РЕФЕРАТ. Описан опыт интенсификации процессов во вращающихся печах с использованием устройства «ЭКОФОР», являющегося нейтрализатором свободных электрических зарядов. Во всех случаях на 4—9 % снижался удельный расход топлива на обжиг клинкера и стабилизировалась работа печи.
Ключевые слова: обжиг клинкера, вращающаяся печь, интенсификация процесса, электрический заряд.
Keywords: clinker burning, rotary kiln, process intensification, electric charge.
Опыт пo интенсификации процесса во вращающейся печи с использованием устройства «ЭКОФОР» [1 ] как нейтрализатора свободных электрических зарядов получен нами в производстве дробленого активированного угля. В 1994 году совместно с ОАО «Пикалевский глинозем» мы впервые испытали устройство на аналогичном оборудовании, но при обжиге цементного клинкера в 60-метровой вращающейся печи. Связь входа устройства со спекаемой массой осуществлялась по следующей электрической цепи: изолированный от земли, скользящий по обечайке печи контакт в центре зоны спекания; расклинивающие футеровку металлические пластины; в достаточной степени проводящая в горячем состоянии электрический ток обмазка печи; спекаемая масса. Испытания продолжались 2 сут и сопровождались улучшением гранулометрии клинкера, ростом активной составляющей тока электродвигателя печи, которая через полчаса после отключения устройства вернулась к исходному значению. Это обстоятельство, свидетельствовавшее о подъеме спекаемой массы, ставшей во время испытания менее вязкой, убедило нас в целесообразности продолжения исследований.
Поскольку устройство «ЭКОФОР» является нейтрализатором свободных электрических зарядов, происходящее при его подключении к печи обжига изменение вязкости спекаемого материала может быть обосновано именно этим обстоятельством – его электрической нейтрализацией. Появление свободных электрических зарядов в материале при этом соответствует принципу термодинамического подвижного равновесия Ле Шателье. Этот принцип предусматривает возникновение в системе, находившейся в состоянии равновесия и оказавшейся под каким-либо воздействием, процессов, ослабляющих это воздействие. Так, при обжиге имеет место электризация материала, которая ослабляет тепловое воздействие.
Известно, что ни одно изменение в природе не происходит без сопровождения его какими-либо электрическими явлениями. Для печи спекания это справедливо, поскольку:
- материал электризуется из-за трения при пересыпании;
- при нагревании этого материала в силу его неоднородности имеет место структурная объемная поляризация с накоплением пироэлектрических зарядов. А зона спекания, несмотря на то, что она значительно менее затратна в тепловом отношении по сравнению с зоной декарбонизации и особенно с зоной сушки, имеет наибольшую температуру;
- электрические заряды, обусловленные внутренним трением и электрическим притяжением в двойном электрическом слое, сдерживают снижение вязкости расплава в зоне спекания.
Сам факт электризации материала при спекании не беспрецедентен. Так, известен способ [2] контроля качества спекания агломерационной шихты путем измерения электрических характеристик спекаемого материала. При этом измеряют возникающую в ходе процесса электродвижущую силу между корпусом агрегата спекания и спекаемым материалом. Спекание регулируют с целью устранить разницу между этим измеренным значением и эталонным показателем, гарантирующим необходимое качество продукта.
Для плавления кристаллического материала существенное значение имеет сопротивление сдвигу, которое при критическом подведении теплоты резко снижается. Можно считать, что составляющей сопротивления сдвигу является электростатическая, связанная с противодействием активированных электрических носителей. С ростом температуры происходит сначала рост этих зарядов, а затем их аннигиляция, вызванная интенсификацией теплового, колебательного движения частиц в материале, и неизбежно достигается оплавление. Устройство «ЭКОФОР» помогает электронейтрализации материала в зоне спекания, в том числе путем разрядки двойного электрического слоя, при этом сопротивление сдвигу со стороны свободных электрических зарядов уменьшается. Быстрее, чем в случае, когда устройство не используется, снижается вязкость расплава, что создает возможность для снижения удельного расхода топлива.
Реализовать это мы смогли на вращающейся печи производительностью 25 т/ч в Египте на заводе Tourah Cement в 1996 году. После включения устройства произошло чрезмерное уменьшение содержания свободного оксида кальция в клинкере и увеличение его массы 1 л (определяемой для образца оговариваемого фракционного состава). На рис. 1 представлены происходившие во времени изменения. Через 6.5 ч доля свободного оксида кальция снизилось с 1,5 до 0,75 %, а масса 1 л клинкера увеличилась с 1200 до 1400 г/л. По местным условиям это свидетельствовало о крепком обжиге клинкера, и оператор через 10 ч после включения устройства смог увеличить производительность печи на 5 т/ч.
В 1997 году нами проводились работы по интенсификации помола цемента на десяти заводах Китая. На одном из них, Suzhou Nanxin Cement, была предоставлена возможность испытать устройство «ЭКОФОР» на печи производительностью также 25 т/ч. После включения устройства содержание свободного оксида кальция с нормативного для завода уровня 1,2 % снизилось с одновременным увеличением массы 1 л клинкера от соответствующего уровня 1350 г/л. Машинист, возвращая в норму эти параметры, увеличивал подачу материала в печь, а в одной из смен безуспешно пытался одновременно снизить подачу топлива. На рис. 2 представлена динамика изменения производительности печи и удельного расхода топлива во время испытания. За 3 сут работы производительность печи была в среднем повышена на 4 т/ч (или на 16 %), снизился удельный расход угля на производство тонны клинкера. При этом содержание свободного оксида кальция и масса 1 л клинкера соответствовали норме.
