способ получения цементного клинкера на конвейерной решетке

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА НА КОНВЕЙЕРНОЙ РЕШЕТКЕ, включающий измельчение сырьевых компонентов и твердого топлива, гранулирование смеси сырьевых компонентов с твердым топливом и термообработку, отличающийся тем, что перед гранулированием 70 80% смеси сырьевых компонентов смешивают с твердым топливом, измельченным до фракции 1,2 мм, гранулирование ведут до образования ядра размером 5 7 мм, после чего вводят остальную часть смеси сырьевых компонентов и продолжают гранулирование до образования безтопливной оболочки, а термообработку гранул шихты в первые 2 4 мин осуществляют при подаче тепла (5 7) 10³ ккал/м² мин и расходе воздуха 0,2 0,4 нм/с, в последующие 4 6 мин при подаче тепла (20 30) 10³ ккал/м² мин и расходе воздуха 0,5 0,8 нм/с, затем в течение 4 6 мин плавно прекращают подачу тепла, а расход воздуха поддерживают на уровне 0,4 0,5 нм/с, через 5 25 мин расход воздуха увеличивают до 0,8 - 1,2 нм/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности, к производству цементного клинкера на конвейерной решетке, разновидностями которой являются обжиговые машины для обжига железнорудных окатышей, а также колосниковые машины для термической агломерации руд аглоленты.

Известен способ обжига цементного клинкера на конвейерной решетке, включающий измельчение сырья и топлива, их смешение между собой и частью возврата (недообожженные гранулы поверхностного горизонта), гранулирование и их обжиг на конвейерной решетке, осуществляемой в две стадии: I-я воспламенение твердого топлива, содержащегося в шихте, факелом зажигательного горна от сжигания топлива (твердого, жидкого или газообразного), 2-я обжиг, который осуществляется за счет тепла, выделяющегося при окислении шихтового топлива воздухом (см. монографию Г. Г. Вальберга Получение цементного клинкера на агломерационной решетке. М. Промстройиздат, 1956).

Недостатком данного способа является низкая удельная производительность, обусловленная неравномерностью температурных условий процесса по высоте шихтового слоя, в результате которой поверхностные горизонты недообжигаются и должны возвращаться на повторный обжиг в виде "возврата".

Доля недообожженного материала в шихте составляет 30-40% а в пересчете на прокаленную массу до 50% и более.

Известен способ агломерации портландцементного клинкера путем ввода в шихту топлива с последующей грануляцией, при этом в шихту вводят 40-50% топлива от всего необходимого количества, а остальное количество топлива сжигают в горелочных устройствах, создавая зоны с температурой 900-1000^оС над всей поверхностью слоя материала, за исключением участков зажигания охлаждения и конца зоны обжига [1]

Недостатками данного способа являются большие энергозатраты на просасывание воздуха из-за высокого гидравлического сопротивления, низкая удельная производительность, обусловленная невысокой скоростью перемещения зоны горения по вертикали, а также высокий уровень выделения токсичной окиси углерода, свидетельствующий о неоптимальном режиме сжигания топлива.

Увеличение температуры пламени в горелочных устройствах приводит к повышению гидравлического сопротивления шихтового слоя на стадии зажигания. Повышению гидравлического сопротивления способствует также широкий гранулометрический состав шихты. Особенно сильно повышает гидравлическое сопротивление шихты ее резкий нагрев при зажигании, в результате которого происходит разрушение гранул на мелкие частицы в пыль из-за интенсивного выделения паров из гранул, так называемый "термический шок". В результате просасывание воздуха полностью прекращается и процесс обжига блокируется. Чрезмерное повышение гидравлического сопротивления шихтового слоя ведет к значительному понижению скорости перемещения зоны горения по вертикали и снижению продуктивности процесса.

