CC BY
48УДК 691.215.1
А.Н. МАМАЕВ, технический директор, Г.Д. ЛИТВИНОВА, главный специалист, ОАО «Липецкстальпроект»; О.Н. МАНГИЛЕВ, начальник участка обжига известняка ОАО «Северский трубный завод» (Свердловская область)
Особенности обжига известняка в шахтных печах
с газораспределительным керном
Основными потребителями и производителями извести являются черная и цветная металлургия, промышленность стройматериалов, химическая промышленность. В промышленности России и стран СНГ для обжига известняка широкое распространение получили шахтные печи, работающие на жидком, твердом и газообразном топливе.
При применении газообразного топлива в шахтных печах возникают некоторые проблемы. Одной из проблем является организация оптимальной схемы теплообмена в зоне обжига. Вторая проблема — необходимость равномерного распределения топлива или газа-теплоносителя по горизонтальному сечению печи. Эксплуатируемые в настоящее время шахтные печи цилиндрической формы имеют внутренний диаметр в зоне обжига от 2,4 до 6,2 м. Как показывают исследования, при периферийном подводе газа к таким печам не удается достичь его качественного перемешивания с воздухом в нужном соотношении, что приводит к перепаду температуры по сечению печи до 400—500оС, перерасходу топлива и снижению качества получаемой извести.
Для получения извести с высокой реакционной способностью была разработана технология, основанная на двухуровневом введении природного газа с применением газораспределительного керна, дополнительным центральным подводом воздуха в зону охлаждения и центральным газоотводящим устройством.
Рассмотрим схему реконструированной печи № 1 Николаевского глиноземного завода (НГЗ, Украина), разработанную в соответствии с технологическим заданием Уральского государственного технического университета (см. рисунок).
Печь имеет рабочий диаметр (по футеровке) 4,3 м. С целью равномерного распределения газа по сечению печи применили газораспределительное устройство (керн) 2 крестообразной формы, внутри которого выполнены жаровые каналы 3 с окнами 4 для выхода газов в слой. Керн выполнен из периклазохромитового огнеупорного кирпича. Для повышения механической прочности при высокиой температуре в качестве связующего применен огнеупорный СВС-мертель «Фурнон —ЗХП», разработанный Институтом проблем горения (Алма-Ата, Республика Казахстан).
Жаровые каналы располагаются в два яруса: нижний совпадает с нижней границей зоны обжига, верхний — на 2,5 м выше, что соответствует приблизительно середине зоны обжига. На входе в каждый жаровой канал расположена выносная топка 5 (конструкции ВНИИМТ), позволяющая качественно сжигать газ в интервале коэффициентов расхода воздуха от 0,6 до 2. Кроме того, в верхнем ярусе расположены восемь периферийных однопроводных горелок 10, а в нижнем ярусе четыре периферийных горелки для подвода газа и сжигания его в слое известняка. К амбразурам горелок
подведен газ-рециркулят, очищенный циклоном 12. Рециркулят подается в небольшом количестве, предохраняя амбразуру и конец горелки от перегрева. Воздух на горение поступает частично в периферийные выносные топки, частично в нижнюю часть печи (зону охлаждения). Оптимизация тепловой работы зоны обжига достигается имитацией прямоточной схемы теплообмена, для чего большая часть топлива (около 60%) подается в верхний ярус и лишь 40% — в нижний. Причем в верхний ярус подаются как продукты полного сжигания газа с температурой 1250—1300оС, полученные в выносных топках, так и чистый природный газ через периферийные горелки, который сгорает в слое известняка, т. е. в верхнем ярусе в слое известняка температура газов достигает 1300—1350оС. Поскольку к этому уровню подходит известняк со степенью декарбонизации, не превышающей 40—50%, активно идет процесс диссоциации с поглощением тепла и пережога извести не происходит. В нижнюю часть зоны обжига (нижний ярус), где процесс декарбонизации заканчивается и тепло-потребление ограничено, подается меньшая часть топлива, и сжигается оно в выносных топках с температурой 1200—1250оС.
Равномерность распределения газа-теплоносителя по сечению печи достигается выбором соотношения распределения газа между выносными топками и периферийными горелками, а равномерность распределения воздуха — соотношением подачи его в центр зоны охлаждения 6 и через разгрузочный бункер.
Однако тепловая схема, реализованная на извест-ковообжиговой печи № 1 НГЗ, не является оптимальной при использовании природного газа в качестве топлива. Его высокая теплотворная способность вынуждает применять повышенные коэффициенты расхода воздуха на горение (1,6—1,7) с целью ограничения температуры в зоне обжига во избежание пережога извести и образования спеков. Это в свою очередь приводит к увеличению на 25—35% образования отходящих газов и соответственно к существенному увеличению тепловых потерь.
При реконструкции печи № 2 НГЗ тепловая схема была модернизирована. Были разработаны и применены выносные топки, позволившие использовать рецир-кулят в качестве балласта и снизить таким образом суммарный коэффициент расхода воздуха на печь до 1,05-1,1.