Имея положительные результаты на вращающихся печах малой производительности, в 1998 году мы обеспечили проведение испытания устройства на 170-метровой печи производительностью 68 т/ч ОАО «Пикалевский глинозем». В соответствии с договором испытание проводилось в течение месяца специалистами опытно-экспериментального цеха завода. Вначале их действия, обусловленные сомнением в эффективности устройства, привели к потере обмазки печи, но после ее восстановления была достигнута в среднем за месяц экономия газа 3,9 % при сохранении прежней производительности оборудования.
В 2002 году специалистами ОАО «Горнозаводскцемент» с помощью устройства «ЭКОФОР» была проведена работа по улучшению обмазки печи.
В 2003 году при внедрении наших устройств на цементных мельницах Бухтарминской цементной компании проведен эксперимент на 185-метровой печи обжига клинкера, сопровождавшийся ежечасным петрографическим анализом последнего. После включения устройства в течение 20 ч без изменения подачи топлива содержание свободного оксида кальция снизилось с 1,15 до 0,45 %. Петрографом была отмечена тенденция к укрупнению зерен алита, уменьшению доли белита и увеличению количества промежуточного вещества, не достигающих, однако, показателей крепкого обжига. Несколько увеличилась длительность одного оборота печи, что свидетельствовало об увеличении нагрузки на ее двигатель, связанном с подъемом в печи менее вязкого материала. Таким образом, имело место уже известное нам явление, только подтвержденное петрографическим анализом клинкера.
В 2006 году после предварительных испытаний на ОАО «Красносельскстройматериалы» его четыре вращающиеся печи обжига были оснащены устройствами «ЭКОФОР», модель ЭФ-01-04. По данным технологической службы объединения, на печах № 1 и 2 размерами ø 4×150 м производительностью 32 т/ч была достигнута экономия топлива 8-12 %, а на печах № 3 и 4 размерами ø 5×150 м производительностью 54 т/ч – от 4 до 6 %.
Во всех случаях кроме снижения удельного расхода топлива на производство тонны клинкера отмечалась стабилизация показателей работы печи, в том числе состояния ее обмазки.
При обжиге извести во вращающихся печах достигалась ее повышенная сортность, что было отмечено на ОАО «Красносельскстройматериалы» и внедрено на печи обжига извести в Литве на предприятии Naujasis Kalcitas.
Устройство «ЭКОФОР», потребляющее не более 90 ВА для собственного питания, не подводит к печи какой-либо дополнительной мощности, а уменьшает сопротивление материала прилагаемому к нему тепловому воздействию. То есть реакция материала на это воздействие, возникающая в соответствии с принципом Ле Шателье, уменьшается. Увеличивается эффективность теплового воздействия и как следствие снижается удельный расход топлива. Даже при минимально достижимой экономии газа 250 м3/ч устройство окупается за месяц эксплуатации.
Конечно, использование такого электронейтрализующего устройства может вызывать скептицизм специалистов. Ведь изменение удельного расхода топлива существенно влияет на работу зон сушки и декарбонизации печи [3]. Однако ни разу при испытаниях машинисты не переводили печь на «тихий ход». Может быть, это связано с резервом работы зон сушки и декарбонизации, который создает опытный машинист, работая в полуавтоматическом режиме на сложном инерционном агрегате. Возможно и самопроизвольное установление состояния «компромисса» между зонами печи в несколько новом режиме ее работы.
Технология требует лабораторного уточнения и имеет ограничение, так как на пути инициированного устройством стекания зарядов должны находиться металлические пластины, заложенные между огнеупорными кирпичами при их монтаже. Эти пластины без использования устройства «ЭКОФОР» не могут обеспечить полноценное стекание активированных электрических носителей на систему заземления. При высокой температуре пластины излучают электроны (происходит термоэлектронная эмиссия), сами при этом получают положительный потенциал, противодействующий стеканию зарядов с материала на землю. При современной футеровке, не предусматривающей металлических пластин, устройство не дает эффекта из-за разрыва электрической цепи связи со спекаемым материалом. Однако и в этом случае в перерыве между кампаниями такие пластины могут быть установлены ради экономии топлива или применена электропроводящая футеровка.
Снижение удельного расхода топлива на печи обжига в пределах 4-9 % по предложенной технологии имеет перспективу, тем более что от штрафов за недобор газа в нашей стране собираются отказаться, и энергосбережение станет более выгодным для производителей.
ЛИТЕРАТУРА
- Патент на изобретение РФ №2100492 «Устройство для наложения техно-физических воздействий на структурируемые технологические переделы»
- Авторское свидетельство СССР № 508550, «Способ контроля качества спекания агломерационной шихты»
- Классен В.К Основные принципы и способы управления цементной вращающейся печью // Цемент и его применение 2004 №2 С. 39-42