автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Интенсификация процесса обжига цементного клинкера путем повышения эффективности работы холодильника

На правах рукописи

НОВОСЕЛОВ АЛЕКСЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБЖИГА ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА ПУТЕМ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНИКА

Специальность 05.17.11. - Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород-2013

2 4 окт т

005535808

Работа выполнена на кафедре технологии цемента и композиционных материалов Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Классен Виктор Корнеевич

Официальные оппоненты: Самченко Светлана Васильевна

доктор технических наук, профессор Московский государственный строительный университет -Национальный исследовательский университет, зав. кафедрой

Беседин Павел Васильевич

доктор технических наук, профессор Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, профессор

Ведущая организация: Российский химико-технологический

университет им. Д.И. Менделеева, г. Москва

Защита состоится п ноябпя 2013 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.05 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный учебный корпус, ауд. 242

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГТУ им. В.Г. Шухова. Автореферат разослан «11» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Общая характеристика работы

Актуальность. Оптимизация процесса обжига цементного клинкера, критерием которой является технико-экономическая эффективность, сводится к решению ряда технологических задач: повышению производительности печи, стойкости футеровки, качества клинкера и снижению удельных энергозатрат, пылеуноса, выбросов парниковых газов и вредных веществ в окружающую среду. На все эти параметры значительное влияние оказывает работа холодильника, которая непосредственно определяет интенсивность горения топлива, излучающую способность факела, положение и протяженность технологических зон, особенно спекания, длительность и скорость охлаждения клинкера. Особо следует подчеркнуть влияние параметров работы холодильника на расход топлива при обжиге клинкера, обоснованное теплотехнической зависимостью Эйгена-Классена, которая проявляется в том, что при снижении теплопотерь в холодильнике, экономия топлива в целом по печи будет в несколько раз больше величины, полученной в холодильнике. Эти аргументы подчеркивают важность процесса охлаждения клинкера и рекуперации тепла в колосниковом холодильнике. Доказательством сказанного является и тот факт, что ведущими зарубежными машиностроительными фирмами созданы десятки холодильников нового поколения. Имеющиеся в научной литературе данные свидетельствуют, что исследования по воздействию работы холодильника на обжиг клинкера в основном сводились к изучению влияния скорости охлаждения на качество клинкера. В связи с этим исследования, направленные на изучение влияния работы холодильника на интенсивность горения, теплообмен, положение технологических зон и физико-химические процессы клинкерообразования, а также на разработку рекомендаций по повышению эффективности работы холодильника, являются весьма актуальными. В связи с тем, что подавляющее большинство отечественных печей оснащены холодильниками типа «Волга», исследования проводились для данной модификации холодильников и могут быть распространены на все колосниковые холодильники переталкивающего типа.

Цель работы. Разработка способов повышения эффективности работы холодильника, обеспечивающих улучшение основных эксплуатационных показателей печи: снижение расхода топлива, повышение качества клинкера, стойкости футеровки и производительности печи. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать влияние режима работы холодильника на процесс горения, расход топлива и физико-химические превращения материала в печи;

- изучить влияние энтальпии и температуры вторичного воздуха на положение зоны спекания в печи и данного параметра на гранулометрию

клинкера и прочностные свойства цемента;

- исследовать влияние режима охлаждения на фазовый состав, микроструктуру и активность клинкера;

- уточнить зависимость теплопроводности клинкерных гранул от температуры и пористости;

- определить время охлаждения клинкерных гранул в зависимости от их

размера и условий обтекания воздухом;

- изучить характер движения клинкера по колосниковой решетке в зависимости от размера гранул и высоты слоя;

- разработать и внедрить рекомендации по повышению теплового К11Д холодильника для промышленных условий, обеспечивающие снижение удельного расхода топлива и увеличивающие стойкость футеровки и качество получаемого клинкера.

Научная новизна. Предложены технологические принципы интенсификации обжига клинкера во вращающейся печи на основе установленных зависимостей физико-химических процессов клинкерообразования и горения топлива, тепло- и массообмена, фракционного состава, микроструктуры и активности клинкера от энтальпии и температуры вторичного воздуха.

На основании исследований газодинамики промышленной печи с применением радиоактивных изотопов (РАИ) и теплотехническими расчетами установлена количественная зависимость положения, протяженности и распределения температуры по длине факела от энтальпии и температуры вторичного воздуха. Оптимальная структура факела, обеспечивающая рациональный теплообмен, достигается умеренной температурой и повышенной степенью черноты пламени путем увеличения теплового

КПД холодильника. _

Найдены математические выражения зависимостей коэффициента теплопроводности Л и скорости охлаждения от температуры, размера, пористости и интенсивности обтекания воздухом клинкерных гранул. Установлено что функциональная зависимость Л от температуры описывается полиномом четвертой степени, от пористости - линейным уравнением, необходимое время охлаждения клинкера в холодильнике пропорционально диаметру гранул в квадрате.

Установлена закономерность распределения скорости гранул IV от высоты слоя клинкера Ьс на колосниках холодильника, заключающаяся в том что при Ьр-2 й* колосника происходит расслоение клинкера по фракциям Крупные гранулы вытесняются на поверхность слоя, значительно снижаются Ми конечная температура и, следовательно, теплопотери с клинкером. Функция <^=/(Л) описывается полиномом 4-ой степени.

Определена экстремальная зависимость активности клинкера от по-

ложения зоны спекания, определяемой по температурному максимуму корпуса печи. Наивысшая активность клинкера проявляется для печей длиной 150 и более метров при расположении этого максимума на 12±1 м от горячего обреза. При его смещении к холодному или горячему концам снижается активность клинкера: в первом случае вследствие формирования крупных кристаллов с разрушенными гранями, во втором - из-за чрезмерно малого размера кристаллов клинкерных фаз.

На защиту выносится. Влияние эффективности работы холодильника на основные показатели работы печи, а именно:

- зависимость интенсивности горения топлива и физико-химических процессов клинкерообразования от энтальпии и температуры вторичного воздуха;

- влияние КПД холодильника на расположение технологических зон в печи, гранулометрию и активность клинкера;

- зависимости теплопроводности и времени охлаждения гранул от их размера, температуры и пористости клинкера;

- закономерность распределения скорости движения и классификации гранул по высоте слоя на колосниковой решетке холодильника.

