепла по длине

Печи.

Холодильника опустить вертикаль сверху вниз до первого пересечения с ограничивающим параметром (влажностью шлама или температурой обжигаемого клинкера). Горизон­тальная прямая и определяет удельный расход тепла.

В качестве примера проследим влияние теплового кпд холодильника на удельный расход тепла при температуре обжигаемого материала 1450°С и влажности 39%. При г]х = = 0,6 удельный расход топлива QT составит 250 кг/т клинкера; если увеличить кпд на 10% (г]х — 0,7), удельный расход соста­вит 230 кг/т. Общая экономия AQT = 20 кг/т, тогда как прямая экономия за счет лучшего охлаждения клинкера составляет всего = 4 кг/т. Следовательно, коэффициент теплопотерь

Т=^0т----- ^ Если же еще увеличить т]х до 0,8, то вследствие ог-

Раничения по влажности шлама удельный расход топлива сни­зится до 226 кг/т и при том же Aq=4 кг/т составит всего ЛОт = 4 кг/т, т. е. т=1. В первом варианте при т]х=0,7 сни­жение влажности шлама ниже 39% не даст экономию тепла и только приведет к увеличению температуры отходящих газов и пылеунос а из печи. Если же при достижении цх=0,8 снизить W[u до 35%, то удельный расход топлива может быть доведен до 210 кг/т. То же значение Qт = 210 кг/т может быть достиг-

And холодильника 0,5 Д6 0,7 0,8 0,9

Го 16 12 8 4

Теплопотери, кг/Т нл

Рис. 100. Взаимное влияние отдельных параметров на

Экономию топлива.

Нуто и при т1х = 0,63, но при этом необходимо снизить влаж­ность шлама до 33% и найти способ снижения температуры обжига клинкера до 1350°С. Другие возможные варианты эко­номии топлива приведены на рис. 100 и в табл. 53. Данные примеры наглядно показывают, что при оптимизации обжига клинкера в первую очередь необходимо снижать потери теп­ла и интенсифицировать теплообмен в горячей части печи, и лишь затем снижать влажность шлама и осуществлять под­бор рациональных теплообменных устройств.

В действующих в настоящее время промышленных агрегатах экономия тепла в горячей части печи сводится к уменьшению теплопотерь с клинкером, через корпус в высокотемпературных зонах и с газовым потоком путем улучшения теплообмена, а также снижению теплового эффекта клинкерообразования изменением компонентного состава сырья. Уменьшение потерь

Тепла с клинкером и увеличение энтальпии вторичного воздуха осуществлялось специалистами [299, 462—474] и нами [432, 274] путем конструктивных изменений горячего конца печи и холодильника.

При оптимизации режима работы колосникового холодиль­ника решаются следующие основные задачи:

— максимальное использование тепла охлаждаемого клин­кера с поддержанием высокой температуры и количества вторичного воздуха;

— резкое охлаждение клинкера до температуры ниже 100°С с тем, чтобы в последующем обеспечить эффективность помола цемента в мельницах и устойчивую работу транспортных, складских и дозирующих устройств;

— предотвращение пылевыделения из системы холодильни­ка и клинкерного транспортера;

— увеличение срока службы колосников.

Важнейшим показателем эффективности работы холодиль - лика является его тепловой кпд. Только при достижении кпд холодильника не менее 0,8 обеспечивается экономичная работа п^чей мокрого способа производства. Несмотря на то, что потери тепла, связанные с охлаждением клинкера, составляют всего около 5% от общего расхода тепла, экономия по данной

Статье теплового баланса имеет первостепенное значение. Сущ­ность такой высокой эффективности экономии тепла при охлаж­дении клинкера заключается в том, что часть теплоты топлива заменяется теплотой горячего вторичного воздуха, при этом снижаются объем и скорость топочных газов, и значительно повышается теплообмен в печи. На практике это приводит к уменьшению температуры отходящих газов, улучшению усло­вий образования обмазки в зоне спекания и снижению темпе­ратуры корпуса печи.

Совершенствование конструкции холодильника в основном должно быть направлено на обеспечение рационального аэродинамического режима, что одновременно приводит к улуч­шению теплотехнических параметров его работы. При этом необходимо предусмотреть: 1) максимальное - продувание возду­ха через первую тележку горячей камеры; 2) обеспечение малого разрежения (10—20 Па) в головке печи при достаточ­ном количестве и высокой температуре вторичного воздуха; 3) предотвращение выброса запыленного воздуха в приямок клинкерных транспортеров.

Модернизация колосникового холодильника включает комплекс конструкторских и технологических решений, пока­занных на рис. 101, из которых важнейшими являются следующие. Установка дополнительных и уплотнение межка­мерных перегородок, вынос за пределы корпуса приводных механизмов, изменение системы газоходов с тем, чтобы весь воз­дух на охлаждение клинкера подавать под горячую камеру холодильника.

При существующей системе аспирации наблюдается боль­шая запыленность в приямках клинкерных транспортеров. Дополнительная запыленность создается работающей дробил­кой, которая, перекрывая сечение, затрудняет прохождение аспирационного воздуха и как вентилятор нагнетает запы­ленный воздух в клинкерную течку. В этих условиях машинист печи вынужден полностью открывать шибер аспирационного вентилятора и тем самым одновременно отсасывать и выбрасы­вать в атмосферу горячий воздух из надрешеточного прост­ранства холодильника, что существенно увеличивает тепло - потери и снижает кпд агрегата. Создается ситуация, когда режим работы печи регулируется по состоянию запыленности на клинкерных транспортерах.

