Цементная вращающаяся печь сухого способа

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)

По показаниям весовых дозаторов топлива

По составу отходящих газов

По результатам составления теплового баланса

Таблица 2
Тепловые балансы печей

Тепловой эффект клинкерообразования

На испарение воды

С отходящими газами

Через корпус печной системы

С избыточным воздухом из холодильника (с учетом расхода тепла на испарение воды, подаваемой для кондиционирования воздуха)

Химическая энергия топлива

Температура сырьевой муки на входе в печь составляла 800—820 °С. Степень декарбонизации в циклонных теплообменниках без реакторов-декарбонизаторов обычно равна 30—35 % [1, 2] и только при весьма благоприятных условиях теплообмена достигает 35—40 % [2]. Потери при прокаливании (п. п. п.) сырьевой муки на входе во вращающуюся печь трудно точно измерить, что обусловлено выносом прокаленного материа­ла в теплообменник, приводящим к увеличению степени декарбонизации, и наличием несгоревшего угля в системе дополнительного сжигания. Степень декарбонизации материала, поступаю­щего из циклонных теп­лообменников в печи № 1 и 2, определенная по п. п. п., достигала 40—50 %. Следует учитывать, что шахта является своеоб­разным кальцинатором, в котором сжигается около 20 % общего количества топлива, и полученные повышенные значения п. п. п. отражают эффективность его работы.

Рекомендации и результаты их выполнения

Анализ структуры теплового баланса печей показал, что есть определенный резерв улучшения основных технико-экономических показателей работы агрегата. Например, достаточно высоки потери тепла с отходящими газами (29—30 кг у. т./т кл.) и с избыточным воздухом из холодильника (21—27 кг у. т./т кл.). Этому способствовало следующее:

• значительные подсосы холодного воздуха (около 25 %) на участке циклонов III и IV ступеней теплообменников обеих печей;
• неудовлетворительный (из-за недостаточной тяги дымососов и отсутствия ее резерва) аэродинамический режим в печи, приводящий к формированию восстановительных условий обжига;
• неудовлетворительное уплотнение головки печи (большие зазоры между ложной обечайкой и пороговыми плитами).

Производительность печей сухого способа зависит от скорости движения газового потока в газоходах циклонных теплообменников; максимальное значение последней — ​20—22 м/с, а минимальное — ​около 16—18 м/с. Расчетные скорости газопылевых потоков с учетом подсосов атмосферного воздуха составляли: в загрузочной шахте печи — ​11,5 м/с; в газоходах I—II ступеней — ​15,7 м/с; в газоходах II—III ступеней — ​17,6 м/с и в газоходах III—IV ступеней — ​16,0 м/с. С учетом этих данных производительность печной сис­темы можно повысить примерно до 170 т/ч. Для достижения ее максимума необходимо увеличить выработку сырьевого цеха, устранить подсосы в циклонные теплообменники, заменить дымососы на более производительные и реконструировать колосниковые холодильники с расчетом на бóльшую производительность печей.

Отрицательное воздействие подсосов воздуха тем сильнее, чем выше температура газового потока в системе. Поэтому еще раз подчеркнем, что главные усилия по совершенствованию запечной системы следовало направить на устранение подсосов. Необходимо также учитывать, что из-за отсутствия шлюзовых затворов, особенно на нижней ступени теплообменника, газы в камере дополнительного сжигания были обеднены кислородом. Например, если в шахте его содержание в газах составляло порядка 2—3 %, то в течке первого (нижнего) циклона — ​4,5—5,5 %.

