CC BY
68УДК 691.51:621.783.235
А.В. МОНАСТЫРЕВ, канд. техн. наук
Эффективные короткие вращающиеся печи для производства извести высокого качества
Известь в промышленности строительных материалов производится в основном обжигом известняка фракции 50—150 мм в шахтных печах, и только небольшая часть выпускается обжигом фракции 20—45 мм во вращающихся печах, что объясняется отсутствием испытанных образцов экономичных коротких вращающихся печей отечественной конструкции для обжига известняка этой фракции.
В 1973—1975 гг. автором статьи были предложены эффективные конструкции шахтного подогревателя сырья и шахтного холодильника извести [1, 2], при использовании которых типовые вращающиеся печи размером 02,3x22 м, 02,5x40 м, 03,6x50 м, 04x60 м смогли выпускать известь, содержащую 85—90% активных СаО+М§О и 3—4% остаточного СО2 при удельном расходе условного топлива 200 кг.
В настоящее время появились возможности разработки и строительства коротких вращающихся печей, оснащенных эффективными запечными шахтными теплообменниками, для обжига чистого известняка фракции 20—45 мм с получением извести высокого качества при удельном расходе 160 кг условного топлива, стоимость и эксплуатационные расходы которых в 1,5—2 раза ниже зарубежных.
Более 80% общего производства извести на предприятиях строительных материалов выпускается в шахтных печах, обжигающих известняк с размером кусков более 45 мм, в связи с чем на заводах, располагающих собственными карьерами, известняк фракции 0—45 мм часто не находит сбыта, скапливается в отвалах, что увеличивает себестоимость производимой извести. В то же время известняк фракции 20—45 мм — прекрасное сырье для выпуска качественной извести.
Поставляемые ОАО «Волгоцем-маш» (г. Тольятти, Самарской обл.) короткие вращающиеся печи значительно уступают по всем показателям оборудованию зарубежных фирм, выпуская известь, содержащую 5—8% остаточного СО2, и расходуя 250—270 кг условного топлива на 1т продукции [3, 4, 5].
Например, вращающаяся печь фирмы <^е11пег^1е§;1ег» (ФРГ) размером 03,75x55 м (Ь/Д = 14,67), оснащенная шахтными противоточными подогревателем известняка (рис. 1) и холодильником извести (рис. 2), мощностью 450 т/сут, построенная в Бельгии в 1965 г., при обжиге мытого известняка фракции 20—50 мм производила известь с содержанием активных СаО+М§О=96%, остаточного СО2 = 0,6% при удельном расходе условного топлива 176 кг. Вращающиеся печи этой фирмы производительностью 300—600 т/сут, оснащенные шахтными противоточны-ми подогревателями известняка и холодильниками извести, работают в Германии, Англии, Бельгии и других странах [4, 5].
Шахтный противоточный подогреватель сырья (рис. 1) состоит из цилиндрической шахты 3, внутри которой соосно установлен пустотелый керамический керн 7, образующий с футеровкой шахты кольцевое пространство шириной 1,534 м и высотой 6 м. Футеровка шахты выполнена таким образом, что образует по ее периметру восемь отсеков, в каждом из которых расположен механизм выгрузки материала в виде толкателей 2 с гидравлическим приводом. В нижней части керна по его периметру устроено восемь отверстий 8, служащих для выгрузки материала из кольцевого пространства в загрузочную течку 10 печи. Восемь отверстий 1 в керне служат для поступления печных газов в кольцевое пространство, в котором они движутся в противотоке с опускающимся материалом. Керамическая конструкция подогревателя позволяет использовать отходящие из печи при температуре 1050оС газы для подогрева известняка до температуры 870оС, при которой за время пребывания в нем материала происходит декарбонизация М§СО3 и до 40% СаСО3. В результате большого потребления тепла на диссоциацию карбонатов печные газы выходят из подогревателя с температурой 300—350оС. Подогреватель отличается от конструкций других зарубежных фирм низкой металлоемкостью.
Шахтный противоточный холодильник извести (рис. 2) снабжен камерой 3 диаметром 2 м и высотой 2,8 м, в которую из зоны обжига вращающейся печи 2 при температуре 1100оС поступает известь. Подогретый в шахте холодильника до температуры 530оС воздух поступает в печь, минуя камеру 3. Поэтому в кусках извести за время их пребывания в камере 3 при температуре 1100—1050оС практически полностью завершается процесс декарбонизации остаточного СО2 без затраты топлива. Известь охлаждается в теплообменнике до +50оС.
