1, Оптимизация работы цементных вращающихся печей, основной критерий отимизации. Связь между производительностью, стойкостью футеровки, качеством клинкера, пылеуносом из печи и удельным расходом топлива

• Название: 1, Оптимизация работы цементных вращающихся печей, основной критерий отимизации. Связь между производительностью, стойкостью футеровки, качеством клинкера, пылеуносом из печи и удельным расходом топлива
• Анкор: 1.doc
• Дата: 20.01.2018
• Размер: 39.66 Mb.
• Имя файла: 1.doc
• Тип: Документы; #14611
• страница: 3 из 5

5. Теоретические и практические основы сжигания различных видов топлива во вращающейся печи.

Регулирование факела

Основным процессом, которым управляет машинист печи заключается в регулировании сжигания топлива. При этом он должен обеспечить решение следующих задач:

1. 
   полное сжигание топлива;
   
2. 
   поддержание высокой температуры и теплообмен в пламенном пространстве;
   
3. 
   не допустить концентрацию t-ры на коротком участке с тем, чтобы не перегревать футеровку и обеспечить высокую стойкость ее.
   

Теория сжигания топлива

В факельном пространстве теплообмен на 90-95% осуществляется излучением, которое выражается законом Стефана-Больцмана и уравнением Блоха:

Вт/м² (Дж/см²)

где 5,67 – излучение абсолютно черного тела;

є_м – степень черноты материала;

є_ф – степень черноты факела, є_ф=0,3-0,8;

Т_ф, Т_м – t-ра факела, м-ла, К;

а_г – поглощающая способность газа; F – поверхность теплообмена

Степень черноты материала зависит от гранулометрического состава м-ла. Чем больше гранулирован м-л, тем больше его степень черноты: для пылевидного – 0,6-0,7, для гранулированного м-ла -0,8-0,9.

Степень черноты факела выражается уравнением Бугера:

Е_ф = 1-e^-кЅр, где :

e – основание натурального логарифма; Ѕ – толщина газового слоя, Ѕ = 0,75-0,80 от Ø печи; Р – давление газа печи, Р = 1атм.;

К = f (СО₂, Н₂О, т.ч.) – функция от содержания 3^х атомных газов и твердых частиц. СН₄ + 2СО₂ + 7,52Ņ₂ = СО₂ + 2Н₂О + 7,52Ņ₂

Назначение твердых частиц

1. Обеспечить умеренный коптящий факел. В 1мл продуктов горения при коптящем факеле м/т содержаться до 1млн. твердых частиц, которые обеспечивают свечение факела и => его є_ф. В прозрачном факеле є_ф=0,3, а у коптящего факела є_ф=0,8.

2. Можно увеличить Q_Λ (теплообмен) путем увеличения є_м и є_ф. Причем выгоднее обеспечить за счет Т_ф. Если t-ра факела повысится на 5% (Н-р, с 1710-1800⁰С), то теплообмен увеличится на 16%. Но при прозрачном факеле, чтобы обеспечить нужный приходится разогревать футеровку до более высокой t-ры, что может привести к её прожогу, поэтому необходимо находить «золотую середину», т.е. иметь необходимую t-ру и повышенную є_ф.

Температура горения и теплота сгорания

Температура горения: t_гор=(q_топл-q_возд-Q_л)/(V_п.г.·С_п.г.),

где q_топл – теплота сгорания топлива; q_воз – энтальпия вторичного воздуха; Q_л – теплоотдача факела; V – объем продуктов горения;

С – теплоемкость продуктов горения.

С + О2 = СО2 Q = 36 мДж/кг t = 22000С

2С + О2 = СО Q = 12 МДж t = 13600С

Когда недожог топлива в следствии пониженной теплоты сгорания, понижается t-ра горения. Чем больше избыточного воздуха, тем больше объем воздуха и при том же теплообмене, меньше t-ра.



Скорость горения

Чем выше скорость горения, тем длиннее факел. Скорость горения зависит от скорости хим. взаимодействия и от скорости смешения воздуха с топливом.

Скорость хим. взаимодействия определяется урав-ем Аррениусса:

1. ; 2. К f (Д)

А – предэкспоненциальный множитель; Е – энергия активации;

Д – коэф-т турбулентной диффузии.

