Повышение тепловой эффективности цементных вращающихся печей сухого способа АО «Спасскцемент»
Д.А. Мишин 1 , канд. техн. наук, доцент;
В.М. Коновалов 1 , канд. техн. наук, доцент;
А.Н. Сысоев 2 , заместитель управляющего по производству и модернизации
1 Белгородский государственный технологический
университет им. В.Г. Шухова, Россия
2 АО «Спасскцемент», Россия
РЕФЕРАТ. АО «Спасскцемент», входящее в состав холдинга «Востокцемент», оснащено двумя одинаковыми технологическими линиями с печами размерами ∅ 7,0/6,4 × 95 м с двухветвевым четырехступенчатым циклонным теплообменником. Одна из печей была модернизирована в соответствии с рекомендациями специалистов кафедры технологии цемента и композиционных материалов БГТУ им. В.Г. Шухова: установлены новые уплотнения на разгрузочном и загрузочном концах печи, шлюзовые затворы на течках нижних ступеней теплообменника, а также реконструирован холодильник. Это позволило увеличить производительность печи со 138—140 до 147 т/ч и снизить удельный расход топлива примерно на 15 кг условного топлива на 1 т клинкера.
Ключевые слова: вращающаяся печь, циклонный теплообменник, колосниковый холодильник, модернизация, производительность, удельный расход топлива.
Keywords: rotary kiln, suspension preheater, clinker cooler, modernization, output, specific fuel consumption.
Модернизация производственных мощностей и совершенствование технологического процесса на цементных предприятиях позволяют снижать себестоимость продукции и улучшать ее качество. Успешному решению этих задач на заводе АО «Спасскцемент», входящем в состав холдинга «Востокцемент», во многих случаях способствует сотрудничество с кафедрой технологии цемента и композиционных материалов БГТУ им. В. Г. Шухова. Один из примеров такого сотрудничества приведен в данной статье.
На предприятии имеются две аналогичные технологические линии, оснащенные печами размерами ∅ 7,0/6,4 × 95 м с двухветвевым четырехступенчатым циклонным теплообменником (см. рисунок). Проектная производительность печных систем, первоначально составлявшая 125 т/ч, была повышена до 138—140 т/ч за счет ранее проведенной модернизации, которая заключалась в организации дополнительного сжигания топлива в шахте подогрева путем установки двух угольных горелок в ее нижней части. Перераспределение топлива привело к увеличению коэффициента избытка воздуха в главной печной горелке. Поэтому для сохранения «нормальных» характеристик факела количество угля, подаваемого в горелки системы дополнительного сжигания, составило около 20 % суммарного расхода топлива.
Вращающаяся печь на заводе АО «Спасскцемент». Фото предоставлено Ириной Коноваловой
Рост потребления цемента в стране и Дальневосточном регионе заставил изыскивать дополнительные резервы увеличения мощности завода. Чтобы количественно оценить возможности повышения производительности печных систем АО «Спасскцемент» и выявить факторы, мешающие реализации этого резерва, потребовалось теплотехническое обследование.
По данным планового отдела предприятия, во время проведения теплотехнических испытаний фактический удельный расход топлива для печей № 1 и 2 составлял 132,2 и 133 кг условного топлива на 1 т клинкера (кг у. т./т кл.) соответственно.
Теплотехническое обследование показало, что печи работали с достаточно хорошими показателями. На предприятии были достигнуты относительно низкий удельный расход топлива — 119—127 кг у. т./т кл. (по результатам расчета тепловых балансов печей) и их высокая производительность — 138—140 т/ч (табл. 1). Печь № 1 работала с несколько меньшим расходом топлива, что объясняется бóльшим КПД клинкерного холодильника (0,50 против 0,37 у холодильника печи № 2). Низкий КПД холодильников обеих технологических линий связан с их механическим износом и, как следствие, увеличенными потерями тепла с избыточным воздухом.
