автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Использование химической регенерации теплоты и синтезированного топлива в производстве портландцемента

На правах рукописи

Ткачев Валентин Витальевич

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ И СИНТЕЗИРОВАННОГО ТОПЛИВА В ПРОИЗВОДСТВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

05.17.11. - Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О ИЮН ¿013

Белгород - 2013

005062048

005062048

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (БГ ТУ им. В.Г. Шухова)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Коновалов Владимир Михайлович

Кривобородов Юрий Романович

доктор технических наук, профессор, РХТУ им. Д.И. Менделеева, профессор кафедры ХТКиВМ

Коломавдий Александр Сергеевич доктор технических наук, профессор, БГТУ им. В.Г. Шухова, профессор кафедры СМИиК

ФГАОУ ВПО Белгородский государственный национальный исследовательский университет (НИУ «БелГУ»), г. Белгород

Защита состоится 28 июня 2013 года в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.05 в Б1ТУ им. В.Г. Шухова по адресу:

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан « 24 »_мая__2013 г.

Ученый секретарь , .

диссертационного совета

доктор технических наук С / / Матвеева Л.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Цементное производство потребляет большое количество материальных и энергетических ресурсов. Основным и самым энергоемким процессом в производстве цемента является обжиг клинкера, потребляющий большое количество энергии.

Очевидно, что решение проблемы экономии энергоресурсов на действующих производствах и развитие малоэнергоемких принципиально новых технологий обжига цементных сырьевых материалов является в настоящее время актуальным и становится возможным с применением метода химической регенерации тепла (ХРТ).

Особенностями метода ХРТ является создание сильно восстановительных условий на момент охлаждения клинкера.

Большинство исследователей оценивали воздействие восстановительной среды только при обжиге клинкера. Приведенная в литературных источниках информация свидетельствует о недостаточной изученности процесса охлаждения клинкера в восстановительных условиях. В связи с этим весьма актуальными являются исследования воздействия восстановительной среды на охлаждение клинкера при температурах, когда его фазы уже закристаллизованы.

Цель работы заключалась в развитии использования метода химической регенерации теплоты и синтетического топлива в технологии получения портландцементного клинкера, и изучении влияния условий охлаждения клинкера при получении синтетического топлива на формирование клинкерных фаз и качество цемента. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

■ исследовать возможность применения метода ХРТ в производстве портландцемента;

■ разработать методики расчетов технологических процессов с применением различных схем конверсии метода ХРТ;

■ разработать программное обеспечение для расчета материального и теплового балансов, позволяющее оперативно анализировать и обрабатывать полученные данные;

■ определить влияние восстановительных газов на свойства клинкера в процессе его охлаждения и цементов на его основе;

• разработать схемы технологического оборудования с использованием метода ХРТ в технологии обжига и охлаждения клинкера.

Научная новизна. Доказана возможность применения метода ХРТ в производстве портландцемента, обеспечивающего снижение расхода натурального топлива, повышение его эксергии и снижение выбросов СОг в атмосферу.

Предложен метод математического моделирования процесса полу-

чения клинкера в печном агрегате. Разработано программное обеспе чение для расчета материального и теплового балансов в зависимое от управляющих параметров (характеристик сырья, топлива, отходя щих газов, параметров печи и холодильника и др.).

Установлено влияние восстановительной среды в процессе охла яедения закристаллизованного клинкера на изменение цветности и по казано, что изменение цветности сопровождается поверхностным явлениями перехода части алюмоферритов из С4АР в ОАР2 с выделением герценита.

Изучено влияние измененного состава алюмоферритов на процесс гидратации, сопровождающийся увеличением доли гидроалюминат-ных фаз в составе цементного камня.

На защиту выносится:

• использование технологии ХРТ в цементном производстве

■ теоретическое обоснование эффективности метода ХРТ

■ влияние восстановительной среды в процессе охлаждения клинкера на процесс формирования ферритных фаз

■ исследование микроструктуры клинкера, охлажденного в восстановительных условиях

■ прочностные характеристики и особенности гидратации цементов полученных с применением метода ХРТ

■ техническая реализация технологии ХРТ

Практическая ценность работы. Предлагаемая в работе энергосберегающая технология позволяет производить качественный портландцемент, синтезированный с использованием метода ХРТ, неиспользуемого в промышленности вяжущих материалов.

Предложен способ наиболее полного возврата тепла клинкера из холодильника в печь с применением технологии ХРТ. Расчетным методом установлено повышение эксергии синтез-газа полученного в результате эндотермической конверсии исходного топлива с применением технологии ХРТ. В качестве окислителя исходного топлива в процессе конверсии может применяться вода, пар, С02, а также смесь Н20 и С02 из отходящих газов.

При выпуске цементного клинкера расход топлива снизится на 515 %. Наряду с экономией топлива использование метода ХРТ позволит улучшить экологическую обстановку.

Показано, что цементы, полученные на основе клинкеров, синтезированных с помощью метода ХРТ, отличаются повышенной гидравлической активностью.

Разработано программное обеспечение, предназначенное для выполнения материальных и теплотехнических расчётов цементных вра-

ающихся печей, а также обработки данных теплотехнических испы-ний, позволяющее обеспечить возможность оперативного анализа боты печного агрегата.

Разработаны варианты схем оборудования, позволяющие реализо-ть технологию ХРТ при обжиге и охлаждении цементного клинкера.

Апробация работы. Основные положения работы представлены на еждународных конференциях в г. Белгороде (2010, 2011 гг.); I и III еждународном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, аботающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей 010, 2012 гг.); П Молодежном инновационном Конвенте Южного едерального округа (2010 г.); V Конгрессе производителей цемента 012); подана заявка № 2012118951 от 05.05.2012 г. на Способ полу-ения цементного клинкера. Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, в том еле две - в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых аучных журналов, рекомендованных ВАК. Объем работы. Диссертационная работа изложена в шести главах 153 страницах, состоит из введения, обзора литературы, экспери-ентальной части, выводов и библиографии, включающей 190 наиме-ваний, содержит 60 рисунков и 13 таблиц.

