CC BY
129УДК 666.92:669.04
В.В. МАДИСОН, канд. техн. наук, генеральный директор,
B.Т. РЯЗАНОВ, канд. техн. наук, технический директор,
C.С. ШУЛЬГИН, инженер, ООО «НПП «Урализвесть-М» (Екатеринбург)
Пути повышения качественных и технико-экономических показателей работы шахтных известково-обжиговых печей предприятий промышленности строительных материалов
Промышленность строительных материалов является одним из крупнейших потребителей извести. Различные современные технологии производства строительных изделий и смесей предъявляют достаточно жесткие и разнообразные требования к свойствам и качеству извести.
Большинство предприятий промышленности строительных материалов имеют собственное известковое производство, парк агрегатов которого представлен в основном шахтными противоточными и вращающимися печами на газовом или мазутном топливе. Относительно небольшая часть извести производится в прямоточно-противоточных регенеративных (ППР) и печах кипящего слоя. Особенности конструкции агрегатов, тепловых режимов и характеристик сырья определяют показатели качества получаемой извести, уровень потребления топлива и электроэнергии [1—3].
Эксплуатируемые в отрасли шахтные печи в основном характеризуются несовершенной технологией обжига, устаревшим и изношенным оборудованием. Они, как правило, недостаточно оснащены средствами контроля технологических параметров и не имеют систем автоматического регулирования этих параметров.
К недостаткам получаемой на этих печах извести следует отнести не только низкую степень обжига (на большинстве печей не более 50—75%), но и нестабильность и неоднородность свойств: в массе получаемой извести одновременно присутствуют как недожженные, так и пережженные куски. Активность, время и температура гашения, другие параметры существенно колеблются от анализа к анализу. Вследствие этого чрезвычайно сложно сформировать качественные строительные смеси на основе извести, в частности известково-кремнеземистое вяжущее (ИКВ) для формовочной смеси в производстве силикатного кирпича [4]. Качество формовочной смеси проверяется так называемым органолептическим методом, т. е. субъективно, на основании опыта персонала, в то время как современные международные стандарты требуют жесткого параметрического контроля по всей технологической цепочке производства того или иного продукта. Нестабильность параметров или свойств отдельных сырьевых компонентов неизбежно приводит к снижению качества конечного продукта.
Наряду с технологическими проблемами, возникающими вследствие применения низкокачественной извести, имеются проблемы и в самом ее производстве. Прежде всего это низкая экономическая эффективность. Удельные расходы топлива, электроэнергии, карбонатного сырья в пересчете на чистый оксид кальция значительно выше. Образующиеся избытки низкокачественной извести практически неликвидны, при том, что на известь выше 1-го сорта всегда есть спрос на региональных рынках.
В то же время шахтные печи с точки зрения минимизации энергетических затрат являются наиболее выгодными, практически идеальными теплообменными агрегатами — в них достаточно эффективно и просто решаются вопросы утилизации тепла готовой продукции и газов: нагретый в зоне охлаждения извести воздух поступает в зону обжига, а отходящие из зоны обжига высокотемпературные газы отдают свое тепло в зоне подогрева известняку, обеспечивая его нагревание до температуры начала процесса диссоциации.
В зонах охлаждения и подогрева шахтной печи проти-воточная схема является оптимальной, т. е. позволяет полностью завершить процесс теплообмена, чего нельзя сказать о зоне обжига, где эта схема не полностью соответствует требованиям и ограничениям процесса декарбонизации. Действительно, в нижней части зоны обжига, т. е. на уровне ввода топлива в печь, процесс диссоциации уже практически закончен, фронт реакции расположен вблизи центра куска и тепловой поток от поверхности куска к нему лимитирован тепловым сопротивлением слоя образовавшейся извести. Температура продуктов сгорания природного газа в атмосфере, нагретого до 700—800оС, в зоне охлаждения воздуха может достигать 1700—1800оС. В условиях ограниченного теплопотребле-ния материала температура поверхности кусков может достигать 1500—1600оС и более. Во избежание пережога извести приходится снижать температуру продуктов сгорания природного газа до 1300—1350оС за счет повышения коэффициента расхода воздуха до 1,5—1,7.