Расчет удельного расхода тепла провели тремя способами: по показаниям весовых дозаторов топлива, по составу отходящих газов и по тепловому балансу печной системы (табл. 1 и 2). Отметим, что значения расхода топлива, рассчитанные по составу отходящих газов, несколько завышены из-за колебаний содержания СаСО3 в анализируемой пробе сырьевой шихты (так как отбирались разовые пробы с питателя сырьевой муки) и недожога топлива (в газах содержалось 0,02—0,04 % СО). При составлении тепловых балансов потери тепла с избыточным воздухом рассчитывали с учетом расхода тепла на испарение воды, подаваемой в холодильник для кондиционирования воздуха.
Таблица 1
Удельный расход топлива для печей № 1 и 2, определенный различными способами
(за период испытаний в 2008 году)
Дальнейшее увеличение производительности печи сдерживается недостаточной производительностью запечного дымососа и сырьевого цеха. Составление теплового баланса по данным, полученным во время испытаний печи после реконструкции, показало, что удельный расход топлива для печи № 1 составлял 108—122 кг у. т./т кл. в зависимости от эффективности работы колосникового холодильника, КПД которого изменялся в диапазоне 50—74 %, что для сухого способа является хорошим показателем.
Основной проблемой для печи № 1 после реконструкции было образование наростов материала на статической решетке холодильника, высота которых сравнима с высотой шахты холодильника. Настыль формируется при падении на статическую решетку множества крупных кусков обмазки, препятствующих перемещению клинкера, который в результате остается на статической решетке. При этом клинкер полностью кристаллизуется, а его неподвижные частицы скрепляются между собой, что приводит к росту настыля. В течение 5—6 ч образуется крупный нарост, который крайне трудно разрушить во время работы печи. Для удаления настыля из холодильника ее приходилось останавливать.
Анализ параметров работы холодильников «Волга», оснащенных статическими решетками от зарубежных производителей, позволяет считать одной из эффективных мер борьбы с образованием настылей использование пневмопушек. При их ритмичной работе настыли не образуются. Их появление отмечается только в случае отсутствия грануляции клинкера и частых пропусков в срабатывании пневмопушек.
АО «Спасскцемент» постоянно и последовательно модернизирует оборудование. В частности, планируется модернизация холодильника печи № 2, аналогичная описанной выше. Рассматривается предложение специалистов кафедры технологии цемента и композиционных материалов БГТУ им. В. Г. Шухова использовать минерализаторы при обжиге клинкера. Это позволит дополнительно снизить удельный расход топлива, что приведет к увеличению производительности печей, и уменьшить выбросы оксидов азота. Последний показатель становится особенно актуальным в связи с необходимостью постоянного мониторинга выбросов в соответствии с законодательством РФ.
В статье рассмотрена лишь малая часть работ, проведенных в АО «Спасскцемент». Сотрудничество предприятия и БГТУ им. В. Г. Шухова началось с 2008 года и продолжается до настоящего времени без перерывов. Специалисты БГТУ им. В. Г. Шухова приезжают на предприятие 1—2 раза в год. Регулярное теплотехническое обследование печи, совместное обсуждение технологических вопросов позволяют своевременно выявить недостатки в работе печного агрегата и улучшить его технико-экономические показатели.
Проведение работ на заводе АО «Спасскцемент» позволило увеличить производительность печи № 1 со 140 до 147 т/ч, снизить удельный расход топлива приблизительно на 15 кг у. т./т кл. (по отчетным данным предприятия) и устранить причины образования наростов на статической решетке холодильника печи № 1.
1. Воробьев Х. С., Мазуров Д. Я. Теплотехнические расчеты цементных печей и аппаратов. Учеб. пособие для хим.-технол. вузов и фак. М.: Высш. школа, 1962. 350 с.
2. Древицкий Е. Г., Добровольский А. Г., Коробок А. А. Повышение эффективности работы вращающихся печей. М.: Стройиздат, 1990. 223 с.