Поэтому при модернизации необходимо разделить потоки холодного аспирационного и горячего технологического воз­духа. Для этого устанавливается дополнительный технологи-

249

Избыг ^bcsdy.

РЧС* Схема колосникового холодильника до (1) и после (2)

ЙЯГ модернизации.

Ческий шибер на участке от холодильника до циклона и обвод­ной аспирационный газоход.

Достаточно часто количество вторичного воздуха сдержи­вается зауженным сечением шахты и низким сводом холодиль­ника. В этих условиях наблюдаются высокая скорость вто­ричного воздуха, большое разрежение в головке печи и, следо­вательно, значительные подсосы холодного воздуха, обратный вынос клинкерной пыли из шахты холодильника в печь. Это при­водит к нарушению процесса горения топлива и резкому сни­жению стойкости футеровки. Поэтому во всех случаях следует расширить приемную шахту холодильника и максимально поднять свод в горячей камере. В шахте не должно быть боко­вых выступов, которые приводят к завихрению вторичного воздуха и нарушению процесса горения топлива. Желательно, чтобы сечение шахты было не менее сечения печи. В случае крайней необходимости для расширения шахты даже возможно укорочение печи.

Горячий выходной конец печи должен иметь сечение, равное сечению всей печи, т. е. не иметь конуса. Конус выходной части печи затрудняет ведение технологического процесса и организа­цию горения топлива, поэтому его следует заменить на цилиндрическую обечайку. При этом обеспечивается: умень­шение слоя материала в зоне спекания, исключающее пережог и пыление клинкера, что повышает его качество и облегчает эксплуатацию печи и холодильника; подача при оп­тимальной скорости необходимого количества воздуха из холо­дильника в печь; рациональная организация горения топлива, способствующая образованию обмазки и увеличецШ| срока службы огнеупора.

При модернизации и подборе оптимальных режимных ¥|ра - метров работы холодильника на ряде цементных заводов нами получены следующие результаты: 1) снижение тем­пературы выходящего клинкера с 200—300 до 60—80°С; 2) уменьшение общих теплопотерь с клинкером и аспираци - онным воздухом с 15 до 8 кг/т; 3) повышение теплового кпд с 0,6 до 0,8. При этом одновременно снижались температура отходящих газов на 30—60°С; температура корпуса в зоне спе­кания с 350 до 250°С и общий расход топлива на обжиг клин­кера на 10—20 кг/т, стойкость футеровки повышалась в 2—3 раза.

Наиболее рациональный способ снижения теплопотерь через корпус сводится к обеспечению защитной обмазки на огнеупор­ной футеровке. При этом одновременно значительно увеличи-

Вается стойкость футеровки, что является важной самостоя­тельной технологической задачей. Эти задачи решаются, как правило, совместно с оптимизацией теплообмена в пламенном пространстве путем рационального сжигания топлива и форми­рования оптимальной структуры факела во вращающейся печи.

В результате наших исследований (раздел 3.3) установлено, что достаточно интенсивный теплообмен без перегрева отдель­ных участков зоны спекания обеспечивается путем увеличения степени черноты факела с некоторым уменьшением его мак­симальной температуры, когда тепло передается более равно­мерно по длине факела, а не концентрируется на коротком участке. Основным параметром, определяющим рациональное сжигание топлива, является расстояние от точки воспламе­нения топлива до устья форсунки—L° или расстояние Lmax

5S0 450 350 Uh'C

От входа печи до точки с максимальным значением температуры корпуса (рис. 102). Способ управления процессом обжига клинкера во вращающейся печи защищен авторскими свиде­тельствами № 1211575, 883631, 1043459.

Для печей различных типоразмеров удобнее пользоваться безразмерным критерием K() = L°/Dn, где Dn— диаметр печи. Взаимное влияние различных управляющих параметров на кри­терий К0 и длину факела при сжигании угольного топлива показано на рис. 103.

Параметры, обеспечивающие рациональный и нерациональ­ный факел при сжигании угольного топлива, сведены в табл. 54.

Таблиц а 54

Влияние параметров работы печи на характеристику факела

Обозначения: <рпв — доля первичного воздуха, %; Нпк — разрежение в пыльной камере, Па; b — смещение форсунки от вертикальной оси в сторону материала, мм; h — смещение форсунки от горизонтальной оси вниз, мм; Zp— угол наклона форсунки, % (плюс — наклон вниз на материал, минус — подъем вверх от материала); t*BB — температура, замеренная отсасывающей термопарой.

Так как процесс горения твердого топлива в значительной мере зависит от степени подготовки угольного порошка и количества первичного воздуха, являющегося одновременно сушильным агентом при наиболее распространенной замкнутой схеме помола, необходимо в первую очередь обеспечить рацио­нальную работу углеподготовительного отделения.

