Реотехнические характеристики цементного сырьевого шлама с разжижителями в цепной зоне вращающейся печи
РЕФЕРАТ. Приведены результаты исследований реотехнических характеристик цементного сырьевого шлама с разжижителем в цепной зоне вращающихся печей. Показано, что применение разжижителей изменяет влажность и реологические характеристики сырьевого шлама при транспортировании и в ходе сушки в цепной зоне вращающейся печи. Практика применения разжижителя на цементных заводах показала снижение удельного расхода условного топлива на 7—8 %.
Ключевые слова: реотехнические характеристики, цементный сырьевой шлам, разжижитель, цепные завесы, критическая влажность, пылеулавливание, пылеунос.
Keywords: reotechnical characteristics, cement raw sludge, thinner, chain curtains, critical moisture, dust collection, dust removal.
Введение
Сырьевой шлам на разных технологических переделах подвергается различным механическим воздействиям: смешиванию, транспортированию по трубопроводам, дозированию, большим импульсным нагрузкам в зоне цепных завес и др. Практически на всех цементных заводах мокрого способа подвижность (текучесть) шлама нормируется в очень узких пределах: 49—50 мм по текучестемеру МХТИ ТН‑2 [1]. Влажность шлама определяется многими факторами: его компонентным составом, микроструктурой складывающих породу частиц, дизайном сырьевого отделения и др. Для повышения текучести шлама на цементных заводах активно используют разжижители, позволяющие снижать его влажность на 3—7 % при сохранении заданной текучести [2].
По мере продвижения сырьевого шлама по длине печи под воздействием горячих отходящих газов и присадки пыли его влажность и реологические характеристики меняются, что влечет за собой изменение адгезионно-когезионных свойств подсыхающего шлама и скорости процессов теплообмена между материалом и горячими газами. Технологические приемы, применяемые для интенсификации тепломассообмена в зоне критической влажности, сводятся к увеличению транспортирующей способности цепной завесы и усилению конвективного теплообмена [3]. При высокой текучести шлама в области конвективного теплообмена увеличение массы и толщины пленки шлама на цепях приводит к повышению интенсивности теплообмена. Адгезия подсыхающего шлама к цепям обусловлена рядом факторов: его реологическими свойствами в данном температурном интервале, плотностью исходного шлама, скоростью сушки, геометрической формой отдельного звена цепи и состоянием поверхности цепей.
При промышленном использовании разжижителей большое опасение вызывает поведение шлама в цепной завесе в зоне критической влажности. Известно, что с уменьшением влажности ниже критической (25—30 %) и переходом материала в сыпучее состояние интенсивность регенеративного теплообмена будет определяться относительным временем пребывания теплообменного элемента в газовом потоке и скоростью сушки.
На сегодняшний момент в технической литературе отсутствуют сведения об изменении свойств шламов в цепной зоне в присутствии разжижителей нового поколения и об адгезионных свойствах подсыхающего шлама. Также нет достоверных данных о предельных границах перехода из пластичного состояния в непластичное. В связи с этим цель наших исследований заключалась в установлении реотехнических характеристик цементно-сырьевого шлама в цепной зоне вращающихся печей и тепловых затрат на обжиг клинкера при снижении влажности шлама с разжижителями.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования стали суспензии из сырьевых материалов АО «Белгородский цемент» на основе мягких пород (мела и глины) в водном растворе и растворах выпускаемых промышленностью разжижителей линейки «Литопласт М» производства ООО «Полипласт Новомосковск». Были выбраны пять типов разжижителей, различающихся и по составу, и по содержанию компонентов. Дозировка разжижителей была для всех шламов одинаковой и равной 0,15 % по активному компоненту в расчете на массу сухого шлама.
Исследования проводили на шламе одного компонентного состава, химический и вещественный состав которого приведен в табл. 1.
Из приготовленной тонкомолотой сухой смеси готовили пробы шлама с разной влажностью, на которых определяли реологические характеристики образцов без разжижителей и с их добавлением. Влажность шлама менялась в пределах 33—40 %.
Текучесть сырьевого шлама определяли стандартным методом на текучестемере МХТИ ТН‑2 [1]. Наличие в шламе агрегатов (флокул) частиц определялось под микроскопом Альтами ПОЛАР 2 в проходящем свете при 25-кратном увеличении.
Реологические исследования проводили на ротационном визкозиметре Rheotest RN4.1 (Германия) при постоянной скорости сдвига в диапазоне 10—4…25 с–1 на термостатированных образцах при температуре 40 °C.
