ОБОРУДОВАНИЕ ЦЕМЕНТНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В технологии производства цемента в последние годы получили развитие новые тенденции, сущность которых — в увеличении мощностей, снижении эксплуатационных расходов (например, путем уменьшения расхода тепла и электроэнергии), снижении затрат на техобслуживание и текущий ремонт, повышении уровня автоматизации и в значительной мере в учете влияния цементного производства на окружающую среду.

Производители цемента и изготовители оборудования для цементной промышленности сталкиваются с необходимостью производства высококачественного цемента с наименьшими производственными затратами и при соблюдении все более ужесточающегося законодательства в области охраны окружающей среды. Решить эту сложную проблему можно путем установки новейших производственных линий, модернизации заводов, замены оборудования или введения новых его элементов.

На многих цементных заводах по-прежнему применяется мокрый способ производства. Сырьевые материалы перемешиваются и перерабатываются до образования шлама, а затем подаются во вращающуюся печь. Однако почти все новые заводы рассчитаны на сухой способ производства, при котором сырьевые материалы перемешиваются и перерабатываются в сухой порошок (сырьевую муку) и подаются во вращающуюся печь, оборудованную циклонным теплообменником с декарбонизатором.

Дальнейшие разработки привели к улучшению контроля качества выпускаемой продукции. Они касались полной автоматизации лабораторных анализов с использованием роботов и размещением оборудования для анализов непосредственно в технологической цепочке. Разработка более быстродействующих и более «умных» контрольных систем также является ключевым фактором, обеспечивающим надежность цементного производства при постоянном высоком качестве продукции.

Традиционными материалами для производства цемента являются известняк, глина, сланцы, латерит, песок, пирит и гипс. В качестве топлива обычно используются уголь, мазут и природный газ. Однако наблюдается тенденция широкой замены их на любые горючие материалы из отходов.

Глина, песок и железная руда могут быть заменены на золу-унос и горючий сланец. В качестве альтернативы природному гипсу может выступать искусственный гипс. При помоле цемента для увеличения выпуска продукции можно использовать такие вяжущие добавки, как пуццолан, зола-унос и шлак.

Такая замена выгодна, так как уменьшает количество сырья на тонну произведенного цемента. Обычно стоимость добавки ниже стоимости производства клинкера. При этом можно ожидать уменьшения потребления энергии благодаря более легкой разма- лываемости добавок (за исключением шлака).

С разработкой нового оборудования для обжига, т.е. новых горелок и декарбонизаторов, стало возможным заменить (частично или полностью) традиционные виды топлива на менее дорогостоящие альтернативные виды (или на материалы, содержащие горючие вещества). Типичными альтернативными видами топлива являются нефтяной кокс (обычно с высоким содержанием серы), автомобильные шины (целые или измельченные), растворители, отработанные масла, бумага, пластмасса и другие жидкие и твердые вредные отходы. Сжигание этих видов топлива приведет к значительной экономии. В новом тысячелетии все большее число заводов будет частично или полностью заменять традиционные виды топлива на альтернативные. Можно рассчитывать на то, что тогда расходы на топливо будут нулевыми или даже использование такого топлива будет приносить доход. Благодаря высоким температурам и длительности времени обжига цементная печь, без сомнения, является идеальной установкой для сжигания и уничтожения отходов.

Рассмотрим тенденции развития современных технологий производства цемента [69].

Для дробления и измельчения сырья имеется различное оборудование. Его выбор зависит от типа мельницы (шаровая, вальцовая), характеристик материалов (абразивность, налипаемость и твердость) и производительности.

Чаще всего используются молотковые или ударные дробилки. Они очень мощные и обеспечивают высокую степень измельчения. Конусные и щековые дробилки отлично справляются с высокоабразивными материалами. Для очень вязких материалов оптимальным выбором, возможно, являются валковые дробилки различных типов. Компания «F.LSmidth» (Дания) разработала одноступенчатую молотковую дробилку для мельниц типа EV. Она может дробить камни размером от 2 до 25 мм при пропускной способности более 1200 т/ч. При размерах материала 80—125 мм (а такой размер приемлем для подачи в вертикальные валковые мельницы) мощность может возрасти до 2000 т/ч.

Для создания хороших условий для обжига во вращающейся печи готовится гомогенная сырьевая мука определенной тонины. Сохраняется тенденция использования для помола вертикальной валковой мельницы, оснащенной высокоэффективными динамическими классификаторами. У вертикальной валковой мельницы имеются следующие преимущества перед шаровыми мельницами:

• • компактная конструкция (помол, сушка и сортировка проделываются одной машиной);
• • экономия электроэнергии (обычно около 5 кВт • ч/т сырьевой муки или 8 кВт • ч/т цемента, т.е. примерно 75% расхода соответствующей системы с шаровой мельницей);
• • более мощная сушка (допускается влажность подаваемого материала более 20%; как правило, шаровые мельницы не рассчитаны на влажность более 6—7%);
• • высокая производительность (значительно больше, чем 500 т/ч);
• • меньшее предварительное дробление материала (допускаются размеры загружаемого материала до 85—120 мм).

