Вращающаяся печь для обжига портландцемента по мокрому способу

  Министерство образования и науки РФ

 «Южно-Уральский государственный университет»(НИУ)

Факультет  «Филиал ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) в г. Сатка»

Кафедра «Технологии строительных материалов»

 

 

 

 

Пояснительная записка к курсовому проекту

270106.2014.904.00.00.ПЗ

 

по дисциплине

Теплотехника и теплотехническое оборудование

Вращающаяся печь для обжига портландцемента по мокрому способу.

      

 

 

 

          Руководитель проекта

 

                                                                                    Т.В. Баяндина

                                                                                    «        »                         2014  г.

                                                      

                                                                                              Автор проекта

                                                                                  студентка группы СтСЗ-585

                                                                                    Ю.П. Пономарева

                                                                                   «        »                         2014  г.

       

                                                                                             Нормоконтролёр

 

                                                                                   ________________________

                                                                                    «        »                         2014  г.

 

 

Сатка

2014

АННОТАЦИЯ

 

Пономарёва Ю.П. Вращающаяся печь для обжига портландцемента по мокрому способу - Сатка: ЮУрГУ, Стр.мат., 2014, 34 с., 2 ил., 6 табл.

Библиографический список - 5 наименований.

 

В данном курсовом проекте рассмотрена вращающаяся печь для обжига портландцемента по мокрому способу длиной 90м  производительностью 11 т/ч. Составлен материальный баланс и теплотехнический расчет. Рассмотрены строение печи и принцип действия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………..……....…..4

1 ВРАЩАЮЩАЯСЯ  ПЕЧЬ: ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ, ПРИНЦИП      

   РАБОТЫ……………………………………………………………………..…6

1.1 Технология  мокрого способа производства…………………………...8

1.2 Физико-химические  процессы, протекающие при тепловой  обработке   

      портландцемента………………………………………………….……12

2 ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ  РАСЧЕТЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ……..….15

2.1 Расчет горения топлива………………………………………………..15

2.2 Материальный баланс по сырью………………………………………18

2.3 Расчет теплового баланса печи…………………………………..……20

3 КОНТРОЛЬ  СОБЛЮДЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА  РАБОТЫ 

   ВРАЩАЮЩЕЙСЯ  ПЕЧИ……………………………………………….…..26

4 АВТОМАТИЗАЦИЯ  ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ…………………………..27

5 ОХРАНА  ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ  ПРИ             

   ЭКСПЛУАТАЦИИ  ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ……………………………32

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………...………………………………………33

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………...34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В силикатной промышленности, охватывающей цементное, керамическое, стекольное и другие виды производств, основными технологическими процессами являются обжиг, сушка или плавление шихтовых материалов. Промышленные печи относятся к очень важному производственному оборудованию, отличающемуся сложностью тепловых, аэродинамических и химических процессов, происходящих в них.

В современных условиях значительно возросла мощность заводов силикатной промышленности, а вместе с этим мощность, размеры и производительность печей, оснащенных средствами автоматизации. Значительно усовершенствовались конструкции печей и сушил за счет применения новых теплообменных, топливосжигающих и других устройств и печных элементов. Более сложной стала и эксплуатация таких печей, требующих точного регулирования тепловых процессов, высококвалифицированного обслуживания.

В печах и сушилах силикатной промышленности осуществляются весьма сложные технологические процессы, связанные с сушкой и обжигом материалов и изделий, а также с расплавлением шихтовых материалов, например для получения цементного клинкера.

Промышленная печь как тепловой аппарат отличается тем, что в ней получают тепловую энергию за счет сжигания топлива (или за счет электрической энергии электропечей) и передают ее материалам или изделиям, подвергаемым тепловой обработке. Основными теплотехническими процессами являются процессы сжигания топлива и теплопередачи, происходящие часто одновременно в рабочем пространстве печи. При этом большую роль играет создание необходимых условий для движения газов (аэродинамика).

Основным принципом проектирования современных печей служит непрерывность производственных процессов тепловой обработки материалов или изделий и высокая производительность.

При проектировании печей необходимо учитывать, что к ним предъявляются определенные теплотехнические и технологические требования:

- достаточно  высокая тепловая мощность, обеспечивающая  данную производительность;

- в рабочем  пространстве печи должны быть  достигнуты необходимые температуры, соответствующие технологическому  режиму производства;

- наиболее  эффективное сжигание подаваемого  в печь топлива, высокий коэффициент  использования топлива, минимальный  удельный расход тепла на обжиг  или другой тепловой процесс;

- высокая  удельная производительность, высокое  качество выпускаемой продукции  при заданной производительности;

- наибольшая  экономичность в эксплуатации, легкость  и простота в обслуживании;

- наибольшая  продолжительность работы без  ремонтов, т.е. высокая стойкость  огнеупорной кладки при воздействии  высоких температур;

- печь  должна быть автоматизированным  тепловым агрегатом.