Практическая значимость. На основании исследований на разработанных модельных установках, предложен способ создания переменного слоя клинкера на колосниковой решетке переталкивающего холодильника, который обеспечивает высокий теплообмен при относительно низком сопротивлении слоя и ограниченном расходе охлаждающего воздуха, что приводит к экономии топлива на обжиг и электроэнергии на охлаждение клинкера. Полученные в лаборатории результаты подтвердились испытаниями на ряде цементных заводов. В результате оптимизации режимных параметров на ОАО «Себряковцемент» температура охлажденного клинкера снизилась на 80°С, КПД холодильника повысился на 23%, экономия топлива составила 6%. Вследствие уменьшения объема охлаждающего и избыточного аспирационного воздуха на 1,67 м3/кг расход электроэнергии снизился на 3 кВтч/т клинкера. На «Осколцемент» при кратковременном повышении высоты слоя клинкера на холодной решетке до 600 мм был достигнут КПД 96%. От внедрения результатов работы только на ОАО «Искитимцемент» получены следующие технико-экономические показатели: снижен удельный расход условного топлива на 3 кг/т клинкера, повышена стойкость футеровки на 30 суток, увеличена активность клинкера на 1,7 МПа, улучшена грануляция клинкера. Экономический эффект, подтвержденный справкой внедрения, составил 2,1 млн. рублей.

Апробация работы. Основные положения работы представлены на Международных конференциях в Белгороде (2005, 2007, 2010, 2011 гг.); Всероссийском конкурсе «Эврика-2005» в Новочеркасске (2005 г.); Меж-

дународных конференциях в Москве (2006, 2008 гг.); XXI Международной конференции в Саратове (2008 г.); 3-ем Международном совещании по химии и технологии цемента в Москве (2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 статей, в том числе 4 - в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ.

Объем диссертации. Диссертация изложена в 5 главах на 147 страницах, состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы, включающего 180 наименований, содержит 53 рисунка, 30 таблиц и приложение.

Методы исследований В работе использовались результаты единственных в мировой практике экспериментов, проведенных под руководством Классена В.К., по исследованию процессов горения и газодинамики промышленных вращающихся печей 5x185 м с применением радиоактивных изотопов (РАИ). Температура факела рассчитывалась по скорости газового потока, которая пропорциональна объему реального газа. Интенсивность горения определялась по параметру, равному обратной величине диффузионного критерия Пекле - D/(w L)=l/Pe, конец факела - по перегибу на температурной кривой, когда вторая производная d t/dL = 0.

Тепломассообмен при охлаждении клинкера исследовался с применением специально разработанных методов. Для изучения процесса движения клинкера и определения его скорости были разработаны и выполнены 2 установки в масштабе 1:10, моделирующие перемещение гранул в колосниковом холодильнике. Они представляют собой чередующиеся подвижные и неподвижные колосники одинаковой и различной высот (рис. 1, 13).

Коэффициент теплопроводности клинкера определялся по изменению теплосодержания внутренней части гранулы, рассчитанного по изменению температуры гранулы при естественной (Е.К.) и принудительной конвекции с обдувом воздухом со скоростью ~ 2 м/с, близкой к промышленным условиям. Температура в центре и на расстоянии половины радиуса гранул фиксировалась термопарами через каждые 30 секунд. Для гранулы каждого размера проводилось по 3-4 эксперимента.

Фазовый состав материалов определялся рентгеновским и петрографическим анализами. Превращение материалов в процессе нагревания исследовалось на прецизионной установке - дифференциально-

/ 8

Подвижный Неподвижный.,." • -

КОПОШИ

' А/

/////J//J//J//J/ //

Рис. 1. Модель колосниковой решетки

сканирующем калориметре (ДСК) фирмы «Ые1г5сЬ». Прочность цементов определяли по ГОСТ и в малых образцах-кубиках с размером ребра 1,41 см из цементного теста. Для приведения прочности малых образцов к условиям ГОСТа одна партия цемента испытывалась двумя методами, по результатам которых определялся коэффициент пересчета.

Влияние эффективности работы холодильника на воспламенение и интенсивность горения угольного топлива и структуру факела

Параметры факела в зависимости от КПД холодильника определялись по проведенным с помощью РАИ исследованиям (рис. 2). При низком КПД=65% холодильника и температуре вторичного воздуха Г®Т=300°С воспламенение угля происходит на расстоянии £„ос=7 м от форсунки, длина факела £ф=31 м, максимальная расчетная температура факела ах=2000°С. При этом максимальная температура факела располагается на 1™ах-22 м от горячего обреза печи. При КПД=70% и С=385°С ¿„«=4 м, что приводит к увеличению Ьф= 34 м, снижению 900°С и ¿Гм=15 м за счет уменьшения интенсивности смешения топлива с воздухом. С увеличением КПД=80%, С=450°С, Ьвос= 1 м, ¿фах=1800°С 1™ах=12 м и ¿ф=40 м. Снижение температуры факела приводит к повышению его степени черноты на А£^44%.

Таким образом, экспериментально-расчетным путем установлены количественные зависимости длины, температуры и положения факела во вращающейся печи от эффективности работы холодильника.

Влияние эффективности работы холодильника на положение зоны спекания и расход топлива Интенсивность горения топлива и структура факела, определяемые эффективностью работы холодильника, влияют на положение зон спекания и охлаждения в печи. При низком КПД=65% формируется удаленный короткий теплонапряженный факел с повышенной температурой, который обуславливает интенсивное усвоение извести клинкерными минералами (СаОм1шер) на коротком участке от 31 до 18 м (рис. 3). Синтез алита при этом завершается на удалении 18 м от горячего обреза печи и, следова-

Расстояние, м 30

Форсунка

Рис. 2. Изменение параметров факела в зависимости от КПД холодильника

тельно, клинкер длительное время находится под воздействием высокой температуры пламени. Вследствие этого максимальная температура корпуса печи располагается на 22 метре и превышает 350°С, что приводит к повышению теплопотерь в окружающую среду и расхода топлива на обжиг клинкера и снижению стойкости футеровки.

-—--------При оптимальном режиме обжига и

КПД=80% формируется рациональный факел умеренной температуры с повышенной степенью черноты. Усвоение извести происходит менее интенсивно на более протяженном участке 22 м, от 34 до 12 м. Максимальная температура корпуса не превышает 250°С и располагается на 12 м. Исходя из этого, длина зоны спекания увеличивается с 20 до 27 м, а зона охлаждения сокращается почти в 2 раза. Такой режим обеспечивает целый ряд положительных эффектов: образуется защитная обмазка на огнеупоре в зоне спекания, что приводит к повышению стойкости футеровки, снижению теплопотерь в окружающую среду и экономии топлива; повышается активность и улучшается гранулометрия клинкера; снижается выброс С02 и N0* с отходящими газами.

