Промышленный опыт энергосберегающего производства цемента из экстремально грубой сырьевой смеси
РЕФЕРАТ. Экстремально грубый помол цементного сырья позволяет увеличить количество расплава и снизить температуру его появления до 1100 °C. Основанная на этом более высокая реакционная способность экстремально грубой сырьевой смеси позволяет повысить коэффициент насыщения и силикатный модуль этой смеси. Термическая подготовка экстремально грубого материала в подготовительных зонах печи улучшается благодаря его хорошему пересыпанию. Тепловые потери существенно снижаются благодаря снижению температуры отходящих печных газов, улучшению теплообмена в подготовительных зонах печи, уменьшению температуры обечайки печи и пылеуноса из нее. Это обеспечивает снижение расхода топлива на 15 % и увеличение производительности печи на 30 %.
При экстремально грубом помоле сырья производительность сырьевой мельницы возрастает в 3,0—4,5 раза, удельный расход электроэнергии снижается в 3,0—4,5 раза, удельный расход мелющих тел — в 3—4 раза, уровень шума работы сырьевых мельниц — до 60—70 %, влажность сырьевого шлама при равной растекаемости 50—60 мм — на 4—8 %. Плотность сырьевого шлама увеличивается с 1650 до 1700—1935 г/л, благодаря чему повышается вместимость вертикальных и горизонтальных шламбассейнов. При равной растекаемости водоотделение экстремально грубомолотого сырьевого шлама (ЭГСШ) по истечении 24 ч его статического хранения ниже, чем у сырьевого шлама обычного тонкого помола (ОТСШ). Сырьевой шлам способен длительное время удерживать частицы известняка до 5 мм. Таким образом, максимально допустимый размер зерен шлама можно со значительным запасом повысить с 0,5 мм для ОТСШ до 1,3—2,0 мм для ЭГСШ. Результаты анализа диаграммы помола шлама в сырьевой мельнице размерами Ø 3 ×14 м свидетельствуют о правильно выбранной концепции расчета ассортимента мелющих тел для экстремально грубого помола сырья.
Ключевые слова: шлам, сырьевая мельница, помол, обжиг.
Keywords: sludge, raw mill, grinding, burning.
1. Введение
Основными причинами высокой себестоимости производства цемента являются сравнительно тонкий помол сырья и ограниченный теплообмен между печными газами и обжигаемым материалом, особенно в подготовительных зонах вращающейся печи. Эти факторы ограничивают производительность сырьевых мельниц и печей и обусловливают высокий расход электроэнергии и топлива.
Производство цемента является высокоэнергоемким процессом. Общая стоимость потребляемых энергоресурсов складывается примерно поровну из стоимости электроэнергии и топлива. Несмотря на достигнутое сокращение расхода тепловой энергии на обжиг 1 кг клинкера до 3000—3200 кДж, он по-прежнему остается значительно больше теоретически необходимого количества тепловой энергии, равного 1600 кДж на 1 кг клинкера.
Для решения существующих проблем было исследовано влияние крайне грубого помола сырьевой смеси на процессы, происходящие при обжиге клинкера. Установлено, что за счет использования возникающей при этом возможности управлять кинетикой минералообразования количество жидкой фазы значительно возрастает, а температура ее появления снижается [1—14]. Это сопровождается огромным выигрышем в скорости реакций клинкерообразования.
2. Теоретические основы новой технологии
Известно, что скорость реакций, протекающих с участием расплава, в 104—105 раз выше, чем скорость твердофазовых реакций. Это означает, что скрытые резервы повышения производительности печи находятся, в частности, в зоне спекания. В связи с этим возникает вопрос: можно ли существенно увеличить количество расплава в зоне спекания при одновременном снижении температуры его появления без использования минерализаторов? Ответ на этот вопрос можно получить при анализе диаграммы состояния четырехкомпонентной системы CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3, приведенной на рис. 1 [15], а также хорошо изученной диаграммы состояния трехкомпонентной системы CaO—SiO2—Al2O3 [16].
Рис. 1. Часть диаграммы состояния четырехкомпонентной системы CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3, примыкающая к составу CaO [15]
Если соотношение CaO/SiO2 в сырьевых смесях находится между его значениями в соединениях C3S и C2S, то при обычном тонком помоле сырья и обжиге серого клинкера обычный клинкерный расплав появляется при 1338 °C в инвариантной эвтектической точке T (рис. 1 [15]) в равновесии с кристаллическими фазами C2S, C3A, C12A7 и C4AF четырехкомпонентной системы CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3, а при обжиге белого клинкера — при 1455 °C в инвариантной эвтектической точке Е (рис. 1) или в одной из инвариантных точек трехкомпонентной системы CaO—SiO2—Al2O3 [16] (в равновесии с кристаллическими фазами C2S, C3A и C12A7). Образование только алюмоферритного расплава в инвариантной точке T происходит при обжиге обычной тонкомолотой смеси, хотя наряду с указанной эвтектикой имеются высококремнеземистые эвтектики, составы которых примыкают к бинарной системе CaO—SiO2 с таким же или более низким содержанием CaO. Количество высококремнеземистого расплава может возрастать пропорционально значению силикатного модуля (рис. 2), при этом температура его появления снижается (и для серого, и для белого цемента) минимум до 1170 °C. С растворением MgO и щелочей температура появления высокосиликатного, а также высокоалюмоферритного расплава понижается на 40—80 °C.