Учитывая, что t-ра факела всегда выше 1600⁰С (1650-1800⁰С), то можно сказать, что горение протекает в диффузионной области, и поэтому скорость горения в основном будет зависеть от интенсивности смешения топлива с воздухом.

Практические основы горения топлива

Найдена общая зависимость, что чем дальше идет воспламенение топлива от форсунки, тем короче факел.




1. Скорость вылета из форсунки. Чем выше скорость вылета, тем дальше точка воспламенения, будет больше создавать турбулентность, тем короче факел.

2. Объем воздуха на горение или коэф-т избытка. Чем больше α, тем больше разряжение за обрезом печи, больше воздуха в пламенном пространстве, => увеличивается L₀ и понижается L_ф, и наоборот.

3. Температура вторичного воздуха. Чем ниже t-ра вторичного воздуха, тем требуется более длительный участок печи для нагрева этого воздуха до t-ры воспламенения. Чем дальше воспламенение, тем короче факел.

4. Положение горелки. Чем ближе прижат м-л (угол β), тем больше поднимаем форсунку, тем дальше от м-ла отдаляется факел, тем больше к нему доступ О₂, тем короче факел.

5. Зависит от состава твердого топлива и его подготовки. В твердом топливе важное значение имеет: а) содержание летучих веществ (газов) V^Λ = 20-25%. Чем больше летучих веществ, тем более ранее воспламенение, тем больше длина факела; б) остаток на сите 008 R₀₀₈0,5 V^Λ. При уменьшении тонкости помола происходит более ранее воспламенение и удлиняется факела.

На угле: ω_у = 60 м/с; ω_г = 200-400 м/с

6.Использование различных завихряющих элементов в форсунках



Горелки для сжигания топлива

1) Прямая труба	2) Горелка с дросселем
3) Горелка с дросселем и завихрителем	4) Горелка с радиальным и аксиальным газами

1. Прямая труба. В основном используется диффузионные газовые горелки, когда смешение газов с воздухом происходит в газовом пространстве (топочном);

4. Горелка с радиальным и аксиальным газами.

Скорость вылета 200-400м/с.

3 и4 горелки позволяют, помимо изменения скорости, дополнительно обеспечить интенсивность смешения газов с воздухом путем завихрения газовых потоков или направление струи газа под углом оси печи.

2^ой способ регулирования является наиболее рациональным, который позволяет изменять длину факела в достаточно широких пределах, т.к. при этом можно обеспечить низкую скорость вылета и => ранее воспламенение топлива, что удлиняет факел. А с другой стороны, направление газовых струй под углом к оси струи – интенсифицирует смешение и т.о. укорачивается факел. Следовательно можно добиться желаемой формы факела.

3^ий тип горелки был разработан Ташкентским институтом.

I_гор.- интенсивность горения.




Угольные горелки



Требуется много первичного воздуха (20-30%), Скорость вылета 70 м/с.

Недостаток: большое количество воздуха, холодный воздух.

Горелка для печи сухого способа производства

6. Клинкерное пыление во вращающихся печах.

Помимо активности клинкера 2-й важной начальной характеристикой является гранулометрия клинкера. Очень часто на печах возникает так называемое клинкерное пыление, когда из печи выходит значительное количество пылевидной фракции. Это приводит ко многим не желательным последствиям:

1. 
   Ухудшается активность клинкера;
   
2. 
   Наблюдается повышенный износ оборудования, особенно быстрое прогорание колосников.
   

Например: на «Осколцементе» при клинкерном пылении срок службы колосников горячей камеры составлял 2-3 мес, тогда как при нормальных гранулах 2-3 года.
Причины:

1. 
   Состав сырья
   
2. 
   Режим обжига
   

При нормальной гранулометрии клинкера наблюдается равномерный фракционный состав с размером гранул 20 – 30 мм. Если же происходит клинкерное пыление, тогда размер фракций < 1мм, может меняться от 15 до 65% и между ними наблюдаются крупные «свары» d=60-100 мм явно выраженный полифракционный состав.

