CC BY
95УДК 691.51:66.041.44
А.В. МОНАСТЫРЕВ, канд. техн. наук
Некоммерческое партнерство производителей извести (394001, г. Воронеж, ул. Ленина, 73)
Эффективные отечественные шахтные печи для обжига известняка фракции 30-120 мм
Приведен опыт реконструкции дробильно-сортировочного и печного оборудования на заводе в Свердловской области с целью улучшения технико-экономических показателей работы и расширения диапазона размера обжигаемого сырья. В результате проведения комплекса работ на дробильно-сортировочном участке получена возможность обжига известняка фракции 30-50 мм в печи № 1 и фракции 50-120 мм в печи № 2. Реконструкция двух шахтных печей включала изменения решения в загрузочных устройствах, позволивших направлять более крупные куски сырья в приосевую область шахты и устранившие простаивание печей из-за обрыва тросов. Разработаны оригинальные конструкции подачи природного газа в приосевую область зоны обжига с применением керамического керна в печи № 1 и осевой горелки в печи № 2; усовершенствована конструкция периферийной горелки. Эти мероприятия позволили получить в поперечном сечении зоны обжига печей равномерное температурное поле, что повысило степень обжига известняка и активность получаемой извести. Подобраны эффективные огнеупорные материалы, увеличивавшие срок службы футеровки в зоне обжига печей и защитных фурм периферийных горелок. В итоге производительность каждой печи выросла с 70 до 90 т/сут, содержание активных СаО+МдО в извести увеличилось с 65-70 до 80-85%, а расход газа снизился с 140 до 125 м3 на 1 т извести, что позволило использовать ее для производства сухой гидратной извести.
Ключевые слова: Известь, обжиг известняка, шахтная печь, загрузочные устройства, периферийные горелки.
A.V. MONASTYREV, Candidate of Sciences (Engineering)
Non-commercial Partnership of Lime Manufacturers (73, Lenina Street, 394001, Voronezh, Russian Federation)
Efficient Domestic Shaft Kilns for Burning of Limestone of 30-120 mm Fraction
The experience in reconstruction of screening-and-crushing and kiln equipment at the factory in Sverdlovsk Region with the purpose to improve technical and economic indicators of operation and to expand the diapason of sizes of raw materials burnt is presented. As a result of realization of a complex of works at the screening-and-crushing sector the possibility of burning of limestone of 30-50 mm fraction in the kiln №1 and 50-120 mm fraction in the kiln № 2 has been obtained. The reconstruction of two shaft kilns included the change in design of charging feeders that made it possible to direct bigger pieces of raw material in the near-axial zone of the shaft and to eliminate the downtime of kilns due to breakage of rope. Original designs of natural gas supply to the near-axial part of the burning zone with the use of ceramic kern in the kiln №1 and an axial burner in the kiln № 2 have been developed; the design of the peripheral burner has been improved. These measures make it possible to receive the uniform temperature field in the cross-section of the burning zone of kilns that improves the level of limestone burning and activity of manufactured lime. Efficient fire-proof materials were selected that increased the service life of lining in the burning zone of kilns and protective tuyeres of peripheral burners. As a result the output of each kiln increased from 70 up to 90 tn/day, content of active CaO+MgO in lime increased from 65-70% up to 80-85%, gas consumption reduced from 140 up to 125 m3 per 1 tn of lime that made it possible to use it for producing the dry hydrate lime. Keywords: lime, lime burning, shaft kiln, feeders, peripheral burners.
В известковом цехе ООО «Комбинат строительных материалов» (г. Богданович Свердловской обл.) работают две печи проектной производительностью 100 т/сут с рабочей высотой шахты 12 м и диаметром в зоне обжига 3,2 м. Еще в советское время отопление печей было переведено с угля на природный газ =33,52 МДж/м3) без наращивания шахты, что привело к неудовлетворительной их работе [2]. При обжиге известняка класса Б по ОСТ 21—27—76 «Породы карбонатные для производства строительной извести. Технические условия» фракции 40—80 мм производительность каждой печи составляла 70—75 т/сут при содержании активных Са0+Мg0=65—70% и удельном расходе условного топлива 160 кг. Низкие показатели работы печей были обусловлены также несовершенной конструкцией механизма загрузки, неэффективной системой ввода и сжигания природного газа в зоне обжига, состоявшей из расположенных в два яруса двенадцати периферийных горелок, и разбросом размеров кусков обжигаемого сырья от 40 до 200 мм.
В последующие годы по инициативе начальника цеха извести С.А. Бортникова и при его активном участии обе шахтные печи несколько раз реконструировались, что существенно улучшило их работу. Приведем наиболее значительные из внедренных технических решений (рис. 1).
