Добавки разжижители шлама

Известно, что шлам, подаваемый в печь при производстве цемента по мокрому способу, имеет бингамовские, а не ньютоновские реологические свойства. Характер его течения определяется двумя параметрами:

1) пластической вязкостью, которая графически определяется как угол наклона прямой, соответствующей зависимости между напряжением сдвига и скоростью сдвига;

2) пределом текучести, т. е. энергией, которую нужно сообщить бингамовскому пластичному материалу для его течения.

Существование предела текучести обусловлено «блокировкой» мелких частиц в суспензии, которая в свою очередь зависит от концентрации твердых веществ в водной среде и расстояния между частицами в ней. Количество воды должно быть достаточным для перекачивания и гомогенизации шлама. При ее избытке частицы будут осаждаться в ходе транс­портировки и хранения суспензии. Кроме того, потребуются дополнительные затраты тепла на испарение избыточного количе­ства воды. Если принять, что для производства 1 кг клинкера требуется 1,56 кг сухой сырьевой смеси, то (с учетом скрытой теплоты парообразования, а также теплоты нагрева воздуха и газообразных продуктов сгорания) в зависимости от содержания воды в шламе получим следующие минимальные энергозатраты, МДж: 20 % — ​1,06; 30 % — ​1,81; 40 % — ​2,82; 50 % — ​4,32. Очевидно, что снижение влажности шламов, например, с 40 до 30 % приведет к значительному энергосбережению. Последнее будет ​тем более существенным, чем больше снизится влажность.

Давно обнаружено, что некоторые химические вещества (в основном, соли натрия) способны снижать влажность суспензий, не затрудняя при этом их перекачивание. Такие вещества, называемые разжижителями шлама, действуют главным образом как диспергаторы, уменьшая заряд катионов, окружающих частицы с гидроксил-ионами на поверхности. В числе натриевых солей, которые могут применяться для разжижения шлама, — ​карбонат, силикат, метафосфат, полифосфат, лигносульфонат и полиметакрилат. На многих заводах с той же целью использовался сульфитный щелок, побочный продукт бумажной промышленности. Максимальной экономии при использовании разжижителей шлама, очевидно, можно достичь, сопоставляя стоимость химикатов с выгодами, получаемыми благодаря сокращению расхода сжигаемого в печи топлива. При благоприятных условиях можно приготовить пригодный для перекачивания шлам, содержащий около 25 % воды.

Цепная завеса работает в цементных печах как внутренний теплообменник. Цепи могут иметь различные конфигурации; их навешивают в более холодной части печи. Цель навески цепей и практический опыт эксплуатации цепных завес хорошо известны операторам печей. Если уменьшить при помощи разжижителей влажность подаваемого шлама, не модифицировав цепной теплообменник, то охлаждающее действие воды уменьшится, и температура отходящих печных газов повысится. В результате выгода от экономии энергии, затрачиваемой на транспортировку шлама, будет потеряна. Поэтому при снижении влажности шлама потребуется увеличить массу цепей в печи, возможно, даже в 2—3 раза, в зависимости от степени снижения влажности, и цепная зона может занять почти половину печи по длине. Поскольку возрастет количество тепла, передаваемого цепям из более горячей части печи, они должны быть изготовлены из жаропрочной стали. Также отметим, что увеличение массы, плотности навески цепей и длины цепной зоны приведет к росту пылеуноса, из-за чего потребуется усовершенствовать систему возврата пыли.

Отметим, что эффективный разжижитель вызовет следующие изменения при транспортировке шлама:

• его течение приблизится по характеру к течению ньютоновской жидкости;

• потери на трение при относительно низких скоростях движения шлама уменьшатся;

• значительного изменения потерь на трение не будет, если режим течения близок к турбулентному.