Изменение физических свойств материала при нагревании изучали на установке, разработанной на кафедре технологии цемента и композиционных материалов БГТУ им. В.Г. Шухова и позволяющей моделировать процессы массо- и теплообмена в цепной зоне. Во вращающийся барабан размерами ∅ 0,36 × 0,39 м с навешенными цепями заливали шлам. Через барабан пропускали газ с температурой 90—110 °C, нагнетаемый вентилятором через калорифер. Цепи при вращении барабана окунались в подвижный шлам и покрывались слоем материала. Под воздействием горячего газа шлам на цепях подсыхал. Через определенные промежутки времени цепь с налипшим материалом снимали с крепления, взвешивали, затем высушивали до постоянной массы и вторично взвешивали. На основании полученных данных рассчитывали массу влажного и сухого шлама на цепях. По результатам расчета строили графическую зависимость отношения массы шлама, удерживающегося на цепи, к массе цепи от его влажности:
mуд = mм/mц = f(W),
где mм — масса материала на цепях, г; mц — масса цепи, г.
Размеры гранул в образцах, отобранных в промышленной вращающейся печи, определяли путем рассева на стандартных ситах.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Данные об исходной влажности и текучести сырьевых шламов в присутствии разжижителей разного типа приведены в табл. 2.
Анализ влияния типа разжижителя на текучесть сырьевого шлама показал следующее:
⋅ добавление разжижителей разных типов при влажности шлама 40 % приводит к росту текучести на 18,7—103,7 %, при влажности 33 % — на 8,8—68,8 %, т. е. с понижением влажности действие разжижителя несколько ослабевает;
⋅ наибольший рост текучести отмечается при добавлении разжижителя М5, что еще раз показывает избирательность действия разжижителей;
⋅ сохраняемость текучести во времени зависит от типа разжижителя: добавки типов М1 и М4 снижают текучесть, добавка М2 повышает, добавки М3 и М5 практически не меняют;
⋅ наилучшая сохраняемость текучести через 1 сут хранения шлама в неподвижном состоянии отмечается при вводе добавки М5;
⋅ повышение температуры шлама с влажностью 33 % приводит к увеличению его растекаемости на 30 % за счет снижения вязкости межслоевой воды.
Механизм текучести шлама обусловлен возможностью движения каждой из дисперсных частиц в дисперсионной среде независимо от других. Таким образом, текучесть шлама зависит от концентрации твердой фазы, формы частиц и силы взаимодействия между ними. В движущемся потоке частиц, имеющих вытянутую форму или склонных к флокулообразованию, скорости движения слоя жидкости и находящихся в ней частиц не совпадают. Это создает дополнительное сопротивление движению жидкости Δτ = n1b1η0Δu (где Δu — различие в средней скорости соседних слоев), пропорциональное числу частиц n1 в слое, вязкости среды η0 и коэффициенту сопротивления частицы b1 (b1 = 6πη0a для сфер радиуса a) [2].
Склонность сырьевых компонентов шлама к образованию флокул была исследована под микроскопом в проходящем свете при 25-кратном увеличении. Микрофотографии полей распределения частиц приведены на рис. 1.
Рис. 1. Распределение частиц сырьевого (а, б), мелового (в, г) и глиняного (д, е) шламов в образцах без разжижителя (а, в, д) и в присутствии разжижителя шлама «Литопласт М5» (б, г, е)
Самые крупные флокулы в сырьевом и меловом шламах имеют вытянутую форму с диагоналями размером 150—200 мкм (рис. 1, а и в). В глиняном шламе (рис.1, д) слипшиеся частицы имеют еще больший размер (до 300—400 мкм). Отметим, что между слипшимися частицами флокулы находится свободная вода, что также способствует повышению водопотребности шламов. Сплошной пространственный каркас из слипшихся частиц создает весьма сильное сопротивление скольжению соседних слоев, что приводит к снижению текучести шлама. Кроме того, высокая концентрация твердой фазы в шламах обусловливает структурообразование с достаточно прочной для практических целей фиксацией частиц при расстоянии между ними менее 10—7 м [3]. Поэтому на производстве текучесть шлама повышают за счет увеличения его влажности, что ведет к перерасходу топлива на обжиг в печи.
Добавление к сырьевому шламу разжижителя приводит к диспергированию всех частиц до самых малых размеров (1—25 мкм) и стабилизации структурной сетки частиц по всему объему (рис. 1, б).
Известно, что значительные затраты топлива на обжиг клинкера вызваны расходом тепла на испарение воды на участке цепных завес вращающихся печей и его потерями с отходящими газами. Поэтому особое внимание при оптимизации работы печей следует уделять интенсификации процессов именно в этой зоне. Влажность шлама, при которой на цепь переходит максимальное количество материала, является критической (Wкр). В зависимости от минералогического состава сырьевой смеси критическая влажность, при которой дисперсная система переходит из пластичного состояния в непластичное, изменяется в пределах 28—34 % [4]. Температура сырьевой смеси, находящейся в цепной зоне, на этапе этого перехода составляет 39—40 °C [5].