Наиболее распространенный недостаток — нехватка кон­диционного угольного морошка для стабильной работы печи — вызван низкой сушильной или размольной производитель­ностью мельницы. При низкой размольной производительности необходимо осуществить догрузку мельницы или подбор ассор­тимента мелющих тел.

Однако, случай, когда производительность установки сдер­живается размольной производительностью мельницы, доста­точно редкий. Обычно работу агрегата сдерживает сушиль­ная производительность, что вызвано недостатком сушильного агента. Это связано со значительными подсосами холодного воздуха по тракту, большими сопротивлениями отдельных участков системы и нерациональной работой топки. Величину и места подсосов рекомендуется находить по изменению соста­ва газов вдоль угольного тракта. Необходимо помнить, что с уменьшением температуры уменьшаются объем и вязкость воздуха, и через равные отверстия пройдет большее коли­чество холодного воздуха, чем горячего сушильного агента. Сле­довательно, в ликвидации подсосов нет мелочей, и уплотнение тракта надо выполнять тщательнейшим образом. Опыт работы Семипалатинского и Тонкинского заводов показал, что при видимом отсутствии отверстий, подсосы холодного воздуха могут составлять 300—500%.

Для выявления участков больших сопротивлений рекомен­дуется вдоль газового тракта высверливать отверстия диамет­ром 8—10 мм и затем при помощи u-образного манометра определять статический напор в различных сечениях. По пере­паду напоров рассчитывается сопротивление отдельных участ­ков. Если величины сопротивлений существенно отличаются от нормативных, необходимо более тщательно исследовать ано­мальный участок. Причины отклонений обычно заключаются в нерациональном расположении газоходов, течек и других эле­ментов системы.

Для уменьшения гидравлического сопротивления и подсосов холодного воздуха рекомендуется выполнять следующие мероприятия. Снять выходную решетку мельницы, установить обратный шнек в выходной горловине и изменить расположе - ниє примыкающего к мельнице газохода так, чтобы угол накло­на был не менее 45° (рис. 104). Это позволяет снизить сопро­тивление мельницы на 500—1000 Па и подсосы — на 100— 150%. При таком подводе угля и сушильного агента предот­вращается попадание и возгорание угля во входном газоходе, ликвидируется сопротивление, создаваемое течкой и слоем па­дающего угля, уменьшаются подсосы холодного воздуха через питатель сырого угля, и осуществляется подогрев и подсушка исходного топлива до мельницы, что существенно облегчает помол на начальной стадии и, следовательно, улучшает сушиль­ную и размольную производительность мельницы. Снизить под­сосы через течку можно установкой затвора-мигалки.

Подобные мероприятия, выполненные на Семипалатинском и Топкинском заводах (табл. 55), позволили снизить подсосы воздуха по тракту на 150—250%, обеспечить качественную подготовку угольного порошка до влажности 1—2% и тонкости помола 10—15% по остатку на сите 008. При этом угольное отделение полностью обеспечивало бесперебойную работу печей в зимнее время при морозах до минус 45°С и исходной влаж­ности угля до 12%.

В некоторых случаях недостаток сушильного агента воз­никает вследствие неправильной эксплуатации топки. В прак­тике встречаются случаи, когда температура газа на входе в мельницу всего 200—250°С, а в топке настолько высока, что она зашлаковывается, и оплавляется шамотный кирпич. При­чина подобных явлений заключается в следующем. С повы­шением температуры газа в топке уменьшается его плот­ность и, следовательно, более горячий газ устремляется вверх под свод топки. Если в этих условиях имеются отверстия в нижней части топки для удаления шлака, то через них холод­ный воздух устремляется в смесительную камеру и далее к мель­нице. Таким образом, горячий газ остается под сводом топки и перегревает ее, а холодный—направляется в мельницу. По­этому при наладке работы топки необходимо несколько увели­чить подачу холодного воздуха под свод топки, проделав в стенках соответствующие отверстия с шиберами, и снизить долю подсосов воздуха в нижней части топки и смесительной камере путем уплотнения соответствующих отверстий. Кроме того, можно несколько приподнять переходное окно из топки в смесительную камеру. Эти мероприятия проверены и оправ­дали себя на Семипалатинском заводе.

Известно, что с увеличением доли первичного воздуха интенсифицируется горение топлива, и порой снижается стой-

257

Т а б л и ц а 55

TOC o "1-3" h z Скорость газа м/<

Температура °С

Остаток на сите 008 %

Влажность угля %

Доля первичною воздуха %

кость футеровки. Вследствие этого часто возникает необходи­мость снизить количество первичного воздуха. В то же время угольное отделение требует высоких скоростей в газоходах — 17—22 м/с и не позволяет уменьшить долю первичного воз­духа. Поэтому рекомендуется осуществлять рециркуляцию части воздуха в системе. При эксплуатации котельных агрегатов широкое распространение получил возврат газа во входную горловину мельницы. На цементных заводах подобную рецир­куляцию осуществляют в выходную горловину мельницы. Это обеспечивает нормативные скорости в угольной системе и позволяет снизить долю первичного воздуха до требуемой величины — 20—25%.

