установка для помола и обжига минерального сырья

Формула изобретения

Установка для помола и обжига минерального сырья, содержащая теплообменник для подогрева сырья, помольно-обжиговое устройство, классификатор гравитационного типа, отличающаяся тем, что она снабжена грануляционно-спекающим устройством с тангенциально направленным загрузочным патрубком для подачи части сырья в его фонтанирующий слой материала и с разгрузочной камерой готового продукта гравитационного типа, при этом грануляционно-спекающее устройство соединено с помольно-обжиговым устройством вертикальным трубопроводом цилиндрической формы в нижней части и в виде усеченного конуса в верхней части.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству цемента и может быть применено в других областях промышленности, связанных с термообработкой, помолом и спеканием порошкообразного сырья.

Известна установка с реактором для совмещенного измельчения и обжига материала, например цемента, в высокотемпературной газовой струе. В ней с целью осуществления саморегулировния времени обжига и классификации материала реактор выполнен в виде плоской дискообразной камеры, в периферийное кольцо которой врезаны сопла камер сгорания, расположенные под углом к радиусам камеры, имеющей в центре днища отверстие для выгрузки готового продукта обжига /1/.

К недостаткам реактора установки относится то, что время обжига, т.е. качество готового продукта и степень его диспергирования зависят от многих взаимосвязанных параметров: длины и сечения газовых струй, склонения сопел, числа камер сгорания, диаметра и высоты реактора, диаметра выходного патрубка, а регулирование многих из них сложно или проблематично.

Известна установка с аппаратом для термической обработки дисперсного материала. Он имеет заданные пределы соотношения диаметров цилиндрической части и узкого сечения конической части корпуса, высоты конической части корпуса и диаметра узкого ее сечения /2/.

Недостатком его является то, что он не позволяет вести термообработку полидисперсного материала и осуществлять его эффективное измельчение, а также спекание обожженного и измельченного материала.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является установка для помола и обжига минерального сырья, содержащая теплообменник для подогрева сырья, помольно-обжиговое устройство, классификатор гравитационного типа /3/.

Недостатком известной установки является то, что она включает в себя несколько аппаратов, что удорожает, усложняет и снижает надежность ее работы. К тому же она не обеспечивает одновременное спекание материала.

Техническим результатом изобретения является интенсификации процесса спекания обожженного и измельченного минерального сырья.

Указанный технический результат достигается тем, что известная установка для помола и обжига минерального сырья, содержащая теплообменник для подогрева сырья, помольно-обжиговое устройство, классификатор гравитационного типа, снабжена грануляционно-спекающим устройством с тангенциально направленным загрузочным патрубком для подачи части сырья в его фонтанирующий слой материала и с разгрузочной камерой гравитационного типа, при этом грануляционно-спекающее устройство соединено с помольно-обжиговым устройством вертикальным трубопроводом цилиндрической формы в нижней части и в виде усеченного конуса в верхней части.

На чертеже приведена схема установки для помола и обжига минерального сырья.

Установка для помола и обжига минерального сырья состоит из бункера-теплообменника 1-теплообменника для подогрева сырья, питателя сырья 2, загрузочного эжектора 3, холодильника клинкера 4, циклона 5, бункера 6, дымососа 7, воздуходувки 8, помольно-обжигового устройства для декарбонизации и измельчения минерального сырья, которое включает коническо-цилиндрический корпус 9 с топкой 10, форсунками для газа 11, трубопроводом 12, подводящим подогретый воздух от холодильника клинкера 4 в топку 10, соплом 13 в меньшем сечении конической части корпуса 9, классификатором гравитационного типа 14; грануляционно-спекающего устройства для грануляции и спекания декарбонизированной и измельченной минеральной смеси, которое включает коническо-цилиндрический корпус 15 с форсунками для газа 16, к которым подведен подогретый воздух в холодильнике клинкера 4, разгрузочной камерой 17 готового продукта гравитационного типа, соединенной трубопроводом 18 с холодильником клинкера 4; трубопровод 19, соединяющий помольно-обжиговое устройство с грануляционно-спекающим устройством, питателем клинкера 20. Подача части сырья в его фонтанирующий слой материала осуществляется через тангенциально направленный загрузочный патрубок грануляционно-спекающего устройства, соединенного с загрузочным эжектором.

Вертикальный трубопровод 19 имеет цилиндрическую форму в нижней части и выполнен в виде усеченного конуса в верхней части.

