Совершенствование комплекса теплообменных устройств во вращающихся печах с учетом свойств шлама

Производство цемента в России осуществляется преимущественно по мокрому способу, который характеризуется повышенным расходом топлива на обжиг клинкера. Значительные, до 60%, затраты тепла вызваны испарением воды и потерями с отходящими газами, которые обусловлены протекающими в цепных теплообменниках процессами. Поэтому особое внимание при оптимизации работы печных агрегатов следует уделять интенсификации процессов именно в этой части печи, которое достигается совершенствованием комплекса теплообменных устройств.

Существующие методики расчета и проектирования комплекса теплообменных устройств не учитывают изменяющиеся при нагревании физические свойства шлама. При этом не рассматривается распределение газового потока по поперечному сечению цепной завесы в зависимости от налипшего шлама. Важным фактором в выборе оптимальной плотности отдельных участков цепной завесы является установление границ текучего, пластичного и сыпучего материала, которые меняют свое положение в зависимости от природных свойств сырьевых компонентов, содержания поверхностно-активных добавок, используемых техногенных материалов и режима работы печи. Следовательно, исследование физических свойств сырьевого шлама в процессе сушки и распределения газовых и материальных потоков в цепях, совершенствование элементов внутрипечных устройств и оптимизация схем навесок, направленные на экономию топлива при обжиге цементного клинкера, имеют важное народно-хозяйственное значение.

Научная новизна. Разработана методология совершенствования и проектирования комплекса теплообменных устройств во вращающейся печи, заключающаяся в конструировании схемы и элементов цепной завесы с учетом изменения в процессе нагревания физических свойств материала, которые определяются на специально разработанной модельной установке, позволяющей классифицировать зоны пылеосаждения, пылеобразования и способность материала к грануляции.

Выявлен механизм пылеуноса из печи, обусловленный физическими свойствами материала, сущность которого заключается в том, что при постепенном схо4 де материала с цепей, когда адгезионные силы взаимодействия частиц преобладают над когезионными, образующаяся пыль уносится газовым потоком. Вопреки принятым представлениям об образовании пыли в зоне декарбонизации, на основе исследований массообмена в цепях и минералогического состава пыли установлено, что пылеунос в основном осуществляется из цепной завесы при температуре газового потока ниже 900 °C.

Предложены новые взаимосвязанные коэффициенты, отражающие сопротивление цепной завесы и соотношение скоростей в межцепном и подцепном пространстве, более полно характеризующие газодинамику при изменении количества материала на цепях. Для интенсификации теплообмена в цепной завесе необходимо обеспечить наиболее равномерное распределение газового потока по сечению печи, чтобы указанные коэффициенты приобретали максимально возможные значения.

Разработан алгоритм проектирования комплекса теплообменных устройств, заключающийся в теоретически и экспериментально обоснованном расчете плотности, длины цепи и отдельных участков, схемы навески и учитывающий интенсивность перехода материала в процессе сушки на цепи и схода с них.

Практическое значение и внедрение результатов работы. Разработана методика проектирования и оптимизации цепных теплообменников, учитывающая свойства шлама в процессе сушки, которые экспериментально определяются на специально разработанной установке, моделирующей протекающие в промышленных цепных завесах процессы.

Определены и исследованы физические свойства шламов 30 цементных заводов, по результатам которых произведено усовершенствование цепных завес этих предприятий. Установлена возможность изменения физических свойств материала путем введения в шлам различных добавок и техногенных образований, позволяющих регулировать соотношение величины зон пылеосаждения и пыле-образования, предопределять положительное или отрицательное их воздействие на работу вращающей печи.

Разработан и внедрен комплекс теплообменных устройств на печи 4,5/5×170 м ОАО «Искитимцемент», позволивший снизить удельный расход условного топлива на 20 кг/т клинкера и пылевынос из печи в 2 раза, устранить кольцеобразо-вание в цепной завесе. Экономический эффект, подтвержденный актом предприятия, составил 6,85 млн. рублей в год.

Выполнен расчет и выдан проект цепной завесы для печи 2,7×47,5 м Углегорского завода, внедрение которого позволило снизить расход условного топлива на 5 кг/т клинкера и пылевынос из печи — на 18−20%. Подтвержденный актом экономический эффект составил 1,6 млн. рублей в год.

Результаты работы использованы в курсах лекций и методических указаниях по дисциплинам «Тепломассообмен», «Оптимизация производства вяжущих материалов» и на ежегодных курсах повышения квалификации специалистов цементной промышленности.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР «Исследование процесса тепломассообмена в цепном теплообменнике вращающейся печи при высушивании сырьевого шлама», финансируемых в 2004;2006 гг. из средств госбюджета.