Модернизирован привод двухклапанного загрузочного устройства с реверсивной лебедкой, при котором колокола 4 и 5 прежде поднимались и опускались с помощью закрепленного на барабане лебедки стального каната. По этой схеме при подъеме нижнего колокола
лебедкой с помощью стального троса и системы блоков на заданную высоту он замыкал конечный выключатель (ВК) и лебедка включалась на реверс. В случае отказа ВК сигнал на реверс лебедки не поступал и происходил обрыв каната, приводящий к падению ковша. На рис. 1 приведен механизм загрузки печи № 1 после реконструкции.
Новая конструкция привода нижнего клапана-колокола 5 включает электродвигатель 12, ременную передачу и редуктор 13, на валу которого закреплен эксцентриковый диск 15 с противовесом 14. Оба клапана механизма загрузки переведены на включение индивидуальными бесконтактными ВК. При этом ковш включает ВК во время своего опускания и электропривод вращает вал с эксцентриковым диском, поднимая нижний колокол 5. Затем электродвигатель отключается и колокол под действием своей массы и противовеса диска опускается, делая полный оборот, поэтому трос никогда не обрывается, что снижает простои печи, увеличивая ее среднегодовую производительность. Натяжение каната лебедки регулируется специальным устройством, соединенным с тросовым приводом лебедки.
Механизм загрузки известняка (рис. 1, а) дополнен неподвижным распределительным конусом 6, закрепленным на двух параллельно расположенных швеллерах. При подъеме нижнего клапана 5 фракционированное сырье ссыпается на равнобокий конус 6, который отбрасывает крупную его фракцию примерно на середину радиуса шахты, постепенно образуя конус, крупные куски которого по его внутренней поверхности
научно-технический и производственный журнал
12
б 15
18 13
Рис. 1. Механизм загрузки шахтных печей ООО «КСМ» конструкции С.А. Бортникова: а - механизм загрузки; б - электромеханический привод нижнего клапана; 1 - приемная чаша; 2, 3 - блоки; 4, 5 - верхний и нижний клапаны (колоколы); 6 - конус-распределитель; 7 - швеллер; 8 - патрубок; 9 - ствол скипового подъемника; 10 - отверстие для датчика радиоизотопного уровнемера сырья в печи; 11 - свод шахты; 12 - электродвигатель; 13 - редуктор; 14 - противовес; 15 - эксцентриковый диск; 16 - клапан взрывобезопасности; 17 - стальной трос; 18, 20 - шкив; 19 - ремень; 21 - рама; 22 - вал; 23 - опоры подшипниковые; 24, 25 - шестерни зубчатые
ссыпаются в приосевую область, а средние и мелкие распределяются ближе к пристенной области шахты. Установка конуса 6 выравнивает скорости газового потока по поперечному сечению шахты в зоне обжига, обеспечивая более полное и равномерное сгорание топлива в поперечном сечении. Управление загрузочным устройством автоматизировано и осуществляется по сигналу уровнемера сырья в печи. Механизм загрузки сырья отличается простотой конструкции его узлов и возможностью их изготовления силами механического цеха любого предприятия.
Футеровка шахты печей в зоне высоких температур выполнена из высокоогнеупорного кирпича марки ПХСУТ (ГОСТ 10888-93), что привело к увеличению срока ее службы до пяти лет. Для теплоизоляции шахты применен эффективный легковесный шамотный кир-
20 12
480
15 22 23
24
25
12
пич марки ШЛБ-1,3. Кладка зоны подогрева печи опирается на стальное кольцо 14 (рис. 3), установка которого позволяет заменять футеровку зоны обжига во время ремонта печи без разрушения футеровки и теплоизоляционного слоя зоны подогрева.
При реконструкции устройств выгрузки извести из печей выполнены следующие изменения. Асинхронный электродвигатель электромеханического привода пластинчатого питателя снабдили частотным преобразователем. Это позволяет плавно менять производительность печи. Заднюю стенку течки, по которой известь поступает на ленту пластинчатого питателя, оснастили механизмом изменения угла ее наклона в пределах 55-70о, что дает возможность регулировать равномерность выгрузки извести из печи при нарушениях режима обжига материала.
Рис. 2. Фотографии загружаемого в шахтные печи известняка фракции 30-50 мм: а - до реконструкции дробильно-сортировочного узла; б - после реконструкции
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
~84 май 2014 Ь^ШШ'
i-i
IV-IV
15 6
Из-за недостаточной высоты зоны охлаждения в печах температура выгружаемой извести составляла 250— 300оС, что часто приводило к прогораниям ленты конвейера. При реконструкции печей пластинчатый питатель был заключен в перфорированный кожух и установлен вентилятор, продувающий через кожух и слой извести на ленте питателя холодный воздух, который после очистки от известковой пыли выбрасывается через трубу в атмосферу. В результате температура извести на выходе из питателя снизилась до 50—80оС и повреждения резиновой ленты конвейера извести прекратились.