Ранее шаровая мельница считалась очень надежной, но новые конструкционные разработки в области валковых мельниц позволили создать такую технику, которая также весьма надежно обеспечивает непрерывную эксплуатацию. Однако для высокоабразивных материалов, по-видимому, наиболее целесообразными по-прежнему являются шаровые мельницы.

Принципы работы вертикальной валковой мельницы FLS — ЛТОХ(Дания) (рис. 10.1) таковы: сырьевые материалы поступают в мельницу через вращающуюся воздушную заслонку и соскальзывают вниз на вращающийся помольный стол. Благодаря вращению стола материалы попадают под вальцы, которые под воздействием пневмогидравлической системы прижимаются к материалу. У кромок стола размолотый материал перетекает через ограничительное кольцо, контролирующее толщину слоя, и подхватывается горячими печными газами, поступающими из-под помольного стола через кольцевое сопло. От контакта с горячими газами материал высыхает. Более крупные частицы возвращаются назад на помольный стол, а более мелкие фракции уносятся к центробежному сепаратору мельницы. Отброшенные от сепаратора частицы возвращаются для дальнейшей обработки на помольный стол и собираются в циклонах и фильтре.

За прошедшие годы предприняты значительные усилия для сокращения капитальных затрат и издержек производства.

Рис. 10.1. Вертикальная валковая мельница FLS АТОХ

Благодаря работе мельницы и вращающейся печи в режиме единого агрегата, а также отказу от больших емкостей для создания запасов сырьевой муки удалось уменьшить капитальные затраты, а благодаря применению избирательных сепараторов во внешних по отношению к мельнице контурах перемещения материалов — сократить расход электроэнергии. С начала 1980-х гг. вертикальные валковые мельницы применяются в цементной промышленности также для совместного или раздельного помола цементных клинкеров и цементных добавок. Вертикальные валковые мельницы хорошо зарекомендовали себя в цементной промышленности [70]. Доля использования этих машин в технологических процессах помола сырьевой муки в прошлые годы составляла около 80%. Самыми важными причинами большого распространения этих мельниц являются комбинированное проведение нескольких технологических операций в пределах одной машины, низкий расход электроэнергии и использование больших количеств технологических отходящих газов с низкими температурами. Широко распространенное много лет назад мнение, что вертикальные валковые мельницы благодаря их конструкции и режиму эксплуатации подходят только для высокоиндустриальных регионов, уже давно пересмотрено.

За последние годы в цементной промышленности были значительно снижены капитальные затраты и издержки производства. Чтобы сократить капитальные затраты, сегодня вращающиеся печи и мельницы для подготовки сырья можно эксплуатировать в режиме единого потока, т.е. без создания значительных запасов сырьевой муки, и сооружать установки для помола лишь с незначительными строительно-техническими затратами или совсем без них. Расход электроэнергии дополнительно уменьшен благодаря избирательным сепараторам и применению внешней по отношению к мельнице циркуляции материалов. На рис. 10.2 представлен разрез современной вертикальной валковой мельницы с высокопроизводительным сепаратором.

Рис. 10.2. Вертикальная валковая мельница с высокопроизводительным сепаратором

Как указывалось выше, эффективность шаровых мельниц довольно низкая. В то же время они успешно эксплуатируются, просты в обслуживании и всегда в наличии.

В последнее время оптимизации и модернизации помольных циклов шаровых мельниц уделяется большое внимание. Для этого был разработан высокопроизводительный сепаратор QDK с интегрированной системой охлаждения цемента (рис. 10.3) [71].

Рис. 10.3. Конструкция сепаратора ODK

Сепаратор работает следующим образом. Загружаемый материал поступает в него через две входные трубы. Сепаратор имеет большую дисперсионную зону, в которой загруженный материал или агломераты распределяются равномерно. Процесс сепарации

происходит в зоне сепарации, в которой установлена вращающаяся корзина. Скорость ее вращения может регулироваться. Сепара- ционный воздух подается через вентилятор и тангенциальными лопастями направляется в зону сепарации.

Благодаря регулируемой скорости вращения корзины достигается оптимальный результат сепарации фракций любой характеристики.