При проектировании всегда стремятся к тому, чтобы печь наиболее полно удовлетворяла этим требованиям. Однако существующие типы печей почти всегда имеют какие-либо конструктивные и эксплуатационные недостатки. Поэтому непрерывно происходит совершенствование существующих типов печей и разработка принципиально новых конструкций на базе научных исследований и практики работы действующих печных установок.  

В производствах спекаемых материалов – цементного клинкера, шамота, металлургических магнезита и доломита – ведущую роль играют вращающиеся печи. В цементной промышленности наиболее распространены вращающиеся печи с внутренними теплообменными устройствами для мокрого способа производства. Современные вращающиеся печи имеют колосниковые холодильники для охлаждения обожженного продукта.

 

 

 

 

 

 

 

1 ВРАЩАЮЩАЯСЯ  ПЕЧЬ: ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ, ПРИНЦИП          

   РАБОТЫ

 

Вращающиеся печи, используемые для получения цементного клинкера, работают по принципу противотока. При мокром способе производства шлам подаётся в печь со стороны её верхнего (холодного) конца, а топливно - воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20 – 30 м длины печи, вдувается со стороны нижнего (горячего) конца. Горячие газы движутся навстречу материалу, нагревая его до требуемой температуры.

Вращающаяся печь (трубчатая печь, барабанная печь), промышленная печь цилиндрической формы с вращательным движением вокруг продольной оси, предназначенная для нагрева сыпучих материалов с целью их физико-химической обработки. Вращающиеся печи различают: по принципу теплообмена - с противотоком и с параллельным током газов и материала; по способу передачи энергии - с прямым, косвенным (через стенку муфеля) и комбинированным нагревом обрабатываемого материала. По назначению различают вращающиеся печи для спекания шихт в производстве глинозёма, получения цементного клинкера, окислительного, восстановительного, хлорирующего обжига, прокалки гидроокиси алюминия, кокса, карбонатов, сульфатов и др., обезвоживания материалов, извлечения цинка и свинца (вельц-печи), получения железа или сплавов цветных металлов их прямым восстановлением из руд в твёрдой фазе (кричные печи), обжига огнеупорного сырья и др.

Основными являются вращающиеся печи, в которых сжигается пылевидное, твёрдое, жидкое или газообразное топливо непосредственно в рабочем пространстве печи и греющие газы движутся навстречу обрабатываемому материалу. Металлический барабан, футерованный огнеупорным кирпичом, устанавливают под небольшим углом к горизонту на опорные ролики. В ряде случаев диаметр барабана делают переменным по длине. Барабан приводят во вращение (1-2 об/мин) электродвигателем через редуктор и открытую зубчатую передачу. Шихту загружают со стороны головки. Сухую шихту подают механи-

ческими питателями, а шихту в виде пульпы - наливом или через форсунки. Топливо (10-30% от массы шихты) вводят через горелки (форсунки), помещённые в горячей головке. Здесь же выгружают готовый продукт, направляемый в холодильник. Газы из вращающиеся печи очищают от пыли (возгонов) в системе. Для улучшения условий теплопередачи во вращающиеся печи встраивают различные теплообменные устройства - перегребающие лопасти, полки, цепные завесы, насадки и т.д. С этой же целью в ряде случаев футеровку печей выполняют сложной формы, например ячейковой. Основные размеры вращающиеся печи варьируются в значительных пределах: длина от 50 до 230 м, а диаметр от 3 до 7,5 м. Производительность вращающейся печи достигает 150 т/ч (готового продукта). Наблюдается тенденция к соединению вращающиеся печи с различными теплообменными аппаратами, что позволяет при повышении технико-экономических показателей работы печей уменьшать их размеры.

 

Рисунок 1 - Схема вращающейся печи

Вращающаяся печь (рис.1), состоит из цилиндрического корпуса 1, опирающегося через бандажи 2 на опорные ролики 3. Корпус имеет уклон 3,5-4% и вращается со скоростью 0,5-1,2 об/мин. Привод печи двойной и состоит из двух электродвигателей 4, двух редукторов 5, двух подвенцовых шестерен и одного венцового колеса 6.

В середине печи, на одной из ее опор, устанавливается пара роликов (горизонтально) для контроля за смещением печи вдоль оси (вниз или вверх).    

