Агломераты клинкера во вращающейся печи сухого способа производства

Полагаю, происходит то же, что наблюдалось на Белорусском цементном заводе в г. Костюковичи. Подобные явления отмечаются и на других заводах сухого способа. Поэтому привожу результаты наших исследований и наладки работы технологической линии обжига на этом заводе, проведенные в начале 2000-х годов. 

Основные признаки неудовлетворительной работы печи. В 1996 году на Белорусском цементном заводе введена в экс­плуатацию печь сухого способа производства размерами Ø 4,5 × 80 м типа RSP производительностью 125 т/ч, работающая на сырье с влажностью 28—30 %. Проектная и фактическая производительность печи составляла 125 т/ч, удельный расход условного топлива (у. т.) — 138 кг у. т. /т клинкера при проектном значении 115 кг у. т. /т клинкера. Потери тепла из-за недожога были эквивалентны 28 кг у. т. /т клинкера. В течение ряда лет для печи была характерна нестабильная работа из-за образования колец и крупных (размером до 2 м) комьев материала в начале зоны спекания. Подобными явлениями мы занимались и на других заводах (см., например, работы [1—4]).

Для выяснения причин этих нарушений были проведены теплотехнические испытания печной системы (рис. 1) и физико-химические исследования различных материалов. 

Рис. 1. Исходные эксплуатационные параметры печи системы RSP на Белорусском цементном заводе. α — коэффициент избытка воздуха, t_в^А и V_в^А — соответственно температура и удельный расход аспирационного воздуха

Испытания показали неверное распределение топлива и воздуха между двумя областями горения — во вращающейся печи и декарбонизаторе. В печь подавалось около 40 % топлива и приблизительно 63 % воздуха, а в декарбонизатор — соответственно около 60 % топлива и примерно 37 % третичного воздуха с температурой 460 °С (при требуемой по проекту 650 °С). Низкая температура объяснялась большими подсосами в системе. Коэффициент избытка воздуха α после печи был равен 1,53, а после декарбонизатора — всего 0,57. Это приводило к недожогу топлива и низкой скорости воздушных потоков во входных патрубках декарбонизатора. Несмотря на содержание О₂ после декарбонизатора до 5,7 об. %, неполнота сгорания составляла 3,4 %, а содержание СО₂ — всего 19 об. % вместо расчетных 35—38 об. % (табл. 1). Недожог топлива в виде СО фиксировался по всему тракту теплообменника, даже после второго циклона [2].

Недостаточные объем, температура третичного воздуха и его низкая скорость нарушали смешение материала с газовым потоком, вследствие чего интенсивность декарбонизации материала снижалась до 55—70 %. Поэтому наблюдалась недостаточная подготовка материала в запечном теплообменнике, обусловленная нестехиометрическим распределением воздуха и топлива между печью и декарбонизатором. 

Физико-химические процессы превращения материала в печи. Анализ материала по длине печи показал, что на начальном 3-метровом участке его потери при прокаливании (ППП) близки к 9 масс. %, чем подтверждается незавершенность процесса декарбонизации (рис. 2). Вследствие декарбонизации оставшегося СаСО₃ через 10 м ппп снизились до 2,4 масс. %, а содержание свободной извести СаО_св повысилось до 14 масс. % и далее до 53-го метра изменялось незначительно. Следовательно, на протяжении приблизительно 40 м длины печи химические реакции практически не протекают, и только между 53-м и 75-м метрами известь интенсивно усваивается, что находится в соответствии с расположением зоны спекания в этом интервале по длине печи. Действительно, как видно на рис. 3, кольца и обмазка в печи образуются именно с начала этого участка. 

Рис. 2. Изменение состава материала по длине вращающейся печи.

Рис. 3. Расположение и характеристики обжигаемого материала (1), колец и обмазки (2) и конгломератов (3) в печи

Материал, поступающий в печь, декарбонизированный всего на 55—70 % и, по данным рентгенофазового анализа (РФА), представлен СаСО₃, спурритом, белитом C₂S, а также СаО и Са(ОН)₂. Белитообразование еще не завершено, так как в материале содержатся SiO₂ и геленит C₂AS. В нем также обнаружен двойной карбонат K₂СО₃∙СаСО₃. Как известно, в атмосфере СО₂ образование K₂СО₃∙СаСО₃ возможно уже при 540 °C. При концентрации K₂О (на 3-м метре длины печи), равной 2,28 масс. %, может образоваться до 6 масс. % K₂СО₃∙СаСО₃, дающего при 860 °C высокоподвижный расплав с вязкостью, близкой к вязкости воды (около 1 мПа∙с). Образование двойного карбоната, вероятно, способствовало образованию крупных комьев материала и колец в начале зоны спекания. 

