Физико-химические процессы в печи

Процессы, протекающие в печи мокрого способа

В зависимости от характера физико-химических процессов, происходящих при нагревании сырьевого материала, печь по длине разделяют на 6 технологических зон (рис.17).

Рис. 17. Потребность тепла в отдельных технологических зонах

Вращающаяся печь для обжига клинкера мокрого способа производства условно делится на шесть технологических зон.

1. Зона сушки занимает 20 – 25% длины печи. В этой зоне испаряется физическая влага из шлама. Температура материала повышается от 15 – 20 °C до 170 – 200 °C. Температура газов снижается с 800 – 900 °С до 180 – 250 °С. Скорость движения жидкого шлама 4 – 6 м/мин, на участке подсушенного материала 0,8 – 1,5 м/мин. Скорость газов 7 – 8 м/с. Для интенсификации теплообмена в этой зоне устанавливают цепные завесы. При достижении определенной вязкости шлама в цепной завесе начинают образовываться гранулы. Материал, выходящий из цепной завесы, должен иметь температуру 90 – 110 °C и влажность 8 – 10%, так как при более низкой влажности резко усиливается пылеобразование и рециркуляция материала вследствие разрушения гранул. Цепная завеса занимает 18 – 20% длины печи.

2. Зона подогрева и дегидратации занимает 25 – 30% длины печи. В этой зоне удаляется химически связанная (гидратная) влага из глинистого компонента. Реакция сопровождается поглощением теплоты q₁ = 7880 кДж/кг гидратной влаги:

Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O = Al₂O₃×2SiO₂ + 2H₂O – q₁.

Температура газов на входе в зону 1100 – 1200 °С. Материал нагревается до 550 – 600 °С. Скорость движения материала 2 – 4 м/мин. Скорость газов до 13 м/с. В этой зоне устанавливают металлические теплообменники из жаропрочной стали.

3. Зона кальцинирования (декарбонизации) занимает 22 – 30% длины печи. В этой зоне протекают процессы разложения карбонатов магния и кальция. На реакции расходуется соответственно q₂ = 1400 кДж/кг MgCO₃ и q₃ = 1780 кДж/кг СaCO₃ количество теплоты.

MgCO₃ = MgO + CO₂ – q₂;

СaCO₃ = CaO + CO₂ – q₃;

Материал нагревается до 950 – 1100 °С. Температура газов на входе в зону 1500 – 1600 °С. Скорость движения материала 3 – 6 м/мин, газов до 16 м/с.

4. Зона экзотермических реакций занимает не более 5% длины печи. В этой зоне образуются клинкерные минералы (двухкальциевый силикат 2CaO×SiO₂, трехкальциевый алюминат 3CaO×Al₂O₃, четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO×Al₂O₃×Fe₂O₃, частично трехкальциевый силикат 3CaO×SiO₂). Температура материала быстро повышается до 1250 – 1300 °C за счет выделения теплоты при образовании минералов. Температура газов изменяется незначительно и составляет на входе 1600 – 1700°С.

5. Зона спекания занимает 13 – 18% длины печи. В ней часть материала (20 – 30%) плавится, образуя на футеровке обмазку толщиной 100 – 200 мм. В жидкой фазе образуется основной клинкерный минерал – трехкальциевый силикат 3CaO×SiO₂ (алит). Температура материала достигает максимального значения около 1450 °С. Участок, ближе к разгрузочному концу печи, где материал охлаждается с 1450 до 1350 °C (до температуры застывания расплава), по характеру происходящих физико-химических процессов следует относить к зоне спекания. В зоне спекания сжигается топливо. Максимальная температура газов достигает 1700 – 1800 °С. Скорость движения материала составляет 0,6 – 0,8 м/мин, газов – около 25 м/с.

6. Зона охлаждения занимает 2 – 6% длины печи. Материал охлаждается до 1100 – 1250 °С. Температура воздуха, подаваемого в печь из холодильника, составляет 400 – 800 °С.

Окончательное охлаждение клинкера происходит в холодильнике.

При обжиге клинкера по сухому или комбинированному способу протекают описанные выше процессы. Отличие заключается в том, что испарение влаги, дегидратация и частично декарбонизация материала происходят в запечных теплообменных устройствах.

В установках только с циклонными теплообменниками подогрев, испарение остаточной влаги, дегидратация и частично (до 15 – 30%) декарбонизация материала происходят в циклонных теплообменниках. Материал, проходя циклонный теплообменник за 25 – 30 с., нагревается до 750 –800 °С. В печи происходит окончательная декарбонизация материала, спекание и первичное охлаждение. Длина зон: декарбонизации – 45 – 55%, экзотермических реакций – 5 – 10%, спекания – 20 – 25%, охлаждения – 10 – 15%.