Рис. 2. Количество и состав клинкерных расплавов белого цемента, которые могут образоваться в области составов системы CaO—SiO2—Al2O3, примыкающей к бинарной системе CaO—SiO2
Для образования легкоплавкого временно образующегося высококремнеземистого расплава из низкоосновных силикатов сырьевая смесь должна быть настолько грубой, чтобы максимально исключить твердофазовое образование белита. При этом в результате протекания твердофазовых реакций перед зоной спекания взамен белита образуются легкоплавкие низкоосновные силикаты и алюмосиликаты (волластонит, ранкинит, геленит и анортит), а из них — высококремнеземистые легкоплавкие расплавы (рис. 1, [16]). Таким образом, замедление протекания твердофазовых реакций в результате крайне грубого помола сырья можно многократно наверстать в зоне спекания.
Путем оптимизации фракционного состава и максимальной величины зерен сырьевой смеси при ее крайне грубом помоле благодаря формированию посредством твердофазовых реакций управляемого синтеза легкоплавких силикатов (CAS2, CS, C3S2 и C2AS) перед появлением при 1280—1300 °C обычного высокоалюмоферритного расплава при 1100—1200 °C образуется более легкоплавкий высококремнеземистый расплав. Благодаря вовлечению SiO2 в образование клинкерного расплава его количество в зоне спекания значительно возрастает, а температура его появления снижается с 1280—1300 до 1100—1200 °C [1—11]. Это сопровождается огромным выигрышем в скорости реакций клинкерообразования, что подтверждается удлинением зоны спекания до 50 % и уменьшением длины подготовительных зон.
Если говорить обобщенно, новый энергоэффективный и высокопроизводительный способ получения цемента основывается на повышении реакционной способности сырьевой смеси при ее крайне грубом помоле [1—11].
Основой является всеобъемлющее оптимально управляемое образование промежуточных и основных клинкерных минералов и расплава. Через твердофазовые реакции вместо белита образуются в повышенном количестве низкоосновные легкоплавкие силикаты, из которых при 1100—1200 °C возникает высококремнеземный расплав со значительно более высокой энергией смачивания поверхности зерен. Затем прежде не разделяемые крупные зерна извести расщепляются в этом расплаве на агрегаты, которые после появления при 1300 °C обычного расплава, обогащенного Al2O3 и Fe2O3, по достижении температуры 1450 °C полностью растворяются в нем и участвуют в образовании алита. Эти процессы происходят с образованием существенно повышенного количества расплава в зоне спекания печи и при пониженной температуре его образования. Вследствие этого предотвращается или существенно ограничивается пересыщение расплава ионами Ca2+ у границ зерен и агрегатов CaO. Сокращение временнóго и температурного интервалов между завершением разложения кальцита и началом образованием расплава ведет к снижению рекристаллизации свободного CaO и белита. Благодаря появлению большего количества расплава, особенно при низких температурах (1100—1300 °C), образование клинкерных минералов с участием расплава протекает намного быстрее, чем при использовании обычной тонкомолотой сырьевой смеси, когда оно происходит в этой же температурной области, но только в результате твердофазовых реакций [1—11].
3. Подготовка сырьевой смеси
Основной объем цемента в России производится мокрым способом. В этой связи представляется целесообразным рассмотреть вначале особенности энергосберегающего производства цемента по этому способу.
На основе многократных промышленных испытаний установлено, что при экстремально грубом помоле сырьевой смеси производительность сырьевых мельниц, работающих в открытом цикле, повышается в 3,0—4,5 раза при пропорциональном этим значениям снижении удельного расхода электроэнергии [1—13].
Действующие цементные заводы мокрого способа в зависимости от их производственной мощности имеют 3—10 сырьевых мельниц и более. Следовательно, при экстремально грубом помоле сырья число используемых мельниц сокращается в 3 раза, что подтверждается и опытом работы в промышленных условиях. Таким образом, для обеспечения всего завода нужным количеством ЭГСШ при минимальных инвестициях и высоком технико-экономическом эффекте достаточно реконструкции одной из трех сырьевых мельниц, которая заключается в перестановке междукамерной перегородки и загрузке нового ассортимента мелющих тел.
Помол сырьевой смеси в реконструированных мельницах производился на ряде цементных заводов мокрого способа в открытом и замкнутом цикле. Для работы в замкнутом цикле мельница оборудовалась вибрационной ситовой установкой или дуговыми классификаторами. Расстояние между стержнями дуговых классификаторов увеличивалось с 0,3 мм до 1,3—2,0 мм.
Ниже приведены основные технико-экономические показатели производства сырьевой смеси, достигнутые на этих заводах.
На Ангренском, а затем (в 1990 году) на Семипалатинском цементных заводах производительность сырьевых мельниц была увеличена в 3 раза при сохранении потребляемой мощности (на Ангренском заводе для мельницы размерами ∅ 2,0 × 10 м — с 10 до 30 т/ч, на Семипалатинском заводе для мельницы ∅ 3,2 × 15 м — с 73 до 216 т/ч).
Тонина помола сырьевого шлама Семипалатинского цементного завода характеризовалась следующими остатками на ситах: 40—60 % R 80 мкм и 25—35 % R 200 мкм. Влажность сырьевого шлама при этом снизилась на 7 % (до 30—33 %). Это объясняется уменьшением количества поверхностно адсорбированной воды и более плотной упаковкой ЭГСШ. Уровень шума при помоле сырья снизился на 70 %.