Большой комплекс работ по улучшению фракционного состава обжигаемого известняка выполнен на дробильно-сортировочном участке комбината. Итогом их является раздельный обжиг известняка, при котором фракция 30—50 мм обжигается в шахтной печи № 1, фракция 50—120 мм — в печи № 2. На рис. 2 показан фракционный состав известняка, используемый на печи № 1 до реконструкции (а) и после реконструкции (б).
Шахтная печь № 1 (рис. 3) представляет особый интерес. Печь отличается тем, что при ее реконструкции впервые в РФ и стран СНГ ввод топлива в приосевую
Рис. 3. Шахтная печь №1 с керамическим керном производительностью 90 т/сут: а - шахтная печь; б - поперечное сечение части керамического керна; в - вид сверху канала 20 керна 17 с поперечной стенкой; г - расположение горелок в шахте по сечениям III-III и IV-IV; 1 - питатель пластинчатый; 2 - футеровка; 3 - теплоизоляционный кирпич; 4 - топочная горелка; 5 - окна керна; 6 - кожух шахты; 7 - распределительный конус; 8 - патрубок отбора печных газов; 9 - предохранительно-взрывной клапан; 10 - двухклапанный механизм загрузки сырья; 11 - ствол скипового подъемника; 12 - отверстие для датчика радиоизотопного уровнемера сырья; 13 - люк для ремонтных работ; 14 - опорное кольцо; 15 - периферийная горелка; 16 - центральная керно-вая горелка; 17 - керамический керн; 17 18 - кладка из шамотного кирпича БУ;
— 19 - фундамент печи; 20 - жаровочный
15 канал керна; 21 - перфорированный кожух
Нижний ярус питателя; 22 - конвейер ленточный
горелок
область зоны обжига осуществляется при помощи керна, сложенного из кирпича марки ПХСУТ (ГОСТ 10888—93). Срок службы керна составляет около семи лет. Реализованная система привела к возможности успешного обжига в печи известняка фракции 30—50 мм, увеличению производительности печи, росту степени обжига сырья и снижению удельного расхода топлива.
Печь № 1 была реконструирована по проекту компании «Гипромез» с участием доцента Уральского технического университета В.В. Мадисона. В зоне обжига печи установлен одностенный керамический керн 17, снабженный разделенным поперечной стенкой жаро-вочным каналом 20 с четырьмя окнами 5 (рис. 3, б, в) с каждой стороны керна. Две керновые тангенциальные горелки 4 соединены с торцами жаровочного канала 20. Тангенциальная горелка (рис. 4), выпускаемая ООО «НТПФ «Эталон» (г. Магнитогорск Челябинской обл.), представляет собой футерованную цилиндрическую камеру, по оси которой закреплена горелочная труба, а через патрубок, расположенный по касательной к окружности цилиндра, в камеру подается холодный воздух. Горелка снабжена запальным устройством (свечой). Закрученный в камере воздух хорошо смешивается
а
fj научно-технический и производственный журнал
®
Таблица 1
Основные показатели известняка, обжигаемого в шахтных печах ООО «КСМ»
Наименование Печь № 1 Печь № 2
Фракция, мм 30-50 50-120
Содержание СаСО3, % 80-92 80-92
МдСО3, % 2-15 2-15
Содержание глинистых примесей, % 3-5 3-4
Лещадность, % менее 5 менее 10
Предел прочности при сжатии, Н/мм2 60-80 60-80
Рис. 4. Внешний вид тангенциальной горелки 4
с природным газом, а свеча зажигает образовавшуюся горючую смесь, которая частично сгорает в камере горелки и через выходное отверстие поступает в канал 20. Продукты частичного сгорания топлива в керновых горелках 4 поступают из канала 20 через окна 5 в приосе-вой слой сырья по обе стороны керна, куда также поступают природный газ и холодный воздух из центральной горелки 16; в межкусковом пространстве сырья зоны обвала печи топливо полностью догорает, развивая температуру до 1300—1350оС.
В стенках шахты в два яруса установлено 14 периферийных горелочных устройств (рис. 3, г), два из которых представляют собой выносные периферийные тангенциальные горелки 4 (рис. 4). Природный газ и холодный воздух также подаются в периферийные тангенциальные горелки 4, в камерах которых они хорошо смешиваются и частично сгорают в закрученном пото-
ке воздуха, после чего продукты неполного горения поступают в пристенный слой обжигаемого материала, где догорают.