Исходные материалы и методы исследований Для проведения исследований использовали промышленные клин-ра Белгородского цементного завода, характеристики которого едставлены в табл. 1

Таблица 1

_Химический и минералогический состав клинкера_

Содержание оксидов, %

аО Si02 А12Оз Fe203 MgO S03 к2о Na20 Ti02

2,06 5,04 4,27 66,49 0,6 0,18 0,68 0,29 0,39

Основные клинке рные минералы, % КН Модули

C3S C2S С3А C4AF п Р

63,1 15,7 6,1 13,0 0,92 2,37 1,18

Химический состав материалов определяли стандартными методи-ами. Фазовый состав клинкеров и продуктов гидратации исследовали а рентгенном дифрактометре ДРОН-3. Термический анализ цемент-ого камня выполнялся на дериватографе фирмы MOM. Микрострук-ру клинкеров исследовали петрографическим анализом на универ-альном поляризационном микроскопе NU-2 фирмы "Karl Zeiss Jena" в раженном свете.

Изучение гранулометрического состава цементов проводили на

гранулометре MicroSizer 201. Микротвердость клинкерных фаз опре деляли на микротвердомере ПМТ-3. Размолоспособность определялась измельчением клинкера параллельно в двух лабораторных мельницах с загрузкой мелющих тел 1300 и 1050 гр. Каждые 5 минут помола производился замер удельной поверхности цементного порошка на приборе ПМЦ 500.

Определение содержания свободного оксида кальция и закиси железа в цементах определяли по стандартной химико-аналитической методике.

Физико-механические испытания проводились в малых образцах кубиков с размером ребра 1,41 см в цементном тесте при В/Ц = 0,28 с последующим пересчетом на стандартные условия, для чего параллельно определялась прочность контрольного образца цемента с установленной активностью по ГОСТ.

Для оценки эффективности применения метода ХРТ при охлаждении клинкера разработана математическая модель тепло-массообменных потоков в процессе обжига цементного клинкера. Рас чёт производился с применением программных средств MS Excel надстройки VWS-Excel 2007 (Professur für Verbrennung, Wärme- un Stoffîibertragung), программного модуля разработанного в Институ] энергетики Дрезденского технического университета (TU Dresde Institut für Energietechnik).

Для математического моделировани процессов обжига клинкера существующи способом и методом ХРТ, возникла необхо димость производить большой объем рас четов для дальнейшего сравнения и анализ полученных результатов. В связи с эти была разработана программа ЭВ1 Cembalance.

Для проведения экспериментальных ис следований была разработана установк (рис. 1), позволяющая моделировать процесс получения синтез-газа в клинкерно холодильнике и изучить влияние резког охлаждения и восстановительной среды пр охлаждении клинкера.

Установка представляет собой кварце вую трубку (2), установленную в вертикальную печь (1). Внутри трубки находится исследуемый клинкер. К нижней части под-

У*

Пар Метан

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 -Вертикальная печь для нагрева; 2 - Кварцевая трубка с клинкером; 3-1!-обрюный манометр для регулировки газовых потоков

ведены шланги, по которым навстречу друг другу подаются водяной пар и газ. Каналы изолировались термостойкой ватой и дополнительно обмазывались глиной, что создавало хорошее уплотнение, и исключало подсос воздуха в установку.

Получение синтез-газа осуществляли путём продувки газа бутана и водяного пара (1) через слой клинкера нагретого до 1000°С, соотношение газов контролировали U-образным манометром. Температуру клинкера измеряли термопарой Pt-PtRh, подключенной к милливольтметру с классом точности 0,5.

С4Н10 + 4Н20 О 9Н2 + 4СО -24,1МДж (1)

Охлаждение осуществляли до температуры 850°С (температура реакции без катализатора), а затем охлаждали клинкер в печи до температуры окружающей среды. Ввиду затруднённой подачи воздуха в слой клинкера, этот процесс осуществлялся медленно. Для сравнительных анализов отдельную партию клинкера нагревали в муфельной печи и также медленно охлаждали на воздухе, т.е. производился так называемый отжиг клинкера. Использовали клинкер средним диаметром 5-7 мм. Выбор данного типоразмера зерна клинкера обусловлен различными коэффициентами термического расширения клинкера и кварцевой трубки, в которой он находится.

Анализ состава отходящих газов осуществляли с помощью газоанализатора Vario Plus Industrial. Контролировалось содержание: 02, со2, СО, СХНУ.

Соотношение водяного пара и газа (использовался бутан), оценивалось по показаниям дифференциального манометра и отсутствию в газах углеводородов.

Математическое моделирование метода ХРТ применительно к процессам охлаждения в клинкерном холодильнике.

Одним из перспективных способов, существенно расширяющим технологические возможности производства цементного клинкера и повышение КПД холодильника является применение метода ХРТ и использование синтез газа (СГ) в качестве основного технологического топлива.

Сущность химической регенерации теплоты клинкера выходящего из печи заключается в использовании его теплосодержания для предварительной эндотермической переработки исходного топлива, которое при этом получает повышенное количество химически аккумулированной теплоты, а также физически подогревается.

Если в традиционных установках энергия топлива превращается в теплоту путем его непосредственного сжигания, то в установках с ХРТ процесс превращения энергии топлива разбивается на две стадии.

Первая - съём тепла с нагретой поверхности клинкера и проведен эндотермической реакции конверсии исходного топлива (2, 3). Втор стадия - сжигание продуктов реакции, т.е. конвертированного топл ва, имеющего более высокую теплотворную способность по сравн нию с исходными реагентами.

СП, + Н20 о ЗН2 + СО -9,2МДж (2)

СН» + С02о 2Н2 + СО -11,1МДж (3)

Основное отличие предлагаемого способа заключается в раздел нии процесса охлаждения клинкера на две стадии: первая - съём те1 с клинкера посредством эндотермической реакции конверсии топли и вторая, используемая в настоящее время в существующих клинке ных холодильниках, - охлаждение клинкера воздухом до заданно температуры.

Необходимо подчеркнуть, что первая стадия охлаждения клинкер обеспечивается не только за счет отвода тепла конвекцией и излучен ем, но и посредством поглощения его при фазовых и химических пр вращениях, причем последние служат способом получения синтетич ского топлива - синтез-газа (СГ). смеси Н2 и СО.