Рост производительности сырьевой мельницы в 3 раза, вызванный пропорциональным уменьшением отношения объема (массы) мелющих тел к объему (массе) измельчаемого материала, вызывает снижение удельного расхода мелющих тел и бронефутеровки также в 3 раза. Было установлено, что при статическом хранении в течение 24 ч и равной растекаемости водоотделение ЭГСШ ниже, чем шлама, приготовленного путем обычного тонкого помола. Это свидетельствует об уменьшении количества не только поверхностно адсорбированной воды (вследствие снижения площади поверхности частиц), но и капельно-жидкой воды (благодаря более плотной упаковке ЭГСШ).
На Красноярском цементном заводе при переходе с обычно тонкого помола известняка в открытом цикле на экстремально грубый помол производительность мельницы размерами ∅ 2,6 × 13 м по сухому сырью возросла с 34 до 120 т/ч. Влажность известнякового шлама при растекаемости не более 60 мм снизилась с 34 до 26—28 %. Влажность печного шлама снизилась с 34—36 % при стандартном тонком помоле до 29—30 % при экстремально грубом помоле. Плотность известнякового шлама при влажности 26 % и растекаемости 50—55 мм составляла 1620—1650 г/л при стандартном помоле и 1935 г/л при экстремально грубом помоле.
Совместный экстремально грубый помол известняка с пиритными огарками вызвал интенсификацию измельчения, в результате чего производительность мельницы возросла на 1—2 т/ч, и рост растекаемости, позволивший снизить влажность сырьевого шлама на 2 %. Это объясняется сужением диффузионной части двойного электрического слоя на поверхности частиц вследствие роста в нем концентрации трехвалентного железа из-за уменьшения поверхности экстремально грубого материала.
На Ахангаранском цементном заводе производительность мельницы размерами ∅ 3,2 × 15 м возросла в 4 раза, с 72 до 287 т/ч.
Экстремально грубый помол сырья Топкинского цементного завода на мельнице размерами ∅ 3,0 × 14 м в открытом цикле позволил повысить ее производительность по сухому сырью с 60 т/ч (паспортная) до 260—270 т/ч, т. е. в 4,5 раза. Эти результаты являются максимальными по достигнутому повышению производительности сырьевой мельницы в открытом цикле. Влажность шлама за мельницей составляла 22—27 % при растекаемости 51—65 мм. Плотность шлама достигла 1850—1905 г/л. Уровень шума работы сырьевой мельницы резко уменьшился.
При помоле в замкнутом цикле шлам из приямка мельницы подается шламовым насосом на дуговые классификаторы, установленные над мельницей с загрузочной стороны. Толщина щели между элементами решетки дуговых классификаторов составляет 2,0 и 1,3 мм. Не прошедший через решетку классификатора материал в виде шламовой крупки с влажностью 20—22 % самотеком возвращается в мельницу на домол. Средние характеристики потоков шлама при помоле в замкнутом цикле приведены в табл. 1.
При толщине щели между стержнями дугового классификатора 2 мм производительность мельницы размерами ∅ 3,0 × 14 м по готовому шламу в пересчете на сухое сырье составляет 195 т/ч, т. е. в 3,25 раза больше паспортной, а при толщине щели 1,3 мм — 161 т/ч, т. е. в 2,7 раза выше паспортной (табл. 2). Снижение производительности мельницы по готовому шламу при переходе на работу в замкнутом цикле, особенно с уменьшением толщины щели дугового классификатора, обусловлено в основном ростом степени разделения шлама, которая до этого была низкой. В результате существенно увеличивается доля возвращаемой на домол шламовой крупки, которая на 80—95 % представлена достаточно тонко измельченным материалом (табл. 1). Как следствие, полезные затраты энергии на измельчение сырья уменьшаются, а удельный расход электроэнергии на помол сырья растет.
При толщине щели между стержнями решетки дуговых классификаторов 2 мм и достигнутой при этом производительности мельницы, работающей по замкнутому циклу, около 195 т/ч по готовому шламу в пересчете на сухое сырье рассчитанная по остаткам на ситах кратность рециркуляции равна 0,6.
Часть шлама, отделенного в виде крупки с влажностью 20,3 % для домалывания, составляет при этом 117 т/ч по сухому сырью. При толщине щели между стержнями 1,3 мм кратность циркуляции материала в мельнице близка к 1. Это означает, что кроме 160 т/ч поступающего из бункера свежего материала в мельницу возвращается еще столько же, т. е. около 160 т/ч, так называемой шламовой крупки на домалывание. Отметим, что проведенные замеры по выходу шламовой крупки совпадают с расчетными данными по кратности циркуляции материала. Отсюда следует, что мельница загружается на 320 т/ч по измельчаемому материалу. Это свидетельствует о низкой степени разделения шлама в дуговых классификаторах, что подтверждается результатами рассева шламовой крупки по фракциям. В связи с этим планируется переход на классификаторы с принципом действия, обеспечивающим высокую степень разделения измельченного материала. Их использование позволит значительно снизить удельный расход энергии на помол сырья, повысить степень его загрубения и производительность мельницы по готовому материалу.
Удельные затраты электроэнергии на приводе сырьевой мельницы, работающей в замкнутом цикле при толщине щели дугового классификатора 1,3 мм, составили 8,1947 кВт · ч/т. Общие удельные затраты электроэнергии с учетом работы шламовых насосов, питателей и кранов составили 9,0063 кВт · ч/т сухого сырья. При переходе на классификаторы, обеспечивающие практически полное разделение измельченного материала на крупку и готовый шлам, ожидается снижение удельных затрат электроэнергии до 4—5 кВт · ч/т сухого сырья при производительности мельницы около 250—260 т/ч.