При наблюдении за материальными потоками в течках циклонов обнаруживалась пульсация горячей муки, обусловленная подсосом воздуха в течке. Волнообразное поступ­ление материала приводило к непостоянству скорости его продвижения по печи, вызывало перегрузку клинкерного холодильника «Волга‑150С», непостоянство его КПД и серьезно затрудняло стабилизацию работы печи в целом.
В результате теплотехнического обследования было рекомендовано следующее:

1. установить новые уплотнения для устранения подсосов на разгрузочном и загрузочном концах печи, чтобы снизить суммарное количество подсасываемого воздуха, создать запас производительности дымососа и дополнительно увеличить производительность печи;
2. установить шлюзовые затворы на течках двух нижних ступеней для устранения перетоков газовых потоков;
3. реконструировать холодильники печей, чтобы снизить удельный расход топлива за счет увеличения их КПД и стабилизировать работу холодильников при изменении загрузки клинкером. Руководство холдинга «Востокцемент» и технологи предприятия провели работы в соответствии с этими рекомендациями в течение нескольких лет. Установлены новые пневматические уплотнения на горячем и холодном концах печей, реконструирована горячая решетка холодильника «Волга‑150С» печи № 1. Реконструкция включала в себя замену 10 м этой решетки с установкой статической решетки и модулей клинкерного холодильника от зарубежного производителя.

Выполнение трех указанных выше рекомендаций позволило увеличить КПД холодильника и снизить подсосы в печной системе. Уменьшение количества подсасываемого воздуха обеспечило резерв производительности запечных дымососов и привело к снижению удельного расхода топлива, что в свою очередь позволило повысить производительность печи № 1. Достигнутые показатели отражены в табл. 3.

Таблица 3
Достигнутые показатели работы печи № 1 АО «Спасскцемент» после реконструкции (по отчетным данным предприятия)

Показатель работы печи

(при обжиге рядового клинкера)

(при обжиге рядового
и специального клинкера)

Удельный расход топлива, кг у. т./т кл.

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

Вращающаяся печь: устройство, принцип работы и особенности

Для высокотемпературной обработки промышленных и строительных материалов используются обжиговые печи. Такое оборудование может иметь разные конструкции, размеры и свои эксплуатационные особенности. Барабанная или вращающаяся печь занимает отдельное место в сегменте, обеспечивая возможности эффективной сушки сыпучего сырья.

Конструкция агрегата

Промышленные модели барабанных печей преимущественно формируются стальными трубами с кирпичной огнеупорной подкладкой. Обязательным условием компоновки является обеспечение возможности вращения цилиндра вокруг своей оси на скорости 30-250 об/час. Соответственно, чем крупнее диаметр барабана, тем ниже скорость вращения. Движение обеспечивается с помощью вала, зафиксированного на несущей стойке с роликами из жаропрочного металла. Тепловое воздействие обеспечивается в процессе сжигания топливных материалов (газа, нефти, бензина или твердотельного сырья), которое размещается в отдельной камере. В некоторых исполнениях вращающаяся печь содержит теплообменные устройства, реализующие вспомогательные процессы обжига и сушки.

Принцип работы печи

Цилиндрическая емкость в виде барабана имеет небольшой наклон относительно горизонтали – это исходное положение, из которого начинается движение. Но перед включением полость конструкции заполняется рабочим материалом. Подача заготовки осуществляется через верхний патрубок барабана. Далее оператор закрывает конструкцию и включает электродвигатель. В процессе работы вращающаяся печь циклично опускает вниз перемешиваемое вещество, обдавая массу горячими газами. Допуск термических потоков может производиться через выносную топку, но в классических моделях генерация газа осуществляется внутри барабана. Во втором случае может задействоваться горелка Бунзена, формирующая языки пламени через трубы печной форсунки. Для таких задач требуется дополнительный источник топлива в виде масла, газа, измельченного угля или щепы.