Материал из зоны спекания (на 57-м метре) практически не отличался по химическому и фазовому составам от пробы с 38-го метра, содержание СаО_св в которой равно 10,8 %, т. е. на участке 38—57 м практически не образовывались новые фазы, и только после 57-го метра ускорялось образование алита (рис. 4).

Рис. 4. Рентгеновские дифрактограммы обжигаемого материала, кольца и обмазки в начале зоны спекания

Исследовалась также обмазка по длине зоны спекания. Она почти не содержала SO₃ и Na₂O, однако количество K₂O в ней изменялось от 1,37 до 0,36 масс. %. Содержание Fe₂O₃ в обмазке было больше, чем в материале печи. Расчетное количество С₃А изменялось от 9,9 (на 66-м метре) до 7,0 масс. % (на 75-м метре). Содержание C₄AF было стабильнее, лишь в пробе с 57-го метра оно составило всего 9,4 %.

Обмазка в начале зоны спекания (на 57-м метре) представлена в основном C₂S, C₄AF и С₃А (рис. 4) практически в равном количестве (около 10 %). Присутствует в небольшом количестве алит и остался неусвоенный СаО (8,2 масс. %) в виде СаО и Са(ОН)₂. Кольцо на 55-м метре содержит меньше С₃А (около 8—9 %) и больше C₂(AF) — около 13 % (табл. 2). 

В начале зоны спекания (на участке 53—65 м) наблюдается ряд аномальных явлений, что подтверждается составом обжигаемого материала, колец и агломератов (рис. 5). В кольце содержится значительно больше оксидов кремния и железа, чем в материале. 

Рис. 5. Расчетные значения модулей и фазового состава материала (1), кольца (2) и конгломерата (3) в области образования кольца

Наблюдается еще одна аномалия — несоответствие расчетного и фактического составов алюминатной и алюмоферритной фаз. Согласно результатам химического анализа, содержание С₃А и С₂(АF) в кольце и материале различается незначительно (см.  табл. 2), а по данным РФА фиксируются существенные расхождения (рис. 6). 

Рис. 6. Расчетное и фактическое содержание промежуточных фаз в кольце и материале

Интенсивность дифракционного отражения С₃А в кольце в 2 раза меньше, а алюмоферритной фазы почти в 2 раза больше, чем в материале, что обусловлено смещением равновесного со­става твердого раствора в обогащенную оксидом алюминия область — С₆А₂F. 

Особо отметим, что большую роль в образовании колец и конгломератов играет железосодержащая фаза. Наличие в декарбонизаторе явно выраженной восстановительной среды (α = 0,57) приводило к восстановлению Fe₂O₃ до FeO. Присутствие FeO и высокая скорость нагрева материала обусловливают образование при температуре 1100—1200 °C низкоосновного силикатсодержащего расплава, состав которого, вероятно, находится в области систем со следую­щими эвтектиками: α’-Ca₂SiO₄—­Fe₂SiO₄ (1117 °C); CaFeSiO₄—α-CaSiO₃ (1118 °C); α-CaSiO₃—CaFeSiO₄—Ca₂Al₂SiO₇—Ca₂FeSi₂O₇ (1180 °C); CaAl₂Si₂O₈—SiO₂—α-CaSiO₃ (1170 °C). 

Возможность подобного процесса подтверждается наличием FeO в крупных «сварах» клинкера. Так, содержание FeO в центральной части «сваров» диамет­ром 100 мм составило 1,1 масс. %. После перехода Fe²⁺ → Fe³⁺ и насыщения промежуточных фаз известью до высокой основности система переходит в высокотемпературную область состава C₃S—C₂S—C₃A—C₄AF с эвтектической точкой при 1338 °C, что приводит к кристаллизации минералов и отвердеванию кольца и конгломератов.