Общим недостатком шахтных противоточных теплообменников как отечественных, так и зарубежных фирм является их высокое аэродинамическое сопротивление, составляющее 6—8 кПа, что требует применения дымососов высокого разрежения или два последовательно включенных серийно выпускаемых дымососа.
В 1973 г. автором статьи с использованием а. с. СССР на изобретения [1, 2] были разработаны технические задания на разработку проектов серии коротких вращающихся печей производительностью 25—500 т/сут высококачественной извести, оснащенных шахтными противоточно-прямоточными подогревателями — декарбонизаторами сырья и холодильниками — декарбонизаторами извести, для обжига чистого известняка фракции 20—45 мм, в которых расчетный удельный расход условного топлива при работе на мазуте или природном газе не превышал 200 кг, что было в 1,5 раза меньше, чем у находившихся в эксплуатации печей.
Шахтный противоточно-прямо-точный подогреватель — декарбони-затор сырья конструкции А.В. Мо-настырева для печи 04x44 м (рис. 3) имеет одинаковые элементы проти-воточной части с подогревателем сырья фирмы <^е11пег^1е§1ег» (рис. 1). Главным отличием является расположение в верхней части керамического керна 12 восьми отверстий 5и клапана 9, служащих для перепуска части печных газов в кольцевое пространство прямоточной секции подогревателя. Выходящие из отверстий 5 при температуре
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал
Ы' ® май 2010 75"
Рис. 1. Шахтный противоточный подогреватель сырья фирмы <^е!!пег^1ед!ег»: 1 - отверстия для прохода печных газов; 2 - плунжерный толкатель; 3 - шахта; 4 - патрубок; 5 - механизм загрузки; 6 - кольцевой коллектор отходящих газов; 7 - керамический керн; 8 - полость; 9 - опора; 10 - футерованная течка
1100оС печные газы движутся в прямотоке с опускающимся в кольцевом пространстве холодным и влажным материалом, загружаемым в кольцевую шахту 6 механизмом загрузки 7. В результате испарения влаги и подогрева материала до 300—320оС температура газов снижается с 1100 до 368оС (рис. 4). Регулирование объема печных газов, поступающих в прямоточную секцию, производится перемещением керамического клапана 9, соединенного штангой 8 с приводом клапана.
Общий поток выходящих из печи 14 газов на входе в керамический керн 12 разделяется на два неравных по объему потока. Больший по объему поток газов через восемь отверстий 3 поступает при 1100оС в кольцевое пространство подогревателя шириной 1 м, образованное стенками шахты 6 и керна 12, где проходит в противотоке с опускающимся материалом и вместе с газами прямоточной секции входит в кольцевой канал 4 футеровки, из которого общий поток отходящих газов под действием разрежения, создаваемого дымососом, по футерованным трубам 11 и коллектору 10 поступает в очистное устройство.
Опускающийся в противоточ-ную секцию теплообменника при температуре 300—320оС материал подогревается до температуры 850—880оС (рис. 4), при которой в нем за расчетное время декарбони-зируется весь М§СО3 и 40—45% СаСО3, после чего он толкателями 2 выгружается через отверстия 1 в течку 15.
Рис. 2. Шахтный противоточный холодильник извести фирмы <^е!!пег^1ед!ег»: 1 - шахта; 2 - вращающаяся печь; 3- камера декарбонизации извести; 4 - канал; 5 - дутьевой конус; 6 - вибропитатель; 7 - шлюзовой затвор; 8 - опора; 9 - бункер; 10 - разгрузочная воронка
Выгрузочная часть противоточ-ной секции подогревателя выполнена в виде радиально расположенных по окружности кольцевого пространства восьми двухскатных стенок, между которыми образованы полости, расположенные между отверстиями 1 в керне и отверстиями в футеровке шахты 12. По дну каждой полости совершают возвратно-поступательное движение плунжер -ные толкатели 2 с гидроприводами (рис. 5), перемещая кусковой материал через отверстия 1 к каналу течки 15. Расположение отверстий 3 выше поверхности двухскатных гребней и отверстий 1 имеет следующие достоинства: образующийся при разделении гребнями разрыхленный слой материала способствует свободному проходу газов из отверстий 3 в кольцевое пространство противоточной секции подогревателя, а опускающийся материал предохраняет плунжерные толкатели от перегрева газами с высокой температурой.