Кроме того, ухудшается равномерность обжига поверхности шихты из-за разных скоростей перемещения зоны горения по вертикали в местах, заблокированных разрушенными гранулами и в местах с большей проницаемостью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения цементного клинкера на конвейерной решетке, включающий измельчение сырьевых компонентов и твердого топлива, гранулирование смеси с введением твердого топлива и спекание гранул, при котором измельчение сырьевых компонентов осуществляют до содержания 90-95% фракции 0,071 мм, в измельченную сырьевую смесь вводят последовательно твердое топливо фракции 2,5 мм в количестве 30-40% от массы топлива и гранулируют смесь до образования зародышей гранул, предварительно увлажненное до 12-15% твердое топливо фракции 2,5-5 мм в количестве 30-35 от массы топлива гранулируют смесь до получения гранул 3-8 мм, а в полученные гранулы вводят остальное количество топлива фракции 2,5-5 мм с последующим подсушиванием полученных гранул до влажности 5-7% [2]

Недостатками известного способа являются:

сложность технологии приготовления шихты, связанная с необходимостью разделения твердого топлива на три части и введения его в сырьевую смесь при гранулировании;

низкая удельная производительность, обусловленная увеличением продолжительности обжига на 20-50% из-за снижения скорости перемещения зоны горения по вертикали;

увеличение энергозатрат на просасывание воздуха сквозь шихту из-за повышения гидравлического сопротивления шихтового слоя в 2-4 раза. Повышение гидравлического сопротивления шихтового слоя связано с увеличением зоны горения топлива в шихтовом слое с 30 мм до 100-120 мм, которое обусловлено увеличением продолжительности сгорания шихтового топлива в 4 раза. В известном способе 60-70% твердого топлива имеют размеры частиц больше 2,5 мм, а так как скорость выгорания шихтового топлива определяется величиной поверхности всех частиц, находящейся в квадратичной зависимости от величины диаметра частиц топлива, то продолжительность его сгорания увеличивается примерно в 4 раза.

Кроме того, увеличение энергозатрат в 2-3 раза происходит также из-за увеличения количества подсасываемого холодного воздуха в местах соединения вакуум-камер с конвейерной решеткой, вызванного увеличением разряжения, связанного с повышением гидравлического сопротивления шихтового слоя при его обжиге;

ухудшение качества цементного клинкера вследствие отрицательного влияния восстановительной среды на процесс формирования клинкера, обусловленного неоптимальными условиями горения шихтового топлива;

ухудшение экологических и теплотехнических показателей процесса вследствие увеличения содержания в отходящих газах токсичной окиси углерода.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание высокопроиз- водительного, экономичного способа получения цементного клинкера на конвейерной решетке при одновременном улучшении его экологических показателей.

Технический результат, поставленный задачей, достигается тем, что в способе получения цементного клинкера на конвейерной решетке, включающем измельчение сырьевых компонентов и твердого топлива, смешивание сырьевых компонентов, гранулирование смеси сырьевых компонентов с введенным твердым топливом и термообработку гранул, ядро гранул размером 5-7 мм формуют из 70-80% смеси сырьевых компонентов и всей массы шихтового топлива фракции=1,2 мм с последующим нанесением на ядро оставшейся части смеси сырьевых компонентов, а термообработку гранул шихты в первые 2-4 мин осуществляют при подаче тепла (5-7) 10³ ккал/м² мин, и расходе воздуха (0,5-0,8) нм/с, затем в течение 4-6 мин плавно прекращают подачу тепла, а расход воздуха поддерживают на уровне (0,4-0,5) нм/с, через 5-25 мин расход воздуха увеличивают до (0,8-0,5) нм/с, через 5-25 мин расход воздуха увеличивают до (0,8-1,2) нм/с.

Оптимальный гранулометрический состав, образующийся при формировании гранул с ядром размером 5-7 мм, состоящим из 70-80% смеси сырьевых компонентов и всей массы шихтового топлива фракции 1,2 мм, с последующим нанесением на ядро оставшейся части смеси сырьевых компонентов, обеспечивает оптимальный размер зоны горения с минимальной высотой 30 мм, что значительно уменьшает теплопотери при обжиге и энергозатраты на просасывание воздуха через слой шихты.