Таким образом, возврат тепла в печь происходит за счет химич ского превращения топлива и воды в слое клинкера в синтез-газ, и вь деления большего количества тепла, в процессе горения нового син зированного топлива СГ, на величину эквивалентную затраченной пр конверсии исходных компонентов.

Процесс конверсии обладает высоким хладоресурсом, так метан его жидкие гомологи в смеси с водой способны обеспечить хладор сурс до 8-10 МДж/кг смеси. Именно это обстоятельство и высок работоспособность (эксергия) вновь полученного газообразного то лива позволяют рассматривать применение углеводородных вид топлива с термохимическим преобразованием для обеспечения во можности реализации более эффективного охлаждения клинкера пр одновременном повышении энергетического уровня топлива.

При сравнении эксергии конвертированного топлива и природно газа, в равных начальных условиях, при температуре окружающе среды (25 °С), получаем: эксергия природного газа составляет 3155 кДж, а эксергия СГ, произведенного из 1 м3 природного газа, составля ет 39721 кДж, т.е. прирост работоспособности составляет 8169 к£ или 26%.

Для оценки эффективности применения метода ХРТ при охлажде нии цементного клинкера разработана математическая модель тепло массообменных потоков в процессе обжига. Использовались следую щие исходные данные: способ обжига клинкера - сухой, топливо

|

природный газ, влажность сырьевой смеси 5%, температура окружающей среды 25°С, температура отходящих газов 220°С, для конверсии топлива использовалась вода в жидком состоянии, температура конверсии 900°С. Потери тепла от корпуса печи принимались 6% от суммы приходных статей теплового баланса.

Расчёты показали, что при использовании в клинкерном холодильнике способа конверсии топлива исключаются потери тепла с аспира-ционным воздухом и увеличивается общий возврат тепла в печь, вследствие чего КПД холодильника возрастает на 10-15%. Расход тепла от сгорания топлива на 1 кг клинкера снижается с 3006 кДж до 2835 кДж/кг кл. Количество и состав отходящих газов меняется следующим образом: снижаются выбросы С02 и N2 на 5% и увеличивается содержание паров Н20 на 27%. Экономия натурального топлива составляет ¡5,7% или 4,8 млн. м3 природного газа на 1 млн. т. клинкера.

В случае замены воды на отходящие печные газы, при реализации технологии ХРТ, расход топлива снижается на 9,9%, а использование пара вместо воды дает уменьшение потребления топлива на 13,8%.

Исследование воздействия восстановительной среды на { клинкер в процессе его охлаждения

В результате проведения эксперимента при визуальном осмотре :было обнаружено, что образцы клинкера изменили свою окраску, стали рыжими и темно-бурыми, при этом окраска меняется полностью по всей глубине зерна клинкера, а не поверхностно, т.е. можно предположить изменения в составе алюмоферритной фазы.

Сравнение отражательных способностей цементных порошков показало, повышение коэффициента отражения опытного образца на 10,5%. Это свидетельствует, что восстановительная среда способствует эффективному осветлению клинкеров

| Таким образом, в дальнейших испытаниях применялись 3 вида клинкера: обычный (контрольный образец - 1), дополнительно обожжённый (отожженный при 1000°С в воздушной атмосфере - 2) и

Рис. 2. Микроструктуры исследуемых образцов: 1 - контрольный образец, 2 — дополнительно обожженный образец, 3 — опытный образец.

Петрографическое исследование аншлифов (рис. 2) показало, что опытные и контрольные клинкера не отличаются составами силикатных фаз, в которых не обнаружено процессов рекристаллизации и разрушения. В составе промежуточного вещества напротив, отмечаются I изменения в соотношении темной (алюминатной) и светлой (алюмо-ферритной) фазах. Форма кристаллов алюминатов меняется от призматических пластинок в образце обычного клинкера, до множества мелких округлых пятен дополнительно обожженного клинкера и крупных кристаллов неправильных форм опытного образца. j

На рентгенограммах всех образцов четко фиксируются основные клинкерные фазы: C3S (3.04Ä, 2.98Ä, 2.78Ä), C2S (2..78Ä, 2.75Ä, 2.61Ä), С3А (2.78Ä, 2.70Ä, 2.19Ä), C4AF (2.78Ä, 2.65Ä, 1.94Ä). i

В образце, охлажденном при помощи метода ХРТ заметно изменение соотношения между алюминатной и алюмоферритной j фазами (рис. 3), причиной которого является воздействие восстановительной среды. Наблюдается формирование алюмоферритной фазы CfiAF2 (2.67А) с повышенным соотношением железа в ее составе.

Для изучения процессов происходящих в промежуточном веществе клинкера при его охлаждении в восстановительной среде, были приготовлены смеси на основе чистых минералов. Массовое соотношение C4AF : С3А = 2:1. Сформованные таблетки подвергли нагреву и охлаждению в экспериментальной установке и муфельной печи. Результаты рентгенофазового анализа полученных образцов представлены на рис. 4.

На дифрактограммах отчетли-2 - дополнительно обожженный клин- во фиксируется возрастание ин-кер; 3 - опытный клинкер. тенсивности пиков железосодер-

жащей фазы C4AF (7.34Ä, 3.67Ä, 2.79Ä, 2.65Ä, 2.05Ä, 1.93А), а также

О - C3S; в - C2S; А - С,А; C„AF, *-C6AF2.

Рис. 3. Фрагменты рентгенограмм в области 31-35°. 1 - обычный клинкер;

вменение формы дуплета в области 33-34° 29. Пики 1.70 и 2.41 А ука-двают на наличие СаОсв, что свидетельствует о распаде фазы С3А и оявлении С,2А7 (2.16А, 2.70А, 4.92А). Согласно анализам содержание аОсв смесей нагретых в муфельной печи и установке соответственно вставляло 1,6 и 1,4%.

В результате воздействия газовой среды на клинкер часть оксида елеза Ре203 восстанавливается до РеО с образованием двухвалентных онов (Бе2+), что также подтверждается анализом определения содержания закисного железа химико-аналитическим способом. Содержание БеО составляет 0,11% для обычного клинкера, 0,14% после допол-ительного обжига и более 1,5-2% в опытном образце.

I - ЗСаО АЬОз (СзА)

(СзА) (С,2А,) (СдАР) (СвАР2)

- ЗСаО АЬОз

- 12СаО-7А1гОз -4СаОАЬОзРа2Оз -бСаОАЬС^гРвгОз -СаО

- РеА1204

\) Нагрев в экспериментальной установке ХРТ и охлаждение синтез-газом.

Рис. 4. Рентгенограммы смесей САР + СзА.

Закись железа, проявляя основные свойства, образует с А12Оэ непрерывный ряд твердых растворов железо-алюминиевой шпинели -герцинита (Ре0А1203). Отражения 2.45А, 2.85А, 4.70А рис. 4 могут являться его характеристическими линиями.

10

I

Предполагаемая схема обеднения ферритов алюминием и выделе-

ния герцинита следующая:

СО, Н2 и000-900°с

4С4АР + 8С3А -

■ С6АР2 + С12А7 + 4(РеО • А1203) + 22СаО + 02

Под воздействием восстановительной среды железо переходит в двухвалентное состояние и выделяется из алюмоферритной фазы с образованием герцинита, в котором, на один ион железа 2+ приходится два иона алюминия, взамен соотношения 1 : 1 в С4АР. При этом изменяется состав алюмоферритной фазы с образованием С,2А7 и СеА¥2.

Герцинит характеризуется тёмно- сине-зелёным, жёлтым или коричневым цветом, что может сказываться на изменение оттенка клинкера в сторону более светлых тонов.

Таким образом, при резком охлаждении и в результате действия восстановительной среды увеличивается степень белизны клинкера за счет изменения координации железа по кислороду - получение алюмоферрита кальция состава С6АР2, связывающего большее количество Ре2Оэ, а также образования железо-алюминиевой шпинели.

Размолоспособность испытуемых клинкеров характеризуется полученными кривыми рис. 5.

«»©"■■ Образец 1 •ИЙН" Образец 2

""в"™ Образец 1 >НВ~ Образец 2 Образец 3

Время помола, мин

а) остаток на сите 02.

Время помола, мин '

б) остаток на сите 008.

Рис. 5. Размолоспособность исследуемых клинкеров.

Дополнительное термическое воздействие на клинкера уменьшает дефектность кристаллических решеток и совершенствует структуру минералов, что повышает их сопротивляемость к помолу. Изменения в фазовом составе клинкеров также влияет на микротвердость минералов.

Из графиков видно, что крупная фракция опытного клинкера (образец 3) измельчается хуже обычного (образец 1) и дополнительно обожженного (образец 2) на всём протяжении помола. Мелкая фракция до 25 минуты измельчается лучше. Дальнейшее ухудшение процесса помола образца 3 можно связать с агрегированием и налипанием цемента на мелющие тела мельницы. Столь низкие показатели размолоспособ-

ности можно связать с повышением микротвердости фаз алита на 37% и промежуточного вещества на 96% по сравнению с контрольным образцом.

Результаты размолоспособности подтверждаются исследованием проб на лазерном анализаторе размера частиц серии «Микросайзер». Гранулометрический состав дополнительно обожженного и опытного клинкеров сдвигается в область более крупных частиц. Это подтверждает воздействие термического отжига на совершенствование кристаллических структур, обеспечивая их большую сопротивляемость

Для определения прочностных характеристик были приготовлены образцы следующего состава: клинкер молотый + 3,5% гипса.

Видно, что активность клинкеров (рис. 6) подвергнутых дополнительной термической обработке на ранних сроках твердения ниже контрольного образца (1). Так прочность дополнительно обожженного (2) и опытного (3) клинкеров ниже примерно на 30%, на третьи сутки набора прочности, и на 39% для отожженного клинкера в 7-ые сутки твердения. Эти данные вполне согласуются с литературными источниками, в которых описывается негативное влияние дополнительного нагревания и медленного охлаждения клинкера, за счет распада части алита, укрупнении минералов и упорядочивания их структуры, что ведет к снижению их гидратационной активности. Результаты экспериментального клинкера на 7-ые сутки набора прочности не хуже контрольного образца, а на 28-е сутки даже превосходят его на 6%.

Анализ рентгенограмм (рис. 7) и термографических кривых (рис. 8) цементного камня 28 суточного возраста твердения установил увеличение интенсивностей дифракционных максимумов Са(ОН)2 опытного цемента, что свидетельствует о более глубокой его гидратации. Увеличение максимума эндотермического пика опытного образца в области 500—530°С, который показывает разложение гидроксида кальция, подтверждает данные РФА. Соотношение величины пика гидратной фазы Са(ОН)2 аналогично изменению прочностных характеристик цементов, приведенных на рис. 6, что указывает на правомерность оценки активности клинкеров по интенсивности пика 4.94А.

Изучение данных термографического и рентгенофазового анализов

80 -г

40

е2.

и

I г I I 20 £ =

о

1 г 31

.2 3

Ч

г У з

7 суток 28 суток

3 суток

Рис. б. Прочностные характеристики исследуемых клинкеров: 1 - контрольный образец, 2 — дополнительно обожженный образец, 3 — опытный образец.

образцов исследуемых цементов в 28 суточном возрасте твердени показало, что процессы гидратации цементов протекают по схожи механизмам, однако в опытном образце фиксируются большие инте сивности группы тоберморитоподобных гидросиликатных фаз (лини 12.6А, 3.01 А, 2.92А), определяющих спутанно-волокнистую структур и обеспечивающих повышенные прочностные характеристики.

? 1) обычный образец

* - СгЯЩВ); <г - С2АН„; * - С,АН«; * - С4АН„; О - Са(СО),.

О - СА • - СЧБ; © - эттрингит; V - Са(ОН)2; ♦ - тоберморнтовый гель: О - С28Н2: О - СзБН:; <г - С3АН8; * - СзАН«; * - С4АН„; 0 - Са(СО)3.

* 3) Опытный образец

О - СзЭ; • - СгЭ; © - эггрингит; V - Са(ОН)г; ♦ - тоберморитовый гель; О - С28Н2; * - С28Н(В); * - С3АН«;» - САН,,; * - С4АН„; » - МГСАК.

Рис. 7. Рентгенограммы гидратированн их цементов в 28 ¡уточном возрасте.

Также очевидно изменение в составе гидроалюминатов (дифракци

■иные максимумы 3.83А, 7.62А, 8.19А), что обусловлено изменением остава алюмоферритной фазы исходного клинкера. Отмечаются избиения в составе гидроалюминатных фаз и изменение соотношения ттрингита и моногидросульфоалюмината кальция. ДТА подтверждает

данные рентгенограмм по содержанию гидрат-ных фаз. Потеря воды в области до 410°С сопровождается дегидратацией минералов гидросиликатов, гидроалюминатов, гидроферритов, в том числе разложение гелевидной составляющей. Эффект в области 600-800°С соответствует удалению кристаллизационной воды из гидросиликатов различной основности. Разложение вторичного альцита характеризует эффект в интервале температур 800-830°С.

Практическая реализация работы.

По результатам проведенных исследований предложен комплекс ехнических решений по реализации технологии ХРТ в процессах об-шга и охлаждения цементного клинкера.

На рис. 9 представлена принципиальная схема применения метода СРТ для утилизации теплоты клинкера выходящего из вращающейся :ечи сухого способа производства. Сырье для производства цементно-о клинкера последовательно проходит термообработку в теплообмен-:ике (ТО), декарбонизаторе (Д) и далее обжигается во вращающейся :ечи (П). Обожженный продукт - клинкер выходит из вращающейся :ечи с температурой 1300-1400°С и поступает на первую стадию охлаждения в реактор-холодильник (РХ), в который также подается природный газ и окислитель (водяной пар, углекислый газ или их смесь из отходящих печных газов). Синтезированное топливо с температурой порядка 1000°С поступает в форсунки (Ф) печи и декарбони-затора, в эти же форсунки вентиляторами (В) подается потребное для сгорания топлива количество воздуха. Циклон (Ц) предназначен для отделения воздуха от клинкерной пыли. Питатель (Пт), устанавливае-

озраста твердения: 1 — образец контрольного линкера; 2 - образец дополнительно обожженного клинкера; 3 - образец опытного клинкера.

А

Й

~Ч> волнух. отх<шноне ШИ ека£» ТОИЛН80

сишсгнческос топливо -Н> вода, пар

мый за РХ. Он служит для поддержания заданного слоя клинкера и исключения подсосов воздуха в РХ. Охлажденный до заданной температуры клинкер поступает из РХ в питатель и далее в традиционный холодильник (X), где производится окончательное охлаждение продувкой воздуха, подаваемого вентиляторами, через слой клинкера.

Ввиду особенно. терм (сыри, »»«»«р) СТей подачи ТОШ1ИВа И

воздуха на горение, применение метода ХРТ предполагает проведение изменений выходной части печи и шахты холодильника (рис. 10). Горячий конец печи 1, выполнен с максимально уменьшенным диаметром, а шахта холодильника заменяется на разгрузочную течку. Весь воздух для сжигания топлива подается через форсунку 2. В связи с этим зона охлаждения в печи пракгически отсутствует, и охлаждение клинкера начинается в реакторе-холодильнике (РХ) 3.

ТО - геолтКмсннми ;о[ич(с1ка Д - декарбнмиад «ч> [1 - печь 1«>жмга Ф - 1>0|1СуНКй

РХ- рсакт&р-хохшднаькнк [ 11 - пшакмь X - холодильник С - струйный насуе Ц - циклоп В - ылпидчгор

Рис. 9. Схема реализации метода химической регенерации теплоты клинкера

Рис. 10. Схема технической реализации метода ХРТ. I - печь; 2 - горелочное устройство; 3 -реактор-холодильник; 4 - клинкерный холодильник.

Помимо представленной схемы в диссертации предложены различные варианты конструкций РХ и два варианта горелочных устройств.

Данное направление применения технологии ХРТ очень перспективно и требует проведения дальнейших исследований.

6. Основные выводы и результаты работы

1. Расчетным путем (составление материальных и тепловых балан-ов) показана эффективность применения метода ХРТ в производстве яжущих материалов, которая заключается в снижении расхода нату-ального топлива на 5—15% в зависимости от схемы реализации. Ко-ичество отходящих газов уменьшаются на 1,5-6%, при этом выбросы 02 снижаются пропорционально расходу топлива, а количество Н20 ;еличивается на 27% для варианта применения жидкой воды в каче-ве окислителя при конверсии углеводородного топлива. В случае

рименения отходящих печных газов, при реализации технологии РТ, содержание водяного пара снижается на 9,5%.

2. Показано, что конвертированное топливо (синтез-газ) обладает ядом преимуществ: эксергия эквивалентного количества синтез-газа, олученного из исходного топлива на 25-30% выше работоспособно-

и этого топлива, также теоретическая температура горения синтез-за повышается на 200°С. Повышение эксергетической способности •плива обеспечивает возможность ускорения реакций минералообра-вания, что подтверждено комплексом исследований. Таким образом, точки зрения энергетики, технология ХРТ более полно, чем другие спсшьзует первичную энергию, запасенную в клинкере в виде хими-еской энергии топлива.

3. Разработана программа «СешЬа1апсе», предназначенная для вы-олнения материальных и теплотехнических расчётов цементных вра-ающихся печей, а также обработки данных теплотехнических испы-тшй. Программа позволяет обеспечить оперативную возможность ¡ализа работы печного агрегата.

4. Сконструирована и изготовлена действующая модельная уста-овка, обеспечивающая получение синтетического топлива и его ана-13, который позволил уточнить температурный интервал синтеза (до 50°С). Получение синтез-газа подтверждается отсутствием углеводо-)ДОв и наличием СО в продуктах реакции конверсии, что свидетель--вует о функционировании установки. В результате экспериментов аблюдается интенсивное окрашивание клинкера на всю глубину зер-а, вызванное воздействием восстановительной среды.

5. Восстановительная атмосфера в процессе охлаждения уже закри-гаплизованного клинкера от температур 1100-1000°С не оказывает азрушающего воздействия на силикатные фазы, что подтверждается анными петрографического анализа. Однако в процессе отжига изме-яется модификация алита от М+Я (моноклинная+ромбоэдрическая) о триклинной Т3.