. То

Форсунка

"50 40 30

Расстояние от горячего обреза печи, м Рис. 3. Влияние КПД холодильника на процессы, протекающие в печи --------------

Эффективность такого рационального режима обосновывается теплотехническими расчетами. Так, на нагрев первичного и вторичного воздуха до температуры воспламенения *вос=700°С при КПД=65% расходуется О =579 кДж/кг, а при КГТД=80% - <?'ВОз=326 кДж/кг клинкера, следовательно, при соответствующем повышении КПД холодильника на нагрев воздуха потребуется на ДОВОЗ=579-326=253 кДж/кг меньше. Вследствие проявления теплотехнической зависимости Эйгена-Классена экономия топлива на обжиг клинкера будет в несколько раз больше и составит около 600 кДж/кг или -20 кг условного топлива (кут) на тонну клинкера.

Смещение зоны спекания к холодному концу печи приводит к длительной выдержке клинкера в зоне высоких температур, что, как правило, приводит к снижению активности клинкера и разрушению гранул с образованием 20...60% фракции размером менее 1,25 мм. В этом случае возникает замкнутый круг: пылевидный клинкер снижает энтальпию вторичного воздуха (на -15%), а низкая энтальпия усугубляет клинкерное пыле-

ние.

В результате анализа отобранных проб вдоль зоны спекания из печи 4,5x170 м подтверждено, что формирование гранул клинкера происходит на удалении 25 м от горячего обреза с последующим их интенсивным разрушением с 10 м и образованием 47% пылевидной фракции на обрезе печи (рис. 4). Одновременно с разрушением гранул наблюдается снижение активности клинкера более чем на марку, с 50,6 до 39,8 МПа.

Таким образом, пониженная энтальпия и температура вторичного воздуха смещает спекание клинкера к холодному обрезу печи, приводит к клинкерному пылению и значительному снижению его активности. Кроме того, при клинкерном пылении значительно увеличивается сопротивление слоя в холодильнике, что приводит к перерасходу электроэнергии на подачу дутьевого воздуха.

Влияние условий охлаждения на свойства клинкера Влияние режима охлаждения исследова- Таблица 1

лось в лабораторных условиях на клинкерах с коэффициентом насыщения КН= 0,92 и различным глиноземистым модулем р (табл. I). Синтезировались клинкеры при 1450°С с выдерж-

Рис. 4. Изменение гранулометрического состава клинкера по длине печи

№ Р СзА, % CjAF, %

1 0,64 0 19,5

2 1,33 8 13,0

3 2,85 15 7,7

кой 40 мин. Охлаждение клинкера каждого состава до 1150 и 1250°С осуществлялось в печи со скоростью ~ 20°С в минуту, затем - резко на воздухе. Для сравнения одна серия клинкеров охлаждалась резко от температуры спекания 1450°С.

Установлено, что резкое охлаждение клинкера от 1450°С с р=0,64 и р= 1,33 приводит к увеличению содержания кристаллического С,А вследствие образования обогащенной железом алюмоферритной фазы (рис. 5). Для высокоалюминатного состава с р=2,85 при резком охлаждении от 1450°С, напротив, количество кристаллического СИ значительно снижается в сравнении с охлажденными от 1150 и 1250°С, из-за затвердевания его в стеклообразном состоянии, что связано с повышенной вязкостью высокоалюминатного клинкерного расплава. Клинкеры с содержанием Cyt< 8% имеют четкую кристаллизацию минералов, алит представлен кристаллами размером 20...30 мкм (рис. 6).

При смещении температуры резкого охлаждения до 1450°С наблю-

дается уменьшение размера кристаллов CзS до 5... 15 мкм, размер кристаллов белита независимо о'

Рентгенограммы клинкеров

Расчетные значения С3А

-----«50°С

-1150°С

Рис. 5. Влияние состава и режима охлаждения клинкера на кристаллизацию С3А

|-1 20 мкм

Рис. 6. Изменение микроструктуры клинкера в зависимости от состава и условий охлаждения

Клинкер с р= 2,85 из-за повышенной вязкости расплава независимо от условий охлаждения имеет нечеткую микроструктуру и мелкую кристаллизацию алита 5...10 и белита 10...15 мкм. Установлена общая закономерность изменения активности клинкера от условий охлаждения, заключающаяся в том, что при снижении температуры начала резкого охлаждения до 1150°С активность клинкера увеличивается независимо от величины глиноземистого модуля (рис. 7).

Снижение температуры начала резкого охлаждения от 1450 до 1250°С приводит к повышению прочности в среднем на 13%, а до 1150°С способствует дополнительному повышению активности еще на 8%. Максимальной прочностью - 59 МПа обладает цемент, полученный из клинкера с содержанием СИ=8%. Для составов с р=0,64 и /7=1,33, охлажденных от 1150 и 1250°С, активность клинкера выше 53 МПа, что обеспечивает получение цементов класса ЦЕМ I 42,5Б; ЦЕМ I 52,5Н.

Рис. 7. Изменение активности клинкера в зависимости от состава и условий охлаждения

Таким образом, условия охлаждения, зависящие от режимных пара-

метров холодильника, изменяют процессы минералообразования, фазовый состав, микроструктуру и активность клинкера. Для получения высокой прочности цемента необходимо обеспечить температуру клинкера на обрезе печи 1150... 1250°С.

Влияние энтальпии и температуры вторичного воздуха и положения

зоны спекания на микроструктуру и активность клинкеров

На печи размером 4,5x170 м, работающей на угле, проводились испытания при расположении максимальной температуры корпуса печи Lmax на 22; 15; 12; 9 и 6 м от горячего обреза, что соответствует изменению КПД 65-*70—80-+75—70% с максимальным значением 80%. Снижение КПД от максимального значения осуществлялось смещением Lfax в сторону холодного и горячего обреза печи. В первом случае - путем уменьшения слоя клинкера в холодильнике, при этом снижались температура и энтальпия вторичного воздуха. Во втором - дополнительным сбросом горячего воздуха из холодильника в атмосферу, что приводило к увеличению температуры вторичного воздуха, но значительному снижению его объема и, следовательно, энтальпии.

Приближение зоны спекания к горячему об- ВлияниекпДмло-резу печи с обеспечением температуры клинкера дачника на ¿Г" и на входе в холодильник 1150±25°С и, следовательно, смещение L?ax с 22 до 12 м способствовало повышению активности клинкера R2S более, чем на марку с 37,8 до 48,4 МПа (табл. 2). При этом вследствие повышения КПД с 65 до 80% снизился расход топлива, что подтверждается повышением КН клинкера из-за уменьшения присадки золы. Последующее приближение зоны спекания и LTax на 9-й и 6-й м снижает КН и активность клинкера на 6,9 МПа.

