Обжиг цементного клинкера во вращающейся печи

В настоящее время применяются два способа производства цементного клинкера - "мокрый" и "сухой". В производстве клинкера первым из этих способов сырьевая смесь разбавляется водой и подается в виде шлама с влажностью 36...40 % во вращающуюся печь длиной до 180 м. Во втором способе производства сухая, тонко измельченная сырьевая смесь подогревается и подвергается декарбонизации в теплообменниках и каль- цинаторе, после чего подается в короткую печь обжига при температуре порядка 1000 °С. В результате производительность обжиговой вращающейся печи по клинкеру возрастает в два-три раза при меньшем удельном расходе топлива.

В качестве объекта численного моделирования выбрана вращающаяся печь "мокрого" способа производства с диаметром корпуса 5 м при уклоне 4° и частоте вращения 0,105 рад/с. (1 об/мин). Принято, что внутренняя поверхность стен печи, выполненных из хромомагнезитового кирпича с радиальным размером 230 мм, покрыта слоем затвердевшей клинкерной обмазки толщиной 20 мм, защищающем футеровку от разрушения.

Производительность печи по клинкеру составила 72 т/ч. В согласии с эксплуатационными данными, расчетный расход природного газа с теплотой сгорания 35460 кДж/м3 принят равным 12200 м3/ч при температуре горячего воздуха 410 °С и коэффициенте избытка воздуха 1,1.

Трехмерная математическая модель, построенная в цилиндрической системе координат (х, г, ср), учитывала наличие в печи слоя обжигаемого материала, скользящего по внутренней поверхности стен печи и заполняющего часть ее поперечного сечения. Обжигаемый слой, близкий по форме к сегменту, моделировался набором дугообразных подслоев, как показано на рис. 8.3. Увеличив их число, можно образовать сравнительно ровную поверхность, контактирующую с газовой средой, такую же, например, как на рис. 6.1.

Численное моделирование выполнялось на участке длиной 40 м в зонах спекания и охлаждения клинкера. Параметры турбулентного движения газообразной среды вычислялись с помощью стандартной двухпараметрической модели турбулентности.

Корректное решение поставленной инженерной задачи потребовало применения сетки с относительно большим числом ее ячеек. Длина расчетного участка печи разделена на 100 слоев, радиусы и окружность печи - на 32 слоя по каждой оси координат. Общее число узлов сетки превысило 100 тысяч.

Согласование формы обжигаемого слоя с линиями сетки в поперечном сечении вращающейся печи

Рис. 8.3. Согласование формы обжигаемого слоя с линиями сетки в поперечном сечении вращающейся печи

На рис. 8.4 показано, что достоверность результатов численного моделирования теплопереноса при диффузионном горении природного газа может быть подтверждена сопоставлением расчетной температуры корпуса вращающейся печи с ее значениями, измеренными в эксплуатационных условиях [65].

Температура корпуса печей цементного завода

Рис. 8.4. Температура корпуса печей цементного завода: 1-3- номера печей, 4 - численное моделирование

На рис. 8.5 приведены результаты численного исследования теплообмена во вращающейся печи. Кривая 1 представляет среднюю температуру обжигаемого клинкера по длине печи, рассчитанную по его теплоемкости с учетом теплоты плавления [66] в предположении, что в расчетный участок печи поступает полностью декарбонизированная сырьевая смесь с температурой 1000 °С. Продвигаясь вдоль печи навстречу потоку газообразных продуктов горения, сырьевая смесь в зоне спекания нагревается, частично расплавляется и постепенно превращается в цементный клинкер. Максимальная расчетная температура слоя клинкера составила 1592 °С, что позволяет сделать вполне определенный вывод о том, что при работе печи мокрого способа клинкер в зоне спекания может нагреваться значительно выше температуры 1450 °С, необходимой для образования клинкерных минералов.

Средняя температура клинкера (7) и газообразной среды (2) в поперечных сечениях печи при скорости вылета топлива 300 м/с

Рис. 8.5. Средняя температура клинкера (7) и газообразной среды (2) в поперечных сечениях печи при скорости вылета топлива 300 м/с

Кривая 2 характеризует среднюю температуру газообразной среды в поперечных сечениях печи. Максимальное ее значение достигает 1685 °С на расстоянии 21 м от горелки. Вблизи горелки средняя температура газообразной среды оказывается меньше температуры обжигаемого слоя, в результате чего на этом участке формируется зона охлаждения клинкера. Расчетная температура клинкера 1235°С на выходе из печи близка к эксплуатационному значению, что также подтверждает достоверность в целом результатов численного моделирования теплообмена между газами, футеровкой печи и слоем клинкера.

Возможный нагрев слоя клинкера до чрезмерно высокой температуры, отмеченный в численных экспериментах, объясняет многие наблюдения, относящиеся к эксплуатации цементных вращающихся печей большого диаметра при "мокром" способе производства. Перегрев клинкера в зоне спекания приводит к измельчению клинкерных гранул вплоть до клинкерного пыления, затрудняющего управление печью. При появлении клинкерного пыления ухудшается теплообмен в холодильнике клинкера и снижается температура горячего воздуха. Из-за избытка жидкой фазы наблюдалось ухудшение качества клинкерной обмазки, защищающей футеровку от разрушения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >