Проектирование цементных заводов (стр. 7 )

Скорость высушивания материала при одних и тех же пара­метрах сушки (температуре и влажности теплоносителя) зависит от физических свойств материала и крупности кусков. На сушку материал поступает после предварительного измельчения. Пори­стые и непластичные материалы (например, шлак) высушиваются легче, чем глина, трепел и опока.

Пределы колебаний начальной и конечной влажности мате­риалов, количество стадий сушки и температура сушильных га­зов приведены в табл. 6.4.

На цементных заводах сушку сырья производят в сушильных барабанах, вихревых сушилках с кипящим слоем (псевдоожиженном), агрегатах, совмещающих сушку и вторичное дробление сырья (ударно-отражательных дробилках с сушильной установ­кой), тандемах «сушилка-мельница» (комбинациях молотковой дробилки с шаровой мельницей), воздушных сепараторах, грави­тационных помольных установках (мельницах типа «Аэрофол») и в помольных установках с совмещением помола и сушки.

Сушильные барабаны применяют для сушки сырьевых мате­риалов, добавок и топлива независимо от их начальной влажно­сти и пластичности, что является преимуществом, так как в аппаратах других конструкций сушить пластичные материалы при высокой влажности трудно, а иногда и невозможно. Недо­статок сушильных барабанов — большая затрата тепла на испа­рение влаги материала с влажностью менее 10%. Поэтому су­шильные барабаны целесообразно применять для подсушки материалов до влажности 8-МО%, а затем досушивать их более эффективным способом, например, совмещая сушку с помолом в мельнице (см. табл. 6.4.).

Производительность сушильного барабана характеризуется удельным паронапряжением его сушильного объема, т. е. коли­чеством влаги, удаляемой за 1 ч с 1 м3 сушильного пространства барабана. Удельное паронапряжение зависит от конструкции ба­рабана, физических свойств высушиваемых материалов, грануло­метрического состава, степени заполнения барабана, скорости пе­ремещения материала в барабане, температуры, влагосодержания и скорости движения теплоносителя, поступающего в барабан. Это необходимо учитывать при выборе сушильного барабана. Удельное паронапряжение (паросъем) сушильного барабана нахо­дится в пределах, кг/(м3-ч):

Таблица 6.4.

Пределы колебаний влажности материалов и количество стадий сушки

Материал	Влажность, %	Количество стадий сушки и тип установок	Температура сушильного агента, 0С
	Начальная	Конечная
Глина	20-30	0,5-1,5	Две стадии: I – подсушка в сушильном барабане; II – подсушка в мельнице.	Перед барабаном 0С, перед мельницей не выше 400 0С.
Глинистый сланец	15-25	1,0-2,0	То же	То же
Мергель	15-20	0,4-1,2	»	»
Трепел	20-37	0,5-1,5	»	»
Известняк	8-17	0,4-2,0	Одна стадия: в мельнице	400
Опока, туф, пемза	15-28	1,0-2,0	Одна стадия: в сушильном барабане
Доменный гранулированный шлак	8-35	0,5-1,5	Одна стадия: в вихревой сушилке
Уголь: антрацит	5-10	1,0-2,0	Одна стадия: в мельнице	Не выше 400
Каменный	14-23	1,0-4,0	Две стадии: I – в сушильном барабане; II – в мельнице	Перед барабаном 500-600; перед мельницей не выше 400

при сушке глины— 20—30,

известняка, опоки — 30—40,

шлака — 45—60,

трепела, диатомита — 40—50,

угля — 35—50.

В зависимости от конструкций сушильного барабана удельный паросъем составляет, кг/(м3ч):

для барабанов без внутрибарабанных устройств — 10—15,

при наличии пересыпателей — 25—30,

при наличии ячейковых устройств — 40—50.

Пластичные сырьевые материалы (глины и суглинки) высушиваются, в основном, в прямоточных сушильных барабанах, где непосредственное воздействие горячих газов на влажный материал предотвращает размазывание и налипание материала у входа в сушилку. При сушке пластичных материалов в противоточных сушилках заметно снижается скорость прохода материала через сушильный барабан и падает его производительность.

Применение прямоточных сушилок для сушки угля в значи­тельной мере снижает опасность его воспламенения. При сушке угля в противоточных сушилках высушенный горячий уголь встречается с очень горячими газами, что может привести к его воспламенению.

