Выбор способа сжигания топлива в шахтных и вращающихся печах при выпуске извести для ячеистого бетона

УДК 631.821:669.531.42

А.В. МОНАСТЫРЕВ, канд. техн. наук

Выбор способа сжигания топлива в шахтных и вращающихся печах при выпуске извести для ячеистого бетона

Технология получения ячеистого бетона автоклавного твердения включает операции выдержки большой массы пористого вещества в изложнице для получения необходимой структуры и прочности, снятие бортов изложницы и разрезание ячеистой массы на более мелкие блоки с последующей их термовлажностной обработкой в автоклаве. Качество блоков в большой степени зависит от качества получаемой в изложнице ячеистой массы, которая, в свою очередь, определяется свойствами применяемой технологической извести. Для производства изделий из ячеистого бетона необходима известь без пережога с содержанием активных СаО+М^О не менее 85—87% с определенной скоростью гидратации, которая связана со временем и температурой ее гашения. Применение быстрогасящейся извести приводит к быстрому выделению тепла в начальной стадии ее гидратации с получением некачественной массы, обусловленной образованием неравномерной по объему ячеистой структурой и наличием трещин.

Ячеистый бетон необходимого качества можно получить двумя технологическими приемами: использованием извести со сроками гашения 10—15 мин либо вводом в исходное сырье замедлителей ее гидратации, например гипса или поверхностно-активных веществ [1].

Ячеистый бетон хорошего качества получают использованием легированной извести с замедленным временем гашения [1, 2]. Однако в последнее время изготовители блоков из ячеистого бетона, особенно работающие на оборудовании зарубежных фирм, требуют поставки им извести с высоким содержанием суммы активных оксидов кальция и магния и замедленными сроками гашения, получение которой не связано с применением легирующих добавок. Поэтому в настоящее время актуальным является рассмотрение технологических приемов получения умеренно реакционной извести, не связанных с применением легирующих солей натрия и хлора.

Образующаяся при обжиге известь представляет собой кристаллическое вещество, размер кристаллов которого зависит от исходного материала и режима обжига. Объемная масса, пористость, химическая активность и другие свойства извести определяются ее микроструктурой.

Рассмотрим влияние средней температуры в зоне обжига печи, качества карбонатного сырья и топлива на микроструктуру образующейся извести, которая в основном определяет время и температуру гашения извести [2].

Влияние средней температуры обжига чистого кальциевого известняка в лабораторной печи на изменения размера кристаллов СаО, пористости и объемной массы извести исследовано И. Вурером [2] и представлено кривыми на рис. 1. Кривые показывают, что при постепенном нагревании известняка при температуре 800—850оС обра-

зуется известь пористой структуры, сложенной из кристалликов СаО размером 0,2—0,3 мкм и пронизанной капиллярами диаметром около 0,008 мкм. Оксиды кальция характеризуются максимальной химической активностью (время гашения водой 15—20 с). Удельная поверхность кристаллов СаО превышает 7 м2/г. Средняя плотность извести находится в пределах 1600—1700 кг/м3, пористость порядка 50%. Практически такую известь не производят из-за низкой производительности печи.

С повышением температуры до 900—1000оС происходит медленный рост первичных кристалликов с одновременным упорядочением их структуры. При этом образуются кристаллы СаО почти идеальной правильной формы размером 0,3—1 мкм с удельной поверхностью 3,8—1,7 м2/г, обладающие высокой химической активностью. Пористость извести снижается с 45 до 37%, но в массе материалов возникают крупные поры, вследствие чего объемная масса материала довольно низкая — 1800—2000 кг/м3. Время гашения такой извести 1—1,5 мин.

Постепенное повышение температуры обжига в интервале 1000—1150оС сопровождается рекристаллизацией (ростом первичных кристаллов) СаО с образованием кристаллитов СаО размером 4—6 мкм с удельной поверхностью 1,5—0,3 м2/г, обладающих умеренной реактивностью (время гашения 2—3 мин). Пористость извести снижается с 37 до 25%, но за счет образования новых крупных пор средняя плотность извести не превышает 2300-2450 кг/м3.

