Г.Ю. ВАСИЛИК, зав. аналитическим отделом,

Л.Н. ГРИКЕВИЧ, зав. ОНТИ, канд. техн. наук,

В.А. КУЛАБУХОВ, зам. генерального директора института по научной работе, канд. техн. наук, ОАО «НИИЦемент»

В статье представлен ряд разработанных ОАО «НИИЦемент» и проверенных в промышленных условиях технологий, повышающих эффективность производства цемента. В частности - метод интенсификации процессов (двухпоточная технология) обжига клинкера, технология Р-обжига с вдуванием молотого известняка в зону спекания и др.

Способы интенсификации процессов обжига и работы вращающихся печей хорошо известны (подбор оптимального состава обжигаемой сырьевой смеси, применение доступных минерализаторов, корректирование малых составляющих в сырье, снижение влажности шлама, повышение тонкости помола сырья, гомогенизация состава сырьевой смеси, улучшение условий сжигания топлива, применение встроенных теплообменных устройств и др.), но не всегда они в должной степени используются и, как правило, применяются выборочно, не комплексно.

Между тем проведенные в НИИЦементе исследования и многолетний опыт внедрения своих разработок на цементных заводах показал, что если задачу интенсификации процессов во вращающихся печах решать комплексно во всех зонах, то можно добиться значительных успехов по увеличению производительности и снижению удельного расхода топлива.

В зоне сушки шлама наиболее эффективным теплообменным устройством продолжает оставаться цепная завеса, которая, создавая развитую поверхность теплообмена, одновременно обеспечивает частичное обеспыливание отходящих газов. Цепи, находясь в газовом потоке, аккумулируют тепло и при вращении печи попадают в шлам, отдают ему часть накопленного тепла. Цепи также увеличивают контакт газового потока со шламом и способствуют перемешиванию шлама в основной его массе. Цепи являются наиболее простыми и дешевыми встроенными теплообменниками, не вызывающими особых затруднений при их навеске. Конструкция цепной завесы должна обеспечивать интенсивный теплообмен между обжигаемым материалом и газовым потоком, не создавая высокого гидравлического сопротивления в печи.

В мощных вращающихся печах мокрого способа целесообразно устанавливать комбинированные цепные завесы (по типу, применяемому в зарубежной практике), состоящие из трех секций.

Первая секция представляет собой встроенный цепной фильтр-подогреватель шлама, предназначенный для подогрева шлама и обеспыливания отходящих газов (его конструкция разработана в НИИЦементе; по предварительным расчетам, с помощью цепного фильтра-подогревателя шлама температура отходящих газов понизится примерно на 200 оC, а запыленность отходящих газов уменьшится в 10 раз).

На участке сушки шлама наиболее выгодной в теплотехническом отношении является гирляндная цепная завеса, позволяющая более эффективно использовать физическую поверхность цепей, ускорить нагревание шлама, интенсифицировать процесс сушки его и сократить длину зоны сушки в несколько раз.

При свободно висящей навеске цепей в цепной завесе, при вращении печи висящие цепи в нижнем положении перекрывают друг друга, образуя толстый слой, вследствие чего часть поверхности цепей в процессе передачи тепла не участвует.

При гирляндной системе навески цепей каждая цепь сохраняет постоянным расстояние между цепями независимо от положения гирлянды в каждый момент времени, что способствует лучшему теплообмену и перемешиванию шлама. Винтовая гирляндная цепная завеса отличается высокой транспортирующей способностью. Высокая эффективность использования поверхности гирляндновинтовой цепной завесы позволяет сократить общий вес цепей и уменьшить на этом участке гидравлическое сопротивление печи.

К сожалению, достичь равномерной грануляции материала в гирляндновинтовой завесе не удается. Наряду с крупными гранулами из завесы выходят мелкие частицы и пыль. Прочность гранул вследствие значительной циркуляции пыли снижается.

Поэтому дальнейший подогрев материала после гирляндновинтовой завесы целесообразно осуществлять в мощной свободновисящей цепной завесе. Неравномерно сгранулированный материал в гирляндновинтовой цепной завесе, попадая в свободновисящую цепную завесу, измельчается со значительным сужением гранулометрии. Исследованиями (в том числе и в НИИЦементе) установлено, что процессы декарбонизации и клинкерообразования при измельчении гранул значительно ускоряются.

Свободновисящую цепную завесу необходимо как можно более равномерно распределить по поперечному сечению печи, не допуская перекрытия впереди висящей цепью последующей цепи по ходу газового потока. Длина цепей должна быть такой, чтобы цепное отверстие (свободный проход) составляло 15–25%. Размещается свободновисящая цепная завеса на участке зон подогрева, дегидратации и частично декарбонизации. Поэтому целесообразно в части цепной завесы со стороны горячего конца печи применять цепи из жаростойкой стали. Для замедления движения материала на участке печи перед свободновисящей цепной завесой, а также для увеличения поверхности теплообмена можно устанавливать конусные теплообменники.

Свободновисящие цепи, размещаясь толстым покровом на корпусе печи, будут сдерживать продвижение аэрированного материала, а также обеспечивать равномерный тепло- и массообмен по всему поперечному сечению слоя.

