РЕФЕРАТ. В статье рассмотрено явление электризации материалов в производстве цемента и её влияние на технико-экономические показатели технологического процесса. Для нейтрализации явления электризации показана эффективность использования устройства «ЭКОФОР». Приведены результаты длительной промышленной эксплуатации этого устройства на различных переделах производства цемента.
В коллоидной химии, науке о дисперсных системах при описании электроповерхностных явлений используется теория двойного электрического слоя на межфазных границах. Но в технологии цемента, в прикладном аспекте, электрическим явлениям, их влиянию на процесс производства уделяется недостаточное внимание. В этом не было необходимости и по причине отсутствия пожаро- и взрывоопасности в производстве цемента, за исключением помола угля, как топлива дли печей обжига клинкера. Между тем. электрические силы, возникающие при переработке диэлектрических материалов, весьма велики. Ими нельзя пренебрегать, что было доказано [1], например, для адгезии и агломерации порошков. Так, электростатическая составляющая силы адгезии для мелкодисперсных диэлектрических материалов превышает молекулярную.
В связи с изложенным представляет интерес рассмотреть различные проявления электризации при производстве цемента, как процессе, приводящем к образованию, разделению и накоплению электрических зарядов, негативно влияющих на технологический процесс.
Электризация в производстве цемента
Механизмы электризации подробно анализируются в физике диэлектриков, в том числе для тепловых и силовых воздействий. К производству цемента, являющегося диэлектрическим материалом, может быть отнесена дипольная тепловая поляризация при спекании клинкера и объемно-зарядная поляризация, приводящая к накоплению электрических зарядов на границах неоднородностей – кристаллитов, пор, включений – при помоле цемента (рис. 1).
При спекании клинкера проявляются пироэлектрические свойства материала, приводящие к появлению электрических зарядов на поверхности его частиц вследствие повышения температуры вплоть до плавления. Однако на фоне тепловой поляризации при достижении температуры, несколько меньшей, чем температура плавления, возрастает интенсивность теплового движения ионов, резко увеличивается электропроводность материала, в результате чего происходит нейтрализация пироэлектрических зарядов. Имеет место и частичная релаксация зарядов при их стоке на землю.
При помоле, под воздействием механических напряжений, проявляются электрические. в том числе пьезоэлектрические свойства материалов, обуславливающие образование разнополярных зарядов. При поляризации однородного диэлектрика связанные заряды диполей появляются только на его границах. У неоднородного диэлектрика, в том числе материалов цементного производства, связанные заряды появляются в большем количестве в рабочем объеме материала на границах его частей, обладающих различными диэлектрическими проницаемостями и являющихся множественными комбинациями двойных электрических слоев. Возникновение зарядов и их релаксация происходят одновременно. Заряды накапливаются, остаются на поверхностях, если время разрушения контактов меньше времени их релаксации. Чем интенсивнее идет процесс разделения поверхностей, тем больший заряд на них остается. В этом случае они не успевают стечь на землю или нейтрализоваться за счет газового разряда при электрическом пробое воздушного промежутка между разделяющимися поверхностями. В результате действия оставшихся зарядов происходит частичное смыкание трещин, образовавшихся во время ударов, что ухудшает размолоспособность материала. Адгезия, затрудняющая измельчение материала, имеет место в виде налипания порошка на металлические мелющие поверхности, которое может подавляться использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Но негативное проявление адгезии имеет место не только при помоле цемента:
- при помоле сырьевой муки из твердого известняка происходит значительное налипание на мелющие тела сырьевой мельницы и снижение её производительности связанное и с повышенной влажность исходного сырья, что часто лимитирует выпуск цемента;
- избыточная сила адгезии удерживает подсушенную сырьевую смесь на цепной завесе печи обжига клинкера, что приводит к перерасходу топлива;
- осадительные электроды электрофильтров печей не очищаются полностью после ударов, что ухудшает осаждение электризованной пыли в последующие циклы и увеличивает ее выбросы в атмосферу;
- налипание пыли на поверхность рабочего колеса дымососа печи обжига клинкера и связанный с этим дисбаланс угрожает выходом из строя подшипников дымососа, приводит к периодическим остановкам на очистку рабочего колеса с потерей выпуска клинкера.
С уменьшением размеров частиц, за счет их электростатического притяжения, имеет место агломерация порошка. Такие дисперсные системы частично утрачивают текучесть Хорошо хотя бы то, что агломерация при помоле является обратимой и при определенных условиях возможно разобщение частиц. Статическое электричество свойственно не только диэлектрикам, но и металлам, особенно их сплавам. Дислокации, как дефекты кристаллической структуры металла, несут на себе электрические заряды, которые взаимодействуют со свободными электронами металла. На примесях в структуре металла происходит торможение дислокаций, их концентрация и выход на поверхность В этих местах образуются микротрещины, затем язвочки с рваными краями, что и приводит к блуждающему по поверхности износу.