Вспомогательный привод включается в работу при ремонтах печи, в период

розжига и остановки, когда печь должна вращаться медленно. Сырьевая мука

подается в питательную трубу 7 при помощи ковшовых или объемных дозаторов, находящихся у холодного конца печи. Со стороны головки 8 в печь подается топливо и воздух; в результате сгорания топлива получаются горячие газы, поток которых направлен от горячего конца печи к холодному - навстречу движущемуся материалу. Для улучшения теплопередачи и обеспыливания газов внутри печи в холодном ее конце размещается цепной фильтр-подогреватель 9. Пыль, уловленная за печью в результате газоочистки, возвращается обратно в печь. Она транспортируется пневмонасосом в бункер, а из него при помощи периферийного загружателя 10 направляется в полую часть печи, со стороны горячего конца. Клинкер охлаждается в колосниково-переталкивающем холодильнике 11. На печах корпус оборудован центральной системой смазки 12. 

Таблица 1 – Техническая характеристика вращающейся печи

Наименование	Показатели
Длина печи, м	90
Диаметр печи, м	3,6
Скорость вращения печи, об/мин	1,2
Производительность, т/ч	9,5-11

 

Предлагаемая вращающаяся печь с рекуператорным холодильником предназначена для получения цементного клинкера по «мокрому» способу производства.

В печи применены опоры на подшипниках качения, что снижает расход электроэнергии, предусмотрены эффективные цепная завеса и ячейковый теплообменник, позволяющие снизить расход тепла на обжиг материала.

Плавное регулирование частоты вращения печи обеспечивает оптимальный для технологического процесса режим обжига, в результате увеличивается срок службы футеровок и снижается расход топлива.

 

1.1 Технология мокрого способа производства

 

На цементных заводах, работающих по мокрому способу, в качестве сырьевых материалов для производства портландцементного клинкера обычно используют мягкий глинистый и твердый известняковый компоненты. В этом случае технологическая схема производства цемента выглядит следующим образом:

 

 

Рисунок 2 – Технологическая схема мокрого способа производства

Начальной технологической операцией получения клинкера является измельчение сырьевых материалов. Необходимость тонкого измельчения сырьевых материалов определяется тем, что однородный по составу клинкер можно получить лишь из хорошо перемешанной сырьевой смеси, состоящей из мельчайших частичек ее компонентов.

Куски исходных сырьевых материалов нередко имеют размеры до 1200 мм. Получить из таких кусков материал в виде мельчайших зерен можно только за несколько приемов. Вначале куски подвергаются грубому измельчению, дроб-лению, а затем тонкому помолу. Для грубого измельчения материалов применяют различные дробилки, а тонкое измельчение в зависимости от свойств исходных материалов производят в мельницах или в болтушках в присутствии большого количества воды.

При использовании в качестве известкового компонента мела, его измельчают в болтушках. Если применяют твердый глинистый компонент, то после дробления его направляют в мельницу.

Из болтушки глиняный шлам перекачивают в мельницу, где измельчается известняк. Совместное измельчение двух компонентов позволяет получать более однородный по составу сырьевой шлам.

В сырьевую мельницу известняк и глиняный шлам подают в определенном соотношении, соответствующем требуемому химическому составу клинкера. Однако даже при самой тщательной дозировке исходных материалов не удается получить из мельницы шлам необходимого химического состава из-за колебаний химического состава сырья одного и того же месторождения. Чтобы получить шлам заданного химического состава, его корректируют в бассейнах. 
Для этого в одной или нескольких мельницах приготовляют шлам с заведомо низким или высоким содержанием CаCO3 (называемым титром) и этот шлам в определенной пропорции добавляют в корректирующий шламовый бассейн. 
Приготовленный таким образом шлам, представляющий собой сметанообразную массу с содержанием воды до 35-45%, насосами подают в расходный бачок, откуда равномерно сливают в печь.

Для обжига клинкера при мокром способе производства используют вращающиеся печи. Они представляют собой стальной барабан длиной до 150-230 м и диаметром до 7 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом; производительность таких печей достигает 1000-3000 т клинкера в сутки. 
Барабан печи устанавливают с уклоном 3-40 гр. шлам подают с поднятой стороны печи холодного конца, а топливо в виде газа, угольный пыли или мазута вдувают

 в печь  с противоположной стороны (горячего  конца). В результате вращения  наклонного барабана находящиеся  в нем материалы продвигаются  по печи в сторону ее горячего  конца. В области горения топлива  развивается наиболее

высокая температура: материала - до 15000 С, газов - до 17000 С, и завершаются химические реакции, приводящие к образованию клинкера.