Мишин, Д.А. Повышение тепловой эффективности цементных вращающихся печей сухого способа АО «Спасскцемент» / Д.А. Мишин, В.М. Коновалов, А.Н. Сысоев // Цемент и его применение. — 2020. — №3. — С. 86-89
Источник
ПЕЧИ СУХОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА КЛИНКЕРА
ЛЕКЦИЯ №14
ТЕМА: ОБЖИГ СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ. ПРОЦЕССЫ КЛИНКЕРООБРАЗОВАНИЯ
Обжиг— завершающая технологическая операция производства клинкера. В процессе обжига из сырьевой смеси определенного химического состава получают клинкер, состоящий из четырех основных клинкерных минералов.
В качестве установок для получения клинкера могут быть использованы различные по своей конструкции и принципу действия тепловые агрегаты.
Однако в основном для этой цели применяют вращающиеся печи, в них получают примерно 95% клинкера от общего выпуска, 3,5% клинкера получают в шахтных печах и оставшиеся 1,5% — в тепловых агрегатах других систем — спекательных решетках, реакторах для обжига клинкера во взвешенном состоянии или в кипящем слое.
Вращающиеся печи являются основным тепловым агрегатом как при мокром, так и при сухом способах производства клинкера.
Обжигательным аппаратом вращающейся печи является барабан, футерованный внутри огнеупорными материалами. Барабан установлен с наклоном на роликовые опоры.
С поднятого конца в барабан поступает жидкий шлам или гранулы. В результате вращения барабана шлам перемещается к опущенному концу. Топливо подается в барабан и сгорает со стороны опущенного конца. Образующиеся при этом раскаленные дымовые газы продвигаются навстречу обжигаемому материалу и нагревают его. Обожженный материал в виде клинкера выходит из барабана.
Рисунок14.1 — Технологическая схема получения цемента по мокрому способу: 1 — щековая дробилка; 2 — молотковая дробилка; 3 — склад сырья; 4 — мельница «Гидрофол»; 5 — мельница мокрого помола; 6 — вертикальный шламбассейн; 7 — горизонтальный шламбассейн; 8 — вращающаяся печь; 9 —холодильник; 10 — клинкерный склад; 11 — мельница; 12 — силос цемента.
В качестве топлива для вращающейся печи применяют угольную пыль, мазут или природный газ. Твердое и жидкое топливо подают в печь в распыленном состоянии. Воздух, необходимый для сгорания топлива, вводят в печь вместе с топливом, а также дополнительно подают из холодильника печи. В холодильнике он подогревается теплом раскаленного клинкера, охлаждая последний при этом. Воздух, который вводится в печь вместе с топливом, называется первичным, а получаемый из холодильника печи — вторичным.
Образовавшиеся при сгорании топлива раскаленные газы продвигаются навстречу обжигаемому материалу, нагревают его, а сами охлаждаются. В результате температура материалов в барабане по мере их движения все время возрастает, а температура газов — снижается.
Сырьевой шлам, имеющий температуру окружающего воздуха, попадая в печь, подвергается резкому воздействию высокой температуры отходящих дымовых газов и нагревается.
Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 1 470°C в течение 2…4 часов в длинных вращающихся печах (3,6х127 м, 4×150 м и 4,5х170 м) с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы.
Вращающуюся печь мокрого способа условно можно поделить на зоны:
· сушки (температура материала 100…200 °C — здесь происходит частичное испарение воды);
· подогрева (200…650 °C — выгорают органические примеси и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента). Например, разложение каолинита происходит по следующей формуле: Al2O3∙2SiO2∙2H2O → Al2O3∙2SiO2 + 2H2O; далее при температурах 600…1 000 °C происходит распад алюмосиликатов на оксиды и метапродукты.