Уменьшение размера кусков материала, повышение темпера­туры теплоносителя, снижение его влагосодержания и увеличение скорости движения газа в барабане ускоряет процесс сушки и способствует повышению производительности барабана. При этом нагрев сырья при сушке не должен вызывать никаких хи­мических изменений его состава. При температуре около 800 °С известняк диссоциирует с выделением СОа; глина теряет хими­чески связанную воду при температуре 400—450 °С. Это должно учитываться при расчете массового соотношения компонентов сырья. Гранулированный доменный шлак при 700 °С расстекловывается и теряет свои гидравлические свойства, что следует учитывать при сушке доменных шлаков.

Температуру сушильных газов регулируют путем разбавления их холодным внешним воздухом. Этот процесс протекает в спе­циальной смесительной камере, расположенной между топочной камерой и сушильным барабаном. Обычно температура газов, поступающих в сушильный барабан, составляет 600—700 °С. В прямоточных сушилках в некоторых случаях температура посту­пающих газов может быть повышена до 800—1000 °С.

Температура газов на выходе из сушильного барабана должна быть 120—125 °С, чтобы предотвратить возможную конденсацию водяных паров, содержащихся в газе. Однако на практике тем­пература отходящих газов, как правило, 80—110°С. КПД су­шильного барабана 0,7—0,8.

Коэффициент заполнения объема сушильного барабана зави­сит от его конструкции и составляет, в %:

в барабанах без внутрибарабанных устройств - 5—7;

с пересыпными устройствами — 12—15;

с ячейковыми устройствами — 25—30.

Более высокая степень заполнения материалом обеспечивает в сушилках одинаковых размеров повышение производительно­сти на 30—50%. В цементной промышленности применяют су­шильные барабаны диаметром от 1,6 до 5,6 м.

Примеры технологических схем подсушки сырья в сушильных барабанах представлены на рис. 6.12 и 6.13.

Вихревые сушилки предназначены для сушки различных цемен­тных сырьевых материалов. В отечественной цементной промыш­ленности они применяются, в основном, для сушки гранулированного доменного шлака. Сушка материалов в такой сушилке проис­ходит во взвешенном состоянии. Удельный паросъем вихревых су­шилок в 2,5—3 раза выше барабанных. Так, в 1м3 сушильного объема вихревых сушилок при сушке шлака испаряется до 125— 150 кг влаги за 1 ч, а в сушильных барабанах — 50—60 кг.

В вихревых сушилках в качестве сушильного агента могут использоваться горячий воздух из воздухоподогревателей (топок), колосниковых клинкерных холодильников и отходящие газы вра­щающихся печей. Температура газов, поступающих в сушилку, не должна превышать 600 °С. Количество газа, расходуемое в вихревых сушилках, составляет около 2 м3/кг загружаемого ма­териала. КПД вихревых сушилок составляет 0,65—0,70 при влаж­ности загружаемого материала до 20%. На рис. 6.14 представлена схема сушки материала в вихревой сушилке.

Сушка в кипящем слое. К сушилкам в кипящем слое отно­сятся аэрофонтанные и с русловым кипящим слоем. В аэрофон­танной высокотемпературной сушилке материал (в основном шлаки) сушится в вертикальном реакторе в кипящем слое. При кипящем слое толщиной 500—600 мм производительность суши­лок составляет 70 т/ч по сухому материалу, а удельный паро­съем — 250—300 кг/(м3-ч), т. е. более чем в 10 раз выше, чем в сушильных барабанах. Удельный расход тепла на сушку со­ставляет 4,2 МДж/кг.

В сушилках с русловым кипящим слоем сушке подвергается шлак с размером кусков до 50 мм и влажностью до 25 %. Шлак равномерно распределяется на наклонной решетке слоем до 300 мм. Поток горячих газов с температурой до 1100 °С подается под решетку, переводит шлак в аэрированное состояние, сушит и перемещает его к разгрузочной течке. Технологические схе­мы сушки в кипящем слое представлены на рис.6.15 и 6.16.

Сушка в воздушных сепараторах. Одним из распространенных в США способов сушки сырья в процессе помола является сушка в воздушных сепараторах. Схема такой установки представлена на рис. 6.17. В сепараторе сырье высушивается до влажности 6—8%. Применяются только высокотемпературные (около 550— 600 °С) горячие газы, образующиеся при сжигании жидкого и газообразного топлива. Температура газов на выходе из сепара­тора составляет около 90 °С.