Стабильность подачи угля через пылеугольный питатель, в основном, зависит от конструкции и тщательности исполнения питателя, способа сочленения его с бункером, вида и размеров эжекционного смесителя под течкой угольного порошка. При недостаточной плотности питателя и незаполненном бункере и
в результате избыточного давления в течке под ним воздух проходит в бункер, аэрирует и повышает текучесть угольного порошка, что приводит к самопроизвольному увеличению пода­чи угля в печь. Из известных наилучшее уплотнение можно осуществить при применении лопастного питателя.

Устанавливать такой питатель следует так, чтобы обеспечи­валось полное заполнение обоих роторов угольным порошком, особенно вблизи вала. Принцип уплотнения питателя основан на том, что сам угольный порошок является затвором, т. е. он должен полностью заполнять все ячейки ротора. Поэтому при установке и изготовлении питателя необходимо выполнять следующие условия. Отверстие в бункере угольного порошка и диаметр рыхлителя должны быть несколько больше диаметра ротора. Высота лопастей верхнего ротора должна быть на 25— 35 мм больше нижнего, чтобы всегда обеспечивать заполнение нижнего ротора. Загрузочные отверстия в дисках над роторами должны быть по радиусу больше или равны ячейкам ротора. Для снижения статического давления воздуха в течке до 1000— 2000 Па диаметр диффузора должен быть на 50—100 мм меньше наконечника форсунки. Действенность данных меро­приятий проверена на Савинском заводе.

Увеличение поступления угля через циклон возникает при нарушениях режима работы аэродинамики угольного отделе­ния. Причина их заключается в неравномерном питании мель­ницы сырым углем и низких скоростях пылегазового потока в системе. При низкой скорости газа степень очистки циклона может достигать 0,93. При незначительном изменении режима работы установки — увеличении скорости потока или умень­шении тонкости помола — степень очистки циклона может снизиться до 0,85, вследствие чего масса угля, поступаю­щего в печь с газом через циклон, увеличивается на 1 —1,5 т/ч. Для устранения данного явления необходимо обеспечить стаби­лизированное питание мельницы сырым углем и нормативную аэродинамику тракта. Перебои, возникающие обычно из-за угля в бункере, можно устранить увеличением выходного отверстия и формой бункера с тем, чтобы отдельные стенки были верти­кальными.

При сжигании газообразного топлива следует добиваться факела с высокой степенью черноты, когда сырой материал про­сматривается под факелом, а не через факел. При примене­нии в качестве горелки прямой трубы для полного сжигания топлива необходимо обеспечить скорость вылета до 350— 400 м/с. При этом струя газа далеко выбрасывается в печь, и

259

Получается короткий нерациональный факел. Поэтому необхо­димо применять регулируемые горелки типа ГРЦ, ЮГЦ и ВРГ. Наиболее широкие пределы регулирования имеет горелка ВРГ. Преимущество ее заключается в том, что она позволяет обес­печить близкое воспламенение топлива и полное его сжигание при скоростях вылета газа 180—220 м/с. Ниже приводятся результаты испытания горелки на печи 4Х 150 м Чимкентского завода (табл. 56).

Испытания печи проводились на трех режимах: 1—на даль­ней зоне, при отключенном завихрителе горелки; 2—на сред­ней зоне, при введенном завихрителе на 50%; 3—на близкой зоне, при включении завихрителя на 100%. Только изменением лопаток в горелке удалось повысить производительность печи на 3,2 т/ч и снизить пылевынос на 4,5 т/ч.

Дополнительно на промышленной вращающейся печи 4Х X 150 м ЧЦЗ изучалось влияние режима горения топлива на процессы клинкерообразования. Эксперименты проводились при различных углах раскрытия факела — 22—24°, 36—38°,

49—50°. После работы печи в течение недели с соответствую­щим углом раскрытия факела производились ее остановка, охлаждение, отбор и анализ проб материала по длине. Из пред­ставленных на рис. 105 результатов видно, что с увеличением угла раскрытия факела происходит смещение процессов усвое­ния СаОсв и агрегирования клинкера к выходному обрезу печи, что, в соответствии с результатами раздела 4.1, позволяет также предотвратить клинкерное пыление..

При оптимизации режима горения жидкого топлива следует в первую очередь подогревать мазут до температуры 100— 160°С, обеспечивающей вязкость 1—2°ВУ.

В последние годы в различных отраслях промышленности наблюдается тенденция совместного сжигания различных видов топлива, а также использования других видов энергии. Такое же направление развивается и в цементной промышленности. Ос­новная трудность комбинированного сжигания заключается в том, что каждое топливо предъявляет различные требования к организации горения. Если газообразное топливо готово к сжиганию и его нужно только смешать с воздухом, то жидкое топливо требует подогрева, при этом важную роль играют состав и свойства мазута. Неодинаковое время сгорания обус­ловливает различия в длине и излучающей способности факела при одинаковых теплопроизводительности и избытке воздуха. Жаропроизводительность топлива также неодинакова. Условия горения при совместном сжигании различных видов топлива усложняются еще и тем, что низкотемпературный газ охлаждает мазут и тем самым затрудняет его диспергацию и горение. Поэтому задача создания эффективных горелочных устройств достаточно сложна и требует дальнейших исследо­ваний. Наряду с этим в настоящее время практически отсутст-

Вуют работы но изучению оптимальных условий совместного сжигания газа и мазута, а также режимных условий перехода с одного вида топлива на другой. В связи с этим исследо­вание процесса обжига клинкера при сжигании смеси газооб­разного и жидкого топлива и особенно в условиях частой смены топлива представляет как научный, так и непосредст­венный практический интерес.

Для решения поставленной задачи совместно со специа­листами Южгипроцемента, Старооскольского и Карачаево - Черкесского цементных заводов были разработаны и испытаны на промышленных печах 5X185 м несколько конструкций горелок. При этом выявлены следующие принципиальные поло­жения, которые необходимо учитывать при конструировании форсунок, позволяющие успешно сжигать мазут и газ в любом соотношении, в том числе и только мазут или только газ:

1) предотвращать охлаждение горячего мазута при его прохождении через газовый канал горелки путем теплоизо­ляции или даже осуществлять дополнительный подогрев мазута с применением тепловых труб;

2) не допускать быстрого смешения мазута с газом на выходе из горелки с тем, чтобы опять-таки предотвратить охлаждение капель мазута и обеспечить хорошую его диспергацию;

3) предусмотреть возможность замены мазутной форсунки без остановки печи при горении газообразного топлива;

4) иметь возможность работать только на газообразном или мазутном топливе, причем переход осуществлять без останов­ки печи.

Конструкция горелки, удовлетворяющая вышеперечислен­ным требованиям, показана на рис. 106. Отдельные узлы горел­ки и подогревателя мазута защищены авторскими свидетель­ствами № 1132109, 1174673, 1195137, 1200107. Форсунка данной конструкции обеспечивает полное сжигание смеси газа и мазута при содержании кислорода в отходящих газах более 0,8% и а = 1,04. При этом между газом и мазутом допускаются любые соотношения в пределах необходимого расхода топлива.

Совместное сжигание газа и мазута обеспечивает ряд дополнительных преимуществ по регулированию факела и теплообмена в печи. С увеличением доли мазута увеличивается степень черноты и длина факела, и несколько понижается температура пламенного пространства. Эти зависимости рацио­нально используются машинистами при необходимости быст­рого разогрева или ослабления печи и при создании защитной

262

8оздцх_

Njas

НЭГ мазут

Обмазки в различных участках збны спекания. Исходя из вышесказанного, вытекает следующее правило при полной смене одного вида топлива на другой при переходе с мазута на газ рекомендуется зону спекания несколько ослабить, а при переходе с газа на мазут — перегреть.

Важнейшим условием эффективности работы печи при использовании двух видов топлив является идентичность ско­рости горения при различном соотношении газа и мазута, что контролируется по величине и характеру теплоизлучения корпуса печи. При использовании любого соотношения топлив следует добиваться таких условий горения, при которых температурный максимум оставался бы в оптимальных преде­лах, согласно рис. 102.

Одним из дополнительных способов регулирования тепло­обмена в факельном пространстве является подача тонко­дисперсного материала с горячего конца печи. Часто таким путем возвращается уловленная в электрофильтрах печная пыль. В литературе и на практике встречаются противоречивые мнения по этому вопросу. Чтобы оценить эффективность этого способа, необходимо рассмотреть его, исходя из вышеприве­денных теплотехнических зависимостей. При подаче пыли в факел повышается степень его черноты, но заметно снижается температура горения вследствие диссоциации карбоната каль­
ция. При значительной доле СаС03 выделившаяся углекислота смещает реакцию окисления топлива влево, что может приво­дить к недожогу топлива. Из ранее приведенных данных видно, что содержание твердых частиц в газовой фазе целесооб­разно повышать до 50, максимум 100 г/кг газа, так как более высокая концентрация мало влияет на степень черноты, и в целом из-за внутреннего отражения и уменьшения температуры факела будет снижать теплообмен в печи. Следовательно, с учетом имеющихся в факеле частиц топлива в корень факела можно подавать до 7—10% пыли электрофильтров от массы клинкера.

Однако, с горячего конца успешно можно вводить значи­тельно большее количество пыли [371]. При этом пыль следует подавать - не в корень факела, а в область максимальной темпе­ратуры. Для этого пылевая форсунка вводится в печь на 1,5—3 м дальше угольной. Пыль подается в противоположную от мате­риала точку печи, предельно удаленную от факела. При этом несколько экранируется футеровка от факела, следовательно, уменьшаются теплопотери через корпус, и увеличивается стойкость футеровки. Кроме того, при таком расположении пылевой форсунки в факел попадает уже нагретый и декарбо - низированный материал, который не нарушает нормального процесса горения топлива и не вызывает недожога.

При подаче материала с горячего конца возникают еще следующие дополнительные условия теплообмена. Часть тепла от газового потока передается материалу вследствие осаж­дения и присадки пыли. В тех случаях, когда основная часть пыли оседает в главной тепловой системе, улучшается теплообмен, снижаются потери тепла в горячей части, и в целом уменьшается удельный расход тепла. Если же вводимая с горя­чего конца пыль уносится в холодный конец, то увеличивается температура отходящих газов, и работа печи ухудшается.