Работает установка осуществляют следующим образом.

После розжига и разогрева до номинальных температур помольно-обжигового и грануляционно-спекающего устройств действуют следующим образом.

В грануляционно-спекающее устройство, корпус 15 питателем 20 постепенно загружают клинкер грансостава 1-5 мм, который сжижается теплоносителем, поступающим из помольно-обжигового устройства. Таким путем в нем образуется фонтанирующий слой. Клинкер служит также в качестве затравки.

Наличие полидисперсного клинкера в слое на первоначальном этапе работы аппарата необходимо для образования фонтанирующего слоя, что способствует стабилизации и ускорению гранулирования минеральной клинкерной смеси. В дальнейшей работе аппарата необходимости подачи клинкера в слой нет.

При фонтанировании клинкера обеспечивается его циркуляция, интенсивное перемешивание и выравнивание температуры в различных частях слоя. Затем исходный полидисперсный материал грансостава 0-20 мм, смесь известняка и глины в требуемом процентном соотношении из бункера-теплообменника 1 подают питателем 2 в коническо-цилиндрический корпус 9 помольно-обжигового устройства. В нем образуется фонтанирующий слой материала, формируемый потоком материала, подаваемым питателем 2, и потоком теплоносителя на выходе из сопла 13, получаемого при сжигании топлива с помощью форсунок 11 в воздухе, поступающем в топку 10, по трубопроводу 12. Посредством сопла 13 получают фонтанирующий слой с образованием фонтанирующего ядра, непрерывной автоциркуляцией материала и с начальной скоростью теплоносителя на выходе из сопла 13, достигающей 200 м/с.

Под воздействием струи теплоносителя в слое образуется центральный сквозной канал, фонтан. Частицы материала увлекаются струей теплоносителя и перемещаются вверх. На выходе из слоя центральная струя растекается, скорость частиц резко падает, и они перемещаются в радиальном направлении к периферии рабочей зоны, затем плотным слоем опускаются. Таким образом фонтанирующий слой состоит из разреженного центрального ядра, в котором частицы движутся вверх, и кольцевой зоны, где они плотным слоем противоточно опускаются, потом снова подхватываются струей вверх. Круг циркуляции частиц повторяется, что обусловлено особенностью гидродинамических свойств фонтанирующего слоя. Так как твердые частицы интенсивно перемешиваются, то их средняя температура в различных частях слоя одинакова. Это особенно важно в связи с тем, что в двухкомпонентной клинкерной сырьевой смеси присутствует глина, температура спекания которой с образованием жидкой фазы составляет 900^oC и выше. При нагревании в глинах происходит ряд сложных физико-химических процессов. Дегидратация происходит в интервале температур 550 800^oC и сопровождается разрушением кристаллической решетки материала и снижением его прочности. Появление жидкой фазы связано с нагревом материала до 900^oC и выше. Этот процесс характеризуют как жидкостное спекание материала, сопровождающееся резким нарастанием его прочности. Из этого следует, что поступающий в слой материал должен интенсивно измельчаться в нем и не нагреваться выше 900^oC. Кроме обеспечения контакта теплоносителя с частицами, эту роль выполняет фонтанирование, осуществляется взаимодействие в системе твердое-твердое, т.е. такие механические операции, как смешивание, измельчение.

Следовательно, термообработку и измельчение минеральной смеси необходимо осуществлять в узком температурном интервале 880-900^oC. Нижний предел обусловлен качеством декарбонизации известняка как компонента минеральной смеси. Уменьшение температуры приводит к уменьшению скорости декарбонизации и ухудшению качества обработанного минерального сырья. При температуре выше 900^oC происходят упрочнение глины, ее спекание с образованием жидкой фазы и вспучиванием.

Наряду с термической обработкой материала в фонтарирующем ядре происходит истирание термообработанных и продекарбонизированных слоев частиц, при котором "открываются" новые их поверхности для термообработки, что интенсифицирует этот процесс. Истирание материала резко увеличивается с увеличением скорости потока теплоносителя. На основе экспериментальных данных по измельчению за оптимальную скорость потока теплоносителя целесообразно принять ее диапазон 150-200 м/c.

При скорости меньшей 150 м/с значительно снижается скорость измельчения глины, что ухудшает качество обработанного сырья.

При скорости большей 200 м/с скорость измельчения достигает величины, при которой нарушается качество термообработки из-за сокращения времени пребывания материала в слое, что также отрицательно сказывается на качестве обработанного сырья.