Однако появившаяся в последние годы в отечественной практике тенденция к переходу во вращающихся печах на мощные цепные завесы, которые выполняют и функции испарителей влаги, и подогревателей сухой смеси, привела к переоснащению печей цепями. В результате происходит пересушка выходящего из цепной завесы материала и разрушение гранул и, как следствие, резко возрастает пылеунос, который в отдельных случаях (в печах, где карбонатсодержащим компонентом является мел) достигает 30% по сухому сырью. Как показал опыт НИИЦемента и других ведущих отечественных институтов, величину влажности гранул, выходящих из цепной завесы, следует выдерживать в пределах 6–12%, а их температуру - в пределах 90–100 оС. При таких параметрах разрушение гранул минимально, соответственно, минимален и пылеунос из печи.

Производственников подкупает простота и скорость навески цепей. Эти цепи, особенно жаропрочные, закупаются по высокой цене в основном за рубежом (например, цепи фирмы Magoteaux) и устанавливаются иногда по проектам иностранных специалистов. Следует отметить, что по причине упрощения монтажа многие отечественные заводы отказались от весьма эффективных и не создающих слишком большое пыление теплообменных устройств в зоне подогрева и дегидратации материала во вращающейся печи, таких как: металлические циклоидные, горшковые, звеньевые, колосниковые или подобные им теплообменники, ранее выпускавшиеся рядом отечественных заводов, в основном по заказам цементных предприятий.

В зоне подогрева и дегидратации материала во вращающейся печи в качестве встроенного теплообменного устройства можно рекомендовать колосниковый теплообменник, разработанный лабораторией обжига НИИЦемента на основе ранее созданного ею циклоидного теплообменника, внедренного на печах различных типоразмеров десятков цементных заводов, работающих по мокрому способу производства. В основном это печи размерами Ø 4,5×170 м и Ø 5,0×185 м, где теплообменник показал хорошие результаты: повышение производительности на 4% и снижение удельного расхода топлива на 3%. Пылеунос из печи оставался на прежнем уровне или незначительно превышал его. Это было связано с тем, что эффективный в тепловом отношении, теплообменник все же был частично пересыпным, т.е. подавал часть материала в газовый поток, который выносил тонкодисперсные фракции из печи. Задачей лаборатории обжига стала разработка эффективного во всех отношениях теплообменника – и по теплообмену, и по снижению пылеуноса. Таковым оказался колосниковый теплообменник, изображения которого приведены на рис. 1.

а

б

Рис. 1. Встроенный колосниковый теплообменник конструкции НИИЦемента

А – общий вид; б – отдельный элемент теплообменника

Характерной особенностью такого теплообменника является то, что, пронизывая слой материала, его элементы (прутки из жаропрочной стали) омываются сырьевым материалом со всех сторон, интенсивно отдавая последнему тепло, отобранное от печных газов. Поверхность колосникового теплообменника почти в 1,5 раза превышает поверхность циклоидного теплообменника при одном и том же весе. Поэтому первый может устанавливаться на меньшей длине печи, не заходя в высокотемпературные ее зоны, и меньше подвержен выгоранию или деформации под действием высоких температур.

Этот теплообменник отличает не только увеличенная поверхность теплообмена и эффективное перемешивание с интенсивным усвоением тепла обрабатываемым материалом, но и снижение пылеобразования в зоне подогрева. Простота конструкции позволяет изготавливать колосниковый теплообменник и на базах «Цемремонта», и в механических цехах цементных заводов.

Колосниковый теплообменник был разработан для печей 5,0×185 м, испытан в одной из таких вращающихся печей и показал хорошие результаты по теплообмену при низком пылеуносе. НИИЦементом разработан колосниковый теплообменник и для меньших печей (в частности, для печи размерами Ø 4,0×3,6×4,0×118 м для Верхнебаканского цементного завода, где экономический эффект от его установки составил свыше 5 млн руб.).

Зона декарбонизации является наиболее энергоемкой и в тепловом отношении главной зоной вращающейся печи, т.к. в ней расходуется основное количество тепла, необходимое для термохимических процессов, достигающее до 500 ккал и более на 1 кг клинкера. В следующей за ней зоне спекания на процесс насыщения известью двухкальциевого силиката до трехкальциевого силиката расходуется лишь около 2 ккал на 1 кг клинкера. Поэтому зоной, тормозящей интенсификацию процесса обжига, является зона декарбонизации. Большое количество углекислоты, выделяющееся при разложении карбонатного компонента (примерно 0,5 т на 1 т клинкера) и поступающее в поток топочных газов, охлаждает их, поглощая соответствующее количество тепла на ее нагрев. Замеры температур газового потока и материала в зоне декарбонизации вращающихся печей показали, что температуры эти явно недостаточны для интенсивного процесса декарбонизации. Известно, что при температуре материала 900 оC процесс разложения углекислого кальция идет очень медленно и что его можно ускорить в 3–10 раз путем повышения температуры материала на 100–300 оC. Интенсивный подъем температуры в зоне декарбонизации возможен только путем дополнительного подвода тепла.