На печах № 1 и 2 Николаевского глиноземного завода были отработаны режимы в интервале производительности 150-220 т/сут. Расход условного топлива 135-145 кг на 1 т извести, содержание (CaO+MgO)акт 92-94%.
Контроль теплового состояния осуществляется по показаниям термопар, установленных в кладке печи на расстоянии 50 мм от внутренней поверхности футеров-
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
февраль 2012
29
ки в каждом из четырех секторов печи на двух уровнях — на 0,7 м выше нижнего и верхнего ярусов подвода топлива. Кроме того, термопары установлены также в сводах жаровых каналов и их показания достаточно оперативно отражают даже самые незначительные отклонения температуры в выносных топках, вызванные, в частности, нарушениями соотношения газ—воздух.
В период пусконаладочных работ положения дроссельных заслонок на всех горелочных устройствах были отрегулированы таким образом, чтобы изменения расхода топлива в целом на ярус не приводило к разбалан-сированию температуры по секторам печи. Опыт эксплуатации этой печи показал, что стабилизировать тепловое состояние печи целесообразнее не управлением расхода топлива, а корректировкой скорости схода шихтовых материалов. В печи с помощью датчиков уровня осуществляется контроль уровня засыпи с фиксацией двух предельно допустимых уровней — верхнего и нижнего (в пределах 1 м между ними). Технологом задается значение температуры отходящих газов, по достижении которой производится загрузка порции известняка в печь. Температура отходящих газов при этом снижается, а затем вновь начинает расти до заданного значения. Если в этом цикле загрузки уровень засыпи постепенно поднимается до верхнего допустимого значения, то несколько увеличивается скорость разгрузки печи; если до нижнего — скорость разгрузки несколько уменьшается. Таким образом температурный режим поддерживается на оптимальном уровне.
При диффузионном сжигании газа, подведенного горелочным устройством в требуемую точку пространства слоя, используется воздух, частично подаваемый вместе с газом через горелочное устройство, частично поступающий сквозь слой из зоны охлаждения печи. В процессе смешивания газа с воздухом неизбежно возникает зона, где их соотношение близко к стехиометри-ческому. Именно здесь сгорает большая часть газа с образованием высокой температуры. Учитывая, что сжигание происходит между кусками, поверхность которых уже нагрета минимум до 900—1000оС, температура газов в этой зоне (даже с учетом интенсивного теплообмена) может превышать 1400—1500оС. При номинальной производительности печи скорость движения кусков известняка такова, что время пребывания их в высокотемпературной зоне не превышает 10—20 мин, и процессы пережога и сваривания с примесями не получают опасного развития. В случае же замедления схода шихты, связанного с приостановкой выгрузки или локальным сводообразованием и зависанием, происходит перегрев поверхности кусков, их пережог, а также сваривание в конгломераты, что еще усугубляет ситуацию и требует немедленного вмешательства персонала для снижения в этой зоне тепловой нагрузки и принятия мер по устранению зависания. Диагностировать развитие таких ситуаций достаточно сложно, поскольку они, как правило, образуются вне зон визуального и аппаратурного контроля.
В целом температура в зоне обжига, требуемая по технологии, формируется из соотношения количества подведенного в зону топлива и воздуха, большая часть которого поступает из зоны охлаждения. Если топливо (газ) с помощью вышеупомянутых газораспределительных устройств удается более или менее равномерно распределить по горизонтальному сечению печи, то воздух из зоны охлаждения поступает крайне не равномерно. Его количество и температура (чем больше в конкретном вертикальном элементе печи проходит воздуха, тем ниже его температура) зависят от колебаний разрежения в печи, от флуктуации мелких фракций, технического состояния механизма выгрузки и других факторов. В итоге известь, обожженная в печах, где применяется диффузи-
онное сжигание газа, характеризуется нестабильностью характеристик, также одновременно присутствует пережог, на что указывают повышенная температура в отдельных частях зоны обжига и недожог (недостаточная температура). Процесс диффузионного сжигания является сложно контролируемым и управляемым.
В результате экспериментальных и расчетно-анали-тических исследований специалистами УГТУ-УПИ была разработана технология обжига, а специалистами ОАО «Липецкстальпроект» — конструкция печи, позволяющая производить обжиг извести без применения диффузионного сжигания газа, используя только выносные топки.
Отказ от диффузионного сжигания газа в слое позволяет исключить образование в печи зон с недопустимо высокими температурами. В случае замедления схода материалов или даже полного его прекращения температура в слое не поднимется выше температуры подаваемых в слой из выносных топок продуктов сгорания, которая автоматически поддерживается на любом уровне в диапазоне 900—1350оС. Это особенно актуально для известняков, содержащих некоторые примеси, например доломитизированных, склонных к пережогу и термическому разрушению. В процессе режимно-наладочных работ достаточно легко установить приемлемый для них температурный режим обжига.