Таким образом, предлагаемая конструкция шахтного противоточ-но-прямоточного подогревателя-декарбонизатора сырья имеет следующие преимущества:
— применение недорогих керамических жаропрочных материалов позволяет повысить температуру входящих в подогреватель газов до 1100оС и выше, обеспечивающих нагрев сырья до температуры 850—880оС, при которой в сырье происходит декарбонизация 40—45% СаСО3;
— выполнение несущих и ограждающих элементов подогревателя из слоя жаропрочных и теплоизоляци-
Рис. 3. Шахтный противоточно-прямоточный подогреватель - декарбонизатор сырья конструкции А.В. Монастырева для печи 04x44 м:
1 - отверстия для выгрузки материала;
2 - плунжерный толкатель; 3 - отверстия ввода печных газов в противоточную секцию кольцевой полости; 4 - кольцевой канал; 5 - отверстия ввода печных газов в прямоточную секцию кольцевой полости; 6 - шахта; 7 - двухклапан-ный механизм загрузки сырья; 8 - штанга; 9 - клапан; 10 - кольцевой коллектор отходящих газов; 11 - патрубок; 12 - керамический керн; 14 - печь; 15 - футерованная течка
онных материалов обеспечивает низкие потери тепла шахтой 6 в окружающую среду #ос<0,02§т (^ — удельный расход топлива на обжиг);
— в дождливую погоду, осенью, зимой в подогреватель поступает материал высокой влажности, что без переточного устройства снижает в нем степень декарбонизации материала; наличие переточного устройства 5, 9 позволяет управлять поступлением в противоточную секцию теплообменника материала с постоянной температурой, обеспечивая в ней заданную степень декарбонизации сырья;
— во вращающуюся печь загружается материал, на завершение термообработки которого во вращающейся печи необходимо затратить около 50% тепла и времени, в результате чего производительность печи увеличивается в 1,83 раза; в связи с тем, что потери тепла корпусом печи qос = 0,15^, а в подогревателе qос = 0,02^, общие потери тепла в окружающую среду печной установкой qос снижаются более чем в 2 раза;
— в связи с разделением общего потока печных газов на два параллельных аэродинамическое сопротивление теплообменника снижается в 2—3 раза, составляя 2,6—2,8 кПа вместо 6—8 кПа у противоточных конструкций, что сопровождается снижением потребления электроэнергии дымососом на 25—30%.
Предложенный подогреватель сырья отличается от известных ком-
76
научно-технический и производственный журнал
май 2010
feWlSilitfibilS Ы ®
Рис. 4. График расчетных значений температуры газов и материалов во вращающейся печи 04x44 м конструкции А.В. Монастырева: 1 - воздух; 2 - материал; 3 - печные газы
пактностью и минимальном металлоемкостью [2].
Шахтный противоточно-прямо-точный холодильник — декарбониза-тор извести конструкции А.В. Монастырева (рис. 6) [3] состоит из теплоизолированной шахты 5, со-осно расположенных с ней керамического 3 и чугунного 15 кернов, дискового питателя 1, 12 с приводом 11 и футерованного коллектора 4 для отвода горячего воздуха. Шахта и керны снабжены отверстиями 7, 8, 13 для прохода холодного и подогретого воздуха. Известь при температуре 1100оС из вращающейся печи через приемную воронку поступает в камеру-декарбони-затор 6 холодильника, в которой содержащийся в кусках извести недожог СаСО3 практически полностью освобождается от СО2 за счет накопленного тепла. Из камеры 6 известь поступает в прямоточную секцию холодильника, охлаждаясь воздухом до температуры 600—650оС и нагревая его до 560оС. Продолжая опускаться, куски извести поступают в противоточную секцию холодильника, где охлаждаются воздухом до температуры 80оС и ссыпаются с диска питателя на конвейер 2.