При высокой скорости движения материала в печи теплообмен опережает химические реакции: компоненты шихты быстро нагреваются до температуры 1200—1300 °C, т. е. материал поступает в зону спекания неподготовленным. В частности, он может содержать значительное количество несвязанных СаО и SiO₂. При этом, по данным В.Н. Юнга [5], возможно образование до 50 % низкоосновного расплава. В последующем оксид кальция, растворяясь в расплаве, формирует белит и алит, которые выкристаллизовываются из расплава. Количество жидкой фазы резко уменьшается, и образуются клинкерные «свары» и кольца перед зоной спекания.

На Белорусском цементном заводе нестехиометрическое распределение топлива и воздуха между декарбонизатором и печью приводило к тому, что в декарбонизаторе из-за недостатка воздуха создавалась восстановительная газовая среда.

Это по причине недожога топлива и, следовательно, пониженной температуры горения приводило к недостаточной степени декарбонизации материала на входе во вращающуюся печь. Поступление в нее недекарбонизированного материала и последующая ускоренная декарбонизация СаСО₃ и спуррита, обусловленная высокой скоростью движения матери ала при повышенных оборотах печи (до 3 об/ мин), приводили к неравновес­ности минералообразования и связанному с ней возникновению легкоплавких соединений (в частности, двойных карбонатов, дающих до 6 % высокоподвижного расплава).

Образовавшиеся щелочесодержащие (при 860 °C) и низко­основные силикатные (при 1000—1200 °C) расплавы затем насыщались СаО и в результате отвердевали, что вело к агрегированию сырья, формированию в печи крупных комьев материала и спурритовых колец.

Положение усугубляли низкий силикатный модуль материала и образование FeO, обусловленное восстановительной средой в декарбонизаторе. 

Дополнительной причиной нежелательных явлений было нерациональное сжигание топлива в печи. Из-за высокого коэффициента избытка воздуха в зоне горения (α = 1,7), а также особенностей горелки и ее расположения образовывался короткий напряженный факел [1]. Это ухудшало теплообмен в подготовительных зонах и способствовало последующему быстрому разогреву неподготовленного материала, т. е. являлось дополнительной причиной развития неравновесных процессов, обусловливающих возникновение и рост колец в начале и конце зоны спекания, а также формирование конгломератов материала.

Меры, предпринятые для предотвращения технологических нарушений. Для стабилизации режима обжига, увеличения объема третичного воздуха, обеспечения полноты горения топлива и улучшения подготовки материала уменьшили площадь сечения пережима в шахте после печи с 1,96 до 1,40 м². В результате было обеспечено рациональное распределение воздуха и топлива между декарбонизатором и вращающееся печью: в декарбонизатор стало поступать 58 % топлива и 45 % воздуха с температурой 500 °C. Скорость воздуха в тангенциальных газоходах декарбонизатора возросла с 18 до 24 м/с, что привело к лучшему смешению пыле-газо-воздушного потока и более полному сгоранию топлива и повышению температуры в декарбонизаторе с 810 до 890 °C. Как следствие, степень декарбонизации материала, поступающего в печь, увеличилась до 92—96 %. Недожог не наблюдался уже после нижнего циклона. Стабилизировался режим обжига, в печи сформировался рациональный удлиненный факел, расход условного топлива снизился с 137,1 до 111,7 кг/т клинкера, прекратилось образование комьев материала и колец.

ЛИТЕРАТУРА

1. Классен В.К. Обжиг цементного клинкера. Красноярск: Стройиздат, 1994.  323 с.

2. Классен В.К., Коновалов В.М., Перескок С.А., Классен А.Н. Оптимизация режима работы печи 4,5 × 80 м сухого способа производства цемента // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова.  2003. № 5. С. 131—134.

3. Классен В.К., Текучева Е.В., Степанов В.В., Классен А.Н. Состав и условия образования клинкерных колец // Успехи современного естествознания.  2005. № 11. С. 30—31.

4. Классен В.К., Классен А.Н., Михин А.С. Кольце­образование в цементных вращающихся печах // Сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегаю­щие технологии в стройиндустрии». Белгород, 2007. Ч. 2. С. 89—91. 

5. Юнг В.Н. Технология вяжущих веществ. М.: Промстройиздат, 1954. 340 с.