90 г

80

70

^ 60 .а"

§ 50

I-

о

5 40

8 7

30

20

10

9

6

_ х с

- о л

- ? 3

2

1

0

3,2 —118

16

и 1,4 -Ю

12

10 §

800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Температура обжига, оС

Рис. 1. Характер изменения показателей кальциевой извести с ростом температуры обжига: 1 - удельная поверхность кристаллов СаО; 2 - пористость извести с крупными порами; 3 - пористость извести с мелкими порами; 4 - размер кристаллов СаО; 5 - критическая величина объемной массы; 6 - объемная масса извести

8

6

4

2

0

научно-технический и производственный журнал ф'ГРОМТ^ Ш£1гШ@

сентябрь 2011 ы

V, ос

1

90 - \ 1 2 Г/ 3 у'

/ / 5 /

4 V

70 1

50 -

30 1111

1 3 5 7 9 тр мин

Рис. 2. Кривые гидратации кальциевой извести, полученной обжигом чистого мела в газифицированной вращающейся печи при разной температуре в зоне обжига, оС: 1 - 1200; 2 - 1250; 3 - 1300; 4 - 1400; 5 - 1500

Время гашения, мин

Рис. 3. Кривые гидратации кальциевой извести, полученные обжигом известняка различного качества в шахтных печах, отапливаемых газообразным и твердым топливом: 1, 2, 3 - обжиг известняка в газифицированной шахтной печи с содержанием глинистых примесей: 1 - 1,8%; 2 - 3,5-4,5%; 3 - 6-7%; 4 - обжиг чистого известняка при отоплении печи каменным углем марки АО зольностью 12%; 5 - то же при отоплении печи углем марки АМ зольностью 20%

Обжиг при температуре материала 1150оС является границей получения извести без пережога, так как дальнейшее повышение температуры материала до 1200оС резко ускоряет уплотнение извести до 2600—2700 кг/м3 со снижением пористости до 20%. Появляются конгломераты кристаллов СаО размером 10 мкм и более с удельной поверхностью менее 0,2 м2/г. Химическая активность падает. Начинается процесс спекания извести. Обжиг при температуре материала 1250—1300оС сопровождается уплотнением извести до 2900 кг/м3, резким снижением ее химической активности, ускорением спекания извести. Процесс спекания отличается тем, что одновременно с укрупнением кристаллов СаО идет процесс их «заживления», заключающийся в исправлении дефектов в кристаллической решетке первичных кристаллов СаО. В извести появляются конгломераты СаО размером 15—20 мкм.

Нагревание чистого известняка (СаСО3) при 1350— 1400оС и выше вызывает дальнейшее уплотнение извести, резкое снижение ее пористости, образование кристаллов оксида кальция и их конгломератов размером 30—50 мкм с удельной поверхностью 0,1—0,05 м2/г. Такая известь характеризуется пониженной химической активностью.

На реактивность извести оказывает влияние микроструктура обжигаемого сырья. На рис. 2 представлены кривые гашения кальциевой извести, полученные автором при обжиге чистого мела в газифицированной вращающейся печи размером 02,7x50,6 м, оборудованной подогревателем сырья типа колосниковой конвейерной решетки, при разных температурах в зоне обжига. Этот пример показывает, что обжиг чистого мелкокристаллического карбонатного сырья даже при температуре газового потока 1400—1500оС сопровождается получением извести без пережога активностью 92—94%, временем гашения 6—9 мин и температуре гашения 92—93оС. Недостатками такого режима производства среднереак-ционной извести являются повышенный удельный расход топлива и необходимость применения для футеровки зоны обжига печи дорогого магнезито-хромитового или периклазохромитового огнеупорного кирпича.

Большое влияние на микроструктуру образующейся извести оказывает качество обжигаемого сырья, которое во многом определяется массой и химическим составом входящих в него глинистых примесей (суммой SiO2, Fe2O3 и А12О3), так как при обжиге образующиеся в зоне высоких температур СаО и MgO взаимодействуют с глинистыми примесями и зольной частью твердого топлива, образуя новые минералы, придающие извести новые свойства.

Кремнезем SЮ2 взаимодействует с СаО в твердом состоянии уже при 800—900оС. При дальнейшем повышении температуры увеличивается подвижность анионов и катионов, образующих кристаллическую решетку оксидов, в результате чего протекают реакции в твердой фазе с образованием силикатов кальция. В температурном интервале 1100—1300оС обычно образуется крупнокристаллический двухкальциевый силикат Р-2СаО • SЮ2 (белит), который представляет собой тугоплавкое соединение и при высокой температуре обжига не образует жидкой фазы, т. е. не образует сваров, но является медленногасящимся веществом.