При наличии реактора-декарбонизатора материал поступает в печь с температурой 850 – 880 °C со степенью декарбонизации 90 – 95%. Это позволяет уменьшить длину печи или увеличить ее производительность. При этом в реакторе-декарбонизаторе сжигается 60% топлива, в печи – 40%. Воздух для горения топлива в реакторе-декарбонизаторе (третичный воздух) отбирается из клинкерного холодильника.

Нумерация циклонов на отечественных заводах принята по ходу газов, за рубежом – по ходу материала. Распределение температур материала и газов на входе и выходе из отдельных ступеней циклонов следующее:

– 1-я ступень (нижний “горячий” циклон): материал 650 и 800 °C, газы 950 и 800 °C;

– 2-я ступень: материал 500 и 650 °C, газы 800 и 650 °C;

– 3-я ступень: материал 250 и 500 °C, газы 650 и 500 °C;

– 4-я ступень (верхний “холодный” циклон): материал 40 и 250 °C, газы 500 и 300 °C.

Абсолютные значения температур могут несколько изменяться в зависимости от режима работы агрегата.

Основной теплообмен (80%) происходит в газоходах и только 20% теплообмена осуществляется непосредственно в циклонах.

При обжиге извести происходят процессы разложения карбонатов кальция и магния. При значительном содержании примесей они вступают в реакцию взаимодействия с оксидом кальция, образуя соединения нерастворимые в воде. Поэтому качество полученной извести будет зависеть от степени разложения карбонатов, условий обжига и химического состава карбонатной породы.

Тепловой баланс печи выражается уравнением, связывающим количество теплоты, внесенной в печь во время ее работы, с количеством теплоты, израсходованной на технологические процессы, и потерянной теплотой. Все статьи теплового баланса рассчитывают в кДж на 1 кг клинкера или 1 кг извести.

Структура статей теплового баланса позволяет наглядно определять источник потерь теплоты в обжиговом агрегате и устанавливать средства и способы по возможному их сокращению или устранению. При этом следует анализировать не только абсолютные, но и относительные значения статей потерь теплоты в структуре теплового баланса.

Методика составления теплового баланса вращающихся печей предусматривает, что тепловые параметры материальных потоков, поступающих в агрегат и выходящих из него, принимают по границам, выбранным в расчете материального баланса печи. Для определения приходных и расходных статей теплового баланса используются данные, которые были получены в материальном балансе.

По закону сохранения энергии в любой установке приход теплоты должен быть равен его расходу.

В тепловом балансе решающее влияние на удельный расход топлива оказывают статьи расходов и потерь теплоты.

Тепловой эффект клинкерообразования – это теоретический расход теплоты на образование 1 кг клинкера из сухой сырьевой смеси без материальных и тепловых потерь. Он представляет собой алгебраическую сумму теплоты на необратимые физико-химические превращения материала при его нагревании до температуры спекания. Тепловой эффект клинкерообразования зависит только от химического состава сырьевой смеси и не зависит от способа производства.

Теоретически при получении клинкера теплота расходуется на диссоциацию карбонатов кальция и магния, а также на дегидратацию глинистых минералов. Эти процессы протекают с поглощением теплоты и называются эндотермическими. При взаимодействии оксида кальция с кислотными оксидами (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃), образуются клинкерные минералы. Такие реакции сопровождаются выделением теплоты, т. е. являются экзотермическими.

Одним из способов снижения теоретического расхода теплоты на обжиг клинкера является использование отходов других отраслей промышленности, где ранее при термических процессах карбонат кальция был подвергнут диссоциации. К таким продуктам относятся доменный шлак, топливные золы и нефелиновый (белитовый) шлам. Применение их в качестве сырьевых материалов приводит к снижению теплового эффекта клинкерообразования до 1000 – 1100 кДж/кг клинкера. Процесс охлаждения клинкера (извести) является одной из наиболее ответственных стадий производства цемента (извести). Он оказывает влияние на структуру, минералогический состав, размалываемость клинкера и, следовательно, на качество цемента. От скорости охлаждения зависят соотношение кристаллической и стекловидной фаз, равномерность изменения объема и химическая стойкость цемента.

Охлаждение клинкера (извести) осуществляется в холодильниках – механизмах, непосредственно связанных с печью. Существует три основных типа холодильников: барабанные, рекуператорные и колосниковые.

Холодильники необходимы для интенсивного охлаждения продукта обжига, выходящего с температурой 1000 – 1300 °C из вращающейся печи. По своему назначению они являются утилизаторами тепла, так как теплота, выносимая клинкером (известью) из печи, используется для нагрева воздуха, поступающего в печь для горения топлива. Применение холодильников позволяет снизить расход топлива на обжиг.