С помощью радиоактивных изотопов нами установлены места присадки пыли, вводимой с горячего конца, в зависи­мости от режимных параметров печи. Решающее значение при этом имеет скорость газового потока. При нерациональном факеле скорость газа в горячей части печи может возрастать в 1,2—1,5 раза, и подаваемая пыль почти полностью уносится в цепную завесу. Если же обеспечивается оптимальное горение топлива с умеренным расходом тепла, то значительная доля пыли остается в зоне обжига и, следовательно, дополнительно улучшает показатели работы печи. Указанный способ пыле - возврата особенно эффективен при работе печей на угольном

Или мазутном топливе, и легко осваивается на печах небольших размеров, диаметром до 4 м. С увеличением размеров возрас­тает скорость газового потока в печах, и поэтому внед­рение этого способа несколько затруднено. Однако, опыт работы многих заводов показывает, что возврат пыли с горячего конца может быть успешно применен и на печах 5X185 м.

Одним из важнейших условий эффективной работы вращаю­щейся печи мокрого способа являются рациональные кон­струкции внутренних теплообменных устройств. В настоящее время расчет и подбор цепных завес и других теплообменников осуществляется в основном по средней величине коэффициентов теплообмена, полученных в результате испытаний промышлен­ных печей и исходя из теоретических основ теплообмена в подобных аппаратах [101, 248, 249]. Полученные данные, а также опыты, проведенные на моделях, позволили авторам разработать ряд эффективных теплообменных устройств с высо­кой величиной теплообмена и транспортирующей способностью, как например, трехзаходную винтовую цепную завесу. В раз­витие этих работ, для уточнения интенсивности теплообмена при различном состоянии шлама нами проведены исследования на горячей модели цепной завесы.

Модельная установка представляла собой вращающийся металлический барабан диаметром и длиною 500 мм, с навешен­ными в нем цепями. Через барабан просасывались горячие газы с постоянными исходными расходом и температурой. В барабан наливался шлам с влажностью 40%, и в процессе сушки периодически определялись: влажность материала, масса материала па цепи, температура газа на выходе из барабана. По изменению температуры определялось относительное изме­нение теплообмена в цепной завесе.

Результаты экспериментов приведены на рис. 107 и свиде­тельствуют, что в области конвективного теплообмена (I, II— участки) с увеличением пластичности материала и, следова­тельно, повышением массы и толщины пленки материала на цепях увеличивается интенсивность теплообмена. При снижении влажности шлама ниже критической (25—26%), когда матери­ал переходит в сыпучее состояние, величина регенеративного теплообмена определяется относительным временем пребыва­ния теплообменного элемента в газовом потоке и материале и, следовательно, зависит от заполнения печи материалом.

Для расчета оптимальных условий теплообмена были ис­пользованы экспериментальные данные, приведенные в работе [101], когда коэффициент теплообмена от газового потока к

26Г.

Рис. 107. Эффективность работы цепных завес в

Зависимости от влажности шлама, q—интенсивность теплообмена; m—масса шлама на цепях; А—амплитуда звука от корпуса печи на частоте 1600 герц; I—текучий шлам; II—пластичный материал; III—сыпучий материал.

Цепи равен а! —60 Вт/(м2К), а от цепи к материалу а2 = = 240 Вт/(м2К) • Приняв относительное время пребывания цепи в материале равным т, можно выразить коэффициент реге­неративного теплообмена в следующем виде:

__ «і(1 — т) . а2 • т ______ 240 . т(1 — т)

АР а, (1 - т) + «2 • т 1 + Зт

Максимальная величина коэффициента теплообмена — экстре­мум функции — будет, когда первая производная равна нулю, т. е. при

D(1p = 3т2 + 2т - 1 = Q dT (Зт+1)2 ~~

Это соответствует условиям, когда т = 1 /3, следовательно, необ­ходимо, чтобы центральный угол заполнения печи материалом составлял 120°. Изменение величины коэффициента регенера­тивного теплообмена при различном заполнении печи материа­лом показано на рис. 108. Фактическое заполнение печи материалом, определенное по скорости движения материала с применением радиоактивных изотопов, находится далеко от оптимальной области (табл. 57). Согласно проведенным рас­четам и экспериментам, необходимо в области текучего и плас­тичного шлама уменьшить слой материала в печи, т. е. навеши­вать такую цепную завесу, которая бы максимально увеличива-

Да скорость движения материала по печи. В области же сыпу­чего состояния материала фактически скорость оказывается значительно выше требуемой, и поэтому на данном участке необходимо путем соответствующей установки теплообменных элементов замедлять движение материала. Следует отметить, что малое заполнение печи материалом приводит не только к недостаточному теплообмену, но еще и значительному сокра­щению срока службы теплообменных устройств. Это вызвано тем, что в результате длительного пребывания теплообмен­ника в высокотемпературном газовом потоке и незначитель­ного—в материале происходит перегрев элемента, который не успевает охладиться в материале, что и вызывает его интен-

Сивнос сгорание.

В настоящее время в качестве зацепных теплообменников наибольшее распространение получили циклоидные и перифе­рийные устройства, которые, как правило, устанавливаются таким образом, что способствуют продвижению материала и тем самым значительно уменьшают слой в печи. Кроме того, циклоидные теплообменники при этом поднимают материал, ссыпая его по всему сечению печи, и тем самым существенно увеличивают пылеунос. Это явилось причиной того, что на мощ­ных печах практически отказались от применения циклоидных теплообменников.

