Расчет цепной завесы и влияние схемы навески цепей на эффективность теплообмена.

Обычно вопросы по модернизации цепных завес возникают у производственников в том случае, если у них есть претензии к работе печи, такие как:

• переливы шлама в пылеосадительную камеру,
• кольцеобразование в цепной зоне,
• образование настылей на цепях,
• повышенный каплеунос в пылеосадительную камеру,
• высокая или нестабильная температура отходящих печных газов, 
• низкая производительность печи. 

Свободновисящие цепные завесы позволяют обеспечить практически неограниченную плотность навески цепей, но этот тип навес­ки очень сильно тормозит продвижение материала в цепной зоне, что может привести к переливам шлама в пылеосадительную камеру, особенно при сложной реологии шламов. Результатом развития данной конструкции стали винтовые свободновисящие цепные завесы, навешенные по четырех- или шестизаходному винту, обычно с углом наклона винтовой линии 60°. Главный недостаток таких цепных завес — ​то, что максимальная плотность навески цепей при одинарной навеске не превышает 4 м²/м², что не дает никакого преимущества перед классической трехзаходной гирляндной навеской. Авторы конструкции это прекрасно понимали и применили навеску цепей по схеме 1—2—1 или 2—2—2, т. е. на одну точку подвески цепей навешивались по одной или по две цепи. Это решение неоптимально, так как цепи взаимно экранируют друг друга, и эффективность теплообмена снижается. Кроме того, значительно уменьшается скорость продвижения материала в цепной 
зоне.

Классическая трехзаходная гирляндная цепная завеса очень хорошо показала себя на печах малого диаметра, но оказалась практически непригодной для мощных вращающихся печей размерами Ø 4,5 × 170 и Ø 5 × 180 м из-за невозможности разместить требуемое количе­ство цепей на 25 % длины печи, отведенных для размещения цепной завесы. Это было очевидным для всех разработчиков проектов гирляндных винтовых цепных завес, и стало ясно, что они зашли в тупик. Некоторые конструкторы  трехзаходных гирляндных винтовых цепных завес попробовали перейти на шестизаходные гирляндные цепные завесы. Но эта конструкция оказалась настолько сложной в монтаже, что от нее практически сразу отказались. Даже при безупречном качестве монтажа цепей в случае обрыва хотя бы нескольких цепей образовывались такие клубки, что для ремонта требовалась остановка печи на ремонт цепной завесы. Отметим, что винтовые гирляндные цепные завесы типа ШГН‑60° и ВГН‑45° таких недостатков лишены, поскольку длина гирлянд в этой конструкции не превышает 1,07D_п, против 1,31D_п для классической винтовой гирляндной цепной завесы, и даже при обрыве гирлянд клубки не образуются.

В табл. 1 приведен обычный общий алгоритм расчета и проек­тирования комплекса цепных теплообменных устройств.

Таблица 1

Алгоритм расчета и проектирования цепных теплообменных устройств

(Alk – Cl^–)/SO₃ = (K₂O/94 + Na₂O/62 – ​Cl^–/71)/(SO₃/80), 

где Na₂O, K₂O, SO₃ и Cl^– — ​массовые доли компонентов, %. При его отклонении от рекомендуемых значений (0,8—1,2) значительно усиливается кольцеобразование.

Расчет цепных завес подробно описан в книгах [1, 2]. Правда, в этих источниках нет практически никакой информации о рео­логии шламов и в расчетах используются понятия «влажность шлама» и «критическая влажность шлама», которую предлагается рассчитывать по формуле
Wкр = 2W_шл/3.

