Байпасирование газов в коротких печах с циклонными теплообменниками

РЕФЕРАТ. Байпасирование газов — важный способ защиты от образования настылей в циклонном теплообменнике коротких «сухих» печей. Особенно повысилась целесообразность его использования в последние годы, с ростом применения альтернативных видов топлива, содержащих большое количество хлора. Содержание последнего в газах значительно (в 40 раз) увеличивается из-за циркуляции в печи и циклонном теплообменнике. Хлор, оседающий на зернах сырья в теплообменнике, вызывает образование жидкой фазы, что приводит к настылеобразованию. Байпасирование небольшого количества газов (обычно около 5 %) позволяет решить эту проблему, но вызывает другие проблемы, наибольшую из которых создает пыль, содержащаяся в этих газах. Она осаждается в пылеулавливающих устройствах, но ее нужно утилизировать. Для этого пыль добавляют в небольших количествах в цемент, питание печи или сырье, подаваемое в мельницу. На предприятиях концерна HeidelbergCement используют следующие технические решения:

• после очистки запыленных газов в циклоне их возвращают в циклонный теплообменник, что позволяет уменьшить количество пыли в байпасируемых газах примерно на 40 %;

• подают байпасируемые газы в декарбонизатор;

• подают их в клинкерный холодильник (однако при этом необходимо очищать колосники и зазоры между ними от пыли каждые несколько месяцев).

Ключевые слова: производство цемента, настылеобразование, байпасирование, циклонный теплообменник.

Keywords: cement production, build-ups formation, bypass, suspension preheater.

1. Введение

Сегодня клинкер в основном производят в коротких вращающихся печах с отношением длины к диаметру (L/D) около 10, оснащенных циклонными теплообменниками. В них достигается наибольший удельный съем (около 6 т/ (м³ · сут)) при удельном потреблении тепла около 3000 кДж/кг клинкера. Во вращающихся печах с циклонными теплообменниками всегда происходит внутренняя циркуляция различных летучих компонентов газовой смеси, концентрация которых определяется зависимостью давления паров от температуры. В основном это калий и хлор, в меньшем количестве — ​натрий.

Количество хлора, поступающего в печь, увеличилось в последнее десятилетие в связи с использованием альтернативных видов топлива. Это серьезная проблема, так как парциальное давление паров хлоридов натрия и калия велико, и эти соединения быстро сублимируются в зоне спекания, переходя в газовую фазу (рис. 1). В циклонном теплообменнике, при более низких температурах, они конденсируются на зернах сырьевой муки и затем возвращаются в печь — ​создаются так называе­мые внутренние циклы хлора, натрия и калия. Поскольку давление паров сульфатов ниже, они остаются в клинкере, главным образом формируя отдельные фазы — ​чаще всего арканит K₂SO₄, афтиталит 3K₂SO₄ ∙ Na₂SO₄, а также кальциевый лангбейнит 2CaSO₄ ∙ K₂SO₄. Как известно, калий также входит в состав белита — твердого раствора на основе Ca₂SiO₄. На рис. 2 показаны внутренние потоки натрия, калия и хлора, характерные для четырехступенчатого циклонного теплообменника [1], а также влияние пыли, возвращаю­щейся из электрофильтра. Видно, что высокое давление паров хлора и его практически полная сублимация приводят к увеличению содержания хлора в газах в 40 раз, тогда как содержание калия в них повышается ​только в 2 раза.

Рис. 1. Давление паров соединений натрия и калия, чаще всего присутствующих в печных газах

Рис. 2. Циклы натрия (а, б), калия (в, г) (в пересчете на оксиды) и хлора (д, е) в печи с четырехступенчатым циклонным теплообменником. Числа означают содержание циркулирующего компонента в материале (в массовых частях) при их содержании в поступающей в систему сырьевой муке, равном 100 массовым частям

Высокая концентрация хлора в газах и его оседание на частицах сырья приводят к вредоносному настылеобразованию на стенках циклонов. Из-за роста содержания хлора в сырьевой муке в теплообменнике появляются жидкая фаза и новые соединения, главным образом легкоплавкие. Они вызывают агломерацию частиц сырья и, прежде всего, повышение адгезии этих частиц к материалу стенок циклонного теплообменника и возникновение настылей [2]. При относительно более высоких температурах (около 600 °C) отложение настылей обусловлено спурритом Ca₄[SiO₄]₂ ∙ CaCO₃ и сильвином KCl, которые образуются в результате появления жидкой фазы, вызванного присутствием хлора, а при более низких температурах — ​в первую очередь ангидритом (рис. 3) [3]. Таким образом, в вертикальном газоходе и циклоне IV ступени настыли формируют спуррит и KCl, в газоходе между IV и III ступенями и в циклоне III ступени — ​в основном ангидрит. Реже последний образует настыли в газоходе между III и II ступенями. Отметим, что жидкая фаза в смеси CaCl₂ + CaCO₃ появляется уже при температуре 640 °C. Ее возникновению сопутствует образование при данной температуре хлоросиликата Ca₃[SiO₄]Cl₂, а приблизительно при 820 °C — ​спуррита [4].