Для преодоления указанных недостатков нами предложено и осуществлено на Старооскольском заводе иное расположение зацепных теплообменников. Суть предложения сводится к тому, что угол установки теплообменных конструкций изменен против принятого на 90°. При этом из элементов конструкций созда­ется обратный винт, который задерживает движение материала. Согласно проведенным измерениям, слой материала в циклои­дах увеличился с 200—300 до 800—1000 мм, скорость потока уменьшилась более чем в 10 раз, теплообменники в нижнем положении полностью перекрываются материалом и тем самым защищаются от быстрого выгорания. В результате проведенных изменений в 1,5—2 раза уменьшился пылевынос из печи, в не­сколько раз увеличился срок службы теплообменников. При указанном расположении циклоидов увеличился слой материа­ла на последнем участке цепной завесы, что также увеличило срок ее службы. Кроме того, необходимо учесть, что при некото­ром увеличении слоя материала в печи уменьшается температу­ра поверхности футеровки, увеличивается количество теплоты, передаваемое от футеровки материалу, и снижается темпера­тура корпуса печи и теилоиотери в окружающую среду, что фактически и было зафиксировано с помощью индикаторов теп­лового напряжения.

Интенсификация цементного производства и повышение мощности печных агрегатов требуют совершенствования мето­дов испытаний, наладки и управления вращающимися печами. В процессе наладки современных обжиговых агрегатов нередко приходится решать самые различные по характеру задачи, конечной целью которых является повышение производитель­ности и стойкости футеровки, снижение удельного расхода тепла и повышение качества клинкера.

При решении указанных задач важнейшее значение имеют характеристики состояния материального и газового потоков в

268

Горячей части печи. Необходимая информация о высокотем­пературных зонах весьма ограничена или оценивается по кос­венным показателям состояния материала в подготовительных зонах и в основном базируется на визуальных наблюдениях машиниста мечи. Эта оценка достаточно субъективна и в значи­тельной степени зависит от квалификации машиниста. Поэтому возникает необходимость постоянного совершенствования методов испытаний, наладки и управления вращающимися печами с целью получения более объективной и оперативной информации о ходе теплотехнологических процессов в высоко­температурных зонах печей.

В основу предлагаемых методов частично решающих эти за­дачи, положены известные работы [101, 247—251, 281, 322, 325, 475—482, 486, 492—494]. Одной из важнейших информаций о протекании теплотехнологических процессов во вращающихся печах является состав отходящих газов. В большинстве слу­чаев состав отходящих газов используется в процесс испытания печи для определения полноты сжигания топлива и лишь в от­дельных случаях — для расчета удельного расхода тепла. На основании нашего опыта установлено, что по газовому анализу можно дополнительно оценивать следующие показатели:

— положение зоны декарбонизации в печи, снижение и увеличение слоя на подходе к зоне спекания, что дает возмож­ность более оперативно управлять процессом обжига клинкера;

— качество клинкера, особенно при сжигании высоко­сернистого мазута или щелоче - и серосодержащих сырьевых смесей;

— интенсивность горения топлива и, таким образом, тепло­напряжение на отдельных участках футеровки печи в зоне спе­кания.

Основным параметром, определяющим эффективность и стабильность работы вращающейся печи, является выбор оптимального соотношения между количеством обжигаемого материала и расходом топлива. Наиболее объективно рацио­нальное соотношение может быть установлено по параметру СО°2или СО исходя из принципа расчета удельного расхода топлива по составу отходящих газов. Этот принцип заложен в основу оперативного управления вращающейся печью. По величине СОр2можно оценить степень подготовки материала в наиболее теплоемкой зоне декарбонизации. Повышение СО[2 свидетельствует об увеличении количества СО^, выделяю­щегося из сырья в зоне декарбонизации, и, таким образом, дает возможность значительно раньше, чем это можно опре­делить визуально, установить подход неподготовленного ма­териала к зоне спекания. Это позволяет при наладке и управ­лении печью заранее принять необходимые меры. Характерный пример, показывающий взаимосвязь между режимом обжига, состоянием клинкера и составом отходящих газов, приведен в табл. 58.

Как видно из таблицы, при устойчивой работе печи с опти­мальной гранулометрией клинкера содержание С02 в отходя­щих газах может изменяться в пределах 22,0—23,2%. Более объективным показателем, определяющим степень обжига

Клинкера, является величина С(f 2 которая изменяется лишь в пределах 24,3—24,6%. Отклонения СОг2от указанных значений, свидетельствующие об изменении состояния или количества материала в зоне декарбонизации, требуют принятия соответ­ствующих мер.

Так, при оптимальной гранулометрии клинкера в зоне спе­кания, но уменьшении величины СОІ связанном со сниже­нием слоя материала в зоне декарбонизации (пример 2), не­обходимо своевременно убавлять расход топлива на неболь­шую величину. Если состав отходящих газов не учитывается, то, как правило, допускается перегрев клинкера в зоне спекания, и после этого возникает необходимость в значительном сни­жении расхода топлива, что вызывает колебания режимных параметров печи и ухудшение показателей ее работы и в последующем может привести к клинкерному пылению. В следующем примере (табл. 58, пример 3), приводится случай, когда значительный перегрев клинкера в печи был обусловлен перерывом в подаче шлама. По газовому анализу (С02 = = 18,0%; 02 = 3,6%; СОр2 = 21,7%) видно, что предвари­тельно в зоне декарбонизации наблюдалось существенное снижение слоя материала. Если в этих условиях вследствие запоздалых действий была допущена высокая степень пере­грева клинкера в зоне спекания, то необходимо резко, например, с 13 до 4—5 тыс. м3/ч, уменьшить расход топлива на 1—5 мин и после этого восстановить прежний или несколько пониженный расход.