Скорость истирания сырья зависит от высоты (H) его слоя в аппарате, оптимальная величина ее равна 2d_o<H6d_o, где d_o - диаметр сечения основания нижней зоны фонтанирующего слоя.

Существует оптимальный диапазон высоты слоя сырья, при котором реализуются интенсивное истирание частиц и их интенсивная автоциркуляция, чем обеспечивается эффективный контакт теплоносителя с материалом.

Преимущество рассмотренного помольно-обжигового устройства перед другими состоит в простоте реализации термической обработки с одновременным измельчением в фонтанирующем слое, исключающего механические операции по подготовке компонентов клинкерной минеральной смеси.

Описанные процессы термообработки, измельчения, смешивания обеспечивают получение требуемой готовой клинкерной смеси. Частицы смеси заданной тонины помола, что обусловлено конструктивными параметрами гравитационного классификатора 14, выносятся во второй коническо-цилиндрический корпус 15 через вертикальный трубопровод 19, имеющий цилиндро-коническую форму с углом раскрытия конической части, равным углу раскрытия струи. Заданный угол обеспечивает минимальные потери напора и относительно равномерное распределение частиц по сечению слоя материала в конической части грануляционноспекающего устройства 15, что способствует ускорению их гранулирования и спекания в нем. Интенсификации процессов грануляции и спекания достигают турбулизацией фонтанирующего слоя путем тангенциальной подачи несгранулированного сырья, отдельного из отходящих газов, удаляемых дымососом 7, в циклоне 5 и накапливаемого в бункере 6, с помощью загрузочного эжектора 3.

Выходной патрубок эжектора 3 расположен под углом 15-30^o к горизонтальной плоскости со смещением относительно вертикальной оси аппарата на расстояние, равное 0,5 радиусу сечения конусной части в горизонтальной плоскости перемещения радиуса струей, выходящей из патрубка эжектора 3 и состоящей из смеси воздуха с материалом. Величина скорости газосырьевой смеси на выходе из патрубка эжектора 3 выбирается равной 7-кратной величине скорости ожижающего агента в слое, что обеспечивает закручивание потока смеси по окружности аппарата, интенсивную его турбулизацию и равномерное распределение минеральной смеси по сечению фонтанирующего слоя. Кроме того, образующаяся вертикальная составляющая скорости потока, направленная вертикально вниз, способствует более длительному удерживанию сырьевой смеси в слое и уменьшению пылеуноса.

Диаметры наибольшего (D_в) и наименьшего (D_н) сечений конической части корпуса 15 связаны соотношением

Выбранные значения угла и смещения патрубка эжектора 3 способствуют удерживанию смеси в слое и равномерному ее распределению по сечению слоя. Указанные соотношения диаметров приняты из условия интенсивного фонтанирования гранул и частиц размеров (0,2-5) мм. Соотношением, меньшим величины нижнего предела, определяется унос из слоя частиц нижнего предела размеров, а при соотношении, большем верхнего предела, унос частиц не происходит, но завышаются габариты аппарата, что нерационально.

Оптимальная температура обжига 1300-1380^oC. Она достигается с помощью газовых форсунок 16, установленных в конической части корпуса 15. В этих условиях происходит оплавление гранул клинкера, частиц сырьевой смеси, а содержание жидкой фазы превышает (20-25)% от их веса.

Указанная оптимальная температура процесса гранулообразования характеризуется наибольшей скоростью налипания частиц клинкерной смеси друг на друга и на поверхность гранул готового продукта, клинкера. Увеличение количества новых гранул и укрупнение гранул готового продукта пропорционально также числу столкновений частиц в слое.

Таким образом, принцип гранулирования клинкерной смеси сводится к сочетанию режимов температурного и гидродинамического, характеризующегося интенсивной турубулизацией слоя, обеспечивающей интенсификацию тепло- и массообмена.

В процессе гранулирования и спекания смеси образовавшиеся укрупненные гранулы под действием гравитационных сил переходят в нижнюю часть корпуса 15 и попадают в разгрузочную камеру 17, а затем по трубопроводу 18 в холодильник.

Охлаждение клинкера в холодильнике осуществляют воздухом, нагнетаемым воздуходувкой 8, который после холодильника по трубопроводу 12 подается в топку 10 помольно-обжигового устройства.

Преимуществом данной установки является ускорение тепломассообменных процессов в фонтанирующем слое, что дает увеличение ее производительности и экономичности.