Изменение активности объясняется микроструктурой клинкера.

П=70% 15 м п=80% 12 м п=75% 9 м П=™% 6 м

Рис. 8. Изменение микроструктуры клинкера в зависимости от КПД (»/) и ¿Г"

Чрезмерное смещение процесса спекания клинкера к холодному концу и длительная его выдержка при высокой температуре в зоне горения приводит к клинкерному пылению и формирует микроструктуру

клинкера в виде крупных сросшихся кристаллов алита и белита размером 40...60 мкм с нечеткими и разрушенными гранями (рис. 8). Чрезмерное приближение процесса спекания клинкера к горячему обрезу обуславливает недостаточную степень обжига с мелкими кристаллами алита 5...20 мкм и белита 5... 15 мкм. При оптимальном положении зоны спекания формируется отчетливая, среднезернистая микроструктура с равномерным распределением минералов и размером кристаллов алита 30...50 мкм.

Таким образом, рациональные условия обжига, формирующие оптимальную микроструктуру и обеспечивающие высокую активность клинкера, достигаются при среднем положении зоны спекания, определяемой по Ь™ах, который должен располагаться на 12±1 м от горячего обреза печи. Данный параметр подтвержден на многих заводах и справедлив для печей длиной 150 и более метров. Одновременно, рациональный режим приведет к существенной экономии топлива за счет повышения эффективности работы холодильника.

Способы увеличения эффективности рекуперации тепла в колосниковом холодильнике

Для разработки способа увеличения рекуперируемого тепла клинкера необходимо было определить коэффициент теплопроводности гранул, время пребывания, скорость и характер движения клинкера по колосниковой решетке холодильника.

Коэффициент теплопроводности клинкера определялся на гранулах диаметром йгр=\1 ...70 мм и пористостью /7,р=17...40% (рис. 9). По экспериментальным данным рассчитывался для

Пгр=0%. На основании проведенных экспериментов подтверждена линейная зависимость от Пгр и установлена полиномиальная зависимость 4-й степени от температуры I. Совместная зависимость от * и Пгр описывается уравнением: = (аг4 + Ы2 + с12 + йг + е) ■ [(100 - Пгр)/100], где а= -1,0397- 1<Г13; 6=7,1397-Ю"10; с= -1,8017-10^; й=2,131(Г3; е=0,2116.

Адекватность уравнения экспериментальным данным и расчетные значения для различных условий представлены на рис. 9 и свидетельствуют, что с понижением температуры от 1000 до 100°С -Я''" снижается практически в -2,8 раза, следовательно, пропорционально должно увели-

0,8 0,6 0,4 0,2 О

1=0' и

А 1 *

4 '11= 1/%

/ И п= ж

р

г :+>.при Е.К. !♦ к при обдуве

10 20 30 40 50 Пористость, %

О 200 400 600 I, °С

Рис. 9. Зависимость Я'-" гранул от температуры и пористости

читься время охлаждения клинкера в холодной части холодильника.

Необходимое время охлаждения от 1000 до 100°С в центре гранул Т1000-Ю0 определялось при естественной и принудительной конвекции

(табл.3). Экспериментальные значения г«00-100 и легли в основу расчета необходимого времени охлаждения клинкера в холодильнике и получения уравнения зависимости т?®00"100 от <1гр и Пгр, которое для принудительной конвекции имеет вид и графически представлено на рис.10.

Т1000-*Ю0 = (0> 0073< + 0,151с*гр + 2,03) • (100/(100 - Пф)

Таким образом, приведенное уравнение свидетельствует, что время охлаждения пропорционально квадрату диаметра гранулы и проявляет гиперболическую зависимость от пористости.

Следует отметить, что отношение времени охлаждения гранул при естественной конвекции ко времени при обдуве Тес^прин уменьшается с увеличением размера

Таблица 3

Время охлаждения т*°00^100 в центре гранул, мин

гранул </,,, (рис. 11). Следовательно, для

<!,р, мм пгр,% Конвекция

естественная прин удительная

Эксп, Расч, о,% Эксп. Расч. о,%

35 31 29 30,2 4,0 8,5 8,3 2,3

41 32 40 39,6 1,0 12,5 12,0 4,0

43 33 44 43,5 1,1 14 13,6 2,9

60 26 70 69,1 1,3 25,5 26,2 2,7

70 17 80 80,6 0,8 33 33,1 0,3

ш й;

/ .

| |11=4 1=17®/« о%! / 'Ч

|П= з%| А

)бдув

40

20

7 -10

У

'1

мф

10 20 30 40 Пористость, %

50

-ест

Т ''прин 4 3

2 1

Размер гранул, мм

Рис. 11. Изменение отношения *-«„/г„,„„, от размера гранул

20 40

Рис. 10. Зависимость времени охлаждения г от размера (I и пористости Я гранул гранул клинкера большого размера меньшее значение имеет теплоотдача конвекцией, а большее - теплопроводность. Отсюда вытекает важный практический вывод: для более эффективного охлаждения крупного клинкера следует не столько увеличивать интенсивность обдува, сколько

время охлаждения.

Скорость "\\> и характер движения клинкерных гранул в зависимости от высоты слоя определялись на разработанных модельных установ-

ках (рис. 1, 13). Эксперимент проводился при изменении отношения высоты слоя клинкера к высоте колосника в пределах ксл= и ^ 11 ,,„-,= 1,33...6. При увеличении высоты слоя к а, от 1,33 до 2Акол наблюдалось интенсивное перемешивание клинкера по всей высоте, скорость всего слоя уменьшалась в 1,2 раза и оставалась неизменной для каждого уровня (рис. 12).

При /»^=2...6/1КОЛ происходило рациональное распределение слоя по фракционному составу: мелкие гранулы опускались вниз, а на поверхность вытеснялся крупный клинкер, скорость которого значительно снижалась. При Аст/7гк„,= 6 скорость движения крупного клинкера на поверхности по сравнению со скоростью движения нижнего слоя уменьшалась в 7 раз, т. е. даже на большую величину, чем ка=6. Это, несомненно, способствует более эффективному охлаждению крупного клинкера. Данная зависимость выражается полиномиальным уравнением 4-й степени:

Щ= а к* - Ь Н3 + с • Л2 - й ■ Л + е, где а=9,61310'7; Ь=2,497-10'4; с=2,415-Ш2; (1=1,034; е=16,96.