При обжиге в полное взаимодействие с СаО вступает только тонкодисперсный кремнезем, составляющий 70—90% общего его содержания в глинистых примесях [2]. Примеси в виде зерен кварца с размерами более 40—50 мкм реагируют с СаО только по поверхности с образованием каймы из двухкальциевого силиката толщиной 10—20 мкм.

Количество СаО, связанного в силикаты кальция, определяют по количеству содержащегося в сырье кремнезема [2]: СаОсвяз = 1,87 SiO2%.

Взаимодействие СаО с Fe2O3 и А12О3 приводит к образованию ферритов, алюминатов и алюмоферритов кальция, которые при температуре 1000—1200оС образуют жидкую фазу с низкой вязкостью, способствующую образованию сваров материала в печи, которая обволакивает зерна СаО, образуя известь с низкой реакционной способностью. Воздействие жидкой фазы на СаО проявляется также в резком ускорении процесса его рекристаллизации и спекания, в результате чего даже при непродолжительном обжиге образуются кристаллы СаО размером 20—50 мкм, время гашения которых исчисляется десятками минут. Количество СаО, связанного в алюмоферриты кальция, подсчитывают по выражению [2]: СаОсвяз = 1,1А12О3 + 0^е2О3%.

В карбонатах сульфат кальция CaSO4 присутствует в небольших количествах (0,01—0,025%), но его содержание в шихте при обжиге может существенно увеличиться при использовании сернистых каменных углей, в золе которых он присутствует. Взаимодействие сульфата CaSO4 с СаО способствует понижению температуры образования жидкой фазы, что приводит к быстрому росту кристаллов СаО и снижению реакционной способности извести.

Ы

научно-технический и производственный журнал

сентябрь 2011

9

7 }

дата,

1 12 11

10

Рис. 4. Одношахтная печь фирмы Maerz Ofenbau Ав, работающая на пыли бурого угля: а - схема ввода и сжигания угольной пыли в шахте диаметром 3,9 м; б, в - периферийная и осевая горелки; 1 - воздух в зону охлаждения; 2 - воздух на охлаждение горелки; 3 - воздух в периферийные горелки; 4 - вода на охлаждение горелок; 5, 11 - воздух, транспортирующий угольную пыль; 6, 12 - угольная пыль; 7 - известняк; 8 - печные газы; 9 - кожух печи; 10 - осевая горелка; 13 - вода на охлаждение; 14 - известь; 15 - периферийная горелка; 16- корпус; 17, 18 - сопла периферийной и осевой горелок

Реакционная способность негашеной извести характеризуется химической активностью оксидов СаО и MgO, а также входящих в известь клинкерных минералов при взаимодействии с водой в обычных условиях. Основными показателями при этом являются время и температура гидратации (гашения) извести, определяемые по методике, приведенной в ГОСТ 22688-77 «Известь строительная». Принято считать известь высокореакционной, если время ее гашения находится в пределах 2 мин и температура гашения 80-90оС; среднере-акционной при 4-8 мин и 65-80оС; умеренно реакционной при 9-15 мин и 60-75оС; низкореакционной более 15 мин и 50-55оС.

На рис. 3 приведены кривые 1, 2, 3 гашения извести с содержанием СаО + М^О = 89-80%, полученной обжигом в газифицированных шахтных печах при температуре газового потока 1200-1250оС известняка с содержанием глинистых примесей: 1 - 1,8%; 2 - 3,5-4,5%; 3 - 6-7%, которые показывают, что увеличение содержания глинистых примесей в сырье сопровождается увеличением времени гашения и снижением температуры гашения извести. Кривые 4 и 5 получены обжигом чистого известняка в шахтной печи, отапливаемой антрацитом разного качества: 4 - антрацитом зольностью до 12%; 5 - антрацитом зольностью 20%.

Следовательно, чем выше температура обжига и больше в известняке глинистых примесей или золы в твердом топливе, тем быстрее и больше образуется в извести низкореакционных силикатов, ферритов и алюминатов кальция и меньше СаО остается в свободном состоянии.