Эффективность применения выносных топок, как керновых, так и периферийных, видна на печи ОАО «Северский трубный завод» (СТЗ). Даже в процессе пусконаладки, когда в связи с модернизацией механизмов загрузки и выгрузки производительность печи не превышает 50% от номинальной, работая на одних выносных топках, печь не зависает, не образуются свары, нет пережога, хотя время пребывания материала в зоне обжига в два раза превышает номинальное значение.
Кроме того, применение выносных топок полного сжигания позволяет повысить давление в печи для более эффективного преодоления гидравлического сопротивления слоя, что обеспечит работу печи на более мелких фракциях (20—60 мм) при заданной производительности и степени обжига не менее 90—94% (CaO+MgO)aKт.
В настоящее время на известеобжигательных печах СТЗ производится обжиг известняков Михайловского месторождения, в качестве резервного сырья — известняки Дружининского месторождения. С целью обеспечения загрузки печей качественным по фракционному составу известняком и снижения потерь материала при транспортировке в технологическую линию производства извести был заложен дробильно-сортировочный комплекс разработки ОАО «Липецкстальпроект».
При эксплуатация обжиговых печей достигнуты показатели
Расход топлива .........~170 кг усл. топлива на 1 т извести
Усредненная активность получаемой
извести (СаО+МдО)акт..............................93%
Производительность одной печи.................~71 т/сут
Используемый известняк фракции................ 20-60 мм
Отсев известняка фракции 0-20 мм..............~10-12%
Фракционный состав извести 0-3 мм..................~ 7%
3-10 мм ................~ 7%
10-50 мм ..............~ 86%
Повышенный расход газа вызван меньшей по сравнению с проектной производительностью (100 т извести в сутки), участием воздуха охлаждения извести в процессе нагрева известняка (как балласта) и компенсируется отличным качеством извести.
Применение такой извести в металлургии — ДСП и установки печь—ковш позволило довести потребление ее до 44—46 кг/т металла.
30
научно-технический и производственный журнал
февраль 2012
А-А (повернуто)
газ и
воздух -1—
Б-Б
к
газ-
рецир-
кулят
газ
воздух
В-В
газ
воздух
_ _.. 5
Схема распределения газа, воздуха и рециркулята по печи: 1 - шахта печи; 2 - газораспределительный керн; 3 - жаровой канал керна; 4 - окна для выхода газа в печь; 5 - выносные топки; 6 - узел центрального подвода воздуха; 7 - периферийный ввод воздуха; 8 - вентилятор подачи воздуха в зону охлаждения; 9 - разгрузочные окна; 10 - периферийная горелка; 11 - вентилятор подачи отходящих газов (рециркулята) в амбразуру периферийных горелок; 12 - циклон очистки отходящих газов; 13 - дымосос
Аналогичная работа по применению выносных топок была выполнена на ОАО «Ижсталь» на известняке Пугачевского месторождения фракции 45—60 мм. Этот известняк характеризуется разрушением при нагревании, большой истираемостью. Была получена известь активностью >92%, при этой активности количество пыли и мелкой фракции в пространстве печи достигает 20—25%, что делает обжиг более сложным, так как аэродинамический режим в печи менее предсказуем. Такое образование мелкой фракции приводило к закупориванию секторов печи, зависанию и самосходу извести со стола выгрузки. Несмотря на все эти трудности, печь была запущена, но с несколько другой технологией обжига: на керновые горелки подавалось 70% газа, остальное на периферию, причем на верхний ярус газа подавалось меньше, чем на нижний. Это позволило настроить работу печи в стабильном режиме, избежать «козления». Такой режим стал возможен исключительно из-за хорошей управляемости и предсказуемости работы печи с выносными топками.
Представленные печи можно усовершенствовать еще по некоторым направлениям:
— доработать газогорелочные устройства;
— снизить температуру отходящих газов;
— увеличить стойкость огнеупоров в горелочной зоне;
— оптимизировать распределение гранулометрического состава известняка внутри фракции 20—60 мм. Технология сжигания газа (полное или диффузионное) выбирается в каждом конкретном случае и зависит от обжигаемых известняков, теплотворной способности газа, фракции известняка, необходимых характеристик полученной извести и других условий.
Список литературы
1. Монастырев А.В., Галиахметов Р.Ф. Печи для производства извести. Справочник. Воронеж: Исток, 2011. 392 с.
2. Решетняк А.Ф., КоневВ.А., МамаевА.Н., СеряковН.И. Совершенствование конструкций шахтных печей для обжига известняка // Международный конгресс «Пече- и трубостроение». Москва. 2006. С. 251—253.
3. Патент № 2194 931 С2 F27 В 1/02. РФ. Шахтная печь для обжига известняка / А.Ф. Решетняк, В.А. Конев, Н.И. Серяков, А.Н. Мамаев//20.12.2002. Бюл. № 35.
4. Патент № 2327936 С2 F27 В 1/02. РФ. Шахтная противоточная печь для обжига известняка и доломита / М.В. Конев, В.А. Конев, А.Н. Мамаев // 27.06.2008. Бюл. № 18.
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® февраль 2012 31