Кроме того, следует отметить, что распределение гранул по фракционному составу по высоте слоя приводит к снижению его аэродинамического сопротивления и, следовательно, экономии электроэнергии. Повышение эффективности работы колосникового холодильника

Полученные закономерности определили основное направление модернизации холодильника, которое должно сводиться к увеличению времени охлаждения клинкера и, как следствие, снижению его температуры. Исходя из этого, целесообразно рациональное охлаждение клинкера обеспечивать переменным слоем на решетке, увеличивая его высоту от горячей к холодной части. Добиться этого можно путем последовательного повышения высоты неподвижных колосников. Для проверки этого положения была создана модельная установка, особенность которой заключа-

Рис. 12. Изменение скорости слоя клинкера по высоте

Рис. 13. Последовательное изменение высоты слоя клинкера при изменении высоты неподвижных колосников

лась в том, что высота каждого последующего ряда неподвижных колосников увеличивалась на 5 мм при исходной высоте 15 мм (рис. 13). Проведенные эксперименты подтвердили это предположение. При этом расслоение слоя гранул по фракциям сохранялось.

Большое значение на эффективность работы холодильника имеет газодинамика слоя клинкера. Вследствие увеличения объема и вязкости воздуха с повышением температуры, сопротивление одинакового слоя клинкера в горячей части холодильника в ~5 раза выше, чем в холодной (рис. 14). Это предопределяет целесообразность уменьшения высоты слоя клинкера в горячей части холодильника и увеличения в холодной. В этом случае уменьшенным объемом дутьевого воздуха обеспечивается более эффективное охлаждение клинкера, увеличивается его активность и снижается расход электроэнергии.

Полученные зависимости подтверждены испытаниями промышленных печей на ряде заводов. Так, на Себряковском заводе путем увеличения слоя клинкера на холодной решетке холодильника от 180 до 400 мм, времени охлаждения клинкера с 17 до 40 мин, при одновременном снижении дутьевого воздуха от 2,94 до 2,15нм3/кг получен положительный технологический и экономический эффекты (табл. 4). В частности, температура клинкера снизилась от 170 до 90°С, экономия тепла составила 282 кДж/кг, КПД повысился с 68 до 91%. Вследствие уменьшения объема охлаждающего и избыточного аспирациоиного воздуха на 1,67 нм3/кг расход электроэнергии снизился на 3 кВт ч/т клинкера.

Таблица 4

Параметры Размерность Режим

1 2 3

Высота слоя на холодной решетке мм 180 300 400

Время охлаждения клинкера мин 17 30 40

Объем охлаждающего воздуха нм3/кг кл 2,94 2,54 2,15

Объем избыточного воздуха нм^кг кл 1,21 0,74 0,33

Температура избыточного воздуха °С 165 190 110

Температура охлажденного клинкера °С 170 120 90

Потери тепла холодильником кДж/кг кл 400 280 118

Тепловой КПД холодильника % 68 78 91

При кратковременном повышении высоты слоя клинкера на холод-

100

о 80

60

40

5

ГО

5

20

Ч рД й V,

.'А \ з&ьГ"'-

О 1 1000

о

600 400 200 Температура воздуха, °С

Рис. 14. Изменение параметров воздуха от температуры

ной решетке до 600 мм на «Осколцемент» был достигнут максимальный КПД 96%. Экономический эффект, подтвержденный справкой, от внедрения результатов исследований только на ОАО «Искитимцемент» составил 2,1 млн. рублей в год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложены технологические основы интенсификации процесса обжига цементного клинкера во вращающейся печи, включающие обеспечение оптимальных положения зоны спекания и структуры факела, формирование рациональной микроструктуры и получение высококачественного клинкера, эффективные тепломассообменные процессы в колосниковом холодильнике.

2. Теплотехническими расчетами, выполненными с использованием экспериментов с применением РАИ, установлена количественная зависимость структуры факела и положения зоны спекания от режима работы холодильника, заключающаяся в том, что с повышением энтальпии и температуры вторичного воздуха приближается точка воспламенения к горелке, увеличивается длина и степень черноты факела, снижается его температура, и в соответствии со структурой факела изменяется положение и длина зон спекания и охлаждения в печи.

3. Установлена общая закономерность, заключающаяся в том, что независимо от состава, в пределах изменения глиноземистого модуля от 0,64 до 2,85, при снижении температуры резкого охлаждения от 1450 до 1150°С активность клинкера увеличивается. Снижение температуры начала охлаждения от 1450 до 1250°С приводит к повышению активности клинкера в среднем на 13%, а последующее снижение температуры до 1150°С увеличивает активность дополнительно на 8%, что обусловлено изменением микроструктуры клинкера.

4. Лабораторные исследования о целесообразности резкого охлаждения клинкера от 1150°С подтверждены промышленными испытаниями печи 4,5x170 м, при которых установлено, что максимальная активность клинкера обеспечивается, когда температура клинкера на обрезе печи составляет 1130...1180°С и температурный максимум корпуса печи располагается на 12±1 м от горячего обреза. При смещении температурного максимума к холодному обрезу активность клинкера снижается на 17% из-за формирования неравномерной микроструктуры и крупных кристаллов с нечеткими и разрушенными гранями, а при смещении к горячему -на 14% вследствие чрезмерно мелкой кристаллизации клинкерных минералов.

5. Установлено, что коэффициент теплопроводности увеличивается с повышением температуры и снижением пористости гранул. При из-

менении температуры от 100 до 1200°С коэффициент теплопроводности увеличивается в 3 раза. При изменении пористости гранул от 0 до 50% коэффициент теплопроводности снижается в 2 раза. Экспериментально определено необходимое время охлаждения гранул тгр различных размеров, установлено, что оно пропорционально диаметру гранулы в квадрате. Показано, что функциональная зависимость Х^ от температуры описывается полиномом четвертой степени, от пористости - линейным уравнением, а времени охлаждения от диаметра гранул - квадратичным. Следовательно, для оптимизации процесса охлаждения целесообразно увеличить время пребывания клинкера в холодной части холодильника по сравнению с горячей.

6. Экспериментальные исследования скорости и характера движения клинкера на модельной установке колосникового холодильника показали, что при высоте слоя клинкера /«„ меньше двух высот колосника 1гкол происходит полное его перемешивание и равномерное продвижение по решетке. Однако в случае увеличения высоты слоя клинкера до 2...6Лга, происходит рациональная классификация гранул по высоте слоя: мелкие гранулы опускаются вниз, а крупные вытесняются на поверхность, при этом скорость движения крупных гранул значительно снижается. При Лм=бйка, скорость движения гранул верхнего слоя по сравнению с нижним снижается в 7 раз, что способствует более полному охлаждению крупного клинкера. Найдена математическая зависимость скорости движения от высоты слоя клинкера.