Эта формула некорректна — ​не подтверждается на практике. Как следствие, много проектов цепных завес, которые были рассчитаны исходя из предположения о ее коррект­ности, оказались неудачными. В качестве примера — ​влажность шлама, подававшегося в печи крупного цементного предприятия в Узбекистане, составляла около 42 % и, если следовать приведенной выше формуле, то Wкр должна была составлять 28 %. Многочисленные проекты цепных завес исходили из этого, но в течение 25 лет реализация ни одного из таких проектов не привела к желаемому результату. Печи работали с пониженной производительностью, с высокой температурой отходящих газов, образованием колец в цепной зоне, образованием настылей на цепях и повышенным пылеуносом. Детальные реологические исследования на ротационном вискозиметре показали, что первая критическая влажность у шлама этого предприятия равна 40 %, а вторая критическая — ​22 %. Эти данные очень сильно отличаются от расчетного значения по приведенной выше формуле. Пос­ле их учета при проектировании цементной завесы удалось сразу же снизить температуру отходящих газов с 330 до 175—180 °C, увеличить производительность печи с 42—45 до 58 т/ч и снизить пылеунос с 45—70 до 8—10 т/ч. При этом удалось полностью избавиться от колец в цепной зоне и настылей на цепях. Кроме того, благодаря стабильной подготовке материала в цепной зоне удалось значительно повысить стойкость футеровки в зоне спекания.

Недостаток использовавшегося ротационного вискозимет­ра — ​то, что для работы на нем требуются специалисты высокой квалификации, прошедшие специальное обучение. Да и само исследование реологических свойств шлама в ходе изменения его влажности при сушке требовало порядка трех месяцев труда двух специалистов даже при использовании специального программного обеспечения для обработки полученных данных. Позже в ходе исследования реологических и структурно-механических характеристик шламов мы стали пользоваться другой методикой, использующейся в керамической промышленности, которая позволяла получить все данные в течение 2—3 рабочих дней. При расчете цепной завесы для правильного разбиения ее на участки оказалось достаточно иметь такие данные по реологическим и структурно-механическим свой­ствам шлама, как «верхний предел текучести», «нижний предел текучести», «предел липкости», «граница раскатывания» и «потеря вязкости». Результаты расчета будут содержать все необходимые данные для проектирования цепной завесы.

Реологические исследования свойств шлама и теплового расчета цепной завесы позволяют получить данные о требующейся поверхности цепей, и остается только правильно распределить их по длине цепной завесы. Обычно эта задача является самой сложной, так как на определенном участке цепной завесы требуется разместить определенное число цепей, учитывая при этом ограничения по их провису и допус­тимой плотности навески. Как показывает практика проектирования цепных завес, на выполнение этого, казалось бы, простого задания уходит 1—1,5 месяца конструкторской работы.

Практически единственным примером успешного применения трехзаходной винтовой цепной завесы на печах большого диаметра стало ее применение на печах размерами Ø 4,5 × 175 м на Михайловском цементном заводе, причем там все ее недостатки были нивелированы за счет применения очень эффективных теплообменников из жаропрочной стали, легированной кремнием и алюминием. Но это очень дорогие теп­лообменники, и их применение в настоящее время экономически вряд ли целесообразно.

Попытаемся описать основные критерии в разработке цепных завес (табл. 2).

Таблица 2

Требования к цепным завесам

Для гирляндных цепных завес можно предложить на рассмот­рение конструкции гирляндных цепных завес типов ШГН‑60° (шестизаходная гирляндная винтовая цепная завеса с углом смещения точек навески на 60°) и ВГН‑45° (восьмизаходная гирляндная винтовая цепная завеса с углом смещения точек навес­ки на 45°) с простым пересечением. Эти конструкции лишены недостатков классической трех- и шестизаходной цепных завес со сложным пересечением. ШГН‑60° и ВГН‑45° имеют практически неограниченную конструктивную плотность навески цепей и не образуют клубков при обрыве цепей. Кроме того, этот тип гирляндных цепных завес позволяет обеспечить скорость продвижения материала в цепной завесе на 40 % выше, чем классическая трехзаходная винтовая гирляндная цепная завеса, что, в частности, было подтверж­дено замерами, выполненными Волгоградским ПО «Изотоп» на промышленных печах и И.А. Прозоровым в НИИЦементе на моделях цепных завес.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ходоров Е.И. Печи цементной промышленности. Л.: Изд-во литературы по строительству, 1968. 458 с.

2. Дешко Ю.И., Креймер М.Б., Огаркова Т.А. Наладка и теплотехнические испытания вращающихся печей на цементных заводах. Л.: Изд-во литературы по строительству, 1966. 248 с.