Апробация работы. Результаты работы представлены в журнале «Цемент и его применение» (2002), на Международной конгрессе и конференции в Белгороде (2003, 2005), Международном форуме в Москве (2005), Всероссийской научно-практической конференции в Самаре (2006), Региональной научно-практической конференции в Старом Осколе (2006), методических указаниях к выполнению лабораторных работ «Тепломассообмен» (2003).

Публикации. Основные положения работы изложены в 6 публикациях.

Структура и объем диссертации

Работа изложена на 132 страницах, содержит 5 глав, состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, общих выводов, списка использованных источников, включающего 128 наименований, и приложений, содержит 39 рисунков и 18 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработана методология совершенствования и проектирования комплекса теплообменных устройств с учетом изменения физических свойств шлама и равномерного распределения газового потока в сечении печи. Для определения особенности поведения шлама при высушивании разработаны метод и установка, моделирующие работу цепного теплообменника вращающейся печи и позволившие по кривой изменения удельной массы материала на цепях тм / тц разработать алгоритм проектирования комплекса теплообменных устройств.

2. Выполнены исследования в процессе нагревания изменения физических свойств шлама 30 заводов. При снижении влажности материал набирается на цепи, достигает максимального количества при критической влажности WKp, затем происходит его сход с цепей. Независимо от карбонатного компонента кривая изменения удельной массы материала на цепях шм / шц имеет экстремум.

Установлена зависимость изменения физических свойств сырьевого шлама в процессе его высушивания в цепном теплообменнике от влажности, позволяющая по изменению величины удельной массы материала на цепях классифицировать в печи зоны пылеосаждения (интервал влажности от исходной W"cx до критической WKp) и пылеобразования (интервал влажности от критической WKp до сброса материала с цепей Wc6). Отношение массы шлама, удерживаемого на мелкозвенной лабораторной цепи, к единице поверхности практически совпадает с таким же показателем для промышленной цепи, т. е. результаты, полученные в лаборатории, применимы для печи.

3. Установлены значительные отличия белгородского и старооскольского шламов при высушивании. Белгородский шлам характеризуется меньшей интенсивностью возрастания массы материала на цепях до WKp и большей скоростью сброса материала с цепей. Отличия в величине изменения физических свойств вызваны повышенным содержанием водорастворимых солей и более высоким^{-потенциалом} шламовой суспензии. Белгородский шлам имеет большую зону пылеосаждения, равную W"cx — WKp = 15%, и малую зону пылеобразования, равную WKp — WC6 = 7%, обеспечивая хорошую гранулируемость материала после цепей и низкий пылевынос из печи.

Предложенная методика определения физических свойств материалов при нагревании позволяет по длине зон пылеобразования и пылеосаждения прогнозировать пылевынос из промышленных вращающихся печей.

4. Регулировать способность материала к гранулообразованию можно введением поверхностно-активных веществ и техногенных материалов.

Введение

в сырьевой шлам JICT и УЩР, независимо от вида карбонатного компонента, изменяет его физические свойства, налипание материала на цепи начинается при более низкой влажности, что увеличивает зону пылеосаждения. Кроме того, уменьшается склонность материала к пылеобразованию из-за более плотной упаковки системы, которая в процессе высушивания становится прочнее. Такое же влияние оказывает и использование металлургического шлака.

Топливосодержащая добавка лигнин, является коагулянтом, независимо от вида карбонатного компонента увеличивает удельную массу материала на цепях за счет увеличения когезии шлама, интенсифицируя массообмен, однако смещает критическую влажность в сторону повышенной влажности шлама, тем самым, сокращая зону пылеулавливания и увеличивая зону пылеобразования. При промышленных испытаниях использование лигнина позволило на 35 кг ут/ т клинкера снизить расход топлива, но привело к увеличению выноса пыли из печи в 1,5 раза.

5. Подробный анализ зависимости удельной массы материала на цепях шм / Шц при нагревании шлама 12 заводов показал, что величина максимальной массы изменяется от 0,32 до 0,6 кг/кг. Количество материала на цепях увеличивает поверхностный Кр и объемный Ку коэффициенты плотности и газодинамическое сопротивление комплекса теплообменных устройств по сравнению с расчетными, поэтому в области вязкопластичного шлама необходимо снижать расчетные коэффициенты плотности.

Рассчитаны объемный Kv и поверхностный KF коэффициенты плотности навески при изменении диаметра печи, угла наклона винтовой линии и шага навески цепей. Полученные зависимости позволяют рекомендовать распределение коэффициентов плотности по длине цепной завесы в зависимости от характера изменения кривой удельной массы материала на цепях ти / тц: при малом количестве материала на цепях, 0,3 — 0,4 кг/кг, плотность в зоне критической влажности должна быть в интервале 6−8 м2/м2, при количестве материала на цепях 0,4 — 0,6 кг/кг плотность должна быть снижена до 4 — 6 м2/м2.