Рис. 3. Температура сырьевой/горячей муки и газов в циклонном теплообменнике

Сульфаты натрия и калия тоже могут осаж­даться на материале, поступающем в печь, поскольку в системе K₂SO₄—Na₂SO₄—CaSO₄ жидкая фаза образуется уже при температуре ниже 800 °C.

Некогда во время визита в концерн Blue Circle в Анг­лии один из авторов данной статьи посетил цементный завод Hope, на котором применялся следующий способ удаления наростов в цик­лонном теплообменнике. Было точно определено, где возникают наросты. Как правило, они формировались в газоходе между циклонами IV и III ступеней, и напротив него устанавливалось устройство, подающее струю воды под высоким давлением. Раз в неделю, даже не останавливая печь (ее лишь переводили на вращение с пониженной скоростью), запускали насос и удаляли образовавшиеся настыли. Возможно, этот способ был эффективным благодаря тому, что на цементном заводе использовался известняк, содержащий постоянную небольшую примесь флюорита (что придавало известняку фиолетовый оттенок). Как известно, флюорит является прекрасным минерализатором, ускоряющим клинкерообразование, и участвует в формировании двух переходных фаз: 2(Ca₂[SiO₄]) ∙ CaF₂ и 3Ca₃SiO₂ ∙ CaF₂ [5, 6]. Они образуются в температурном интервале 950—1175 °C, а разлагаются или плавятся при 1040 °C (первая из них) и при 1175 °C (вторая). Возможно, формированию этих фаз сопут­ствовало образование настылей.

2. Байпасирование газов

Чтобы препятствовавть образованию нас­тылей в циклонном теплообменнике и тем самым исключить необходимость остановки печи, используется байпасирование газов. Пока это единственный используемый способ уменьшения концентрации хлора и калия и, в меньшей степени, натрия в отходящих печных газах. Байпасируется обычно только небольшая часть этих газов — ​как правило, 5 % (около 0,11 нм³/кг клинкера). Связанные с этим потери тепла значительны — ​около 140 кДж/кг клинкера, или около 5 % общих затрат тепла на обжиг клинкера в печи с цик­лонным теп­лообменником.

Газы отводятся перед их попаданием в вертикальный газоход, а следовательно, и в теплообменник, поскольку они не должны контактировать с исходным материалом (рис. 4). Как известно, сырьевая мука в теп­лообменнике находится во взвешенном состоя­нии внутри потока газов, что обеспечивает наилучший теплообмен, так как поверхность теплообмена равна удельной поверхности сырьевой муки. Летучие компоненты, уносимые с газами, оседая на час­тицах муки, немедленно приводят к возникновению текучей фазы и уменьшению поверхности обмена в результате спекания этих зерен.

Рис. 4. Байпасирование газов

Отходящие газы смешиваются в специальной камере с холодным воздухом, при этом быстро снижается их температура (в среднем 1100—1150 °C) — приблизительно до 400 °C. Для интенсификации смешивания камера сконструирована так, чтобы газы перемещались в турбулентном режиме. Это также способ­ствует удержанию находящейся в газах пыли во взвешенном состоянии: их осаждение в смесительной камере привело бы к ее быстрому закупориванию. Тем не менее существуют конструкции байпаса, позволяющие вывести эту пыль из циркуляции.

Байпасирование дает возможность довольно значительно уменьшить количество хлора и калия в газах (рис. 5 [1]). Видно, что при байпасировании 5 % газов можно снизить содержание хлора на 5 %, а калия — ​на 15 %, при этом содержание натрия изменяется мало. Однако в клинкере обычно присутствует не более 0,2 % натрия и значительно больше — калия (как правило, свыше 2 %). Разумеется, ситуация может быть и иной: например, на цементных заводах стран Африки в клинкере содержится намного больше натрия, чем калия.

Рис. 5. Снижение содержания хлора, калия и натрия в газах в зависимости от доли байпасирования [1]

3. Пыль, осаждаемая из отходящих газов

Отходящие газы обеспыливаются в электрофильтре, эффективность которого тем выше, чем меньше хлора в газах. Если его содержание не превышает 5 %, то концентрация пыли в газах после электрофильтра меньше 50 мг/м³. Большое значение имеет также температура газов: считается, что ее нужно поддерживать на уровне 300—400 °C. Однако даже при соблюдении этих условий эффективность электрофильтра недостаточно высока, поэтому часто используются рукавные фильтры.

Наилучший способ использования пыли из байпасируемых газов — ​добавлять ее в цемент. Возможность этого действия зависит от ее химического состава, прежде всего от содержания хлора. В любом случае дозирование пыли должно быть очень точным, поскольку в ней присутствует значительное количество хлора, доля которого в цементе, по европейским стандартам, не должна превышать 0,1 %. В работе [7] сообщалось, что на цементных заводах концерна HeilderbergCement эта пыль складируется и гомогенизируется в специальном силосе, а для ее добавления в цемент используются дозирующие весы. Однако ее утилизация таким способом на цементных заводах в Польше требует затрат в размере приблизительно EUR 11 на 1 т.