В результате большого объема экспериментальных работ, полупромышленных и промышленных испытаний установлено, что самым эффективным способом интенсификации теплообмена и процесса разложения карбоната кальция в зоне декарбонизации длинной вращающейся печи является сжигание части топлива в слое материала в этой зоне и создание псевдоожиженного слоя материала при одновременном его пересыпании. Был создан и испытан в промышленных условиях отечественный встроенный декарбонизатор для длинных вращающихся печей (авторы - Н.И. Ференс, В.А. Кулабухов и др.) на Разданском цементном заводе и создана установка по вводу отработанных покрышек и других техногенных топливосодержащих отходов в «середину» печи.

Дополнительным сжиганием топлива в зоне декарбонизации можно ускорить подъем температуры в интервале между температурой декарбонизации и температурой спекания, обеспечить активацию компонентов обжигаемого материала перед спеканием и тем самым сократить продолжительность клинкерообразования и улучшить качество клинкера.

Оснащение вращающейся печи встроенным декарбонизатором или установкой по сжиганию отработанных автопокрышек может значительно повысить ее производительность (на 20% и более) и снизить удельный расход топлива на 10–15%.

Этот способ подачи горючих отходов в «середину» печи (так называют его за границей) применяет сейчас и ряд зарубежных заводов.

Охлаждение клинкера . Для интенсификации процессов обжига клинкера необходимо повысить температуру воздуха, выходящего из холодильника, до 700–800 оC при одновременном уменьшении потерь тепла с выходящим из печи клинкером и избыточным для печи воздухом.

В применяемых в настоящее время на отечественных заводах колосниковых холодильниках типа «Волга» использование тепла вторичного воздуха, поступающего в печь, составляет не более 70%. Эти холодильники отличаются очень высоким расходом электроэнергии, затрачиваемой на работу дутьевых и вытяжных вентиляторов и на приведение в движение рамы колосниковой решетки. В них осуществляется излишне резкое охлаждение клинкера, понижающее его качество и размалываемость. До 40% воздуха, нагретого охлаждаемым клинкером, является излишним и выбрасывается в атмосферу, причем для его очистки от пыли применяется мощная пылеулавливающая установка со значительными затратами электроэнергии.

Чтобы регламентировать температурный режим охлаждения клинкера, от которого зависит кристаллическая структура клинкерных минералов, определяющая качество клинкера и затраты энергии на его измельчение, целесообразно осуществить модернизацию клинкерного холодильника. Можно, например, разделить камеру холодильника перегородкой для осуществления двойного прососа воздуха через удвоенную (в сравнении с обычно принятой) толщину слоя охлаждаемого клинкера и осуществить рециркуляцию избыточного для печи воздуха с целью повышения теплосодержания воздуха, поступающего в печь.

Осуществление комплекса вышеперечисленных мероприятий по интенсификации процессов обжига в отечественных мощных вращающихся печах мокрого способа позволит повысить их производительность на 30%, снизить удельный расход топлива на обжиг клинкера на 10–15%, удельный расход электроэнергии на 10–15% и улучшить качество клинкера.

Работы по подготовке и осуществлению мероприятий по интенсификации процессов обжига в действующих вращающихся печах мокрого способа производства, выполненные ранее институтом «НИИЦемент», ОАО «НИИЦемент» может и выполняет на заводах в настоящее время.

У нас в стране всегда уделялось большое внимание совершенствованию технологии мокрого способа, оптимизации и интенсификации процесса обжига клинкера в длинных вращающихся печах. Следует напомнить, что у нас созданы и проверены в промышленных условиях двухпоточная технология обжига клинкера путем введения в длинную вращающуюся печь мокрого способа сухих техногенных и природных материалов (шлаков, зол, базальтов, сухой известняковой муки и др.) вторым (с «холодного конца» печи) потоком, Р-обжиг с вдуванием молотого известняка в зону спекания (третьим потоком с «горячего конца») со снижением удельного расхода топлива до уровня полусухого способа, а также описанная выше технология подачи в «середину» печи (в зону декарбонизации) и сжигания техногенных видов топлива и топливосодержащих отходов, твердых бытовых отходов для замены до 50% природного технологического топлива.

Также созданы и проверены в промышленных условиях способы термохимической активации и модификации низкоосновных клинкеров, интенсификации процессов клинкерообразования при использовании минерализаторов, способы получения клинкерных фаз с повышенным содержанием MgO и возможностью использовать низкосортное высокомагнезиальное сырье.

При оснащении печи современными пыле- и газоочистными установками одновременно решается и ряд экологических проблем: утилизация отходов, рациональное использование природных сырьевых и топливных ресурсов, снижение вредных пылегазовых выбросов, а значит, уменьшение нагрузки на воздушный бассейн и в целом на окружающую среду.

Проблемы повышения энергетической эффективности цементного предприятия путем снижения издержек производства при переходе на более дешевое твердое топливо, применении различных видов отходов в качестве сырья и замены природных видов топлива горючими отходами подробно освещены в переводах и обзорах, выполненных в ОАО «НИИЦемент».