Совмещение вторичного дробления сырья и сушки. Ударно-отражательные дробилки позволяют получить высокую степень измельчения (40—60). Непрерывное дробление обеспечивает по­стоянный рост поверхности материала и благоприятные условия для теплопередачи. Ротор придает потоку газа, проходящему че­рез дробилку, турбулентный характер, что приводит к улучше­нию контакта между газом и материалом. Благоприятные условия теплопередачи позволяют работать с относительно низким тем­пературным градиентом. Сырьевые материалы с исходной влаж­ностью до 6 % могут высушиваться отходящими газами враща­ющихся печей или аспирационным воздухом клинкерных холодильников с температурой 250—350 °С. При исходной влаж­ности материала до 12 % температура горячих газов должна быть 400—750 °С. В этом случае нужно применять подогрев отходящих газов или воздуха, устанавливая дополнительную топку (возду­хонагреватель).

При применении горячих газов с температурой около 800 °С и двухроторной дробилки можно осуществлять сушку и дробле­ние пластичных и налипающих материалов с начальной влаж­ностью 25—30 %. Питание и выгрузка материала из ударно-от­ражательной дробилки производится через двойные маятниковые затворы, чтобы избежать подсоса наружного воздуха. Удельный расход тепла на сушку в ударно-отражательных дробилках-су­шилках в зависимости от влажности сырьевого материала со­ставляет 4,0—4,6 МДж/кг (950—1100 ккал/кг) испаряемой влаги.

Для сушки материалов при вторичном дроблении хорошо под­ходят ударно-отражательные дробилки фирмы «Хацемаг» (Гер­мания). Эти дробилки выпускаются одно - и двухроторные, с ко­лосниковыми решетками и без них.

Дробилки-сушилки ударно-отражательного действия приспособ­лены для приема и переработки материала крупностью до 800 мм.

Технологическая схема дробления и сушки в ударно-отража­тельной дробилке-сушилке приведена на рис. 6.18.

В приведенной на рис. 6.19 системе подготовки сырьевой сме­си ударно-отражательная дробилка работает с трубной мельни­цей, оборудованной пневмотранспортным устройством. Материал, выходящий из дробилки и мельницы, пневмовоздушным способом подается в воздушно-проходной сепаратор.

Перед дроблением куски материала размером до 100 мм по­ступают в камеру подсушки, оборудованную двумя маятниковы­ми затворами и отражательными плитами. Сушильный агент по­дают через верхнюю часть камеры подсушки, длина которой зависит от влажности сырьевого материала. Подсушенный сырь­евой материал вместе с сушильным агентом измельчается до размеров 0—10 мм и содержит 15—35% готового продукта, ко­торый выносится струей газа через подъемный трубопровод в воздушный сепаратор и при этом подвергается дополнительной сушке. Крупка из сепаратора поступает в короткую однокамер­ную трубную мельницу, куда поступает часть горячих газов для сушки материала. Из мельницы материал вновь направляется в подъемный трубопровод и воздушный сепаратор.

Сырьевая смесь влажностью до 8% может высушиваться от­ходящими газами запечных теплообменников. При влажности до 15 % требуется дополнительный подогрев воздуха или исполь­зуется горячий воздух из колосниковых холодильников.

Сушильная установка с предварительной сушкой в ударно-от­ражательной дробилке показана на рис. 6.20.

На рис. 6.21 показана сушильная установка, в которой пред­варительная сушка производится в ударно-отражательной дро­билке, а основная сушка — в воздушном сепараторе. Частично сушка осуществляется также в ковшовом элеваторе. Использо­вание ковшовых элеваторов в качестве вспомогательного обору­дования для сушки сырья нашло широкое применение на аме­риканских заводах. Если сушка производится только в сепараторе, то начальная влажность сырьевого материала должна быть не выше 6%. Обогрев дробилки и ковшового элеватора позволяет использовать сырье с начальной влажностью до 8%.