7. Предложено техническое решение по совершенствованию колосникового переталкивающего холодильника типа «Волга», которое основано на создании переменного слоя клинкера с разделением фракций гранул по высоте. Предложенное техническое решение позволяет увеличить эффективность теплообмена и КПД холодильника, что в свою очередь обеспечивает снижение удельного расхода топлива на обжиг, повышение стойкости футеровки и качества получаемого клинкера.

8. Полученные зависимости позволили предложить рекомендации Себряковскому, Старооскольскому и др. цементным заводам по модернизации холодильников, которые направлены на рациональное распределение слоя клинкера на решетках и перераспределение дутьевого воздуха в камерах. Это обеспечило наиболее эффективное охлаждение клинкера и увеличение теплового КПД холодильника на 10... 15%. На ОАО «Себря-ковцемент» вследствие вышеуказанных мероприятий КПД холодильника был повышен с 68 до 91%, а на «Осксшцемент» при кратковременном повышении высоты слоя до 600 мм был достигнут КПД=96%. Только от внедрения результатов работы на ОАО «Искитимцемент» экономический эффект, подтвержденный справкой внедрения, составил 2,1 млн. рублей.

Полученные численные зависимости могут быть использованы при проектировании холодильников.

Основные положения диссертации опубликованы в работах

1. Новоселов А.Г. Зависимость времени охлаждения клинкерных гранул от их размера / А.Г. Новоселов, В.К. Классен // Сборник студенческих докладов Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии». - Ч. II. - Белгород, 2005. - С. 152-155.

2. Новоселов А.Г. Исследование теплообмена в колосниковом холодильнике / А.Г. Новоселов // Материалы Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов ВУЗов «Эврика — 2005». — Ч. I. — Новочеркасск, 2005. - С. 405-4Ю.

3. Новоселов А.Г. Оптимизация теплообмена в колосниковом холодильнике / А.Г. Новоселов // Сборник тезисов Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2006». - Том I. - Москва, 2006. - С. 176-177.

4. Новоселов А.Г. Исследование процесса движения клинкера в колосниковом холодильнике с применением модельной установки /

A.Г. Новоселов, В.К. Классен // Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии». — Белгород, 2007. -Ч. 2.-С. 221-223.

5. Классен В.К. Оптимизация процесса охлаждения клинкера в колосниковом холодильнике / В.К. Классен, А.Г. Новоселов, В.В. Степанов // Цемент и его применение. - 2008. - №3. - С. 91-96.

6. Новоселов А.Г. Моделирование процесса тепломассообмена в колосниковом холодильнике / А.Г. Новоселов, В.К. Классен // Сборник трудов XXI Международной научнаучной конференции «Информатизация технических систем и процессов» / Саратовский гос. технол. ун-т. - Саратов, 2008.-С. 110-113.

7. Новоселов А.Г. Исследование процесса тепломассообмена в колосниковом холодильнике / А.Г. Новоселов, В.К. Классен // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2008 - №2. - С. 60-63.

8. Новоселов А.Г. Разработка модельной установки для исследования процесса массообмена в колосниковом холодильнике / А.Г. Новоселов // Сборник научных трудов «Успехи в химии и химической технологии» / М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. - Т. ХХП. - С. 44-47.

9. Новоселов А.Г. Применение комплексного термического анализа в исследовании систем СаСОэ - КС1, СаСОэ - №С1 / А.Г. Новоселов,

B.К. Классен, Е.П. Ермоленко // Сборник докладов Ш (XI) Международного совещания по химии и технологии цемента [Электронный ресурс]. -

М.:Изд-во «АлитИнформ», 2009. - С. 162-165.

10. Классен В.К. Взаимодействие в системах карбонат кальция - щелочной хлорид / В.К. Классен, Е.П. Ермоленко, А.Г. Новоселов // Техника и технология силикатов. - 2009. — №4. - С. 7-16.

11. Новоселов А.Г. Определение теплоемкости материалов с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии / А.Г. Новоселов, В.К. Классен // Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносисгемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов». — Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010. - 4.2. - С. 202-206.

12. Ермоленко Е.П. Влияние щелочных хлоридов на процесс диссоциации СаС03 / Е.П. Ермоленко, В.К. Классен, А.Г. Новоселов // Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов». — Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010. - 4.2. - С. 45-49.

13. Ермоленко Е.П. Влияние KCl и NaCI на процессы клинкерообра-зования и качество цемента / Е.П. Ермоленко, В.К. Классен, А.Г. Новоселов // Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии». — Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011. - Ч.З. - С. 17-22.

14. Евтушенко Е.И. Комплексный анализ структурных изменений гидротермально-стабилизированных каолинов / Е.И. Евтушенко, O.K. Сы-са, О.В. Ляшенко, А.Г. Новоселов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. -№3. - С. 150-154.

15. Новоселов А.Г. Влияние режима охлаждения на активность клинкера с различным содержанием С3А / А.Г. Новоселов, В.К. Классен, A.C. Коломацкий // Современные проблемы науки и образования [Электронный ресурс]. — 2012. -№6. URL: www.science-education.ru/106-7819.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 09.10.13 Формат 60*84/16 Объем 1 п.л.

Тираж 100 Заказ № 267

Отпечатано в БГТУ им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г.ШУХОВА» (БГТУ им. В.Г. Шухова)

На правах рукописи

НОВОСЕЛОВ АЛЕКСЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБЖИГА ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА ПУТЕМ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ

ХОЛОДИЛЬНИКА

05.17.11. - Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Классен Виктор Корнеевич

СМ

ю

со со

со о

Сч1 СЧ

СМ ^

Белгород 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. Состояние вопроса, обоснование цели и задач исследований 8

1.1. Факельное сжигание топлива во вращающихся печах 8

1.2. Влияние режима охлаждения на качество клинкера 14

1.3. Причины образования клинкерного пыления 18

1.4. Теплопроводность и методы ее определения 20

1.5. Повышение эффективности работы колосникового холодильника 23

1.6. Выводы из литературного обзора 30

1.7. Цель и задачи исследования 32

2. Методы исследований и характеристика исходных материалов 33

2.1. Исследование технологических процессов 33

2.2. Исследование теплофизических свойств 35

2.3. Физико-механические и физико-химические методы 41

2.4. Характеристика используемых материалов 43

2.5. Выводы 45

3. Влияние режимных параметров работы холодильника на ^ тепловую работу печи

3.1. Влияние теплового КПД колосникового холодильника на

горение топлива и структуру факела 47

3.2. Влияние КПД холодильника на положение зоны спекания 54

3.3. Влияние КПД холодильника на расход топлива 61

3.4. Выводы 67

4. Влияние режима работы холодильника на процессы ^ минералообразования и качество клинкера