· декарбонизации (900…1 200 °C) происходит декарбонизация известнякового компонента: СаСО3 → СаО + СО2, одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды. В результате взаимодействия основных (СаО, MgO) и кислотных оксидов (Al2O3, SiO2) в этой же зоне начинаются процессы твердофазового синтеза новых соединений (СаО∙ Al2O3 — сокращённая запись СА, который при более высоких температурах реагирует с СаО и в конце жидкофазового синтеза образуется С3А), протекающих ступенчато;
· экзотермических реакций (1 200…1 350 °C) завершается процесс твёрдофазового спекания материалов, здесь полностью завершается процесс образования таких минералов как С3А, С4АF (F — Fe2O3) и C2S (S — SiO2) — 3 из 4 основных минералов клинкера;
· спекания (1 300→1 470→1 300 °C) частичное плавление материала, в расплав переходят клинкерные минералы кроме C2S, который взаимодействуя с оставшимся в расплаве СаО образует минерал АЛИТ (С3S);
· охлаждения (1 300…1 000 °C) температура понижается медленно. Часть жидкой фазы кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.
Основные минералы клинкера: алит, белит, трехкальциевый алюминат и аллюмоферит
Алит— самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45…60%. Он быстро твердеет и набирает высокую прочность, интенсивно выделяет тепло. Алит представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2…4%) MgO, Al2O3, P2O5, Cr2O3 и других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства минерала.
Белит— второй по важности и содержанию (20…30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента; обладает малым тепловыделением. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор b-двухкальциевого силиката (b-С2S) и небольшого количества (1…3%) Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3.
Трехкальциевый алюминат содержится в клинкере в количестве 4…12% и при благоприятных условиях обжига получается в виде кубических кристаллов размером до 10-15 мкм; образует твердые растворы сложного состава. Он очень быстро гидратируется и твердеет, но имеет небольшую прочность и наибольшую интенсивность тепловыделения. Является причиной сульфатной коррозии бетона, поэтому в сульфатостойком портландцементе содержание С3А ограничено 5%.
Четырехкальциевый алюмоферрит в клинкере содержится в количестве 10. 20%. Алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава, в клинкерах обычных портландцементов ее состав близок к 4CaO×Al2O3×Fe2O3. По скорости гидратации минерал занимает промежуточное положение между алитом и белитом.
Наименование | Формула | Сокращенное обозначение | Примерное содержание в клинкере, % |
Алит (трехкальциевый силикат) | 3CaO×SiO2 | C3S | 45-60 |
Белит (двухкальциевый силикат) | 2CaO×SiO2 | C2S | 20-30 |
Трехкальциевый алюминат | 3CaO×Al2O3 | C3A | 4-12 |
Целит (четырехкальциевый алюмоферрит) | 4CaO×Al2О3×Fe2O3 | C4AF | 10-20 |
ПЕЧИ СУХОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА КЛИНКЕРА
Печи сухого способа производства примерно в два раза короче печей мокрого способа при равной или даже большей производительности. Современные мощные печи этого способа имеют размеры: 6,4/7,0×95 м, 5×75 м и производительность 25 т/ч и 75 т/ч соответственно. Уменьшение длины печи связано с двумя основными факторами: во-первых, в печах сухого способа в принципе отсутствует зона сушки, во вторых, часть процессов выносится из печи в запечные теплообменные устройства (циклонные теплообменники, реактор-декарбонизатор или конвейерный кальцинатор).
В основу конструкций печей с циклонными теплообменниками положен принцип эффективного теплообмена между отходящими из печи дымовыми газами и частицами сырьевой муки, находящимися во взвешенном состоянии. Уменьшение размера частиц обжигаемого материала и увеличение его удельной поверхности, а также максимальное использование всей поверхности частиц для контакта с теплоносителем интенсифицируют теплообмен между ними. Этот способ передачи теплоты обеспечивает быстроту и равномерность нагрева и поэтому весьма эффективен. Во взвешенном состоянии при достижении температуры диссоциации декарбонизация СаСОз протекает также гораздо быстрее, чем при обжиге шихты в слое. Но все процессы, связанные с непосредственным контактом частиц-реагентов между собой (твёрдофазовые реакции, спекание), наоборот, замедляются.