6. Показано, что воздействие восстановительной среды при охла-

ждении уже закристаллизованного клинкера обеспечивает частичн образование алюмоферритной фазы состава С4АР до СбАР2 с выдел нием фазы герцинита, что фиксируется рентгенофазовым анализом подтверждается наличием закисного железа (БеО), и повышает отр жающую способность клинкера и цемента.

7. Установлено влияние измененного состава алюмоферритов процесс гидратации, сопровождающийся увеличением доли гидр алюминатных фаз в составе цементного камня.

8. Повышение гидравлической активности клинкеров, охлажде ных в восстановительных условиях, обусловлено изменением соста алюмоферритной фазы и последующего образования при гидратащ большего количества тоберморитоподобных гидросиликатных и ги роалюминатных фаз спутанно-волокнистой структуры, а также бол интенсивной гидратации клинкеров, что подтверждается образование большего количества Са(ОН)2.

9. Применение метода ХРТ позволяет разработать высокоэффе тивное охлаждающее оборудование (холодильники), с меньшим п треблением электроэнергии и меньшими габаритными размерами п] большем тепловом КПД, для замены традиционных конструкций х лодильников.

Таким образом, использование технологии ХРТ обеспечивает сн жение расхода натурального топлива, решает проблему снижения в: бросов трехатомных газов в атмосферу (в частности С02), повыша эффективность горения топлива, его эксергетические возможности, также улучшает физико-механические и декоративные характеристи] полученного цемента. Ожидаемый экономический эффект только счет снижения расхода натурального топлива составит от 18,9 до 46 млн. руб. на 1 млн. т. клинкера в зависимости от схемы реализации.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Ткачев В.В. Разработка реактор-холодильника / В.В. Ткачев // мире научных открытий. - 2010. - №4 (10), Часть 15. - С. 97-100.

2. Ткачев В.В. Реактор-холодильник / В.В. Ткачев // Сб. докл. Н минантов, допущенных к отбору на участие в конкурсе БГТУ им. В. Шухова по программе «Участник молодежного научн инновационного конкурса» (УМНИК) по тематическим направления: Н1 — Информационные технологии, программные продукты и тел коммуникационные системы; Н4 - Машиностроение, электроник приборостроение / под общ. ред. ВТ. Рубанова. - Белгород: БГТУ и В.Г. Шухова, 2010. - С. 94-96.

3. Ткачев В.В. Синтетическое топливо и методы химической реге нерации тепла при производстве портландцемента / В.В. Ткачев, В.М

Коновалов // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф., Белгород, 5-8 окт. 2010 г./Белгор. гос. технол. ун-т. -Белгород: БГТУ им. В.Г.Шухова, 2010. -42.-319 с.

4. Ткачев В.В. Энергоэффекгивная технология производства цементного клинкера / В.В. Ткачев //Сборник докладов «Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей». — М.: 2010. - С. 26-28.

5. Ткачев В.В. Энергоэффективная технология и оборудование для производства цементного клинкера / В.В. Ткачев // Сухие строительные смеси. - 2011. - №4. - С. 36-40.

6. Ткачев В.В. Охлаждение клинкера с использованием метода химической конверсии топлива / В.В. Ткачев, В.М. Коновалов, A.A. Бан-дурин // Международная научно-практическая конференция «Инновационные материалы и технологии» (XX научные чтения). - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011. - С. 45-49.

7. Коновалов В.М. Химическая конверсия топлива в технологии портландцемента / В.М. Коновалов, В.В. Ткачев // Цемент и его применение. - 2012. - №4. - С. 106-108.

8. Коновалов В.М. Использование метода химической регенерации тепла в клинкерном холодильнике / В.М. Коновалов, В.В. Ткачев, A.A. Бандурин // . Сборник докладов «Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей». - М.: 2012. - С. 155-160.

9. Коновалов В.М. Синтез-газ - альтернатива натуральному топливу / В.М. Коновалов, A.A. Бандурин, В.В. Ткачев // Сборник докладов «Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей». -М.: 2012.-С. 6-9.

10. Ткачёв В.В. Повышение эффективности цементного производства с использованием конвертированного топлива / В.В. Ткачёв, A.A. Бандурин, В.М. Коновалов // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - №2. URL: www.science-education.ru/108-8979.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать Формат 60*84/16 Объем 1 п.л. _Тираж 100 экз_Заказ № 470_

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

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

04201360687

Ткачев Валентин Витальевич

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ И СИНТЕЗИРОВАННОГО ТОПЛИВА В ПРОИЗВОДСТВЕ

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Специальность 05.17.11. - Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, кандидат технических наук, доцент Коновалов Владимир Михайлович

На правах рукописи

Белгород-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................................................4

1. Обзор литературы, обоснование цели и задач исследований......................7

1.1. Технология химической регенерации тепла.................................................7

1.1.1. Производство и применение синтетического топлива.......................17

1.1.2. Конверсия природного газа....................................................................21

1.2. Особенности высокотемпературного обжига клинкера............................27

1.2.1. Физико-химические процессы в высокотемпературных зонах цементных печей...............................................................................................31

1.3. Влияние восстановительного обжига на свойства цементного клинкера.................................................................................................................38

1.3.1. Окраска клинкера....................................................................................42

1.3.2. Воздействие среды на строение и фазовый состав портландцементного клинкера........................................................................44

1.3.3. Влияние длительности обжига клинкера на его структуру............47

1.3.4. Влияние условий охлаждения клинкера на содержание фаз алита и алюмината............................................................................................49

1.3.5. Физико-механические свойства цементов...........................................51

1.4. Использование технологических приемов при производстве белого цемента...................................................................................................................58

1.5. Выводы............................................................................................................67

1.6. Цель и задачи исследований.........................................................................68

2. Исходные материалы и методы исследований.............................................69

2.1. Методы исследований...................................................................................69

2.2. Разработка модельной установки для исследования процесса конверсии топлива при охлаждении клинкера..................................................73

2.3. Вывод...............................................................................................................74

3. Математическое моделирование метода химической регенерации тепла применительно к процессам охлаждения в клинкерном холодильнике...........................................................................................................75

3.1. Описание предлагаемого метода применительно к технологии обжига цементного клинкера...............................................................................75

3.1.1. Направления развития применения метода ХРТ в технологии производства портландцементного клинкера................................................78