Максимальное количество CaO, связанного в новые соединения, составляет [2], %:

СаОсвяз = Ксв- 1,8781О2 + 1,1^ + 0^^,

где: SiO2, А12О3, Fe2Oз - содержание оксидов в сырье, пересчитанное на теоретический состав извести, %; Ксв - коэффициент, учитывающий количество SiO2, которое вступило в реакцию с СаО. Величину поправки Ксв в зависимости от дисперсности кремнезема принимают в пределах 0,6-0,9.

Пример. Определить содержание активных СаО+МgО в извести при обжиге известняка в шахтной газифицированной печи следующего химического состава, %:

СаСО3 = 95,54; МgСОз = 1,89; SiО2 = 1,8;

А12О3 = 0,2; Fе2Оз = 0,6.

Исходные данные: степень диссоциации сырья при обжиге £,сд = 92%; известняк средней прочности фракции 60-120 мм; карьерная влажность 3%.

Расчет коэффициентов расхода сырья. Теоретический коэффициент расхода сырья:

КС= 1/(1-у) = 1/(1-0,3967) = 1/0,6033 = = 1,657 кг/кг извести,

где у = (£сд/100) (0,44 95,54/100) + 0,522 1,89/100 = = 0,92  0,4204+0,0099 = 0,3967.

Коэффициент расхода сырья с учетом пылеуноса из печи в размере 1 г/нм3 отходящих газов:

Кун = 1,0015  1,6575 = 1,66 кг/кг извести.

Коэффициент расхода сырья с учетом его карьерной влажности 3%:

Щл = Ксун/(1-0,03) = 1,66/0,97 = = 1,7113 кг/кг извести.

б

а

8

9

9

в

научно-технический и производственный журнал Е^ТЯО/ГГ~J\ilj\i>\Z 10 сентябрь 2011 ы

Коэффициент расхода сырья с учетом транспортных потерь 1,8 кг/кг извести.

Расчет качества получаемой извести. Состав извести без учета связывания СаО в клинкерные минералы, %:

СаО = 53,5 • 1,6575 = 88,6789; МgО = 0,9 • 1,6575 = 1,4917; (СаО+МgО) = 90,17;

SiO2 = 1,8 • 1,6575 = 2,9835; А12О3 = 0,2 • 1,6575 = 0,3315; Fе2Оз = 0,6 •

1,6575 = 0,9945.

СаСО3 в извести: 100 - 94,4795 = 5,5205; остаточного СО2 в извести: 5,5205/2,27 = 2,43.

Состав извести с учетом реакций образования клинкерных минералов, %:

Содержание связанного оксида кальция по формуле (1) СаОсвяз = К• 1^Ю2 + 1,1А12О3 + 0^е203 = 0,5 • 1,87 • 2,983 + 1,1 • 0,3315 + 0,7 • 0,9945 = 3,85.

Содержание активных СаО+МgО в извести: 90,17 — 3,85 = 86,32.

Содержание остаточного СО2 в извести 2,43.

Реакционная способность извести в большой степени зависит от зольности применяемого топлива и температурного режима обжига сырья. На рис. 3 кривая 4 соответствует гидратации извести с содержанием СаО = 87% за время 12,5 мин. Известь получена обжигом чистого известняка (содержание глинистых примесей 1,8%) фракции 50—100 мм при средней температуре обжига 1230оС в шахтной печи, отапливаемой антрацитом марки АО (фракция 25—50 мм), зольностью 12%. Кривая 5 получена гашением извести с содержанием СаО = 80%, полученной при обжиге этого же известняка при температуре обжига 1350—1400оС при отоплении печи антрацитом марки АМ (фракция 13—25 мм), зольностью 20%. Кривая 5 показывает, что несмотря на высокое содержание СаО, температура гашения извести всего 45оС при времени гашения 26 мин. Исследования извести показали, что замедленная гидратация извести объясняется крупными размерами ее кристаллов, составляющими 5—12 мкм, при значительном количестве кристаллов размером 20—50 мкм. При уменьшении в зоне обжига печи средней температуры до 1200—1250оС время гашения извести снижается до 12—15 мин, а температура гашения увеличивается до 60оС. Однако эта известь непригодна для производства ячеистого бетона из-за высокого содержания пережога, вызванного использованием мелкого антрацита, куски которого быстро сгорают, развивая температуру на отдельных участках зоны обжига до 1500оС.