На рис. 6.22 показана сушильная установка фирмы SKET/ZAB (Германия). Особенность этой системы состоит в том, что ударно-отражательная дробилка-сушилка, из которой в трубную мельницу подается большая часть загружаемого материала, связана с сепа­ратором и наружным вентилятором. Поэтому газ, отходящий от дробилки и содержащий 500—800 г/м3 пыли, легко очистить, не оказывая влияния на процесс сепарации. В зависимости от влаж­ности сырья в ударно-отражательной дробилке-сушилке расходу­ется 60—70% горячих газов от топки. При этом влажность сырья может быть снижена до 6%. Остальное количество газов при необ­ходимости может быть пропущено через трубную мельницу и цен­тробежный сепаратор с помощью вентилятора.

Совмещение помола сырья с сушкой. При совмещении помола сырья с сушкой широко используют тепло отходящих газов вра­щающихся печей или клинкерных холодильников. В большинстве случаев приходится повышать температуру сушильных газов, для чего устанавливается выносная топка. Количество тепла, пода­ваемого в мельницу, может быть снижено из-за выделения до­полнительного тепла при помоле.

На рис. 6.23 представлена технологическая схема совмещения помола с сушкой в замкнутом цикле с воздушно-проходным и центробежным сепаратором. Для повышения эффективности суш­ки в мельнице предусмотрена камера предварительной сушки, расположенная перед помольной камерой. Более высокой произ­водительности можно достичь в сушильно-помольной установке, где предварительная сушка осуществляется в специальном тру­бопроводе (рис. 6.24). В этой установке часть горячих газов по­ступает в трубопровод предварительной сушки, другая часть — в мельницу. Крупные частицы материала поступают в питательную линию мельницы, а мелкие — выносятся наверх струей го­рячих газов и, высушиваясь, оседают в циклоне 3 и подаются частично в мельницу и в центробежный сепаратор 4.

Схема установки, показанной на рис. 6.25, аналогична пред­ставленной на рис. 6.20, где перед мельницей помещена удар­но-отражательная дробилка. Эта установка предназначена для измельчения крупных частиц ударными воздействиями с ис­пользованием полезного эффекта от совмещения сушки с дроб­лением.

В схемах с воздушно-проходными сепараторами разгрузка и транспортировка материала осуществляются не механическим способом, а за счет интенсивного просасывания через мельницу больших объемов сушильного агента. Преимущество таких уста­новок заключается в возможности утилизации большого количе­ства горячих отходящих газов: около 2,2—2,9 кг газа на 1 кг материала.

В схеме помола, показанной на рис. 6.25, воздушный по­ток выносит измельченный продукт из мельницы и поднимает его вверх — вначале к воздушно-проходному сепаратору, а затем в циклон, что позволяет отделить тонкую фракцию от газа.

Для помола сырьевых материалов с высокой влажностью можно применить сушильно-помольную установку, схема кото­рой показана на рис. 6.26. Для подсушки сырье подают в трубопровод предварительной сушки, расположенный вне мель­ницы, поэтому в мельницу попадает подсушенный материал и небольшое количество горячих газов. Для достижения необхо­димой эффективности сушки и помола максимальный размер зерен загружаемого материала не должен превышать 15 мм. Скорость воздуха в таких установках равна 3—4 м/с, а в подъемном трубопроводе после мельницы — 25—35 м/с. Содер­жание твердых частиц в трубопроводе после мельницы состав­ляет 250—500 г на 1 м3 газа.

Сушильно-помольная установка с мельницей «Аэрофол». В мельнице самоизмельчения «Аэрофол» (рис. 6.27) степень из­мельчения материала может составлять от 100 до 1000. Размо­лотый материал выносится из мельницы газовоздушным пото­ком, скорость которого устанавливается в соответствии с требуемой крупностью зерен. В установку входят циклоны для классификации материала. Слишком крупные зерна возвраща­ются в мельницу или измельчаются в шаровой мельнице до необходимого размера. Степень заполнения мельницы «Аэро­фол» — 20—34%. Расход воздуха составляет 2—3 м3/кг раз­малываемого материала. Скорость воздуха в мельнице равна 3 м/с, а скорость воздуха в трубопроводе за мельницей за­висит от гранулометрического состава материала и находит­ся в интервале 15—25 м/с.