Общий поток поступающего в холодильник воздуха разделяется на два неравных по объему потока. Больший по объему поток входит в противоточную секцию кольцевого слоя материала, через жалюзи 13 чугунного керна 15, кольцевой канал и патрубки 8 поступает в коллектор 4. Меньший по объему поток воздуха входит в прямоточную секцию кольцевого слоя через патрубок с поворотной регулирующей заслонкой 14, полость керамическо-
6 5 4
3
Ш
9
10 11
Рис. 5. Привод плунжерного толкателя механизма выгрузки шахтного подогревателя сырья: 1 - опорная рама; 2 - гидроцилиндр; 3 - ось; 4 -головка поворотная; 5 - шток; 6 -фланец направляющего устройства; 7 - корпус подогревателя; 8 - шланг гидросистемы
го керна и отверстия (7), после чего соединяется с горячим воздухом противоточной секции в кольцевом канале, устроенном в футеровке шахты (5). Из коллектора (4) горячий запыленный воздух проходит очистку от пыли в футерованном циклоне (на рисунке не показан) и вентилятором нагнетается в выгрузочную головку печи.
Предлагаемая конструкция холодильника — декарбонизатора извести имеет следующие преимущества:
— обеспечивает выпуск печной установкой извести с максимальным содержанием активных СаО+MgO и минимальным содержанием остаточного СО2;
— выполнение основных элементов холодильника из недорогих керамических и теплоизоляционных материалов обеспечивает подогрев воздуха до максимально возможной температуры;
— теплообменник работает под разрежением, поэтому пылевыделе-ние отсутствует;
— горячий воздух перед подачей в печь проходит очистку от пыли, что облегчает управление процессом сжигания топлива и положением факела в зоне обжига;
— разделение общего потока воздуха на два параллельных потока снижает более чем в 2 раза общее аэродинамическое сопротивление холодильника, что снижает электропотребление вентилятора на 25—30%;
— выгрузочное устройство холодильника отличается простотой и надежностью и широко применяется в металлургической промышленности.
Короткая вращающаяся печь конструкции А.В. Монастырева размером 04x44м мощностью 550 т/сут,
^ .. ■ ^ Л 11 л;.' '1
\ \ \ 2 1 16 15 14 13 12
Рис. 6. Шахтный противоточно-прямоточный холодильник - декарбонизатор извести конструкции А.В. Монастырева: 1 - металлический диск; 2 - конвейер извести; 3 - керамический керн; 4 - футерованный кольцевой коллектор горячего воздуха; 5 - шахта; 6 - декарбониза-тор извести; 7- отверстие; 8 - кольцевой канал с отверстиями; 9 - опорная плита; 10 - опора; 11 - приводная шестерня; 12 - опорный каток; 13 - жалюзи; 14 - патрубок с поворотной регулирующей заслонкой; 15 - чугунный керн; 16 - опора керна
оснащенная описанными выше шахтными противоточно-прямоточ-ными подогревателем — декарбони-затором сырья и холодильником — декарбонизатором извести, отличается наличием откатной загрузочной головки с футерованной течкой, устройства аэродинамического уплотнения загрузочной головки с печью, применением порогов и теплоизолированной футеровки, выполненных с применением СВС-технологии.
Новые возможности создания недорогого, надежного и экономичного запечного теплообменного оборудования и футеровки вращающейся печи открываются с применением керамических элементов из уникальных жаростойких особо легких ячеистых бетонов, а также растворов и покрытий на основе технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), разработанных ЗАО НПКФ «МаВР» (г. Жуковский Московской обл.), используемых в космических аппаратах и начинающих применяться в цементной, металлургической, химической промышленности [6]. Смеси нетоксичны и представляют собой мелкодисперсные композиционные порошки из минеральных компонентов.
Например, особо легкий жаропрочный ячеистый СВС-бетон отличается повышенной температурой применения, высокой прочностью, химической и эрозионной стойкостью, стойкостью к истиранию. Порошкообразный СВС-раствор
7
8
j'vJ ®
научно-технический и производственный журнал
май 2010
77
перед употреблением затворяется жидким стеклом и используется как обычный кладочный раствор. При достижении температуры около 850оС в швах кладки инициируется процесс СВС с образованием фронта волны направленного горения, приводящий к кратковременному образованию высокотемпературного расплава, который пропитывает кирпичи кладки на глубину до 0,5 мм и сваривает их в монолит. Огнеупорность мертеля после СВС составляет 1800оС, термостойкость более 50 теплосмен. СВС-покрытие кирпичей кернов подогревателя сырья или холодильника извести, футеровки шахты, порогов и футеровки зоны обжига вращающейся печи придает шамотным огнеупорам те же свойства, что и у раствора.