Откорректированная сырьевая мука поступает в систему циклонных теплообменников. Отходящие из вращающейся печи газы с температурой 900-1000°С по газоходу 10 движутся в циклонный теплообменник IV ступени, а затем последовательно проходят циклонные теплообменники III, II и I ступеней, пылеулавливающее устройство и дымососом 9 через Дымовую трубу 1 выбрасываются в атмосферу.
В узких газоходах циклонных теплообменников средняя скорость газов составляет 15-20 м/с, что значительно выше скорости витания частиц сырьевой муки. Поэтому поступающая в газоход между I и II ступенями циклонов сырьевая мука увлекается потоком газов и выкосится в циклонный теплообменник I ступени, где материал подогревается, а газы охлаждаются. Осевший в циклоне материал через затвор-мигалку 11 поступает в газоход между II и III ступенью циклонов, а из него выносится с газовым потоком в циклон II ступени. Затем материал движется в газоходах и циклонах III и IV ступеней. Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, и при этом нагревается. По выходе из циклона IV ступени материал имеет температуру 700-800°С, затем он подаётся во вращающуюся печь 8 для дальнейшего обжига.
Время пребывания частиц сырьевой муки в циклонном теплообменнике не превышает 25-30 с, и за это очень короткое время материал нагревается, полностью дегидратируется глинистая составляющая сырьевой смеси, а также на 25-30% успевает пройти декарбонизация карбонатной породы. Таким образом, в циклонном теплообменнике осуществляются процессы, которые соответствуют зоне подогрева и частично зоне кальцинирования.
Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками имеют высокие технико-экономические показатели, длительный срок службы, просты по конструкции и надёжны в эксплуатации (отсутствие Движущихся элементов), они отличаются высоким коэффициентом использования. Основным недостатком данного теплообменного Устройства является большая высота циклонной башни — 50-60 м.
Наиболее современными являются технологии, основанные на трёхступенчатом обжиге, которые позволяют направлять в обжиговую печь материал который декарбонизирован почти ПОЛНОСТЬЮ. Для интенсификации процесса диссоциации CaСО3 между запечным теплообменником и печью устанавливается специальный реактор – диссационная ступень (декарбонизатор), представляющая собой печь специальной конструкции с вихревой форсункой, где происходит сжигание топлива и декарбонизация сырьевой муки в вихревом потоке
Температура материала на входе в реактор составляет 720-750С. В результате сгорания дополнительного количества топлива температура газового потока повышается до 1000-1050, а материал нагревается до температуры 920-950. Каждая Частица материала находится в системе «циклонный теплообменник — Диссоционный реактор» всего 70-75 с, но по выходе из нее степень его декарбонизации составляет 85-95%.
Установка диссоционной ступени позволяет повысить съем клинкера с 1 м3 внутреннего объёма печи в 2,5-3 раза, в результате печь диаметром 5-5,5 м может иметь производительность 6000-8000 т/сут удельный расход теплоты снижается до 3-3,1 кДж/кг клинкера. Размеры реактора невелики, он может быть использован не только при строительстве новых линий, но и при модернизации уже существующих коротких вращающихся печей с циклонными теплообменниками.
Рисунок 14.2 — Технологическая схема получения цемента по сухому способу: 1 — бункер известняка; 2 — щековая дробилка; 3 — молотковая дробилка; 4 — бункер глины; 5 — валковая дробилка; 6 — объединенный склад сырья; 7 — мельница «Аэрофол»; 8 — циклон-осадитель; 9 — промежуточный силос; 10 — сепаратор; 11 — мельница; 12 — гомогенизационный силос; 13 — запасной силос; 14 — печь с циклонными теплообменниками; 15 — холодильник; 16 — склад клинкера и добавок; 17 — мельница; 18 — цементный силос.
Источник