Конечный продукт выносится сепарационным воздухом и направляется на очистительное устройство или на циклон. Установив рукавный фильтр, можно менять весь объем воздуха, находящегося в сепараторе. Цемент охлаждается потоком свежего воздуха, подаваемого извне. В результате температура цемента значительно уменьшается и можно отказаться от дополнительных охлаждающих установок.

Высокопроизводительные сепараторы обеспечивают более точное фракционное распределение готового продукта, а случае помола цемента — повышение количества частиц в гранулометрическом классе от 3—30 мкм (р). Повышение эффективности работы установки составляет 10—25%.

За последние 5—10 лет вся система тепловой обработки претерпела значительные изменения. Особенно значительный прогресс отмечен в таких областях, как охлаждение клинкера, конструкции горелок, элементы вращающихся печей и технология с применением декарбонизатора и теплообменника.

Печь сухого способа производства оборудуется четырех-, пятнили шестиступенчатым теплообменником циклонного типа, который функционирует как ступенчатый противоточный теплообменник. Выбор числа ступеней обычно соответствует требованиям сушки на установках по помолу сырья и угля. Применяются циклоны типа LP (низкого давления), что гарантирует минимальное потребление энергии вытяжным дымососом. Обычно число ступеней теплообменника не превышает 6 по той причине, что выигрыш в расходе тепла (5—10 ккал/кг) не покроет дополнительный расход электроэнергии и капитальные затраты на установку циклона.

Декарбонизатор может устанавливаться отдельно от линии или встраиваться в нее. Здесь происходит окончательная декарбонизация сырьевой муки. В декарбонизаторе обычно расходуется 55—60% от общего количества топлива.

FLS поставляет два типа декарбонизаторов: встроенный (ILC) и устанавливаемый отдельно от линии (SLC-D) с нисходящим по

током, который позволяет сжигать такие малолетучие виды топлива, как нефтяной кокс, антрацит и др. (рис. 10.4). Такой декарбонизатор оснащен горелкой, аналогичной основной печной горелке. Декарбонизатор имеет форму циклона, а горелка расположена в центре крыши. Конструкция позволяет добиться высоких температур в середине декарбониза- тора (в пламени), что повышает скорость горения.

Рис. 10.4.

Декарбонизатор SLC D

Предварительно разогретая и декар- бонизированная сырьевая мука подается во вращающуюся печь при температуре около 900 °С. Затем мука транспортируется, агломерируется и разогревается до температуры, необходимой для клинкерообразования, которое происходит во вращающейся печи; последняя в XXI в. будет иметь две опоры (рис. 10.5) [69]. Соотношение l/d (длина/диаметр) находится в пределах 12—14. Частота вращения печи возросла, и сегодня разработана конструкция печи, рассчитанная на частоту вращения около 5 об/мин.

Рис. 10.5. Двухопорная вращающаяся печь

Для улучшения конструкции печи с двумя опорами внедрены следующие новые разработки:

• саморегулирующиеся опоры, которые обеспечивают полный контакт между роликами и бандажами;

• • тангенциальная подвеска бандажей вместо традиционной плавающей, что увеличивает срок службы кирпичной футеровки;
• • пластинчатые уплотнители на впуске и выпуске из печи для уменьшения забора ложного воздуха;
• • фрикционный привод, электромеханический или гидравлический, через вальцы.

Произошли изменения и в конструкции печной горелки. Горелка должна давать очень четкое и яркое пламя. Форма и момент импульса пламени должны регулироваться, чтобы обеспечить полное сгорание топлива и получить качественный клинкер без повреждения кирпичной футеровки печи.

Рис.10.6. Горелки: а — традиционная; б — Duoflex

Для этой цели компания F.L. Smidth разработала горелку Duoflex (Дания) (рис. 10.6) [69] с двумя каналами. Такая горелка каждый раз изготовляется по индивидуальному заказу, чтобы учесть все местные условия: вид топлива, размер головки печи и т.д. Ее особенностью является то, что любое топливо, в том числе и из отходов, впрыскивается в середину.

Первичный воздух, который состоит из вихревого и осевого потоков, поступает в концентрическую трубу, окружающую трубку (или трубки) впрыскивания топлива. Такой подход обеспечивает оптимальный состав горючей смеси и управление пламенем, причем в сочетании с правильным охлаждением и, следовательно, защитой трубы горелки. В результате срок службы горелки увеличивается. Вентилятор высокого давления обеспечивает регулировку импульса первичного воздуха.

Таким образом, в цементной промышленности наблюдается тенденция сооружения крупных установок большой мощности. Это заставило поставщиков усовершенствовать технологический процесс производства цемента и разработать новое технологическое оборудование, которое соответствует требованиям, предъявляемым к производительности, надежности и долговечности этого оборудования, а также к защите окружающей среды.