В зоне обжига печи установлено двенадцать периферийных консольных фурменных горелок 15 конструкции С.А. Бортникова (рис. 3, г), в которые природный газ и холодный воздух поступают под давлением из соответствующих коллекторов. Фурменная горелка конструкции Бортникова (рис. 5) отличается тем, что короткая горелочная труба расположена в трубе-смесителе большего диаметра с головкой, снабженной соплом. Воздух подается вентилятором в трубу-смеситель, где смешивается с природным газом, образуя на выходе головки горелки горючую смесь, которая поступает в пристенный слой материала и постепенно полностью сгорает, смешиваясь с движущимся в шахте воздухом. При этом возле защитной фурмы горелки в зависимости от коэффициента избытка воздуха часто развивается слишком высокая температура, при которой срок службы защитной фурмы ограничивается несколькими месяцами. После ряда лет эксплуатации фурменных горелок Бортников стал применять защитные фурмы из жаропрочной стали с боковыми стенками толщиной 30 мм и футеровать их снаружи огнеупорным кирпичом марки ПХСУТ (рис. 5, б), что увеличило срок их службы до трех лет.
Благодаря сочетанию керамического керна с периферийными горелками в зоне обжига печи устанавливается равномерное высокотемпературное поле, обеспечивающее степень диссоциации известняка 92—93%, что для шахтной печи является хорошим показателем.
Зона обжига печи № 2 при реконструкции оборудована расположенными в два яруса периферийными консольными фурменными горелками конструкции Бортникова в количестве 16 шт. В начале зоны охлаждения печи на стальном опорном коробе установлена
Таблица 2
Основные показатели работы шахтных печей ООО «КСМ»
Наименование Печь № 1 Печь № 2
Средняя производительность по извести, т/сут 90 90
Качество извести: ППП % среднее содержание активных СаО+МдО, % время гашения, мин температура гашения, оС содержание непогасившихся зерен, % 4-6 82-85 5-7 68-75 5-12 5-7 75-80 5-7 65-73 10-15
Средний удельный расход топлива на 1 т извести: природного газа, м3 условного топлива, кг 125 143 125 143
Удельный расход электроэнергии, кВт-ч на 1 т извести 34 30
Температура отходящих газов, оС 200-250 200-250
Температура выгружаемой извести, оС 50-80 50-80
86
научно-технический и производственный журнал
май 2014
Рис. 5. Внешний вид периферийной горелки Бортникова: а - снаружи печи; б - в зоне обжига
осевая (центральная) горелка высотой около 1,5 м и диаметром в основании 0,6 м (рис. 6), которая отличается от известных конструкций [2] увеличенным сечением канала и отверстий для прохода воздуха и более обтекаемыми наружными формами корпуса. Природный газ
Рис. 6. Осевая (центральная) горелка конструкции Бортникова
подается в горелку по стальной трубе. Холодный воздух по пустотелому опорному коробу засасывается из атмосферы в горелку под разрежением в печи и вместе с топливом поступает в приосевую область шахты.
На печи № 2 применена оригинальная система перевода части нагретого в зоне охлаждения воздуха в зону обжига для дожигания несгоревших компонентов природного газа, которая способствует снижению удельного расхода топлива. Однако, горячий воздух, подаваемый в зону обжига при помощи стальных труб, лишенных теплоизоляции, снижает эффективность выполненной конструкции. Поэтому данный узел нуждается в доработке.
Таким образом, большой комплекс работ, выполненных при реконструкции шахтной печи № 2, обеспечил при обжиге известняка фракции 50—120 мм достаточно эффективную ее работу.
При внедрении печей конструкции С.А. Бортникова на других предприятиях необходимо рабочую (полезную) высоту печи выполнить в пределах 17—19 м и доработать элементы некоторых конструкций, что увеличит ее производительность до 100—120 т/сут и снизит удельный расход условного топлива до 130—132 кг.
Данные по сырью и извести, а также основные показатели работы печей после завершения реконструкции приведены в табл. 1 и 2.
Список литературы
References
1. Монастырев А.В. Всегда ли нужно закупать оборудование зарубежных фирм для известкового производства // Строительные материалы. 2013. № 9. С. 4-8.
2. Монастырев А.В., Галиахметов Р.Ф. Печи для производства извести. Воронеж: Истоки. 2011. 392 с.
Monastyrev A.V. Whether always it is necessary to buy the equipment of foreign firms for limy production. Stroitel'nye materialy. 2013. No. 9, pp. 4-8. (In Russian) Monastyrev A.V., Galiakhmetov R.F. Pechi dlya proiz-vodstva izvesti [Furnaces for production of lime]. Voronezh: Istoki. 2011. 392 p.
Cj научно-технический и производственный журнал
®