В работе [7] описаны также некоторые со­временные технические решения, используемые на предприятиях концерна HeilderbergCement, которые позволяют уменьшить количество пыли в отходящих газах или использовать эти запыленные газы при производстве цемента. Одно из таких решений — ​предварительное обеспыливание отходящих газов в циклоне и подача пыли в циклонный теплообменник (рис. 6) [7]. Использование этого способа позволяет уменьшить запыленность отходящих газов примерно на 40 %. Согласно работе [7], несмотря на возврат пыли из байпаса в печную систему, содержание хлора в газах внутри последней не превышает 1,5 %, т. е. поддерживается на приемлемом уровне. Однако возникает проблема с пылью, остающейся в отходящих газах после циклона, которая содержит в большом количестве соединения натрия и особенно калия. Для ее осаждения нужно использовать специальный пылеуловитель с плоским дном и вращающимися скребками (см. рис. 6).

Рис. 6. Предварительная очистка отходящих газов в циклоне и подача их в циклонный теплообменник [7]

Проведенные исследования показали, что в случае впрыскивания воды свободный CaO в пыли может сорбировать значительное количество сульфатов. Эти результаты были использованы при разработке способа впрыс­кивания воды в камеру охлаждения байпасируемых газов (рис. 7), так как выбросы SO_x с этими газами тоже нужно контролировать. Для дальнейшего уменьшения количества сульфатов можно также подавать известковое молоко перед обеспыливающим циклоном (рис. 7). Это позволяет значительно снизить выбросы серы в атмосферу.

Рис. 7. Подача в камеру охлаждения воды или извести перед циклоном, обеспыливающим газы из отвода, а также при необходимости воду [7]

Другой способ, предложенный в работе [7] для уменьшения выбросов серы в атмосферу, — ​подача байпасируемых газов в декарбонизатор (рис. 8).

Рис. 8. Подача байпасируемых газов в декарбонизатор [7]

Еще один способ — ​подача запыленных газов взамен части охлаждающего воздуха в горячую часть колосникового клинкерного холодильника, однако при этом пыль оседает в нижней части колосников и в зазорах между ними, и ее нужно удалять каждые несколько месяцев [7]. В качестве основных преимуществ использования отходящих газов взамен охлаж­дающего воздуха в работе [7] указаны снижение выбросов оксидов серы и отсутствие влияния на восстановление оксидов азота в декарбонизаторе.

4. Другие пути использования байпасной пыли

Пыль из байпасируемых газов можно не только использовать в цементном производ­стве, но и применять в других технологиях. Очень часто эту пыль используют для стабилизации грунтов, заменяя ею известь. Такой способ обеспечивает хорошие свойства грунтов, которые можно использовать в качестве основы для бетонных дорожных покрытий. Чтобы уменьшить содержание хлора, пыль можно смешать с сырьевой мукой или с известью.

Также можно заменить этой пылью часть извести при производстве автоклавного ячеис­того бетона. Как показали проведенные В. Курдовски лабораторные исследования, свойства такого бетона не изменяются при добавлении 5 % байпасной пыли взамен такого же количества гипса [8]. Столь малая добавка не приводит к значительному увеличению содержания хлора в готовом продукте, которое удается поддерживать на уровне не более 0,1 %.

5. Выводы

Чтобы уменьшить содержание хлора в печных газах, необходимо их байпасировать.

Как правило, байпасируется 5 % отходящих газов.

Существует много разработок, относящихся к байпасированию газов, в том числе позволяющих уменьшить выбросы соединений серы.

На предприятиях холдинга Heildelberg­Cement используется множество новых технических решений в данной области.

ЛИТЕРАТУРА

1. Narbom H. R. Wet or dry process kiln for your new installation? // Rock Prod. 1974. Vol. 77, N 5. P. 92—100.

2. Ritzmann H. Cyclic phenomena in rotary kiln systems // Zement-Kalk-Gips. 1971. Vol. 34. P. 338—343.

3. Kurdowski W., Soboń M. J. Mineral composition of build-up in cement kiln preheater // Thermal Analysis and Calorimetry. 1999. Vol. 55. P. 1021—1029.

4. Kurdowski W., Garbacik A. Les phases transitoires dans le processus de la synthese du silicate bicalcique en présence du  chlorure de calcium // Ceramika. 1980. T. 30. S. 47.

5. Gutt W., Osborne G. J. The calcium silicofluoride of tentative composition (3CaO · SiO2) CaF2 // Trans. Brit. Ceram. Soc., 1968. Vol. 67. P. 125—133.

6. Gutt W., Osborne G. J. The system CaO—2CaO — ​SiO2—CaF2 // Trans. Brit. Ceram. Soc. 1970. Vol. 69. P. 125—129.

7. Federhen S. Innovation in bypass systems // Cement International. 2009. N 8. P. 60—66.