Указанные изменения следует учесть при выборе насоса. Как правило, транспортировка в цементную печь происходит в режиме ламинарного течения шлама, и процесс чувствителен к изменениям его характеристик. Ввиду этого очень важно использовать подходящие насосы. Установка струйных насосов с сальниковым уплотнением, и центробежных, и плунжерных, — ​не оптимальный вариант. В зависимости от абразивности шлама лучше могут подойти плунжерные и плунжерно-мембранные насосы. Кроме производительности, напора и расстояния перекачки, при выборе насоса учитывают следующие характеристики шлама: вязкость, концентрацию твердой составляющей и наибольший размер частиц.

Подчеркнем, что разжижители шлама выбирают после проверки их совместимости с данной сырьевой смесью и эффективности для нее. Если производимый цемент должен удовлетворять требованиям по предельному содержанию оксида натрия, то важно обеспечить их соблюдение, даже когда в качестве разжижителей шлама используются соли натрия. Также отметим, что при внедрении разжижителей могут потребоваться несколько дополнительных пробных пусков оборудования, так как не исключено, что при подборе дозы разбавителя и модификации цепной зоны оптимума не удастся достичь с первой попытки.

Как показывает практика, диапазон значений влажности шлама, подаваемого в печь при производстве цемента по мокрому способу, очень широк. Он варьируется от 25 до 45 %. Обычно влажность, близкую к верхней границе этого интервала, приходится поддерживать, если в состав сырья входит пластичная глина с высоким содержанием монтмориллонита. Последний способствует образованию прочных гранул в цепной зоне и снижению пылеуноса, но расход сжигаемого в печи топлива при этом растет из-за более высокой влажности шлама.

По-видимому, в рассматриваемом случае она близка к ниж­ней границе диапазона, поэтому ситуацию можно улучшить путем ввода в шлам добавок, но выигрыш будет огра­ниченным. Однако в любом случае следует проверить, что система подготовки и транспортировки шлама (желобы, смесители, насосы и трубопроводы) соответ­ствует всем требованиям, позволяющим избежать необходимости перекачивать очень текучий шлам. Ин­вестиции в совершенствование этой системы обычно оправданы.

За последние 50 лет ассортимент добавок к шламу мало изменился. Обычно используют силикат или карбонат натрия, лигнины/лигносуфонаты и триполифосфат натрия. Иногда применяют патоку, но она редко так же эффективна, как другие добавки. Первые три из них обычно вводятся в количестве 0,05—0,20 % массы сухого сырья. При более высоких дозировках эффективность добавок сохраняется, но такие варианты редко экономически оправданы. Триполифосфат более эффективен в низких дозах, но он дороже других добавок, и его редко вводят в количестве более 0,01 %. Иногда оптимальный вариант — ​сочетание добавок, например, 0,10 % силиката и 0,05 % карбоната натрия.

Методы прогнозирования наиболее эффективной добавки для конкретного шлама неизвестны. Лучше всего сначала приобрести хороший лабораторный вискозиметр. Затем нужно определить влияние каждой из добавок по отдельности при различных дозировках (в указанных выше диапазонах), вводя их в свежий базовый шлам, приготовленный так, чтобы его вязкость была как можно выше. Если достигнут значительный эффект, то может оказаться полезной проверка действия некоторых комбинаций, особенно карбоната натрия с его силикатом. Эта методология позволит установить лучшую дозировку (если такая существует) и далее провести испытания в промышленных масштабах.

Следует учитывать, что на действие всех перечисленных добавок сильно влияют хлорид- и сульфат-ионы, находящие­ся в воде для приготовления шлама. Если она подводится из запыленного места или если используемая как сырьевой компонент зола содержит растворимые хлориды или сульфаты, то добавки не будут эффективными. Еще одна проблема заключается в том, что обычно добавки усиливают тиксотропные свойства шлама, т. е. если течение остановлено, то может оказаться затруднительным вновь его инициировать.

Если удастся снизить влажность шлама при помощи добавок, то нужно будет обеспечить ту же эффективную вязкость, что и до их введения, при более низкой влажности. Тогда не потребуется модифицировать систему подготовки и транспортировки шлама. Однако массу цепей в печи необходимо увеличить при любом снижении влажности шлама, в противном случае бóльшая часть эффекта от ее уменьшения будет потеряна из-за роста температуры газов на выходе из печи.