Далее продукты горения, отдавая свое тепло и попутно перемешиваясь диоксидом углерода, выделившимся в процессе диссоциации, поступают в верхнюю часть зоны обжига. Здесь процесс декарбонизации только начинается, фронт диссоциации расположен вблизи поверхности куска. Но температура газов в этой части печи не превышает 1050—1100оС, и скорость реакции диссоциации лимитируется уже не тепловым сопротивлением слоя извести, а недостаточно большим перепадом температуры газа и поверхности куска. Зону обжига газы покидают с температурой 950—1000оС и в количестве, избыточном (вследствие высокого коэффициента расхода воздуха) для нагрева материала в зоне подогрева.
Все это ограничивает производительность печи и приводит к повышенному расходу топлива за счет излишних потерь с отходящими газами.
Для зоны обжига оптимальной является схема прямотока, при которой высокотемпературные газы сначала входят в контакт с менее обожженным, относительно холодным материалом. Такая схема успешно реализуется, например, в двухшахтных (и трехшахтных) прямо-противоточных регенеративных (ППР) печах фирмы Маеге [5], где верхняя часть каждой шахты периодически выполняет роль зоны подогрева в противоточном
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2011
5
а
Распределение температуры в слое при различных способах отопления: (в выносных топках) сжигание топлива
режиме и зоны обжига в прямоточном режиме. Но эту схему практически невозможно реализовать путем реконструкции одношахтной печи.
Таким образом, одной проблемой, возникающей при применении газообразного топлива в шахтных печах, является организация оптимальной схемы теплообмена в зоне обжига. Второй проблемой является необходимость равномерного распределения топлива или газа-теплоносителя и воздуха, поступающего через зону охлаждения по горизонтальному сечению печи. Находящиеся в настоящее время в эксплуатации шахтные печи цилиндрической формы имеют внутренний диаметр в зоне обжига 2,4—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, к перерасходу топлива и снижению качества получаемой извести.
Специалистами, объединившимися в ООО «НПП «Урализвесть-М», разработана и внедрена на ряде печей технология [6, 7, 8], суть которой заключается в следующем:
— распределение теплового напряжения по высоте зоны обжига приведено в соответствие с теплопо-треблением обжигаемого материала, которое уменьшается по мере продвижения материала вниз, а фронта диссоциации — в глубь кусков, что позволяет существенно повысить производительность печи и уменьшить пережог поверхности кусков;
— минимизация возможности образования очагов с чрезмерно высокой температурой в объеме зоны обжига, приводящих к пережогу извести, образованию сваров и подвисаний материала;
— увеличение равномерности температурного поля в горизонтальных сечениях зоны обжига, что увеличивает степень обжига, качество и однородность свойств получаемой извести.
Оптимальное температурное поле по высоте зоны обжига печи рассчитывается с учетом теплофизических характеристик и гранулометрических параметров известняка и обеспечивается введением теплоносителя в два и более яруса по высоте печи с соответствующим расходом топлива и температурой его сжигания. Более высокие тепловые напряжения и температура газа реализуются в верхней части зоны обжига, где материал холоднее и фронт диссоциации ближе к поверхности куска. При этом материал активно поглощает тепло на реакцию декарбонизации и перегрева поверхности не происходит.
Также температурное поле зоны обжига может корректироваться изменением количества поступающего
б
из зоны охлаждения воздуха, часть которого направляется в обход зоны обжига. Это позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление печи, повысить в случае необходимости температуру зоны обжига без существенного увеличения расхода топлива, а также оперативно решать проблемы с охлаждением получаемой извести, возникающие иногда при изменении режимов работы печи. Нежелательных воздействий на тепловое состояние зоны обжига в этом случае не происходит.