В настоящее время было бы целесообразно приступить к созданию и внедрению в производство отапливаемых газообразным или жидким
топливом коротких вращающихся печей конструкции А.В. Монасты-рева для обжига чистого известняка фракции 20—45 мм с получением извести, содержащей 85—90% активных СаО+MgO и 3—4% остаточного СО2 при удельном расходе 160 кг условного топлива с размером барабана (м) производительностью (т/сут): 1,2x12 - 28; 2,3x22 - 145; 2,5x26 -180; 3,6x40 - 420; 4x44 - 550.
Ключевые слова: производство извести, шахтный подогреватель сырья, шахтный холодильник извести, короткие вращающиеся печи.
Список литературы
1. Монастырев А.В. Устройство для подогрева кускового материала. А. с. 407166 СССР. Б.И. 1973. №46.
2. Монастырев А.В. Устройство для подогрева кускового материала.
А. с. 471498 СССР. Б.И. 1975 № 19.
3. Монастырев А.В. Пути технического прогресса в производстве металлургической извести // Сталь. 1990. № 1. С. 102-104.
4. Монастырев А.В., Александров А.В. Печи для производства извести. М.: Металлургия, 1979. 233 с.
5. Quittkat W.G., Jank F. Planung und Inbetriebsetzung einer Drehofenanlage zur Herstellung von 600 t/d Stahlwerks in Wuhan / / ZEMENT-KALK-GIPS. 1981. № 7. S. 370-376.
6. Владимиров В. С., Мойзис С.Е. и др. Новые огнеупорные и теплоизоляционные материалы и технологии их производства // Новые огнеупоры. 2002. № 1. С. 81-88.
УДК 66.041.3-65: 691.365
А.И. НИЖЕГОРОДОВ, канд. техн. наук (nastromo_irkutsk@mail.ru), директор ООО «Квалитет» (Иркутск)
Критерии выбора оптимального режима работы электрической модульной печи для обжига вермикулита
Изучению электрических модульно-спусковых печей посвящено уже несколько работ [1, 2, 3, 4], однако до сих пор не был решен вопрос об оптимальном соотношении температуры и времени обжига, при котором показатели печи — производительность, КПД и удельная энергоемкость имели бы экстремальные значения.
Задачей исследования является определение критериев выбора оптимального режима работы модульно-спусковой печи.
Термодинамика системы печь—среда описывается системой уравнений:
dQ■ / dt = 3 хIпа ихлп /лтд! (1)
1па и = Т4 Ен сти х(21 + 2/0 + яг)/к4; (2)
Пп = ЕЮ) хП Лтд /3 х1па и х3600 (3)
(1) — дифференциальное уравнение баланса мощностей системы печь—среда отражает воздействие температурного поля на поток вермикулитового концентрата, определяет время обжига и уровень температурного излучения;
(2) — уравнение баланса подводимой электрической энергии и энергии температурного излучения в одном модуле печи;
(3) - зависимость коэффициента полезного действия печи от производительности и электрической мощности.
Разделяя переменные и интегрируя уравнение (1) по времени, получим:
Q2 = 3 х1тШхЛп/ Птд+ С, (4)
где С - постоянная интегрирования при t = 0, равная нулю.
Подставляя уравнение (2) в правую часть уравнения (4), получим:
Q2 = 3 хТ4 ен an х(21 + 2l0 + яг) 2х t^ / Лтд кп,
где n (2l + 2l0 + яг) 2х = S2 - суммарная площадь поверхности нагревателей. Развернем левую часть полученного уравнения и разделим на время:
m/t (0,816 с KjAT + 0,184 спо + 0,184 сп ДТ) =
= 3Т4 ен a S2 хпп/ Лтд кп. (5)
Полученное уравнение, связывающее температуру, время и массу концентрата, описывает термодинамическое равновесие системы: печь-среда (n - количество нагревателей на модуле; l - длина модуля; l0 - зона крепления; яг - периметр консоли нагревателя; 2х - периметр сечения нихрома; птд - термодинамический КПД процесса обжига (~0,468); кп - коэффициент, учи-
научно-техничесшй и производственный журнал (Qyj
78
май 2010