3.2. Разработка программы для расчета тепло-массовых потоков при обжиге клинкера....................................................................................................81

3.3. Расчёт эксергии конвертированного топлива.............................................83

3.4. Расчет энергоэффективности применения метода ХРТ при обжиге клинкера.................................................................................................................85

3.5. Выводы............................................................................................................92

4. Исследование воздействия восстановительной среды на клинкер в процессе его охлаждения........................................................................................94

4.1. Петрографический анализ экспериментальных клинкеров.......................94

4.2. Изучение фазового состава клинкеров методом рентгеновской дифракции..............................................................................................................97

4.3. Изучение размолоспособности клинкеров................................................105

4.4. Исследование физико-механических свойств цементов в малых образцах................................................................................................................108

4.5. Исследование процессов гидратации опытных цементов.......................110

4.6. Выводы..........................................................................................................115

5. Практическая реализация работы................................................................116

5.1. Схема реализации технологии ХРТ...........................................................116

5.2. Пример технической реализации технологии ХРТ..................................117

5.2.1. Сравнение вариантов реконструкции холодильников по традиционной технологии и технологии ХРТ.............................................117

5.2.2. Изменения горячего конца печи и шахты холодильника.................120

5.2.3. Реактор-холодильник (РХ)...................................................................122

5.2.4. Форсунка................................................................................................124

5.2.5. Особенности работы печной установки с применением метода ХРТ...................................................................................................................129

5.3. Возможности метода ХРТ для выпуска специальных декоративных видов цемента......................................................................................................130

5.4. Выводы..........................................................................................................131

6. Основные выводы и результаты работы.....................................................132

Список использованных источников...............................................................134

Введение

Цементное производство потребляет большое количество материальных и энергетических ресурсов. Основным и самым энергоемким процессом в производстве цемента является обжиг клинкера, потребляющий большое количество энергии. В 2006 году величина средней удельной энергии, необходимой для производства одной тонны клинкера составляла примерно 3,69 ГДж. Во всем мире около 5% выбросов С02 в атмосферу связано с производством цемента. Защита окружающей среды является заявленной целью цементной промышленности, которая взяла на себя обязательство приложить максимальные усилия на сокращение выбросов СО в два раза и С02 примерно на 18% к 2050 году. Это означает переход к экологически чистому производству цемента по сравнению с ситуацией на сегодня [1].

В настоящее время одним из основных направлений развития цементной промышленности является применение энергосберегающих технологий, прежде всего печей сухого и комбинированного способов производства. В мировой практике в наибольшей степени реализуется сухой способ производства с циклонными теплообменниками и запечными декарбонизаторами. При применении шестиступенчатого теплообменника удельный расход условного топлива может составлять менее 100 кг/т клинкера. Однако с уменьшением количества топлива расходуемого на обжиг клинкера, неизбежно снижается объем воздуха необходимого для его сжигания и, следовательно, объем воздуха для охлаждения клинкера. Т.е. количество рекуперированной теплоты клинкера в холодильнике также снижается вслед за расходом воздуха для горения, что влечет увеличение доли избыточного воздуха и падение теплового КПД холодильника в целом.

Охлаждение клинкера в холодильнике - важный процесс в теплотехническом и технологическом отношениях. Режим охлаждения клинкера влияет на его структуру, минералогический состав и размолоспособность, а также на технические свойства цемента.

Очевидно, что решение проблемы экономии энергоресурсов на действующих производствах и развитие малоэнергоёмких принципиально новых технологий обжига цементных сырьевых материалов и охлаждения клинкера является в настоящее время актуальным и становится возможным с применение метода химической регенерации тепла (ХРТ).

Цель работы заключалась в развитии использования метода химической регенерации теплоты и синтетического топлива в технологии получения порт-ландцементного клинкера, и изучении влияния условий охлаждения клинкера при получении синтетического топлива на формирование клинкерных фаз и качество цемента.

Научная новизна. Доказана возможность применения метода ХРТ в производстве портландцемента, обеспечивающего снижение расхода натурального топлива, повышение его эксергии и снижение выбросов С02 в атмосферу.

Предложен метод математического моделирования процесса получения клинкера в печном агрегате. Разработано программное обеспечение для расчета материального и теплового балансов в зависимости от управляющих параметров (характеристик сырья, топлива, отходящих газов, параметров печи и холодильника и др.).

Установлено влияние восстановительной среды в процессе охлаждения закристаллизованного клинкера на изменение цветности и показано, что изменение цветности сопровождается поверхностными явлениями перехода части алюмоферритов из С4АР в С6АГ2 с выделением герцинита.

Изучено влияние измененного состава алюмоферритов на процесс гидратации, сопровождающийся увеличением доли гидроалюминатных фаз в составе цементного камня.

Практическая ценность работы. Предлагаемая в работе энергосберегающая технология позволяет производить качественный портландцемент, синтезированный с использованием метода ХРТ, не используемого в промышленности вяжущих материалов.

Предложен способ наиболее полного возврата тепла клинкера из холодильника в печь с применением метода ХРТ. Расчетным методом установлено повышение эксергии синтез-газа полученного в результате эндотермической конверсии исходного топлива с применением технологии ХРТ. В качестве окислителя исходного топлива в процессе конверсии может применяться вода, пар, С02, а также смесь Н20 и С02 из отходящих газов.

При выпуске цемента расход топлива снизится на 5-15 %. Наряду с экономией топлива, использование метода ХРТ позволит улучшить экологическую обстановку.

Выяснено, что цементы, полученные на основе клинкеров, синтезированных с помощью метода ХРТ, отличаются повышенной гидравлической активностью.

Разработано программное обеспечение, предназначенное для выполнения материальных и теплотехнических расчётов цементных вращающихся печей, а также для обработки данных теплотехнических испытаний, позволяющее обеспечить оперативную возможность анализа работы печного агрегата.

Разработаны схемные варианты оборудования, позволяющие реализовать технологию ХРТ при обжиге и охлаждении цементного клинкера.

Апробация работы. Основные положения работы представлены на Международных конференциях в г. Белгород (2010, 2011 гг.); на I и III Международных семинарах-конкурсах молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей (2010, 2012 гг.); на II Молодежном инновационном Конвенте Южного федерального округа (2010 г.); на V Конгрессе производителей цемента (2012); подана заявка №2012118951 от 05.05.2012 г. на «Способ получения цементного клинкера».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, в том числе 2 - в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Технология химической регенерации тепла.