На Красноярском цементном заводе при переходе на экстремально грубый помол известняка в мельнице размерами ∅ 2,6 × 13 м в открытом цикле производительность выросла с 34 до 120 т/ч по сухому сырью, т. е. в 3,0—3,5 раза, а удельные затраты электроэнергии на приводе снизились в 3,0—3,5 раза (до 1,35 кВт · ч/т сухого сырья).
4. Анализ диаграммы помола шлама
Для оптимизации ассортимента мелющих тел при экстремально грубом помоле сырьевого шлама высокого титра в замкнутом цикле была снята диаграмма помола на сырьевой мельнице размерами ∅ 3,0 × 14 м. Результаты рассева на фракции проб шлама, отобранных в нескольких точках по длине мельницы, и полиномиальной аппроксимации полученных экспериментальных зависимостей приведены на рис. 3.
Рис. 3. Полные остатки на ситах в точках отбора проб по длине мельницы при экстремально грубом помоле шлама в замкнутом цикле и результаты полиномиальной аппроксимации полученных экспериментальных зависимостей
Пробы по длине сырьевой мельницы отбирали по истечении 25 ч после того, как ее останавливали на полном ходу, путем забора шлама от его нижнего уровня над шарами до его поверхности. Таким образом, ситовому анализу подвергался измельченный материал, удерживавшийся длительное время в структуре шлама, за исключением грубой крупки, осевшей на дно.
Проведенный ситовой анализ позволил установить максимальный размер частиц, удерживаемых ЭГСШ после 24 ч хранения без перемешивания. Из приведенных данных следует, что сырьевой шлам с титром около 82—84 % способен длительное время удерживать частицы известняка размером до 5 мм. Существенно более высокая несущая способность ЭГСШ по сравнению с ОТСШ достигается благодаря повышенной структурной прочности при снижении его влажности до 25—27 % с растекаемостью 55—65 мм. Таким образом, максимально допустимый размер зерен шлама можно повысить (с запасом) с 0,5 мм для ОТСШ до 1,3—2,0 мм для ЭГСШ. Это означает, что можно обеспечить стабильную работу технологического оборудования для транспортировки и хранения сырьевого шлама.
Согласно данным рис. 3, влажность шлама на участке первых 3 м длины мельницы вначале незначительно повышается, а затем довольно существенно снижается (с 32,0—32,3 до 21,1—22,0 %). Начальный рост влажности объясняется наличием в структуре шлама на участке 0—1 м по длине мельницы большого количества неадсорбированной воды, которая вследствие более высокой текучести по сравнению со шламом быстрее продвигается вдоль мельницы до участка, находяшегося на расстоянии 3—4 м от ее входа. Последующее постепенное снижение влажности шлама вызвано измельчением грубодисперсного материала и его включением в структуру шлама.
Положительное влияние снижения влажности шлама на его несущую способность подтверждается ростом до 5 мм и более размера зерен, удерживаемых шламом на участке последних 3 м мельницы (возле ее разгрузочного конца).
По изменению общих остатков на ситах вдоль мельницы (рис. 3) можно сделать следующие выводы:
• замедление уменьшения общего остатка на сите 0,08 мм на участке, примыкающем к разгрузочному концу мельницы, означает, что достигнута цель минимизации содержания частиц известняка размером менее 80 мкм при экстремально грубом помоле сырья;
• общий остаток на сите 0,2 мм также уменьшается на указанном участке мельницы замедленно;
• за счет растущей интенсивности измельчения частиц материала размером более 3—5 мм общие остатки на ситах 0,5 и особенно 1 мм уменьшаются замедленно, а на участке, примыкающем к разгрузочному концу мельницы, даже увеличиваются.
5. Обжиг клинкера
Рассмотрим в качестве примера изменение показателей работы работы печи размерами ∅ 5 × 185 м одного из цементных заводов при переходе с обычного тонкого помола сырья на экстремально грубый. Проведены технологические замеры и расчеты материального и теплового балансов. Установлено, что при обжиге рядовой сырьевой смеси производительность печи увеличилась с 73,9 до 75,9 т/ч клинкера, удельный расход топлива уменьшился с 155,4 до 165,6 кг усл. т./т клинкера, т. е. на 6,16 %. Экономия топлива достигнута за счет следующего:
• снижения температуры отходящих газов на обрезе печи с 210—220 до 170—190 °C;
• снижения влажности печного шлама на 2—3 %;
• снижения возвратного уноса пыли из печи с 13 693 до 7 916 кг/ч, т. е. на 42,2 %;
• более высокой реакционной способности экстремально грубой сырьевой смеси;
• сокращения потерь тепла в окружающую среду с 299 600 до 236 500 кДж/т клинкера, т. е. с 4,4 до 3,65 % общего расхода тепла. Причины этого — снижение температуры обечайки печи благодаря повышению теплообмена между печными газами и экстремально грубой сырьевой смесью и удлинению обмазки в зоне спекания на 40 %, а также снижение выброса отходящих печных газов вследствие уменьшения удельного расхода топлива.
Потери тепла с возвратным уносом снизились с 85 700 до 51 100 кДж/т клинкера, или с 1,3 до 0,8 % всего расходуемого тепла, т. е. на 40,4 %. Тепловой КПД печи повысился с 29,8 до 31,0 %.