Представляет интерес информация о проведенной в Германии модернизации нескольких шахтных пересыпных печей, имеющих внутренний диаметр шахты 2,2 — 4,1 м, с заменой дорогостоящего кокса на молотый бурый уголь, что позволило не только снизить затраты на топливо, но и значительно увеличить производительность и получить известь без пережога с замедленным временем гидратации, пригодную для выпуска изделий из ячеистого бетона [3].

На рис. 4 приведена одна из модернизированных фирмой «Маеге Ofenbau AG» одношахтных печей производительностью 200 т/сут, отапливаемой вместо кокса молотым бурым каменным углем. В зоне обжига печи (рис. 4, а) установлено 32 шт. периферийных консольных горелок, расположенных в один ярус в шахматном порядке по периметру печи, в которые несущим воздухом 5 через горелки в зону обжига поступает угольная пыль. В периферийные горелки также поступает воздух, необходимый для полного сжигания угольной пыли, поступающей в пристенную область. Периферийная го-

релка 15 (рис. 4, б) снабжена охлаждаемым водой корпусом 16 и устанавливается в шахте под углом к горизонту. Глубина погружения горелки в слой обжигаемого материала регулируется в пределах 200—600 мм. По центру шахты установлена осевая горелка 10, состоящая из двух полых труб, изготовленных из жаропрочной стали. Для охлаждения корпуса горелки в ее межтрубное пространство вентилятором подается воздух. Наружная труба горелки имеет футеровку из огнеупорного бетона. В головке осевой горелки расположено восемь форсунок 18 для подачи в зону обжига пылеугольного топлива. Работа печи полностью автоматизирована.

Печь устойчиво работает со следующими показателями: при обжиге чистого известняка (СаСО3 = 97,5%) фракции 60—125 мм выпуск извести составляет 200 т/сут; удельный расход условного топлива 148,7 кг; содержание остаточной СО2 в извести 1,4%; время гашения извести 7—8 мин; температура гашения +65оС; удельный расход электроэнергии 20 кВт• ч [3]. Применение полученной извести в производстве ячеистого бетона дало хорошие результаты.

Таким образом, одним из методов получения высокоактивной извести с необходимыми временем и температурой гашения является сжигание угольной пыли в шахтных и вращающихся печах. В шахтных газифицированных печах это достигается установкой в зоне обжига в качестве периферийных горелок выносных топочных горелок, работающих на пылеугольном топливе длиннопламенных углей. В газифицированной вращающейся печи это можно выполнить установкой в разгрузочной головке печи наряду с газовой горелкой пы-леугольной горелки с подачей в нее топлива в количестве 15—20% общего его расхода на обжиг.

Таким образом, обжиг карбонатного сырья с содержанием глинистых примесей менее 3% в интервале 1200—1250оС сопровождается ростом кристаллов СаО до размеров 2—3 мкм и частичной их рекристаллизацией с образованием кристаллитов СаО размером 4—6 мкм, имеющих удельную поверхность 1,5—0,2 м/г, обладающих временем гашения 4—5 мин при температуре 70— 75оС (среднереакционная известь). Повышение температуры газового потока до 1350—1400оС позволяет получить умеренно реакционную известь без пережога активностью 85—90%, временем гашения 8—9 мин и температурой гашения 85—90оС. Недостатками такого режима производства извести являются повышенный удельный расход топлива и необходимость применения дорогого огнеупорного кирпича.

Зарубежный опыт отопления шахтной печи угольной пылью показывает возможность получения умеренно реакционной извести с высоким содержанием СаО и умеренными временем и температурой гашения. В нашей стране в настоящее время отсутствует опыт сжигания угольной пыли в шахтных и вращающихся печах, что требует проведения экспериментальных работ в этом направлении.

Список литературы

1. Монастырев А.В. Требования потребителей к свойствам извести для ячеистого бетона и технологические приемы по их обеспечению // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 36—37.

2. Монастырев А.В., Александров А.В. Печи для производства извести, Справочник. М.: Металлургия, 1979. 233 с.

3. Пирингер Х., Вернер В. Модернизация одношахтных печей большого диаметра на сжигание буроугольной пыли успешно завершена // Цемент. Известь. Гипс. 2009. № 1. С. 34—39.

научно-технический и производственный журнал ^  сентябрь 2011 ТТ