По своему минеральному составу пылевидная фракция обогащена силикатами Са, и имеет повышенный КН, а в «сваре» преобладает промежуточная фаза. В связи с этим активность пылевидной фракции несколько выше, чем свар, но все таки она ниже, чем хорошо гранулированного клинкера.

По составу сырья: важнейшим оксидом является

Al₂O₃≈3,7%; Fe₂O₃≈2,7%; ∑=6,4%

Если содержание Al₂O₃ уменьшилось, то нужно было немного повысить Fe₂O₃, но при этом склонность к клинкерному пылению увеличилось.

Содержание SiO2 (кварца) приводило к клинкерному пылению КН=0,91-0,95.

Из примесных добавок очень большое влияние оказывали щелочи К₂О, Na₂O, SO₃, Cl.

Таким образом установлено, что клинкерное пыление значительно уменьшается или полностью прекращается при исключении подачи пыли электрофильтров в печь, которая обогащена щелочными соединениями. Влияние щелочей подтвердилось так же на Белгородском заводе, когда при КП количество R₂O в материале подготовительных зон повышается с 1 до 6%.

Режим обжига: Важным показателем в этих условиях является положение зоны спекания во вращающейся печи. Чем дальше к холодному концу смещены все зоны, тем > пыли получается в клинкере.



Изменение минералогического состава по длине печи пи оптимальной грануляции клинкерной пыли.

Обычно при КП все технологические зоны смещаются на 20-40 м к холодному концу печи.

Дополнительным доказательством является характер изменения t-ры корпуса печи

Наблюдается max смещение корпуса печи на 15-16 м от горячего обреза. Для того, чтобы обеспечить оптимальную гранулометрию, следует приблизить все зоны к горячему обрезу печи, что наиболее точно (объективно) фиксируется по положению максимума t-ры корпуса. Оптимальное расстояние (удаление) от горячего обреза должно быть 12±1 м для всех типоразмеров печей длиной более125 м.

При таком положении всех технологических зон улучшается практически все показатели работы печи. А именно:

1) предотвращается КП; 2) повышается качество клинкера; 3) улучшается обмазка, => футеровка; 4) снижается уд. расход топлива; 5) повышается производительность печи; 6) улучшается экология окружающей среды; 7) снижается пылевынос из холодильника; 8) снижается пылеунос из печи; 9) снижается NO_x в отходящих газах.

Дополнительное доказательство влияние положения зоны спекания на КП заключается в том, что при остановке печи всегда на определенном участке клинкер гранулируется полностью или частично, а затем гранулы распадаются на пыль.



Изменение фракционного состава клинкера по длине печи



При КП увеличивается скорость движения материала ≈2 раза.

Важной причиной КП является состав газовой среды. При восстановительной среде склонность к КП значительно возрастала. Чтобы проверить влияние щелочных соединений и состава газовой среды на спекание клинкера проводились следующие эксперименты.

Синтезировались: 1) сырьевая смесь с рядовыми параметрами;

2) Сырьевая смесь +5% глазерита (К₃Na(SO₄)₂). Сырьевая смесь обжигалась в различных газовых средах: в воздушной среде, в окислительной, восстановительной. Причем среды создавались путем сжигания природ. газа.

Интенсивность возгонки глазерита в зависимости от состава газовой среды.

При воздушной среде возгоняется 1% (1450°С)



Изменение прочности спеков в зависимости от присутствия глазерита и состава газовой среды:




Таким образом в результате проведенных экспериментов можно однозначно сделать следующий вывод:

1. 
   В присутствии щелочных сульфатов снижается интенсивность и величина спекания клинкера, то есть наблюдается большая пористость и меньшая усадка образцов до t=1450°С
   
2. 
   Спекание клинкера снижается в среде процессов горения газового топлива, особенно в восстановительных условиях, что обусловлено более интенсивной возгонкой щелочных сульфатов. Причина заключается в том, что в восстановительных условиях SO₃ переходит в более летучий газ SO₂.
   
3. 
   В присутствии щелочных сульфатов (глазурита) снижается прочность спеков практически в 2 раза, а в восстановительных условиях в 10 раз. Так, если прочность клинкерного спека получена при 1450°С из чистой сырьевой смеси составляет 45 МПа, то при добавке глазерита в восстановительных условиях прочность понижается до 4,5 МПа, что связано с повышением пористости с 25-50%
   

Т.о. КП связано с выделением газообразной фазы в области расплава, что предопределяет высокую пористость и низкую прочность. Происходит явление подобное в технологии керамзита.

ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ВЫДЕРЖКИ.

Первоначально сырьевая смесь во всех случаях разогревалась до 1550°С. При этой t-ре выдерживалась в течение 30 мин, после чего резко охлаждалась и определялась прочность клинкерных спёков. В последних экспертных первоначально смесь разогревалась до 1550°С, затем t-ра быстро снижалась на 50°С после чего опять выдерживалась в течение 30 мин, резко охлаждалась и определялась прочность. Эксперимент повторялся через каждые 50°С. Полученные данные убедительно свидетельствуют, что снижение прочности клинкерных спеков наиболее интенсивно наблюдается при длительной выдержке в области кристаллизации расплава и достигает почти 3-х кратной величины.

Если же клинкер быстро охлаждать до t-ры порядка 1000°С, то его прочность остаётся достаточно высокой и даже превосходить прочность при выдержке при высоких t-ах.

Таким образом для предотвращения клинкерного пыления в печах необходимо стремиться к повышению содержания Al₂O₃ в сырье 3,6-3,9%; работать с КН=0,91-0,92; по возможности исключать долю кварца и щелочных соединений в сырье; не допускать восстановительного режима обжига. Кроме того, необходимо работать на приближающих к горячему концу технологических зонах (не допускать передержки клинкера в высокотемпературной области. Для этого следует отказаться от порога в горячей части печи и корпусных обечаек, обеспечить ранее воспламенение товара при max высокой t_{возд.газа} (см. способы регулирования факела).

7. Влияние свойств сырья и режима обжига на качество клинкера.

При повышении качества клинкера

1. 
   C₃S>60%; 2) C₂S%; 3) C₃A>8%; 4) C₄AF.
   

C₃S и C₃A быстро твердеющие минералы, обеспечивают высокую прочность в первые сроки твердения и высокую марочность в 28 сутках. Если хотят получить БТЦ стараются иметь больше C₃S и C₃A. Но такой цемент имеет пониженную водостойкость, корозионно-сульфатостойкость. Он обладает высокой интенсивностью тепловыделения. Он не годится для гидротехнических сооружений в агрессивных средах, в морских средах.

Если имеем C₂S и C₄AF, то обеспечим медленное нарастание прочности, пониженная марочность цемента в 28 суток, но высокая водо- и корозионностойкость.

Качество клинкера зависит от св-в сырья и режима обжига.

Зависимость активности клинкера от содержания кварца в сырьевой смеси:

SiO₂ может находится в глинистых минералах, то при 500°С происходит разложение глин.

В этом случае выдел. SiO₂-Al₂O₃ в начальном периоде находится в аморфном состоянии. В этом случае этот кремнезем очень активен.


Усвоение кварца СаО

Т.о приведенные данные свидетельствуют, что как спекаемость сырья, так и качество клинкера в значительной степени зависит от содержания крупно кристаллического кварца. Чем больше его сод-е, тем труднее спекается клинкер и снижается его активность.



Зависимость активности клинкера от тонкости помола

Если в сырье имеется повышенное содержание кварца, то рекомендуется для получения высокой активности клинкера, обеспечить более тонкий помол сырья.

Если же трудно размалываемым компонентом является карбонатная порода, то можно допускать более грубый помол сырья.

Большое влияние оказывает щелочные соединения. Как правило, при содержании щелочей в сырье 1-1,5% наблюдается высокая скорость нарастания прочности в первые 2-3 суток твердения цемента и последующее замедление, особенно в период 7-28 суток.

Наблюдается такая зависимость, что при увеличении содержания 2-х валентного Fe в сырьевой смеси в виде седерита (FeCO₃) снижается активность клинкера, хотя при обжиге, при t-ре выше 1000-1100°С седерит разлагается и Fe²⁺, окисляется до Fe³⁺ и поэтому в клинкере отсутствует Fe²⁺.