Зоны термической обработки

На протяжении всего рабочего цикла обслуживаемый материал может несколько раз встречаться с печными газами при разных температурных условиях, определяющих то или иное состояние обрабатываемой массы. В зависимости от характеристик термической обработки в печи выделяют следующие зоны:

• Зона сушки. Пространство этой части составляет порядка 25-35% от общей емкости барабана. Газы при температуре порядка 930 °С обеспечивают процессы испарения влаги.
• Зона подогрева. В этой части происходит обработка потоками с температурой до 1100 °С. Подогрев выполняется на фоне теплоотдачи от продукта сгорания при возможной поддержке сторонних химических реакций.
• Зона температурного размягчения. Режим температурной обработки в этой зоне может составлять 1150 °С. Главная задача этой части вращающейся печи заключается в обеспечении полного сгорания избытков воздуха в открытой структуре материала.
• Зона охлаждения. На этом этапе целевой материал подвергается воздействию холодных потоков и отвердевает. Некоторые из металлических гранул заготовки могут здесь же проходить операции окисления с обретением коричневато-красного оттенка.

Технико-эксплуатационные особенности оборудования

Само по себе вращение агрегата с перемещением содержимого материала повышает его КПД и качество обжига. Особенно выгодно применение длинных трубчатых конструкций, благодаря устройству которых минимизируется расход тепловой энергии. Чем длиннее барабан, тем плотнее гранулы взаимодействуют с печными газами в процессе своего движения внутри емкости. Соответственно, минимизируются и непроизводительные тепловые потери. Стоит отметить и равномерность обжига, которая также сказывается на качестве термической обработки сыпучих материалов. Например, вращающаяся печь для цементного сырья в виде измельченного гипса и клинкера позволяет спекать массу так, что получается однородная структура. Иногда соединяют несколько сырьевых групп с добавлением силикатов кальция, известняка и глины. Барабан в процессе вращения формирует практически единую консистенцию продукта.

Расчет тепловой мощности печи

Для равномерного обжига материала необходимо обеспечивать его передвижение по всей длине печи с оптимальным скоростным режимом. Темп движения, с одной стороны, должен создавать условия для выполнения необходимых реакций, а с другой – не задерживать массу в состоянии кристаллизации, иначе утратятся уже обретенные технологические свойства. Достигнуть оптимального баланса мощности можно с помощью правильного подбора электродвигателя.

На базовом уровне расчет вращающейся печи выполняется на основе времени пребывания материала в емкости термической обработки – при сухом способе интервалы в среднем составляют 1,5-2 ч, а при мокром – 3-3,5 ч. Также следует учитывать время на завершение процесса обжига, которое в случае с сухой обработкой составит порядка 1 ч, а при мокром обжиге – 1,5 ч. Что касается мощности, то для выполнения стандартных задач предусматривается электродвигатель, силовой потенциал которого варьируется от 40 до 1000 кВт в случае с промышленными агрегатами. Конкретные показатели определяются также с учетом подключения вспомогательных коммуникаций, характера выполнения обвязки и включения модифицирующих компонентов в основной обжигаемый состав.

Футеровка вращающейся печи

Помимо подбора оптимальных рабочих показателей, на качество обжига будет влиять и техническое обслуживание. Одной из ключевых работ, направленных на поддержание высоких технико-эксплуатационных показателей печи, будет ее футеровка. В сущности это изоляция металлической поверхности барабана с помощью термостойкого материала. Термоизоляционную функцию эффективно выполняет литой огнеупорный бетон и кирпич. Но и после обкладки вращающаяся печь для обжига должна подвергаться обмазке защитными покрытиями, оберегающими структуру того же бетона от распространения мелких трещин. Сама футеровка выполняется с толщиной от 8 до 30 см в зависимости от размеров печной конструкции. Рассчитывать огнеупор следует на температуры порядка 1000-1200 °С.

Заключение

Обжиговые агрегаты сегодня широко применяются в изготовлении строительных смесей, плиточных материалов и всевозможного расходного сырья, требующего сушки. К преимуществам вращающихся печей можно отнести высокую производительность и качество теплового воздействия, но не обходится эксплуатация и без недостатков. Данное оборудование характеризуется большими размерами, массивностью рабочих органов и низким уровнем автоматизации. К этому же стоит добавить и требования к силовому обеспечению. На производствах полного цикла барабанные печи подключаются к сетям на 380 В, а также к вентиляционным и охлаждающим системам.

Источник