Традиционно применяемое диффузионное сжигание топлива, т. е. сжигание в межкусковом пространстве слоя известняка, имеет ряд существенных недостатков. В частности, в месте введения топлива в слой неизбежно образуется зона повышенной температуры печных газов (см. рисунок), что зачастую приводит к пережогу части извести и локальному перегреву футеровки печи. Температура этой зоны зависит не только от количества вводимого в слой топлива, но и от количества и температуры поступающего из низлежащих слоев печи воздуха, которые могут существенно колебаться в отдельных секторах печи. Догорание введенного топлива растянуто в вертикальном направлении. Глубина проникновения высокотемпературных печных газов в слой в радиальном направлении невелика. Результаты исследований показывают, что перепад температуры по радиусу печи в верхних горизонтах зоны обжига может достигать 350—450оС, поэтому в удаленных от периферии слоях процесс обжига проходит медленнее и не всегда завершается.
При применяемом в данной технологии предварительном (полном или неполном) сжигании топлива в выносных топках (см. рисунок) очага чрезмерно высокой температуры не образуется. Температура и количество вводимого в печь газа-теплоносителя полностью контролируются. Весь объем газа-теплоносителя из выносной топки под давлением вводится в печь, поэтому глубина его проникновения в слой в радиальном направлении выше, а перепад температуры по радиусу печи ниже, чем при диффузионном сжигании топлива.
Для обеспечения равномерности температурного поля в горизонтальных сечениях печей, размеры которых не позволяют качественно обрабатывать удаленные от периферии участки слоя материала, в нашей технологии применяются газораспределительные керны — огнеупорные керамические конструкции, по жаровым каналам которых газ-теплоноситель от выносных топок подается во внутренние зоны печи [6]. Применение кернов несколько удорожает конструкцию и усложняет
научно-технический и производственный журнал ф'ГРОМТ^ Ш£1гШ@
сентябрь 2011 ы ®
эксплуатацию, однако позволяет получать известь со степенью обжига (CaO+MgO)акт. = 92—96%, что крайне актуально для современных металлургических технологий. Для получения извести с гарантированной степенью обжига не менее 86—90% возможно применение разработанного авторами и запатентованного способа обжига с реализацией противоточно-перекрестной схемы движения газов в зоне обжига и в части зоны подогрева [9]. Вследствие того что абсолютно большая часть горелочных газов поступает из периферийных горелок, расположенных на одной стороне печи, а отвод отходящих газов осуществляется из слоя в верхней части зоны подогрева с другой стороны, газовый поток пересекает осевую часть печи. Направление движения газов в печи за счет переключения горелок и газоотводов периодически меняется, поэтому каждый периферийный сектор обрабатывается газами с максимальной температурой, но периодически, а осевая часть постоянно, но уже несколько остывшими газами. Длительности циклов и температура газа, поступающего из горелок, вычисляются исходя из требуемого режима обжига и гранулометрического состава шихты. Авторами также разработаны горелочные устройства, позволяющие успешно реализовывать подобного рода режимы.
Также достаточно эффективной может быть система отопления и тепловая схема, сочетающая предварительное сжигание топлива в периферийных выносных топках (надежно позиционирующих положение зоны обжига) с диффузионным сжиганием в слое с применением донных горелок, оборудованных датчиками температуры, разрежения, эффективными системами подачи балластирующих газов (рециркулята или воздуха).
Технология ООО «НПП «Урализвесть-М», особенно варианты с противоточно-перекрестной схемой отопления или с применением донных горелок, применима как при строительстве новых печей, так и при реконструкции действующих, что, как правило, позволяет сохранить фундамент, кожух печи, устройства загрузки и выгрузки, а также часть тягодутьевого и другого оборудования.
Технология реализуется посредством разработанных авторами специализированных горелок и выносных топок, не требующих применения водяного охлаждения. Горелочные устройства сертифицированы и имеют разрешение Ростехнадзора на применение. Они компактны, удобны для размещения на кожухе печи. Опыт эксплуатации на шахтных печах обжига известняка показал их надежность, соответствие всем требованиям технологии обжига. Горелочные устройства имеют широкий диапазон регулирования тепловой мощности и температуры вводимого в печь теплоносителя (350—1400оС), что позволяет также использовать их для сушки и обжига футеровки.
Внедрение разработанной технологии на реконструированных печах позволило увеличить их производительность на 20—25%, получить известь со степенью обжига (CaO+MgO)акт. не менее 92—95% при расходе топлива 140—150 кг усл. топлива на 1 т извести. Образование вредных выбросов (СО, N0^ существенно ниже нормируемых значений.