4.1. Влияние теплового КПД холодильника на активность клинкера 69

4.1.1. Зависимость активности клинкера от его состава и режима охлаждения 69

4.1.2. Влияние теплового КПД холодильника и положения зоны спекания на микроструктуру и активность клинкера 78

4.2. Влияние параметров работы печи и холодильника на процесс образования клинкерных гранул 85

4.2.1. Влияние режима работы печи на активность и минералогический состав различных фракций клинкера 85

4.2.2. К механизму образования клинкерной пыли 88

4.2.3. Влияние клинкерного пыления на режим работы колосникового холодильника 89

4.2.4. Особенности процессов минералообразования при ^ нарушении грануляции клинкера в печи

4.3. Выводы 97

5. Интенсификация тепловой работы колосникового холодильника 100

5.1. Определение коэффициента теплопроводности клинкерных

гранул 100

5.2. Определение необходимого времени охлаждения от 1000 до

100°С в центре клинкерных гранул 107

5.3. Определение скорости и характера движения клинкерных

гранул 113

5.4. Расчет аэродинамического сопротивления слоя клинкерных ^ ^ гранул

5.5. Интенсификация работы колосникового холодильника 120

5.6. Выводы 123 Основные выводы и результаты работы 127 Список использованной литературы 130 Приложение 147

ВВЕДЕНИЕ

Цементная промышленность является энергозатратной отраслью. При этом большая часть затрат связана с расходом топлива на обжиг клинкера. В России большинство цементных заводов работает по мокрому способу производства с повышенным теплопотреблением, поэтому для снижения расхода топлива необходимо оптимизировать процесс обжига, который в значительной степени связан с работой холодильника. Эффективность работы колосникового холодильника оказывает влияние на процессы горения топлива, физико-химические превращения в материале, особенно в высокотемпературной части вращающейся печи, и на качество получаемого продукта. С учетом этого становится понятной важность мероприятий, направленных на повышение эффективности работы холодильника в технологическом процессе обжига путем максимального использования теплоты, содержащейся в выходящем из печи клинкере, что приведет к существенной экономии топлива.

Актуальность. Оптимизация процесса обжига цементного клинкера, критерием которой является технико-экономическая эффективность, сводится к решению ряда технологических задач: повышению производительности печи, стойкости футеровки, качества клинкера и снижению удельных энергозатрат, пылеуноса, выбросов парниковых газов и вредных веществ в окружающую среду. На все эти параметры значительное влияние оказывает работа холодильника, которая непосредственно определяет интенсивность горения топлива, излучающую способность факела, положение и протяженность технологических зон, особенно спекания, длительность и скорость охлаждения клинкера. Особо следует подчеркнуть влияние параметров работы холодильника на расход топлива при обжиге клинкера, обоснованное теплотехнической зависимостью Эйгена-Классена, которая проявляется в том, что при снижении теплопотерь в холодильнике, экономия топлива в целом по печи будет в несколько раз больше величины, полученной в холодильнике. Эти аргументы подчеркивают важность процесса охлаждения клинкера и рекуперации тепла в колосниковом холодильнике. Доказательством сказанного яв-

ляется и тот факт, что ведущими зарубежными машиностроительными фирмами созданы десятки холодильников нового поколения. Имеющиеся в научной литературе данные свидетельствуют, что исследования по воздействию работы холодильника на обжиг клинкера в основном сводились к изучению влияния скорости охлаждения на качество клинкера. В связи с этим исследования, направленные на изучение влияния работы холодильника на интенсивность горения, теплообмен, положение технологических зон и физико-химические процессы клинкерообразования, а также на разработку рекомендаций по повышению эффективности работы холодильника, являются весьма актуальными. В связи с тем, что подавляющее большинство отечественных печей оснащены холодильниками типа «Волга», исследования проводились для данной модификации холодильников и могут быть распространены на все колосниковые холодильники переталкивающего типа.

Цель работы. Разработка способов повышения эффективности работы холодильника, обеспечивающих улучшение основных эксплуатационных показателей печи: снижение расхода топлива, повышение качества клинкера, стойкости футеровки и производительности печи.

Научная новизна. Предложены технологические принципы интенсификации обжига клинкера во вращающейся печи на основе установленных зависимостей физико-химических процессов клинкерообразования и горения топлива, тепло- и массообмена, фракционного состава, микроструктуры и активности клинкера от энтальпии и температуры вторичного воздуха.

На основании исследований газодинамики промышленной печи с применением радиоактивных изотопов (РАИ) и теплотехническими расчетами установлена количественная зависимость положения, протяженности и распределения температуры по длине факела от энтальпии и температуры вторичного воздуха. Оптимальная структура факела, обеспечивающая рациональный теплообмен, достигается умеренной температурой и повышенной степенью черноты пламени путем увеличения теплового КПД холодильника.

Найдены математические выражения зависимостей коэффициента теп-

лопроводности X и скорости охлаждения от температуры, размера, пористости и интенсивности обтекания воздухом клинкерных гранул. Установлено, что функциональная зависимость к от температуры описывается полиномом четвертой степени, от пористости - линейным уравнением, необходимое время охлаждения клинкера в холодильнике пропорционально диаметру гранул в квадрате.

Установлена закономерность распределения скорости гранул от высоты слоя клинкера !гс на колосниках холодильника, заключающаяся в том, что при Ис>2 1гк колосника происходит расслоение клинкера по фракциям. Крупные гранулы вытесняются на поверхность слоя, значительно снижаются Щ? и конечная температура и, следовательно, теплопотери с клинкером. Функция описывается полиномом 4-ой степени.

Определена экстремальная зависимость активности клинкера от положения зоны спекания, определяемой по температурному максимуму корпуса печи. Наивысшая активность клинкера проявляется для печей длиной 150 и более метров при расположении этого максимума на 12±1 м от горячего обреза. При его смещении к холодному или горячему концам снижается активность клинкера: в первом случае вследствие формирования крупных кристаллов с разрушенными гранями, во втором - из-за чрезмерно малого размера кристаллов клинкерных фаз.

На защиту выносится. Влияние эффективности работы холодильника на основные показатели работы печи, а именно:

- зависимость интенсивности горения топлива и физико-химических процессов клинкерообразования от энтальпии и температуры вторичного воздуха;

- влияние КПД холодильника на расположение технологических зон в печи, гранулометрию и активность клинкера;

- зависимости теплопроводности и времени охлаждения гранул от их размера, температуры и пористости клинкера;

- закономерность распределения скорости движения и классификации

гранул по высоте слоя на колосниковой решетке холодильника.