Нанесение на ядро гранулы, состоящее из смеси сырьевых компонентов и топлива, бестопливной оболочки из оставшейся смеси сырьевых компонентов способствует снижению температуры в межгранульном пространстве, облегчая просасывание газов. Это значительно снижает гидравлическое сопротивление, уменьшает подсосы наружного воздуха, что способствует увеличению скорости перемещения зоны горения по вертикали и увеличению производительности процесса, снижению энергозатрат на газообмен в процессе.

Так как реакция восстановления окисленного углерода шихтового топлива в токсичную окись углерода происходит под воздействием высокой температуры, то снижение температуры в межгранульном пространстве значительно снижает выделение токсичной окиси углерода и одновременно повышает коэффициент использования топлива в процессе.

Термообработка шихты с подачей тепла (5-7) 10³ ккал/м² мин в течение 2-4 мин обеспечивает оптимальные условия сушки верхнего горизонта шихты высотой слоя 30 мм, предотвращая при этом разрушение гранул от термоудара, которое происходит при большей подаче тепла.

Термообработка с подачей тепла (20-30) 10³ ккал/м² мин в течение 2-4 мин создает равноценные условия обжига для поверхностных горизонтов шихты по отношению к нижним, предотвращая образование недожога в верхних слоях шихты.

Прекращение подачи тепла в течение последующих 4-6 мин позволяет избежать перегрев в нижних слоях шихты и связанное с ним увеличение гидравлического сопротивления слоя шихтовых гранул.

Количество воздуха, расходуемого для технологических зон (зажигания, обжига), обеспечивает поступление необходимого количества кислорода для протекания оптимальных режимов термообработки.

При подаче тепла больше (5-7)10³ ккал/м² мин и расходе воздуха больше (0,2-0,4) нм/с при сушке возможен резкий разогрев гранул, который приводит к их разрушению, а следовательно, увеличивается гидравлическое сопротивление шихтового слоя.

При расходе воздуха меньше (0,2-0,4) нм/с процесс сушки затягивается по времени, что ведет к снижению производительности процесса.

Увеличение расхода воздуха до (0,5-0,8) нм/с при зажигании позволяет увеличить подвод тепла, при котором одновременно происходит возгорание топлива в ядрах гранул.

Технологическим зонам обжига и охлаждения также соответствует определенный расход воздуха.

Так, при обжиге расход воздуха (0,4-0,5) нм/с обеспечивает достаточно высокую скорость процессов химического (горения) и физического (теплообмена) и, что особенно важно, необходимый баланс между ними. Форсирование процесса путем увеличения расхода воздуха больше (0,4-0,5) нм/с нецелесообразно, так как продуктивность процесса увеличивается в линейной зависимости от расхода воздуха, а затраты на его просасывание сквозь шихту в квадратичной.

При охлаждении, когда температура отходящих газов превысит 200^оС, расход воздуха увеличивают до (0,8-1,2) нм/с.

Так как горение шихтового топлива практически уже завершилось, увеличение расхода воздуха до (0,8-1,2) нм/с не требует больших затрат на просасывание воздуха сквозь слой шихты, зато позволяет быстро охладить клинкер. Образующийся при этом горячий воздух с температурой около 300^оС направляют в зажигательный горн для сжигания зажигающего топлива (газа, мазута или др.). При этом повышается экологичность процесса за счет утилизации тепла отходящих газов и исключения затрат на их очистку от пыли.

На стадии охлаждения клинкера при увеличении расхода воздуха больше 1,2 нм/с теплопередача от клинкера воздуху не обеспечивается, при уменьшении расхода воздуха меньше 0,8 нм/с снижается производительность. Продолжительность времени 5-25 мин, по истечении которого происходит повышение температуры отходящих газов и расход воздуха до (0,8-1,2) нм/с, зависит от высоты спекаемого шихтового слоя.

Таким образом, путем тщательной взаимной увязки процессов горения шихтового топлива и теплообмена внутри шихтового слоя, обеспечиваемой как на стадии приготовления гранул шихты, так и в процессе термообработки, достигается повышение эффективности процесса термообработки цементного клинкера и, следовательно, повышение продуктивности процесса.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого способа, заключается в оптимизации гранулометрического состава шихты, процессов сгорания твердого топлива, режимов термообработки и интенсификации теплообмена.