Причинами существенного снижения пылеуноса из печи стали не только увеличение максимального размера зерен сырьевой смеси с 0,3—0,5 до 1,3—3,0 мм и увеличение до 30—55 % доли зерен размером более 80 мкм, но и образование более плотных и, как следствие, термически более прочных гранул [1—7].
Образование гранул из ЭГСШ протекает в цепной завесе лучше, чем из ОТСШ. Об этом свидетельствуют более высокая плотность материала и прочность гранулы на выходе из цепной завесы на 40-м метре печи (рис. 4, 5). В этой области температура материала близка к 100 °C, и декарбонизация материала не происходит. Снижение же потерь при прокаливании, т. е. наличие уже декарбонизированного материала в этой области печи, свидетельствуют об осаждении пыли, принесенной печными газами из высокотемпературных участков печи. Снижение степени декарбонизации на 40-м метре печи при обжиге ЭГСШ свидетельствует об уменьшении выноса пыли из высокотемпературных зон печи. Это возможно только при повышении термической прочности гранул.
Рис. 4. Изменение по длине печи размерами ∅ 5 × 185 м средневзвешенного диаметра гранул и плотности обжигаемого материала из ЭГСШ и ОТСШ
Рис. 5. Изменение по длине печи размерами ∅ 5 × 185 м степени декарбонизации и температуры обжигаемого материала из ЭГСШ и ОТСШ.
В результате выполненных замеров установлено следующее. При температуре отходящих газов за обрезом печи около 200 °C температура материала из ОТСШ на 40-м метре за цепной завесой равна 89 °C, а его влажность — 9 %. Несмотря на снижение температуры отходящих газов за обрезом печи при обжиге ЭГС с 200 до 180 °C температура материала нa 40-м метре печи понизилась лишь на 3 °C, до 86 °C. Влажность материала при этом снизилась до 4,9—7,0 %. Это обусловлено снижением количества воды, адсорбированной на поверхности экстремально грубого материала.
Распределение частиц в гранулометрическом составе материала из ЭГСШ на 40-м метре печи сужается. Об этом свидетельствует отсутствие остатка гранул на сите 15 мм и снижение количества гранул размером 10—15 мм на 54—92 %. Рост плотности материала на 40-м метре с 960 г/л для ОТСШ до 1060—1085 г/л для ЭГСШ способствует повышению теплопроводности в слое материала. При прохождении материала через цепную завесу и цепной теплообменник этим обеспечивается, улучшение теплопередачи к материалу от печных газов, нагретой цепной завесы и цепного теплообменника.
За цепным теплообменником на 55-м метре печи, несмотря на то, что температура отходящих газов за обрезом печи при обжиге ЭГСШ была снижена с 200 до 180 °C, температура материала по сравнению с обжигом ОТСШ возросла с 611 до 648—666 °C, а П.П.П. материала повысилась. Последнее свидетельствует о снижении выноса материала из более горячих участков печи. Гранулометрический состав материала изменился незначительно. Его плотность в связи с полной потерей воды снизилась до 940 г/л для ОТСШ и 1040—1050 г/л для ЭГСШ. Повышение теплопроводности в слое материала из ЭГСШ, увеличение наружной площади теплообмена и более интенсивное обновление его поверхности обусловливают улучшение теплообмена между печными газами и обжигаемым материалом и, как следствие, повышение температуры материала перед зоной спекания.
На 91-м метре печи температура материала возросла с 648 °C для ОТСШ и до 697—708 °C для ЭГСШ. Благодаря этому П.П.П. в случае ЭГСШ оказались ниже, несмотря на то, что температура декарбонизации грубых зерен известняка ЭГСШ на 50 °C выше, чем при обжиге ОТСШ, а температура отходящих газов в период испытаний была снижена с 220 до 180—200 °C. Полученные результаты свидетельствуют о существенном улучшении теплообмена между печными газами и обжигаемым материалом в подготовительных зонах перед зоной спекания вращающейся печи.
За счет уменьшения массовой доли гранул размером 3—10 мм на 91-м метре печи средневзвешенный диаметр гранул материала из ЭГСШ уменьшился несколько сильнее, чем у гранул материала из ОТСШ. Крупные гранулы разрушились. Плотность материала из ЭГСШ увеличилась до 1080—1100 г/л, а из ОТСШ — до 1070 г/л.
Рост плотности материала из ЭГСШ сопровождается повышением теплопроводности в его слое и интенсификацией пересыпания этого слоя, в результате чего увеличивается наружная площадь теплообмена, ускоряются обновление поверхности и твердофазовые реакции. Перечисленные факторы обусловливают улучшение теплообмена между печными газами и обжигаемым материалом и, как следствие, повышение температуры материала и скорости минералообразования в подготовительных зонах печи перед зоной спекания.
Таким образом, улучшение теплофизических свойств материала из ЭГСШ (повышение насыпной массы, плотности и прочности гранул) способствует не только повышению скорости теплопереноса внутрь гранул обжигаемого слоя материала, но и постоянному обновлению его наружной поверхности и зоны контакта между частицами и гранулами при передвижении вдоль печи, включая зону экзотермических реакций. Этим обеспечивается повышение производительности печи и снижение расхода топлива.
Средневзвешенный диаметр гранул материала из ЭГСШ с 40-го метра печи (у конца цепной завесы) до 55-го метра (за цепным теплообменником) вначале несколько уменьшается, а затем на участке до 91-го метра слегка растет (рис. 4). Средневзвешенный диаметр гранул материала из ОТСШ на участке от 40-го до 91-го метра непрерывно уменьшается. Из анализа фракционного состава следует, что это различие обусловлено уменьшением массовой доли гранул размером 3—10 мм в материале из ЭГСШ.