Дымовые газы движутся вдоль барабана печи навстречу обжигаемому материалу. Встречая на пути холодные материалы, дымовые газы подогревают их, асами охлаждаются. В результате, начиная от зоны обжига, температура газа вдоль печи снижается с 1700 до 150-2000 С.Из печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом. Охлажденный клинкер отправляют на склад. В ряде случаев клинкер из холодильника направляют непосредственно на помол в цементные мельницы.

Перед помолом клинкер дробят до зерен размером 8-10 мм, чтобы облегчить работу мельниц. Измельчение клинкера производится совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками. Совместный помол обеспечивает тщательное перемешивание всех материалов, а высокая однородность цемента является одной из важных гарантий его качества.

Гидравлические добавки, будучи материалами сильно пористыми, имеют, как правило, высокую влажность (до 20-30% и более). Поэтому перед помолом их высушивают до влажности примерно 1%, предварительно раздробив до зерен крупностью 8-10 мм. Гипс только дробят, так как его вводят в незначительном количестве и содержащаяся в нем влага легко испаряется за счет тепла, выделяющегося в мельнице в результате соударений и истирания мелющих тел друг с другом и с размалываемым материалом.

Из мельницы цемент транспортируют на склад силосного типа, оборудованный механическим (элеваторы, винтовые конвейеры), пневматическим (пневматические насосы, аэрожелоба) или пневмомеханическим транспортом. 
Отгружают цемент потребителю либо в таре - в многослойных бумажных мешках по 50 кг, либо навалом в контейнерах, автомобильных или железнодорожных цементовозах, в специально оборудованных судах. Каждая партия цемента

снабжается паспортом.

 

1.2 Физико-химические  процессы, протекающие при тепловой обработке портландцемента

 

Образованию портландцементного клинкера предшествует ряд физико-химических процессов, протекающих в определенных температурных границах - технологических зонах печного агрегата - вращающейся печи. При мокром способе производства цемента по ходу движения обжигаемого материала условно выделяют следующие зоны: I - испарения, II - подогрева и дегидратации, III - декарбонизации, IV - экзотермических реакций, V - спекания, VI - охлаждения. Рассмотрим эти процессы начиная с поступления сырьевой смеси в печь, т. е. по направлению  с верхнего  ее  конца   (холодного)   к  нижнему   (горячему).

В зоне испарения при постепенном  повышении температуры с 70 до 200°С испаряется влага; сырьевая смесь подсушивается., Подсушенный материал комкуется. Перемещаясь, комья распадаются на более мелкие гранулы. В печах сухого способа зона испарения отсутствует.

В зоне подогрева при постепенном  нагревании сырья с 200 до 700°С выгорают органические примеси, из глиняных минералов  удаляется  кристаллохимическая  вода   (при  450...500°С)   и образуется безводный каолинит Al203-2Si02. Зоны испарения и подогрева при мокром способе занимают 50...60% длины печи. В зоне декарбонизации температура обжигаемого материала повышается с 700 до 1100°С; происходит диссоциация карбонатов кальция и магния с образованием свободных СаО и MgO. Одновременно   продолжается   распад   глинистых   минералов   на оксиды SiO2, Аl2O3, Fe2O3, которые вступают в химическое взаимодействие с  СаО.  В результате этих реакций,  происходящих в    твердом    состоянии,     образуются    минералы    ЗСаО-Fe2О3, СаО-А12O3 и частично 2CaO-SiO2.

В зоне экзотермических реакций при температуре 1200... 1300°С завершается процесс твердофазового спекания материала, образуются ЗСаО-Fe2О3, 4СаО-А12O3-Fе2O3 и белит, резко уменьшается количество свободной извести, но достаточное для насыщения двухкальциевого силиката до трехкаль-

циевого.

В зоне спекания при температурах 1300...1450...1300°С происходит частичное плавление материала (20...30% обжигаемой смеси). В расплав переходят все клинкерные минералы, кроме 2CaO-SiO2, все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. Алит кристаллизуется из расплава в результате растворения в нем оксида кальция и двухкальциевого силиката. Это соединение плохо растворимо в расплаве, вследствие чего выделяется в виде мелких кристаллов, которые в дальнейшем растут. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава ЗСаО-А1203, 4СаО- Аl2О3-Fе2О3 и MgO (в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения.

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С, здесь полностью формируются его структура и состав, включающий алит C3S, белит C2S, C3A, C4AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие. Границы зон во вращающейся печи достаточно условны и не являются стабильными. Меняя режим работы печи, можно смещать зоны и регулировать тем самым процесс обжига.