На основании сопоставительного анализа совокупности всех существенных признаков предлагаемого способа получения цементного клинкера на конвейерной решетке и способа получения цементного клинкера по прототипу, выявленному в процессе проведения патентных исследований, можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

П р и м е р 1. Готовят сырьевую смесь путем совместного помола на шаровой мельнице сырьевых компонентов: 63% известняка и 27% хвостов мокрой магнитной сепарации Качканарского горнообогательного комбината до удельной поверхности 375 м²/кг. Берут 75% сырьевой смеси и смешивают со всей массой шихтового топлива фракции 1,2 мм. Из полученной смеси формуют на тарельчатом грануляторе ядра гранул размером 5-7 мм. После чего вводят оставшиеся 25% сырьевой смеси, которую накатывают в виде бестопливной оболочки на ядра. Термообработку полученных гранул проводят на полупромышленной установке в спекательной чаше. Гранулы укладывают слоем 300 мм. Производят сушку гранул в течение первых 3-х мин путем подачи тепла 610³ ккал/м² мин от факела горелочного устройства, в котором используют пропанбутановую смесь. Расход воздуха при этом составляет 0,3 нм/с. Воздух сквозь слой шихты просасывают с помощью вентилятора высокого давления. В последующие 5 мин производят зажигание топлива, содержащегося в гранулах клинкерной шихты, подачей тепла 2510³ ккал/м² мин и при расходе воздуха 0,7 нм/с. В течение 5 мин плавно прекращают подачу тепла, а расход воздуха поддерживают на уровне 0,45 нм/с. Через 15 мин расход воздуха увеличивают до 1 нм/с для ускорения охлаждения готового продукта цементного клинкера. Технические характеристики (данные) полученного готового продукта представлены в таблице.

П р и м е р 2. Подготовку сырьевой смеси осуществляют как описано в примере 1. Берут 70% сырьевой смеси, смешивают со всей массой шихтового топлива фракции 1,2 мм. Из полученной смеси формуют на тарельчатом грануляторе ядра гранул размером 5-7 мм. После чего вводят оставшиеся 30% сырьевой смеси, которую накатывают в виде бестопливной оболочки на ядра. Гранулы укладывают слоем 300 мм на спекательную чашу. Производят сушку гранул в течение 2 мин при подаче тепла 510³ ккал/м² мин и расходе воздуха 0,2 нм/с. В последующие 4 мин производят зажигание топлива, содержащегося в гранулах клинкерной шихты, подачей тепла 2010³ ккал/м² мин и при расходе воздуха 0,5 нм/с. В течение 4 мин плавно прекращают подачу тепла, а расход воздуха поддерживают на уровне 0,4 нм/с. Через 20 мин расход воздуха увеличивают до 0,8 нм/с. Технические характеристики полученного продукта представлены в таблице.

П р и м е р 3. Подготовку сырьевой смеси осуществляют по примеру 1. Берут 80% сырьевой смеси, смешивают со всей массой шихтового топлива фракции 1,2 мм. Из полученной смеси формуют на тарельчатом грануляторе ядра гранул размером 5-7 мм.

После чего вводят оставшиеся 20% сырьевой смеси, которую накатывают в виде бестопливной оболочки на ядра. Полученные гранулы укладывают слоем 3000 мм на спекательную чашу. Производят сушку в течение 4 мин при подаче тепла 710³ ккал/м² мин и расходе воздуха 0,4 нм/с. В последующие 6 мин производят зажигание топлива, содержащегося в гранулах клинкерной шихты, подачей тепла 3010³ ккал/м² мин и при расходе воздуха 0,9 нм/с. Затем в течение 6 мин плавно прекращают подачу тепла, а расход воздуха поддерживают на уровне 0,5 нм/с. Через 10 мин расход воздуха увеличивают до 1,2 гм/с. Полученные данные представлены в таблице.