В области цепного теплообменника между 40-м и 55-м метрами печи разрушение крупных гранул происходит, очевидно, преимущественно в результате движения цепей.
С продвижением обжигаемого материала из ОТСШ от участка с 55-го до 91-го метра печи в область, где его температура достигает 700 °C, средневзвешенный диаметр его гранул продолжает уменьшаться. Причиной этого может быть следующее: несмотря на то, что потеря глинистыми минералами кристаллически связанной воды и начало декарбонизации кальцита сопровождаются ростом площади вновь образующейся поверхности с высоким потенциалом твердофазового спекания, выделение H2O и CO2 из обжигаемого материала из ОТСШ из-за слабого его пересыпания приводит к разрыхлению структуры гранул и, как следствие, к их разрушению. При активном пересыпании материала происходит множество столкновений между частицами, этим может быть вызвано интенсивное обновление контактов между ними и, как следствие, их активное твердофазовое спекание. Очевидно, именно благодаря этому гранулы материала из ЭГСШ на участке между 55-м и 91-м метрами печи несколько укрупняются, формируется их более плотная структура и повышается прочность. Данный вывод подтверждается тем, что объемная плотность и температура обжигаемого материала из ЭГСШ во всех точках отбора проб по длине печи (на отметках 40, 55, 91 м) примерно на 7—10 % выше, чем материала из ОТСШ (рис. 5).
При 800 °C степень разложения сырьевой смеси может достигать примерно 10 % [17]. При 700 °C степень декарбонизации материала равна примерно 5 %. Однако из результатов анализа проб, отобранных на 91-м метре печи, следует, что фактически степень декарбонизации при температурах около 700 °C значительно выше — 20,4 % для ОТСШ и 24,1 % для ЭГСШ. При возврате пыли электрофильтров с горячего конца печи это может быть объяснено кругооборотом материала в печи, возникающим в результате выноса материала печными газами из более горячих участков подготовительных зон и осаждения его на более холодных участках вследствие снижения скорости газов в печи с уменьшением их температуры.
Из приведенных данных следует, что на более холодных участках подготовительных зон печи фактическая степень декарбонизации материала в большей мере определяется кругооборотом пылевидных фракций. Однако этому противоречит более высокая степень декарбонизации материала из ЭГСШ. Было бы логично, если с понижением пылеуноса из печи на 50 % при неизменной эффективности теплообмена обжиг ЭГСШ сопровождался бы снижением степени декарбонизации на 91-м метре печи на 50 %, т. е. с 20—25 до 12—15 %. Однако, как указано выше, степень декарбонизации, напротив, возросла с 20,4 % для ОТСШ до 24,1 % для ЭГСШ. Это могло произойти только за счет улучшения теплообмена между обжигаемым материалом и печными газами, имеющими на 91-м метре печи температуру около 1500—1600 °C. Следовательно, интенсивность такого теплообмена в случае материала из ЭГСШ почти на 50 % выше, чем у материала из ОТСШ, что позволяет существенно повысить производительность печи и снизить удельный расход топлива при использовании ЭГСШ, как это уже неоднократно доказано промышленным опытом.
Несмотря на уменьшение доли гранул размером 3—10 мм в области 40—55 м по длине печи и увеличение степени декарбонизации материала на 91-м метре, его плотность растет, что особенно заметно на 91-м метре для материала из ЭТСШ, имеющего плотность 1080—1100 г/л (материал из ОТСШ — 985 г/л).
Рост плотности материала на участке до 91-го метра печи может быть обусловлен также твердофазовым спеканием декарбонизированных (и поэтому имеющих поверхность с высокой активностью) частиц известняка с обезвоженными глинистыми минералами в присутствии микрорасплавов (которые образуются в результате конденсации части щелочных соединений из печных газов и их оседания на более холодной поверхности пыли и пересыпающегося материала с более низкой температурой). Более интенсивное пересыпание в печи материала из ЭГСШ, в результате которого существенно ускоряется обновление поверхности слоя материала и увеличивается поверхность теплообмена между печными газами и материалом, способствует росту количества щелочей, конденсирующихся на поверхности обжигаемого материала. Действие перечисленных факторов позволяет повысить плотность отдельных гранул и материала, находящегося в подготовительных зонах печи.
Таким образом, благодаря интенсификации пересыпания материала в промежуточных зонах печи повышаются температура материала и скорость твердофазового образования промежуточных легкоплавких высококремнеземистых минералов перед поступлением материала в удлиненную зону спекания печи [1—7], куда он в результате попадает лучше подготовленным к заключительной стадии обжига.