Влияние Fe²⁺ в сланцах сырья на активность клинкера



Влияние различных примесных элементов на активность клинкера

Фосфорный ангидрит при введение его в клинкер около 0,3% обеспечивает значительное увеличение его прочности. Так например в 3-х суточном возрасте цементный камень полученный при твердении C₃S достигает прочности около 30 МПа. Причем как показали РФА и ДТА количество и состав гидратных фаз в том и другом случае практически одинаковый.



Электронная микроскопия показала, что микроструктура цементного камня сильно отличается.

При гидратации чистого C₂S образуются отдельные крупные блоки Са(ОН)₂ (портландита) пространство между которым заполнено гидросиликатом. Если же C₃S имеется Р₂О₅, то наблюдается иная структура, а именно имеется также прослойки гидросиликата между тонкими блоками портландита. Вследствие чего и обеспечивается 4-ех кратное увеличение прочности. Механизм такого явления может представляться следующим образом:

В 1-ом случае возникают отдельные участки активной гидратации цемента;

Во 2-ом случае наблюдается большое количество центров кристаллизации по всему объему.

Влияние режима обжига на качество клинкера

В определенных случаях так как например на Кантском заводе при изменении КН от 0,85 до 0,95 активность клинкера практически не изменяется, что было связано с тем что в качестве топлива использовали высокосернистый мазут, сера внедрялась в активную фазу и поэтому фактическое содержание C₃S (определялось под микроскопом) было на 10-13% выше расчетного.

Активность клинкера по длине зоны спекания.

Для получения максимальной активности клинкера, необходимо процесс обжига вести таким образом, чтобы после усвоения извести клинкер доспекался на участке приблизительно 5-10м, это необходимо чтобы обеспечить более четкую кристаллизацию клинкерных фаз. контроль за этими параметрами можно осуществлять 2-мя способами:

1. 
   по t-ре корпуса печи, максимальная величина которой должна быть удалена от горячего обреза не 12м;
   
2. 
   по микроструктуре клинкера. Существует специальная большая шкала, которая фиксирует размер и четкость граней кристаллов, обычно размер C₃S должен быть в пределах 30-40мкм и должны быть четкие грани.
   

Влияние положения зоны спекания на активность клинкера (с лева)

Влияние режима горения на активность клинкера при использовании высокосернистого мазута (с права)







Проведенный эксперимент одновременно на нескольких печах при постоянном составе шлама и топлива и достаточно хорошо спеченном клинкере показали что активность клинкера в течении 2-4 часов может изменятся на целую марку, при чем установлена такая зависимость что чем больше О₂ в пламенном пространстве, тем ниже активность клинкера.

В
лияние SO3 в клинкере

Ниже 1250°С нельзя получить C₃S.

При избытке О₂ в печи может получится силикосульфат кальция. Если же имеется восстановительная среда или малое содержание О₂ около 1%, то силикосульфат кальция не получается, тогда может получится ангидрит. Поэтому, чтобы проверить влияние SO₃ при его содержании в виде гипса или в виде 2C₂S∙CaSO₄ в смесь добавлялся тот и другой минерал, и оказалось что действительно 2C₂S∙CaSO₄ снижает активность клинкера с 56 до 24МПа.

Влияние режима охлаждения на Rсм при различном соотношении C3A:C4AF

Резкое охлаждение от:

t=1400ºC; (зеленая 67 и 31 МПа;

t=1250ºC; (голубая 56 и 30);

t=1150ºC; (красная 37 и 27);

Резкое охлаждение клинкера от высоких t-р особенно эффективно в тех случаях когда имеется повышенное содержание С₃А(больше 9%).

В этих условиях можно изменить активность клинкера на 20-30%.


Влияние добавки гипса в цемент на его активность

В тех случаях когда в клинкере имеется различное содержание SО₃, то при определении количества вводимого гипса в цемент достаточно часто не доводит его, в связи с тем, что при титровании определяется суммарное количество SО₃ в клинкере и гипсе. Это приводит к снижению прочностных свойств цемента в 28 суточном возрасте на 4…6 МПа. Установлено, что как при низком так и высоком SО₃ в клинкере необходимо для получения высокой активности вводить более 5% гипса, т.е. около 3% в пересчете на SО₃. в этих условиях получается максимальное качество.