Казалось бы, что все эти негативные проявления электризации должны были бы компенсироваться заземлением. Но оно не является полноценной защитой от зарядов статического электричества, а лишь ограничивает предельный накапливающийся заряд. Стекание зарядов происходит по экспоненциальной зависимости с постоянной времени. пропорциональной диэлектрической проницаемости обрабатываемого материала и его проводимости. Для уменьшения уровня свободного объемного заряда имеются две дополнительные к заземлению возможности:
- ускорение релаксации за счёт снижения её постоянной времени с помощью специальных добавок, увеличивающих проводимость смеси. Это ПАВ, известные уже в течение более семидесяти лет в помоле цемента, и использование полярных свойств молекул воды, при впрыске ее в мельницу;
- уменьшение уровня свободного заряда за счёт нейтрализаторов статического электричества.
Возможности нейтрализации
В технике известны как негативные проявления электризации, которые могут привести к взрывам и пожарам горючих пылей и жидкостей так и полезные её проявления, используемые, например, в геофизической разведке, для очистки газов, электростатических окраски и сепарации. Однако во всём остальном на неё не обращают внимания.
На самом же деле она, являясь реакцией материала на энергетическое воздействие, представляет собой одну из составляющих сил сопротивления материала его требуемому преобразованию. В частности, материалы, поступающие в цементное производство, находятся в состоянии термодинамического и электромагнитного равновесия и стремятся его сохранить. Они не «желают» измельчаться и расплавляться, но, тем не менее, за счёт силовых и тепловых воздействий производятся целесообразные изменения их состояния. При этом происходит, как это было показано выше, электризация материалов, появляются активированные электроносители, действие которых тормозит и ухудшает ход технологического процесса. При нейтрализации этих электроносителей уменьшается реакция материала в части, касающейся их электризации. Таким образом, снижается противодействие энергетическому воздействию, что приводит к уменьшению затрат энергии. Именно с этих позиций ЗАО «Экофор», с целью энергосбережения, уже более десяти лет занимается анализом электризации и способов её нейтрализации в ходе различных технологических процессов. Устройства «ЭКОФОР» различных модификаций, являющиеся нейтрализаторами, и способы их применения были разработаны нами, в том числе и для цементной промышленности. Они защищены патентами России [2], а также Германии, Франции, Италии, США и Китая. Устройства постоянно модернизировались с учетом опыта их эксплуатации. С 1996 г. устройства выпускались в пылезащищенном исполнении, а с 2007 г. начато производство модернизированных устройств в герметичном, более универсальном для различных производственных условий исполнении (рис. 2).
Продемонстрируем эффективность работы устройств «ЭКОФОР» на различных стадиях производства цемента.
- при подключении устройства к мельнице производящей сырьевую муку из твердого известняка, в результате компенсации электростатической составляющей силы адгезии прекращается налипание на мелющие тела. Мельница повышает производительность на 6-12%, работает исключительно стабильно, наблюдается снижение удельного потребления электроэнергии на 5-10%. Устройство успешно испытано на сырьевых мельницах Навоийского цементного завода (Узбекистан), в Султанате Оман и Греции. На заводе HraniceCement (Чехия) устройство обеспечило очистку от налипания в молотковой дробилке производительностью по известняку 300 т/ч;
- при использовании устройства на печи обжига клинкера достижимым является снижение удельного расхода топлива в пределах 4-9%, минимально на 250 м3/ч газа. Это возможно, если в зоне спекания установлены расклинивающие футеровку металлические пластины и процесс ведется при содержании свободного СаО, отличном от нуля. Через несколько часов после включения устройства, в результате нейтрализации пироэлектрических зарядов материала, вязкость спекаемой массы снижается, что приводит к увеличению нагрузки двигателя печи [3]. Несколько позже содержание свободного СаО в клинкере уменьшается, его насыпная плотность увеличивается. После этого во избежание пережога клинкера и даже потери обмазки печи подачу топлива необходимо снизить. При достижении нового уровня теплового баланса работа печи становится более стабильной, нагрузка двигателя печи возвращается к первоначальной. Успешная апробация технологии проводилась в России – на ОАО «Пикалевское объединение «Глинозем», в Египте, Китае. В настоящее время четыре печи ОАО «Красносельскстройматериалы» работают с устройствами «ЭКОФОР»;
- устройство устраняет налипание пыли и дисбаланс рабочего колеса запечного дымососа, обеспечивает его бесперебойную работу, что было использовано на ОАО «Новотроицкий цементный завод»:
- осадительные электроды электрофильтра печи, к которым во время их отряхивания через молотки подключается устройство лучше очищаются для последующих циклов осаждения пыли, что подтверждено на ОАО «Жигулевские стройматериалы»;
- перспективным является использование устройства на печной завесе печи, так как оно интенсифицирует испарение воды, уменьшает адгезию в зоне осыпания подсушенного шлама с металлических поверхностей завес и экономит топливо;
- при помоле цемента устройство оказывает положительное комплексное воздействие на процесс, устраняет негативные проявления электризации [4,5]. Если устройство используется на фоне действия ПАВ, то увеличение производительности мельницы составляет 8-12%, без ПАВ – 12-25%. Имеет место снижение удельного расхода электроэнергии в пределах 3-7 кВт*ч на тонну производимого цемента. Под воздействием устройства происходит улучшение работы мельницы, разрушаются агломераты, улучшается размолоспособность материала, полностью или частично очищаются мелющие тела, в 2-3 раза снижается их износ, повышается текучесть цемента. Устройство является полноценной и экономически предпочтительной заменой ПАВ для мельниц производительностью до 50 т/ч.