6. Достигнутые результаты
Обобщая данные, приведенные в этой статье, а также в работах [1—7, 12], отметим следующие технико-экономические преимущества, достигнутые на ряде цементных заводов по результатам промышленных испытаний и внедрения новой энергосберегающей технологии на основе экстремально грубой сырьевой смеси:
• удельный расход электроэнергии на помол сырья снижается в 2,0—4,5 раза;
• производительность сырьевой мельницы увеличивается в 2,0—4,5 раза;
• удельный расход мелющих тел на помол сырья снижается в 2—4 раза;
• уровень шума при работе сырьевых мельниц снижается на 20—70 %;
• влажность сырьевого шлама уменьшается на 4—8 % при той же растекаемости (50—60 мм);
• плотность сырьевого шлама в результате расширения зернового состава и, как следствие, более плотной упаковки составляющей его твердой фазы возрастает с 1650 до 1700—1935 г/л, чем обеспечивается повышение на 25% вместительности вертикальных и горизонтальных шламбассейнов;
• плотность сырьевой смеси возрастает с 900 до 1100—1200 г/л, чем обеспечиваются повышение теплопроводности в слое обжигаемого материала в подготовительных зонах печи и увеличение вместительности силоса для гомогенизации и хранения сырьевой смеси;
• производительность печи возрастает на 15—30 %;
• удельный расход топлива снижается на 15 %;
• возвратный пылеунос из печи снижается на 50 %;
• благодаря снижению адгезионной способности шлама предотвращается образование шламовых колец в цепной зоне;
• полностью предотвращается образование колец на входе материала в печь и перед зоной спекания, а также шарообразование в зоне спекания;
• благодаря снижению температуры появления клинкерного расплава до 1100—1200 °C увеличивается на 50 % длина участка образования обмазки в зоне спекания, что позволяет увеличить срок службы футеровки печи и снизить потери тепла в окружающую среду;
• возрастает прочность сцепления обмазки с футеровкой, что резко снижает частоту обрыва футеровки при ее расположении в верхней части печи;
• резко сокращается продолжительность восстановления обмазки на оголенных участках зоны спекания печи;
• температура и степень декарбонизации сырьевой смеси после циклонного теплообменника возрастают на 10—12 % благодаря улучшению теплообмена, которое вызвано отсутствием обусловленного электростатическими факторами образования агрегатов с пористой структурой;
• существенно улучшается теплообмен в промежуточных зонах печи благодаря выводу материала из псевдоожиженного состояния и, как следствие, переводу его в состояние хорошо перекатывающегося слоя, улучшению обновления его поверхности и росту площади его контакта с печными газами;
• улучшается гомогенизация сырьевой смеси в печи, так как крупные частицы играют роль перемешивающих тел;
• производительность цементных мельниц возрастает на 10—15 %;
• повышается качество цемента.
Повышение производительности печи на 15—30 % и снижение удельного расхода топлива на 15 % при экстремально грубом помоле сырьевой смеси обусловлено, в частности, следующим:
1) снижением количества поверхностно адсорбированной воды, обладающей в сравнении с капельно-жидкой водой повышенной энергией связи с поверхностью частиц шлама и, как следствие, повышенной до 300 °C температурой превращения в пар. Это позволяет снизить температуру отходящих газов на обрезе печи на 20—40 °C;
2) увеличением плотности печного сырьевого шлама с 1600—1640 г/л для ОТСШ и до 1760—1800 г/л для ЭГСШ, что при равном объеме питания печи приводит к росту ее производительности приблизительно на 7 %;
3) интенсификацией теплообмена между печными газами и обжигаемым материалом в подготовительных зонах печи благодаря интенсивно протекающему обновлению возросшей поверхности слоя обжигаемого материала;
4) снижением возвратного пылеуноса из печи на 50 %, что позволяет снизить потери тепла на 5 % и повысить производительность печи;
5) снижением безвозвратного пылеуноса из печи на 25—50 %, что позволяет снизить потери тепла на 5 %;
6) более высокой реакционной способностью сырьевой смеси;
7) увеличением количества расплава в зоне спекания и снижением температуры его образования до 1100 °C, обеспечивающими рост скорости минералообразования в этой зоне.
Повышение силикатного модуля при обычном тонком помоле сырьевой смеси сопровождается значительным снижением ее реакционной способности. Как показал промышленный опыт, эта способность у сырьевой смеси экстремально грубого помола не снижается с повышением силикатного модуля с 2,18 до 2,4—3,8, а при использовании известняково-фосфорно-шлаковой смеси — с 7 до 12, благодаря появлению наряду с обычным алюмо-ферритным расплавом высококремнеземистого расплава.
Присутствие SiO2 полностью в форме, обеспечивающей протекание твердофазовых реакций, позволяет повысить реакционную способность сырьевой смеси. В результате представляется возможным повысить коэффициент насыщения сырьевой смеси (по опыту Семипалатинского цементного завода, с 0,91 до 0,93).
7. Выводы
Экстремально грубый помол сырья позволяет увеличить количество расплава и снизить температуру его образования до 1100 °C в результате появления дополнительно к равновесному алюмоферритному расплаву временно образующегося неравновесного высококремнеземистого расплава, что подтверждается в промышленных печах удлинением зоны спекания, т. е. обмазки.
Более высокая реакционная способность материала из ЭГСШ, обусловленная увеличением количества расплава и улучшением теплообмена, позволяет повысить его коэффициент насыщения и силикатный модуль.
При использовании ЭГСШ существенно снижаются тепловые потери.
Плотность и, как следствие, теплопроводность материала из ЭГСШ в печи повышаются, а его грануляция улучшается.
Термическая подготовка материала из ЭГСШ в подготовительных зонах печи существенно улучшается благодаря его хорошему пересыпанию.