Образовавшийся таким образом раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом. Клинкер, выходящий из холодильника вращающихся печей с температурой около 100°С и более, поступает на склад для окончательного охлаждения и вылеживания (магазинирования), где он находится до 15 дней. Если известь содержится в клинкере в свободном виде, то в течение вылеживания она гасится влагой воздуха. На высокомеханизированных заводах с четко организованным технологическим процессом качество клинкера оказывается настолько высоким, что отпадает необходимость его вылеживания.

Помол клинкера совместно с добавками производят в трубных многокамерных мельницах.

Тонкое измельчение клинкера с гипсом и активными минеральными добав-

ками в тонкий порошок производится преимущественно в сепараторных установ-

ках, работающих по открытому или замкнутому циклу.

Эффективная работа трубной мельницы обеспечивается охлаждением

мельничного пространства путем его аспирации (вентилирования). Благодаря аспирации производительность мельниц растет на 20...25%, уменьшается пыле-

выделение, улучшаются условия труда. Для интенсификации помола вводят добавку - сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), при этом производительность мельниц увеличивается на 20...30%.

На современных цементных заводах помол портландцемента в открытом цикле проходит по следующей технологической схеме. Клинкер, гипс и активные минеральные добавки со склада подаются в бункера и дозируются тарельчатыми питателями. После измельчения цемент поступает через цапфу мельницы в аспирационную шахту,  а из  нее в бункер  цемента  и далее на склад. Мельничное пространство аспирируется, запыленный воздух частично очищается в аспирационной шахте, а затем в циклонах и электрофильтре, далее собирается шнеком и направляется в расходный бункер цемента. Недостатком помола в открытом цикле является трудность получения цемента с высокой удельной поверхностью  (до 400...500 м2/кг).

Мельницы, работающие в замкнутом цикле, дают более однородный по размеру зерен продукт большей удельной поверхности (4000...5000 см2/г); замкнутый цикл помола включает помольный агрегат и центробежный сепаратор, определяющий крупные зерна, возвращаемые на домол в первую камеру, а тонкая фракция домалывается в третьей камере, из которой выгружается готовый цемент. В полностью замкнутом цикле материал ппоходит через сепаратор дважды.

В последнее время получает распространение короткая трубная мельница, обычно двухкамерная, работающая в замкнутом цикле с сепаратором.

Готовый  портландцемент   (с  температурой   100°С  и   более) пневматическим транспортом направляется в силосы для охлаждения. После этого его расфасовывают по 50 кг в многослойные бумажные мешки или загружают в специально оборудованный автомобильный, железнодорожный или водный транспорт.

 

2 ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ  РАСЧЕТЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

 

2.1 Расчет  горения топлива

 

Основным топливом служит природный газ из групп северных месторождений Западной Сибири. Транспортируется он по газопроводу. Резервным топливо служит мазут. Для его использования имеется циркуляционный магистральный мазутопровод от мазутного хозяйства комбината до цеха, а также разводка его до каждой печи. В таблице 9 показан состав сухого газа.

Таблица 2- Состав сухого газа

СН4, %	С2Н6, %	С3Н8, %	С4Н8, %	N2, %	СО2, %	Сумма, %
98,16	0,7	0,22	0,05	0,82	0,05	100

 

Топливо считается с коэффициентом расхода воздуха α = 1,14. Воздух, идущий на горение, нагревается до температуры 700°С.

Принимаем содержание влаги в воздухе 1,0%. Пересчитаем состав сухого газа на влажный рабочий газ:

  = СН4∙(100-Н2О/100) = 98,16∙(100-1/100) = 97,18

Составляющие сводим в таблицу 3.

Таблица 3 - Состав влажного газа

СН4 , %	С2Н6 , %	С3Н8 , %	С4Н10 , %	N2 , %	CO2 , %	H2O , %	Сумма, %
97,18	0,69	0,22	0,05	0,81	1,0	0,05	100

 

Определим теплоту сгорания газа по следующей формуле:

                                      (1)

Находим теоретически необходимое количество сухого воздуха:

                                Lтеор=0,264/100∙ +∆L.                                              (2)

Находим теоретически необходимое количество воздуха с учетом его

влажности по формуле:

                                          L´теор=1,016∙Lтеор.                                                                              (3)

  L´теор=1,016∙9,4 = 9,55 м³/м³

Действительное количество воздуха при коэффициенте расхода α = 1,14:   

сухого: Lα= 1,14∙9,4 = 10,716 м³/м³;

атмосферного: L´α = 1,14∙9,55 = 10,887 м³/м³