Практическая значимость. На основании исследований на разработанных модельных установках, предложен способ создания переменного слоя клинкера на колосниковой решетке переталкивающего холодильника, * 1 который обеспечивает высокий теплообмен при относительно низком сопро-

тивлении слоя и ограниченном расходе охлаждающего воздуха, что приводит к экономии топлива на обжиг и электроэнергии на охлаждение клинкера. Полученные в лаборатории результаты подтвердились испытаниями на ряде цементных заводов. В результате оптимизации режимных параметров на ОАО «Себряковцемент» температура охлажденного клинкера снизилась на 80°С, КПД холодильника повысился на 23%, экономия топлива составила 6%. Вследствие уменьшения объема охлаждающего и избыточного аспира-ционного воздуха на 1,67 м /кг расход электроэнергии снизился на 3 кВт-ч/т клинкера. На «Осколцемент» при кратковременном повышении высоты слоя клинкера на холодной решетке до 600 мм был достигнут КПД 96%. От внедрения результатов работы только на ОАО «Искитимцемент» получены следующие технико-экономические показатели: снижен удельный расход условного топлива на 3 кг/т клинкера, повышена стойкость футеровки на 30 суток, увеличена активность клинкера на 1,7 МПа, улучшена грануляция клинкера. Экономический эффект, подтвержденный справкой внедрения, составил 2,1 млн. рублей.

Апробация работы. Основные положения работы представлены на Международных конференциях в Белгороде (2005, 2007, 2010, 2011 гг.); Всероссийском конкурсе «Эврика-2005» в Новочеркасске (2005 г.); Международных конференциях в Москве (2006, 2008 гг.); XXI Международной конференции в Саратове (2008 г.); 3-ем Международном совещании по химии и технологии цемента в Москве (2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 статей, в том числе 4 - в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

Особенностью работы вращающейся печи является то, что в одном агрегате одновременно протекают взаимообусловленные химические и физиче-

. , ские превращения вещества, термохимические, тепло- массообменные, газо-

м, \ 1 > \ 1 1 * ' 1 1 < > : ' ' 1

динамические процессы, осуществляется факельное сжигание топлива, происходит перенос возогнанных и конденсированных фаз из материального потока в газовый и обратно. Каждый из приведенных отдельных процессов сам по себе достаточно сложен. При управлении же всей системой в целом возникают дополнительные трудности, обусловленные взаимным влиянием указанных процессов, накладывающихся друг на друга. В связи с этим ниже рассматриваются отдельные процессы, протекающие в печи, которые имеют непосредственное отношение к данной работе.

1.1. Факельное сжигание топлива во вращающихся печах

Вращающиеся печи являются мощными генераторами теплоты, параметры работы которых обеспечивают осуществление технологического процесса обжига сырьевых смесей при получении цементного клинкера.

Оптимальный режим работы печи должен соответствовать минимальному удельному расходу теплоты, затрачиваемой на обжиг клинкера, и максимальной производительности вращающейся печи по клинкеру, требуемого качества.

На удельный расход теплоты при обжиге влияют такие качественные характеристики горения топлива, как достигаемая температура горения, химический и механический недожог топлива. Для обеспечения рационального режима сжигания топлива следует устанавливать такой режим, который обеспечивал бы необходимую температуру обжига без химического и механического недожога топлива. Это условие является обязательным для рационального режима сжигания топлива, но все же недостаточным для экономного процесса обжига цементного клинкера определяемого также технологией обжига конкретной сырьевой смеси [1].

Технологические условия образования цементного клинкера в зоне спекания вращающихся печей предъявляют определенные требования к режиму сжигания топлива. Температура горения топлива должна обеспечивать требуемую температуру обжигаемого материала, при которой могут должным образом завершиться физико-химические процессы образования клинкерных минералов. Следовательно, длина топливного факела и его температура должны определяться свойствами обжигаемой сырьевой смеси. Если указанные параметры факела не соответствуют требованиям режима обжига сырьевой смеси, то даже при достаточно рациональном сжигании топлива будет наблюдаться его перерасход [1].

В связи с этим наиболее важным условием процесса обжига клинкера во вращающихся печах является соответствие параметров сжигания топлива параметрам спекания сырьевой смеси. Без выполнения этого условия невозможно любыми другими мерами обеспечить оптимальный режим сжигания топлива во вращающихся печах.

Характеристики факела представляют собой достаточно сложные комплексные параметры, как правило, довольно тесно связанные между собой. К ним относятся: устойчивость процесса горения, границы и длина факела, радиационные характеристики пламени, положение факела относительно теп-ловоспринимающей поверхности и кладки, скоростные и другие аэродинамические характеристики факела [1-4]. Все указанные параметры факела представляют большой интерес для практики, так как их варьирование и оптимизация открывают возможности выбора наиболее рациональных режимов нагрева и обжига материала.

Во вращающихся цементных печах для факельного сжигания топлива используется часть рабочего пространства — высокотемпературная зона, в которой процесс горения топлива с образованием продуктов его сгорания совмещается с процессом обжига материала. Скорость горения топлива зависит от температуры, давления газов, состава горючей смеси и концентрации топлива в потоке.

На сегодняшний день имеются многочисленные данные о расчете длины факела во вращающихся печах и скорости горения топлива [5-9]. Ни один из известных способов расчета не является достаточно надежным. Связано это со сложностью процесса горения и влияния на него большого количества различных факторов, в том числе физико-химических процессов клинкеро-образования, протекающих в факельном пространстве. Встречающиеся в литературе уравнения, описывающие процесс горения топлива, носят эмпирический характер и относятся к конкретному случаю, или получены при решении дифференциальных уравнений и учитывают влияние только отдельных факторов. Большая часть параметров, влияющих на длину факела и скорость горения топлива, не учитывается или принимается критериально. Опубликованные различные формулы представляют интерес главным образом для оценки влияния различных исходных параметров на длину факела. Имеет смысл рассматривать только простые соотношения, опирающиеся на экспериментальные данные и максимально приближенные к печам определенного типа.

Факельное сжигание угольного топлива предусматривает подготовку -сушку, помол и т.д. Угольная пыль полидисперсна и частицы ее по размерам отличаются одна от другой на 1...3 порядка, что предопределяет различную продолжительность их выгорания. Однако при перемешивании в топливном факеле различных угольных частиц температура и состав продуктов сгорания по длине факела достаточно стабильны [10].

Горение угольной ныли в воздушной среде по своему характеру приближается к гомогенному, когда пыль и воздух движутся в одном направлении практически с одинаковой скоростью. Воспламенение происходит путем подогрева угольно-воздушной смеси за счет теплового излучения горящего факела. Процесс образования фронта горения