Совмещение помола с сушкой в роликовых мельницах. Роли­ковые или валковые мельницы (мельницы Леше, MPS, ТРМ фир­мы «Полизиус» и др.) применяются, в основном, в сушильно-помольных установках. На рис. 6.28 представлена одна из рабочих технологических схем сушильно-помольной установки с ролико­вой мельницей. Влажность материала (сырьевой смеси), загружа­емого в мельницу Леше, может составлять 15—18%. Тонкость помола готового продукта обычно находится в пределах 6—30% остатка на сите ячеек/см2). Производительность мель­ницы достигает 500 т/ч сырьевой смеси.

По сравнению с трубной мельницей установка с роликовой мельницей дает экономию энергии около 13%.

В роликовых мельницах разных типов теплом отходящих га­зов теплообменников вращающейся печи может быть высушена сырьевая смесь с влажностью до 8%. Для высушивания матери­ала с влажностью 8—18% необходимо подводить дополнительное тепло.

6.4. СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ

Сырьевые смеси заданного химического состава составляются из сырьевых материалов различной степени неоднородности. По­вышение степени неоднородности сырья приводит к необходимо­сти усложнения схемы его переработки и системы управления. Принципиальная технологическая схема приготовления сырьевой смеси включает участки механического перемешивания, в том числе усреднение на карьере, предварительную гомогенизацию дробленых материалов в усреднительном складе, пневматическое усреднение тонкомолотых порошков в силосах в псевдоожиженном слое при сухом способе производства, перемешивание водных суспензий в вертикальных и горизонтальных бассейнах. Суммар­ная усреднительная способность всего усреднительного отделения (К$) определяется отношением oi: ffn, то есть среднеквадратич­ного отклонения отдельных значений химических характеристик сырьевых материалов(01) к среднеквадратичному отклонению за­данного значения коэффициента насыщения сырьевой смеси, по­ступающей в печь на обжиг (ап). Обычно ап принимается равной 0,01—0,015.

В то же время суммарную усреднительную способность всего сырьевого передела можно рассматривать как произве­дение коэффициентов усреднения всех его технологических переделов:

(6.1)

Таблица 6.5.

Технологический передел Себряковского завода	Обозначения	Объем шлама в горизонтальных бассейнах, м3	Среднее значение коэффициента усреднения титра
Вертикальные бассейны		-	3,4
Круглый горизонтальный бассейн		1500 3000	3,6 7,2 10,9
Сырьевые мельницы		-	1,3

Выражение (6.1) позволяет представить технологическую схе­му в виде каскада усреднителей, объединенных системой управ­ления процессом приготовления сырьевой смеси. Математическое моделирование участков механического, пневматического усред­нения и перемешивания в водной среде сырьевых материалов и их смесей, а также скорости управления процессом приготовле­ния сырьевой смеси заданного состава является основой для рас­чета необходимой усреднительной способности всей технологи­ческой схемы и отдельных ее переделов. Расчеты производятся при помощи ЭВМ по программам системы автоматизации проек­тных работ САПР-цемент. Прогнозирование степени усреднения на участках технологических схем базируется на эксперимен­тальных характеристиках эффективности усреднения. Некоторые из них, определенные на Ново-Спасском заводе сухого способа и на Себряковском заводе мокрого способа, приведены в табл. 6.5 и 6. 6.

Таблица 6.6.

Технологический передел Себряковского завода	Содержание СаО, %	Обозначение	Среднее значение коэффициента усреднения титра
Среднее	Среднеквадратичное отклонение
Карьер навестняка	51,0	4,40	σ2	-
Первичное дробление – щековая дробилка	52,4	2,54		1,7
Вторичное дробление - Аэрофол	43,1	2,21		1,1
Шаровая мельница домола	43,0	1,51		1,4
Смесительные силосы	43,1	0,38		4,0
Запасные силосы	43,1	0,36		1,0

Эффективность усреднения в мощных горизонтальных бассей­нах мокрого способа гораздо выше, чем в смесительных силосах сухого способа, в связи с чем возрастает значение точности дозирования компонентов сырьевой смеси, частоты отбора контрольных проб и скорости анализа их химического состава. Проектирование технологии приготовления сырьевой смеси тесно связано с выбран­ной системой автоматизации управления процессом, от чего, в свою очередь, зависит тип и количество усреднительных емкостей. По­этому аппаратурное оформление процесса осуществляется одно­временно с разработкой способа управления, то есть представляет собой единую систему проектирования технологии приготовления сырьевых смесей заданного химического состава.