Наличие зоны критической влажности обусловливает необходимость снизить плотность цепной завесы на этом участке (зона II на рис. 2, а). При снижении исходной влажности сырьевого шлама зона критической влажности может переместиться в зону I (рис. 2, б) с плотной завесой. В этом случае возникает вероятность образования шламовых колец. Точно так же повышение влажности шлама приводит к смещению зоны критической влажности в зону цепей III (рис. 2, в).
Рис. 2. Расположение зоны критической влажности сырьевого шлама при различной исходной влажности [4]
Моделирование сушки шлама в цепной зоне от начальной Wисх (рис. 3, а) до 12 %-й влажности показало, что в ходе сушки шлам загустевает и с трудом перемещается по корпусу барабана, промежутки в кольцах и на поверхности цепей заполняются загустевшим шламом (рис. 3, б).
Рис. 3. Внешний вид шлама при снижении влажности с 37 (а) до 29 % (б) в ходе сушки горячими газами
При дальнейшем высушивании с цепей спадают отдельные сгустки шлама, которые при вращении барабана окатываются в комья. Остатки шлама на корпусе барабана перестают самостоятельно передвигаться, подсушенный материал сходит с цепей и скатывается в гранулы различных размеров. При наличии в отделившемся кусочке шлама достаточного количества влаги он окатывается в плотную гранулу. При меньшем содержании влаги острые края кусочка истираются и он постепенно приобретает шарообразную форму, при этом образуется много пылевидной фракции материала.
Процесс сушки шлама можно разделить на два этапа (рис. 4). На первом из них влажность изменяется от Wисх до Wкр. На соответствующем участке печи цепи покрыты шламом, который способен улавливать пыль, поэтому данный участок является зоной пылеосаждения, или пылеулавливания. Второй этап сушки — от Wкр до полного высыхания шлама. На этом участке цепной зоны непластичный шлам ссыпается с цепей, разбивается ими, мелкая пыль подхватывается газовым потоком и переносится в зону пылеосаждения, часть пыли выносится с газами из печи. Это зона пылеобразования (на рис. 4 выделена штриховкой).
Рис. 4. Изменение массы шлама с разжижителем М5 и без него на цепях в зависимости от влажности. Зона пылеобразования выделена штриховкой
Зависимость mм/mц от влажности материала носит экстремальный характер (рис. 4). Соотношение длин зон пылеобразования и пылеосаждения для шлама без разжижителя близко к 1,5. При вводе в шлам разжижителя адгезионные свойства шлама к металлу цепей повышаются (mм/mц для бездобавочного шлама составляет 0,25 г/г цепей, для шлама с разжижителем — 0,42 г/г цепей), а длина зоны пылеосаждения увеличивается, и соотношение длин зон приближается к 2. При влажности 12 % шлам практически полностью сходит с цепей.
Следовательно, чем больше зона пылеулавливания (в которой по мере продвижения шлама по длине печи соотношение mм/mц растет) и чем меньше зона пылеобразования (в которой mм/mц убывает), тем лучше пылеулавливающая способность шлама и выше способность материала к грануляции. Как показали замеры на действующей вращающейся печи размерами ∅ 5 × 185 м, с применением разжижителей линейки «Литопласт М», вводившихся в шлам исходя из расчета 5 кг товарного продукта на 1 т клинкера, улучшилась грануляция материала за цепной завесой (рис. 5): повысилась доля гранул размером 1—5 мм и снизилась с 68 до 45 % доля частиц размером менее 1 мм.
Рис. 5. Размеры гранул материала, отобранного за цепной завесой, при вводе разжижителя шлама и без него
Реологические характеристики сырьевых шламов с влажностью 33 %, близкой к критической, при температуре 40 °C без добавления и с добавлением разжижителя приведены на рис. 6. Кривые течения шламов получены путем сканирования в режиме задаваемых скоростей напряжения сдвига и представлены в виде зависимостей напряжений сдвига и эффективной вязкости от градиента скорости сдвига.