При наличии конкретного объекта для реконструкции ООО «НПП «Урализвесть-М» может провести обследование его и имеющейся технической документации с целью определения объема реконструкции, исследовать кинетику декарбонизации и механические свойства известняка. После анализа полученной информации представить заказчику технико-коммерческое предложение по реконструкции существующей или строительству новой шахтной печи обжига известняка, от разработки технологии и рабочего проекта до пуска и наладки печи с выводом на гарантированные показатели.
Ключевые слова: шахтная печь, обжиг известняка, известь, теплообмен, газодинамика, система отопления, горелка, реконструкция.
Список литературы
1. Монастырев А.В., Александров А.В. Печи для производства извести. М.: Металлургия. 1979. 232 с.
2. Нехлебаев Ю.П. Экономия топлива при производстве извести. М.: Металлургия. 1987. 136 с.
3. Табунщиков Н.П. Производство извести. М.: Химия. 1974. 240 с.
4. Кузнецова Г.В. Оптимизация расчетов составов извест-ково-песчаной смеси для формования силикатного кирпича // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 20—23.
5. Афонин С.З., Дидковский В.К., Ротенменнер Э. и др. Производство извести в печи ППР на Белорусском металлургическом заводе // Сталь. 1987. № 8. С. 34—37.
6. Мадисон В.В., Рязанов В.Т., Гордон Я.М., Абовян П.Р. Опыт промышленного внедрения шахтных печей для обжига известняка, отапливаемых природным газом // Материалы международной конференции «Теплофизика и информатика в металлургии: достижения и проблемы». Екатеринбург. 2000. С. 136—142.
7. Gordon Y.M., Madison V.V, Blank M.E. Metallurgical lime production decrease ofgreenhouse gas emissions // Proceedings of COM Conference on «Greenhouse Gases in the Metallurgical Industries: Policies, Abatement and Treatment». August 26—29 2001. Toronto, Canada, p. 263—272.
8. Рязанов В. Т., Мадисон В.В., Дорохин А. С., Шульгин С. С. Совершенствование системы отопления и конструкции шахтных печей для обжига известняка // Сталь. 2010. № 3. С. 118-124.
9. Мадисон В.В., Рязанов В.Т., Дорохин А.С., Шульгин В.С. Способ термохимической обработки кусковых материалов в противоточной шахтной печи. Патент № 2373162 России. Опубл. 20.11.2009.
Ю^ЕХРЕНТ
исследования рынков ^^^^^^^^ минерального сырья и стройматериалов
^ Специализируется на проведении маркетинговых исследований и мониторинге рынков в области строительных материалов и минерального сырья в России и ряде стран СНГ. ^ Осуществляет постоянный мониторинг и всесторонний анализ текущей ситуации и основных тенденций на рынках исследуемой продукции, включая анализ данных о ее производстве и потреблении, экспортно-импортных поставках, сырьевой базе, состоянии ведущих участников рынка, а также законодательства, касающегося этих отраслей.
▲ Выполнены работы по:
- минеральному сырью: гипсовому камню, полевому шпату, различным видам глин, стекольным и формовочным пескам, карбонатным породам (доломиту, мелу, известняку) кварцу, бентониту, волластониту, диатомиту и др.
- строительным материалам: цементу, извести, гипсу, листовому стеклу, щебню, гравию, теплоизоляционным и кровельным материалам, архитектурному профилю из алюминиевых сплавов и ПВХ, кирпичу, ячеистому бетону и др.
^ Предлагаем готовые аналитические обзоры рынков, проведение исследований по вашим индивидуальным заказам, а также услуги по мониторингу цен и объемов поставок продукции (внутренние поставки и анализ ВЭД) на ежемесячной или ежеквартальной основе.
ООО «ГС-Эксперт»
125047, Москва, 1-й Тверской-Ямской пер., д. 18, оф. 230 Тел: (495) 250-48-74, (916) 507-83-77 Факс: (495) 250-48-74
www.gs-expert.ru E-mail: info@gs-expert.ru
Cj научно-технический и производственный журнал
® сентябрь 2011