Эффективность указанных действий обусловлена тем, что при кратковременном уменьшении расхода топлива на значи­тельную величину резко снижается температура материала в наиболее разогретом участке печи, а состояние материала в подготовительных зонах остается практически неизменным.

Т а б л и ц а 58

Изменение состава отходящих газов в зависимости от состояния материала в высокотемпературных зонах печи

* Приведенная в графе характеристика клинкера соответствует условиям, когда действия машиниста несколько запаздывают, и при управлении печью не учитывался состав отходящих газов.

** На полном ходу печь совершает один оборот в течение 48 с, па среднем — 65 с, на тихом — 100 с.

Это позволяет достаточно быстро ввести печь в оптимальный режим без последующего ослабления. В тех случаях, когда при высокой степени разогрева зоны спекания снижают расход топлива на 1—2 тыс. м3/ч на более длительный период 20—30 мин, введение печи в оптимальный режим оказывается затруднительным. В этих условиях вследствие уменьшения количества топлива и увеличения избытка воздуха укорачи­вается факел, и происходит обжиг перегретого клинкера. При этом в зоне кальцинирования снижаются интенсивность декарбонизации материала и скорость его движения, в резуль­тате дополнительно уменьшается слой материала в зоне спе­кания, и в большей степени пережигается клинкер. В после­дующем происходит существенное ослабление зоны спекания. Возникающие в этих условиях значительные температурные колебания могут привести к прожогу и сколу огнеупора и снижению стойкости футеровки. Кроме того, недостаточная подготовка материала может привести к выпуску брака, что находит отражение в предварительном увеличении СО<2 в отходящих газах (примеры 5,6). Поэтому в процессе наладки и управления печью ограничивается предельно допустимое максимальное содержание при достижении которого

Необходимо ставить печь на тихий ход. Для данного примера предельным является С Of = 25—25,4%.

Одновременно с составом отходящих газов при оптимиза­ции режима обжига предлагается анализировать характер распределения теплоизлучения корпуса по длине печи с по­мощью пирометра полного излучения. Наряду с переносными, рекомендованы и используются стационарные пирометры пол­ного излучения, устанавливаемые в наиболее теплонапряжен - ном горячем конце печи с регистрацией показаний на вторич­ном приборе (глава 5). По характеру распределения тем­пературы корпуса в горячей части печи оценивается режим горения топлива, состояние обмазки и положение зоны спе­кания. Опытным путем установлен оптимальный характер распределения температуры корпуса в зоне спекания. При этом первостепенную роль играет положение температурного максимума, который находится для печи 5X185 м на расстоя­нии 12—17 м от выходного обреза. Абсолютное значение максимальной температуры при этом желательно обеспечить в пределах 200—220°С, однако допустимо некоторое превыше­ние. Испытание и наладка печи с использованием температур­ной кривой производятся следующим образом:

— переносным пирометром выполняется измерение темпе­ратуры корпуса печи в холодном конце через 5 м, в горячей час­ти — через 2 м;

— строится график изменения температуры по длине печи;

— одновременно проводятся замеры по холодильнику, осуществляется анализ состава отходящих газов, определяются параметры подготовки и сжигания топлива, положение фор­сунки;

— фиксируются основные режимные параметры работы печи;

- оценивается гранулометрия клинкера путем рассева на ситах;

— анализируются результаты испытания, и при отклонении режима от оптимального определяются параметры, которые необходимо изменить в первую очередь;

— изменяются режимные параметры, и через 1—2 ч вновь промеряется температура корпуса печи;

— результаты измерения сопоставляются с предыдущими данными путем нанесения температурной кривой на тот же график.

Отклонения от оптимального режима работы печи преиму­щественно связаны с удалением температурного максимума от головки печи, что приводит к клинкерному пылению, пере­расходу топлива и снижению стойкости футеровки. Оптимиза­ция режима обжига в этих условиях сводится к изменению режимных параметров таким образом, чтобы приблизить тем­пературный максимум к выходному обрезу. При этом один из режимных параметров оказывается определяющим, наиболее существенно влияющим на состояние обмазки и гранулометрию клинкера. Поэтому необходимо последовательно изменять от­дельные параметры работы печи и наблюдать за температурой корпуса. На рис. 109 приведены примеры наладки печи 5Х 185 м на Старооскольском заводе при работе на газообразном топли­ве. Из приведенных данных видно, что изменение характера кривой и смещение температурного максимума в сторону выходного обреза печи достигалось уменьшением содержания кислорода в отходящих газах с 3,5 до 1,6—2% (II), увели­чением кпд холодильника с 0,65 до 0,8 (III), снижением темпе­ратуры отходящих газов с 270 до 240°С (IV).