Промышленный опыт производства цемента с использованием ЭГСШ позволил достичь ряда технико-экономических преимуществ, наиболее существенными из которых являются следующие:
• удельный расход электроэнергии на помол сырья снижается в 2,0—4,5 раза;
• производительность сырьевой мельницы увеличивается в 2,0—4,5 раза;
• удельный расход мелющих тел на помол сырья снижается в 2—4 раза;
• уровень шума при работе сырьевых мельниц снижается на 20—70 %;
• влажность сырьевого шлама уменьшается на 4—8 % при той же растекаемости (50—60 мм);
• плотность сырьевого шлама в результате расширения зернового состава и, как следствие, более плотной упаковки составляющей его твердой фазы возрастает с 1650 до 1700—1935 г/л, чем обеспечивается повышение на 25 % вместительности вертикальных и горизонтальных шламбассейнов;
• совместный экстремально грубый помол известняка с пиритными огарками вызывает снижение влажности сырьевого шлама до 2 % и рост производительности мельницы на 1—2 т/ч;
• при равной растекаемости водоотделение ЭГСШ по истечении 24 ч его хранения в статических условиях ниже, чем у ОТСШ;
• максимально допустимый размер зерен шлама может быть повышен с 0,5 мм для ОТСШ до 1,3—2,0 мм для ЭГСШ (с запасом);
• производительность печи возрастает на 15—30 %;
• удельный расход топлива снижается на 15 %;
Существенно более высокая несущая способность ЭГСШ достигается благодаря снижению его влажности до 25—27 % при растекаемости 55—65 мм.
Представленный пример результатов анализа диаграммы помола шлама в сырьевой мельнице размерами ∅ 3 × 14 м свидетельствуют об правильно выбранной концепции расчета ассортимента мелющих тел для экстремально грубого помола сырья.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lörke P. Energiesparende Zementherstellung durch Optimierung der Rohmehlaufbereitung. «ibausil» Weimar. 2003. S. 1—949—1—966.
2. Lörke P. Energieeffiziente gesteuerte Klinkerbildung durch Optimierung der C-, S-, A- und F-Verhältnisse nach Rohmehlfraktionen beim extremen Grobmahlen. «ibausil» Weimar. 2006. S. 1—849—1—866.
3. Lörke P. Energieeffiziente gesteuerte Klinkerbildung durch Optimierung der C-, S-, A- und F-Verhältnisse nach Rohmehlfraktionen beim extremen Grobmahlen. «ibausil» Weimar. 2009. S. 1—849—1—866.
4. Lörke P. Innovative, energy-efficient manufacture of cement by means of controlled mineral formation. Part 1 // ZKG International. 2011. N 1. P. 48—58.
5. Lörke P. Innovative, energy-efficient manufacture of cement by means of controlled mineral formation. Part 2 // ZKG International. 2011. N 2, P. 55—63.
6. Lörke P., Röck R., Herzinger E. Energy efficient cement production using an extremely coarse raw mix. Part 1 // ZKG International. 2013. N 3. P. 48—58.
7. Lörke P., Röck R., Herzinger E. Energyefficient cement production using an extremely coarse raw mix. Part 2 // ZKG International. 2013. N 6. P. 48—58.
8. Lörke P., Lörke A. Europäisches Patent 0 801 636 B1. Verfahren zum Herstellen von Zementklinker sowie dessen Vorrichtung nach Patentanmeldung DE 195 40 996 A 1.
9. Lörke P., Lörke A. Deutsches Patent DE 59606671.6 Verfahren zum Herstellen von Zementklinker sowie dessen Vorrichtung. 1995. 167 S.
10. Lörke P. Deutsche Patentanmeldung DE 197 52 243 C 2 Verfahren zum Herstellen von Zement. 1997. 22 S.
11. Lörke P. Deutsches Patent DE 198 44 038 C 2 Verfahren zum Herstellen von weißem Zement und dessen Vorrichtung. 1998. 41 S.
12. Lörke P.P., Imangulov R.I. Physikalisch-chemische Besonderheiten der neuen energiesparenden Technologie zur Herstellung von Portlandzement // VIII wissenschaftlich-technische Allunionskonferenz für Chemie und Tech. von Zement. Moskau, 1991. Band I und III—V.P.. 294—297.
13. Lörke P.P. Besonderheiten der Doppeltströmungstechnologie und die Eigenschaften von Portlandzement aufgrund des aus Kalkstein und Phosphorschlacke entstehenden Rohmehls // Thesen von Vorträgen der wissenschaftlich-technischen Unionskonferenz «Ökologische Probleme der Verarbeitung Sekundärressourcen zu Baumaterialien und Bauwahren». Tschimkent, 15—17.10.90. Teil I. P. 20—21.
14. Lörke P.P., Lörke A.P., Aldijarov D.A., Gutzeit S.I. Verfahren zur Herstellung von Portlandzement. SU-Erfindung je nach positiver Entscheidung der Nr. 4413168 / 33 von 25.10.88 M. kl. C 04 B 7/36.
15. Swayze M.A. Ein Bericht über Untersuchungen 1. Des ternären Systems CaO—C5A3—C2F, 2. des quaternären Systems CaO—C5A3—C2F—C2S, 3. des durch 5 % Magnesia modifizierten quaternären Systems (Eng.) // Am. J. Sci. 1946. Vol. 244. N 1, S. 1—30; N 2, S. 65—94.
16. Osborn E, Muan A. Phase equilibrium diagrams of oxide systems, Plate I. The system CaO—Al2O3—SiO2. Columbus: Ceramic Foundation. 1960.
17. Vogel R., Schwerdtfeger I. Schlussfolgerungen aus thermischen Wirkungsgraden von Schwebegaswärmetauschern // ZKG. 1968. N 3. P. 120—123.
Автор: П. Лёрке, А.Н. Чукмарев, П.Ф. Коробков |
Рубрика: Оборудование и технология |
Ключевые слова: шлам, сырьевая мельница, помол, обжиг |