Обжиг сырьевых материалов

Основным процессом в производстве минеральных вяжущих веществ является обжиг сырья или сырьевых смесей. Во время обжига в сырье происходят сложные физико-химические и минерале гические превращения, в результате которых обожженный продукт в тонкоизмельченном состоянии приобретает способность реагировать с водой и благодаря этому схватывается, твердеет и превращается в камень.

Так, например, гипсовый камень дегидратируется и сначала превращается в полуводный гипс, а затем в ангидрит (безводный гипс); известняки и магнезит декарбонизируются и, выделяя углекислоту, превращаются в окислы металла; глинистые материалы сначала дегидратируются, затем распадаются на отдельные окислы, которые тут же соединяются с окисью кальция, образуя силикаты и алюминаты последнего.

Конечные температуры обжига при получении различных вяжущих веществ различны. Гипсовый камень в производстве строительного гипса обжигается при 140-170ºС; природный магнезит для получения магнезиальных веществ - при 700º С; известняки и известковый камень для строительной извести - при 900-1000º С, а мергели и соответствующие сырьевые смеси в производстве портландцемента - при 1450-1500º С. Спекание сырьевых смесей в производстве глиноземистого цемента происходит при t = 1300-1350ºС.

Печи, в которых обжигают сырьевые материалы, делят на периодические и действующие непрерывно.

К периодически действующим печам относят однокамерные и многокамерные печи, сюда же могут быть отнесены гипсоварочные котлы и гипсозапарочные аппараты.

Гипсоварочные котлы бывают двух видов: обычные и жаротрубные. Емкость обычных котлов составляет в среднем 2,5 м³. Производительность их по выходу обожженного продукта за один цикл обжига колеблется от 1,5 до 2,5 т. Более производительными являются жаротрубные котлы, емкость которых составляет 13-14 м³, а выход обожженного продукта за один оборот достигает 10-14 т. Характерной особенностью гипсоварочных котлов является то, что обрабатываемый в них материал с пламенем и дымовыми газами не соприкасается и, как это имеет место в одно- и многокамерных печах, не загрязняется золой и сажей.

Жаротрубный гипсоварочный котел представляет собой цилиндр с вогнутым внутрь сферическим днищем, изготовленный из жароупорной стали. Котел обмуровывают кирпичной кладкой. Под котлом располагают топку так, что сводом ее служит днище котла. В нижней части топки находится колосниковая решетка, на которой можно сжигать различные виды твердого топлива. Внутри котла в горизонтальном положении попарно друг над другом расположены четыре металлические сквозные трубы. Продукты сгорания топлива сначала омывают днище котла, затем, проходя по кольцевым каналам, обогревают боковые его стенки, после чего, попадая в жаровые трубы, нагревают их и охлажденными поступают в трубу на выхлоп. Наличие жаровых труб в котле способствует более равномерному обогреву обрабатываемого материала и более целесообразному использованию тепла, уносимого вместе с дымовыми газами.

Внутри котла находится перемешивающее устройство, состоящее из вертикального вала с прикрепленными к нему верхней и нижней мешалками. При вращении вала вокруг своей оси верхняя мешалка, вращаясь вместе с ним, перемешивает обрабатываемый материал между верхней и нижней парой жаровых груб. Нижняя мешалка, выгнутая по профилю днища и отстоящая от него на расстоянии 50-60 мм, совершает ту же работу в нижней части котла. Скорость вращения вала и мешалок составляет 18 об/мин.

Обрабатываемый в гипсоварочных котлах материал предварительно размалывают до порошкообразного состояния (остаток на сите № 02 3-8%). Котел загружают сверху через отверстие в крышке; обожженный продукт выгружают через боковое отверстие. Температура обжига в гипсоварочном котле колеблется от 150 до 190ºС.

К непрерывно действующим тепловым установкам относят шахтные и вращающиеся печи.

Основными элементами шахтных печей являются вертикально расположенная шахта, представляющая собой рабочую камеру печи; система загрузочных устройств, расположенных в вертикальной части шахты и служащих для загрузки топлива; разгрузочные устройства, с помощью которых из печи удаляют обожженный продукт и воздухоподводящие и газоотводящие приспособления.

Рабочая высота шахтных печей в среднем колеблется от 8 до 20 м, диаметр их достигает 4 м. В зависимости от вида сжигаемого топлива шахтные печи бывают пересыпными и газовыми.