Рис. 6. Зависимости напряжений сдвига (а) и эффективной вязкости от градиента скорости сдвига (б) для сырьевых шламов с влажностью 33 % при температуре 40 °С
Анализ полученных кривых показал следующее:
1) по характеру реограммы сырьевого шлама с влажностью 33 % без добавления разжижителя можно сделать заключение, что течение не подчиняется законам реологии из-за возникающих в теле разрывов сплошности;
2) при изменении градиента скорости сдвига в пределах 0,2—5,0 с–1 шлам, не содержащий добавки, течет без разрушения структуры; затем структура постепенно начинает разрушаться, а напряжение сдвига и вязкость постепенно снижаются. В исследуемом интервале значений градиента скорости сдвига не был достигнут условный нижний предел текучести. При этом резко расширяется петля гистерезиса прямой и обратной реограмм, что свидетельствует о высокой длительности релаксации напряжений и деформаций в шламе;
3) введение разжижителя приводит к снижению напряжений сдвига вдвое. При изменении градиента скорости сдвига от 5 до 25 с–1 отмечается постепенное разрушение структуры шлама с повышением скорости сдвига, а прямая и обратная ветви кривой образуют петлю гистерезиса меньшей площади. Это свидетельствует о том, что органические добавки ПАВ приводят к изменению структуры и снижению сдвиговых напряжений при течении шлама.
При постоянном импульсном воздействии цепей на материал шлам с добавлением разжижителя даже при более низкой влажности продвигается по печи быстрее, чем в его отсутствие, и расположение зоны критической влажности не изменяется. Это подтверждается длительной практикой применения разжижителя на ряде цементных заводов без изменения навески цепей.
Экономическая эффективность применения разжижителей определяется снижением расхода топлива при их использовании. На примере обжига клинкера из сырьевых шламов с исходной влажностью 40 % и из шламов меньшей влажности (37 %) с разжижителем были проведены расчеты материального и теплового баланса вращающихся печей мокрого способа двух типоразмеров — ∅ 4,5 × 170 и ∅ 5 × 185 м. Помимо влажности шлама в качестве исходных данных для расчетов принимались паспортная производительность печей, среднестатистические значения основных показателей их работы, а также составы сырьевой смеси Белгородского цементного завода и топлива — природного газа Саратовского месторождения (табл. 3).
По опыту эксплуатации печей размерами ∅ 5 × 185 м на цементных предприятиях, снижение влажности сырьевого шлама на 3 % при применении разжижителя приводит к повышению производительности в среднем на 2,8 %. По результатам расчетов, объемы отходящих газов и потери тепла с ними при этом сокращаются на 6,1 и 8,6 % соответственно, а удельный расход топлива за счет снижения тепловых затрат на испарение влаги из шлама и потерь тепла с отходящими газами (для печи размерами ∅ 5 × 185 м — также за счет роста ее производительности) уменьшается на 7,1—7,7 %.
Таким образом, снижение затрат тепла на испарение влаги из шлама и его потерь с отходящими газами приводит к снижению затрат на топливо при обжиге 1 т клинкера на 7,1—7,7 %. Кроме того, предприятие экономит 9—11 % денежных средств, затрачиваемых на техническую воду для приготовления шлама, за счет снижения ее расхода.
Выводы
Введение в сырьевой шлам разжижителей позволяет диспергировать крупные флокулы частиц и обеспечить равномерное распределение исходных компонентов по всему объему, обеспечивая рост текучести шлама при снижении его влажности. Эффект этого снижения является избирательным и зависит от вещественного состава шлама и минералогического состава исходных компонентов.
Реологические кривые течения шламов с влажностью, близкой к критической, показали, что ввод разжижителя приводит к снижению сдвиговых напряжений и повышению пластичности шлама. При высыхании такого шлама в цепной зоне длина участка пылеобразования меньше длины участка пылеосаждения примерно в 2 раза. После цепной зоны материал выходит хорошо гранулированным с влажностью 8—12 %.
Снижение влажности шлама на 3 % позволяет снизить удельные затраты тепла на обжиг клинкера на 7—8 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1973. 504 с.
2. Шахова Л.Д., Рахимбаев Ш.М., Денисова Л.Б. Влияние разжижителей на реологические свойства сырьевых шламов // Цемент и его применение. 2014. № 3. С. 61—65.
3. Бибик Е.Е. Реология дисперсных систем. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1981. 172 с.
4. Борисов И.Н. Управление процессами агломерации материалов и формирования обмазки во вращающихся печах цементной промышленности. Белгород: Белаудит, 2003. 113 с.
5. Польский Л.Л., Златковский А.Б. Выбор конструкции цепных завес вращающихся печей // Сб. СМиИ, окт. 2014 [Электронный ресурс] URL: http://sbcmi.ru/vybor-konstruktsii-tsepnyh-zaves-vraschauschihsya-pechej/ (дата обращения 10.06.2019).
Автор: Л.Д. Шахова, А.В. Черкасов |
Рубрика: Наука и производство |
Ключевые слова: реотехнические характеристики, цементный сырьевой шлам, разжижитель, цепные завесы, критическая влажность, пылеулавливание, пылеунос |