Анализ работы комплекса теплообменных устройств вращающихся печей нескольких заводов показал, что схемы навески были разработаны без учета особенностей поведения шлама при нагревании и характера изменения удельной массы материала на цепях, что приводило к снижению тепломассообмена, повышению расхода топлива и увеличению пылевыноса.

6. Для наиболее полной характеристики газопроницаемости цепной завесы введены новые взаимосвязанные коэффициенты Кс и Kf, отражающие отношение площади проекции межцепного пространства Si к площади проекции цепей S2 (коэффициент Кс), и отношение площади проекции межцепного Si к площади проекции подцепного пространства S3 (коэффициент Kf). Коэффициент Кс определяет газопроницаемость, а коэффициент Kf — соотношение скоростей в межцепном и подцепном пространстве вращающейся печи.

При увеличении количества материала на цепях и уменьшении площади проекции межцепного пространства коэффициент Кс уменьшается. Увеличение площади проекции цепей S2 уменьшает коэффициент Kf и увеличивает разность скорости газового потока в межцепном и подцепном пространстве. Поэтому для наиболее оптимального теплообмена необходимо, чтобы Кс и Kf имели максимальное значение. Установлено, чем выше соотношение площади проекции межцепного Si к площади проекции подцепного пространства S3, тем более равномерно распределен газовый поток по вертикальному сечению печи, что соответствует максимальному теплообмену. Оптимальной в этих условиях является четырехзаходная цепная завеса.

7. На промышленных агрегатах определены скоростные потоки на участках цепной завесы при различных схемах навески. Установлено, что под цепями скорость 2−3 раз выше, чем в межцепном пространстве, в результате чего не обеспечивается оптимальный теплообмен и увеличивается пылевынос из горячей части цепной завесы. В связи с этим длина цепей и плотность навески цепной завесы на различных участках цепной завесы определяется соотношением скорости газового потока в межцепном и подцепном пространстве печи. При критической влажности в области вязкопластичного материала на цепях находится максимальное количество материала, поэтому не следует допускать высокую плотность навески. Необходимо подбирать плотность навески цепей на различных участках для обеспечения высокого теплообмена с учетом распределения скорости газового потока по вертикальному сечению вращающейся печи.

8. По просьбе Искитимского завода после исследования эффективности работы цепного прежнего теплообменника был разработан, с учетом изменения физических свойств шлама при нагревании, комплекс теплообменных устройств. Как установлено искитимский шлам завода характеризуется быстрым набором и постепенным его сходом с цепей, поэтому рекомендуется заменить гирляндную навеску на завесу в виде 4-х заходного винта со свободно навешенными цепями, которая имеет низкое газодинамическое сопротивление и возможность в широких пределах менять коэффициент плотности за счет изменения длины и вида используемых цепей, угла наклона винтовой линии и порядка навески.

На первом участке цепной завесы необходимо установить мокрый фильтр, так как при исходной влажности 37% набирается всего 0,06 кг/кг. В зоне критической влажности на цепи набирается 0,4 кг/кг, поэтому на длине 12 м.

О 1 плотность 3,7 м /м, затем для интенсификации теплообмена плотность навески.

О 1 на длине 12 м увеличивается до 5,3 м /м. После цепной завесы установлены на.

2 2 длине 9,8 м ковриковый теплообменник с плотностью 9,8 м /м и для предохранения от выгорания цепей коврика две шторки через 1,4 м с плотностью 6,0 м2/м2 из жаростойких цепей ЦОЖ 25><120.

Разработан и внедрен на печи 4,5/5×170 м Искитимского завода комплекс теплообменных устройств, позволивший создать оптимальные условия для теплообмена, в результате снизились с 250 до 190 °C температура отходящих из печи газов и вдвое пылевынос из печи, что привело к снижению расхода топлива на 20 кг условного топлива на тонну клинкера. Общая длина комплекса теплообменных устройств увеличена до 46,6 м, а масса до 145 т. Экономическая эффективность составила 6,85 млн. рублей в год.

Для шлама Углегорского завода характерна короткая зона пылеулавливания, поэтому на печи 2,7×47,5 м необходимо установить мокрый фильтр минимальной длины, 0,5 м, максимальное количество материала на цепях составляет 0,36 кг/кг,.

2 2 поэтому плотность навески на данном участке 4,5 м /м и навешены круглозвенные цепи ЦКН 25×120, обладающие высокой очищающей способностью. На третьем участке в связи с относительно длинной зоной.

2 2 пылеобразования коэффициент плотности равен 6,1 м горячей части цепного теплообменника для увеличения регенеративного теплообмена плотность л л повышена до 8,1 м /м .

Разработанный и внедренный цепной теплообменник на вращающейся печи Углегорского завода позволил снизить температуру отходящих газов с 270 до 215 °C, уменьшить пылевынос на 18−20% и снизить удельный расход топлива на 20 м³ газа или 5 кг ут на тонну клинкера. Экономическая эффективность составила 1,6 млн. рублей в год.