Пересыпные печи работают на твердом топливе, которое загружают в печь послойно вместе с обжигаемым материалом, оно, перемещаясь в рабочем пространстве печи сверху вниз, сгорает в обжигаемом материале, нагревает его и в то же время загрязняет золой или шлаком, что является существенным недостатком Газообразное топливо (для газовых печей) может быть естественным и искусственно полученным путем газификации твердых видов топлива в газогенераторах или в выносных полугазовых топках, размещенных вплотную вокруг печи. Газообразное топливо поступает в печь через специальные горелки, установленные на 7з высоты печи от ее основания.

Печь загружают обжигаемым материалом сверху через специальные загрузочные приспособления, назначение которых заключается в равномерном распределении загружаемого материала по сечению печи и в предотвращении выхлопа дымовых газов наружу.

Обожженный продукт выгружают через выгрузочные устройства, расположенные в нижней части печи. В конструктивном отношении они бывают разнообразными в зависимости от вида обожженного продукта.

Процесс обжига в шахтных печах совершается по принципу противотока. Загруженный в печь материал в верхней части шахты подсушивается за счет тепла, уносимого удаляющимися дымовыми газами. По мере опускания вниз материал омывается более нагретыми дымовыми газами, поступающими непосредственно из зоны обжига. В зоне подогрева материал разогревается и в нем начинаются процессы разложения. Ниже этой зоны находится зона обжига, в которой происходит сгорание топлива и благодаря этому развивается самая высокая температура, требуемая для завершения всех химических процессов. Затем обожженный продукт поступает в нижнюю часть печи, где он частично охлаждается за счет подаваемого холодного воздуха. Последний в нагретом состоянии поступает в зону обжига и расходуется на сжигание топлива.

Вращающиеся печи представляют собой более производительный и более совершенный вид установок, применяемых в производстве минеральных вяжущих веществ.

Вращающаяся печь представляет собой наклоненный к горизонту под углом 2-5º полый, отфутерованный внутри соответствующим огнеупором металлический барабан, диаметром от 1,5 до 4,5 м, длиной 8-30 м для обжига гипса и до 220 м - для производства цемента. Диаметр последних в некоторых проектах доводится до 5,7 и даже 10 м. С наружной стороны в нескольких местах на поверхности печи находятся опоясывающие ее стальные бандажи, которыми печь опирается на опорные ролики, установленные на бетонных подушках. У одной из опор, кроме опорных роликов, имеется пара упорных роликов, которые предотвращают сползание печи при вращении ее во время работы.

Печь приводится во вращение от электромотора через венцевую шестерню, прикрепленную к корпусу печи пластинчатыми пружинами, воспринимающими радиально направленное термическое расширение.

Отапливается печь пылевидно-твердым, жидким или газообразным топливом, подаваемым под давлением внутрь печи со стороны головки. Образующиеся при горении топлива газы движутся внутри печи к ее хвостовой части. На своем пути они встречают обжигаемый материал, омывают его, отдают ему некоторую часть тепла, сами охлаждаются и вместе с пылью поступают через хвостовую (приподнятую) часть печи сначала в пылеосадительную камеру, а затем, очистившись от пыли, направляются по дымоходам в дымовую трубу.

Пылеосадительная камера служит для улавливания пыли, представляющей собой обожженный тонкодисперсный продукт, уносимый отходящими газами (количество пыли может достигать 15% от массы обожженного материала). Нижняя часть пылеосадительной камеры устроена в виде бункеров, в которых пыль осаждается и периодически удаляется наружу.

Обжигаемый материал подают в хвостовую часть печи. Во время вращения печи он пересыпается внутри ее по спирали и, перемещаясь

по направлению к головке, омывается движущимися навстречу горячими газами, нагревается, обжигается и претерпевает сложные физико-химические превращения, изменяющие его свойства. Обожженный продукт в раскаленном состоянии покидает зону обжига. Чтобы утилизировать тепло, уносимое продуктами обжига, и быстрее охладить их, обожженный материал по выходе из печи подают в холодильники, которые могут быть барабанного, рекупе-раторного и колосникового типа.

Рекуператорные холодильники представляют собой несколько небольших цилиндрических барабанов, размещенных вокруг головки печи и вращающихся вместе с ней. В холодильниках навешены гирлянды цепей. Обожженный материал, попадая в холодильник, омывается холодным воздухом и, охлажденный до 200-250º С, удаляется из него.

В колосниковых холодильниках охлаждение обожженного продукта производят холодным воздухом на колосниковых решетках.

Производительность вращающихся печей колеблется от 1,5-до 12 т/ч при обжиге гипса и до 24-50 т/ч и более в производстве портландцемента.