Среди современных строительных материалов цемент является общепризнанным прогрессивным универсальным вяжущим материалом, необходимым для выпуска строительной продукции.

Проблема совершенствования технологии производства цемента в России очень актуальна, в связи с недостаточным объемом выпуска цемента, необходимостью повышения его качества и т.д. [2].

Производство цемента связано со значительным расходом топлива и сырья и по энергопотреблению оно занимает третье место после топливно-энергетической и металлургической отраслей при относительно низком КПД тепловых агрегатов. Так, при производстве цемента по мокрому способу непроизводительные затраты топлива составляют около 75%, и на каждую обжигаемую тонну клинкера расходуется более 5 тонн таких жизненно необходимых природных материалов как сырье, топливо, вода и воздух. При этом, например, из вращающейся печи производительностью 72 т/ч в атмосферу через дымовую трубу ежечасно выбрасывается около 300 тонн отработанных газов. Следовательно, снижение удельного расхода топлива и природных сырьевых материалов является важной задачей, которая в значительной степени может быть решена путем оптимизации и интенсификации технологических процессов и использования техногенных материалов [3].

Снижение удельного расхода топлива имеет большое значение еще и потому, что дополнительно улучшаются другие показатели работы печи: увеличивается производительность печи и стойкость футеровки, уменьшается пыле-унос и степень загрязнения окружающей среды [4].

Одним из направлений снижения затрат энергопотребления является эффективное использование и сохранение произведенного тепла внутри печной

установки. Это достигается повышением КПД оборудования и снижением потерь тепла (отходящих газов и клинкера, через корпус печи и холодильника, а также с избыточным воздухом). Известно, что снижение температуры отходящих газов на каждые 10°С экономит около 60 кДж/кг кл. или 2 кг условного топлива на тонну клинкера.

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 расход топлива, ккал/кг

Рис. 1.1. Зависимость расхода топлива от рекуперированного тепла кДж/кг

клинкера

При проектировании новых или модернизации действующих печей особое внимание следует уделять холодильнику, основная задача которого не только охладить клинкер, но и вернуть (рекуперировать) его тепло обратно в печную систему в виде вторичного или третичного воздуха для обеспечения сжигания топлива. Очевидно, что для снижения расхода топлива до минимума очень важно вернуть как можно больше тепла обратно в процесс.

Поскольку количество доступного воздуха для охлаждения практически

полностью зависит от расхода топлива печью, это устанавливает ограничение на количество тепла, которое может быть рекуперировано. Существует также ограничение и на максимальную температуру, до которой воздух может быть нагрет.

Рис. 1.1 [5] показывает этот предел в зависимости от расхода топлива на обжиг при условии идеальной теплоизоляции холодильника. Видно, что степень рекуперации тепла снижается с уменьшением расхода топлива печыо, а также то, что теоретический расход тепла с поперечно-поточным охлаждением меньше чем в варианте противоточного теплообмена. Таким образом, наименьший теоретический расход топлива в печи который может быть достигнут поперечно-поточным охлаждением на 400 кДж выше, чем расход топлива в подобных условиях, но с противоточным методом теплообмена охлаждения клинкера.

Средний расход воздуха для горения топлива составляет:

а) для мокрого способа с расходом тепла 6300 кДж/кг кл. -2,36 кг воздуха/кг кл.

б) для сухого способа с расходом тепла - 3550 кДж/кг кл -1,34 кг воздуха/кг кл.

Из-за ограничения рекуперации тепла упомянутого выше существует предел до которого клинкер может быть охлажден, и этот предел выше для поперечно-

поточного охлаждения чем для Рис. 1.2. Теоретическая зависимость температуры клинкера от необходимого количе- противопоточного, особенно с

ства воздуха па охлаждение ^

низким расходом топлива на оо-

жиг. Если температура клинкера недостаточно низкая, то для дальнейшего охлаждения необходимо использовать большее количество воздуха, которое не используется в печи, юо с Так, в соответ-

ствии с рис. 1.2, для поддержания температуры клинкера в диапазоне от 100°С до 50°С необходимо от 3 до 4 кг воздуха/кг кл. Если весь этот воздух возвращать в печь в качестве вторичного воздуха, КПД холодильника будет приближаться к 100%, как показано на рис. 1.3. Однако, если процессу для горения требуется только 2 кг воздуха, то максимальный теоретический КПД составит всего около 86%. Несмотря на то, что КПД снижается при уменьшении расхода топлива в печи, температура вторичного воздуха будет возрастать. А основная цель колосникового холодильника максимизировать температуру вторичного воздуха, чтобы снизить расход топлива. Таким образом, компромисс между эффективностью (КПД) и температурой вторичного воздуха неизбежен [5].

О і 2

Количество вторичного воздуха, кг/кг кл.

Рис. 1.3. Максимальный теоретический тепловой КПД колосникового холодильника

т

аз «

а ас

-а

ч

к §

§ X

та

1,0

0,8

0,6

0,4

Поскольку повышение КПД холодильника только на 1% ведет к снижению удельного расхода тепла всей печи на 17-21 кДж/кг кл, эффективные мероприятия по

.. модернизации холодиль-

Удельный расход вторичного воздуха, нм /кг кл ^

Рис. 1.4. КПД холодильника как функция удельного ников все еще оправды-расхода вторичного воздуха [6]

Ьї

і о-практнческі колосннковс барабанного ПКПД ІЙ решетки I! холодильника

і / 1 1 .Идеальная теплопередача .Прогпвогочный теплообменник .Прямоточный теплообменник 1

0,5 1,0 1,5 2,0

і

вают себя. Колосниковые холодильники переталкивающего типа более старой конструкции на печах сухого способа, как правило, работают с КПД в диапазоне от 55 до 65%, а новые холодильники - в пределах от 70 до 80% [6].

Рис. 1.4 показывает принципиальную зависимость между КПД холодильника и удельным расходом вторичного воздуха. Видно, что на современных печах, работающих по сухому способу производства, уменьшается расход вторичного воздуха, вследствие чего во