Раздел 2. Описание технологических процессов, используемых в настоящее время при производстве извести

Раздел 2 Описание технологических процессов, используемых в настоящее время при производстве извести

2.1 Общее описание процесса подготовки сырья и топлива

2.1.1 Общее описание процесса подготовки сырья и топлива

Для производства извести используются осадочные карбонатные горные породы, состоящие из углекислого кальция, углекислого магния и различных примесей. К ним относятся в основном известняки, мел, доломиты.

Известняк - осадочная горная порода, состоящая из кальцита, может содержать примеси обломочного, глинистого материала. Твердость по шкале Мооса - 3, средняя плотность - 2,57 т/м ³, пористость - 6-15 %, в основном белого цвета, но может быть серого, зеленоватого, розоватого, желтого, коричневого и черного цвета. Цвет зависит от примесей, содержащихся в породе.

Мел - белая, маркая, сцементированная осадочная порода, состоящая преимущественно из кальцитовых остатков морских планктонных водорослей. Средняя плотность - 1,5-1,6 т/м ³, влажность - 15-35 %, пористость - до 40 %.

Доломит - минерал с химической формулой CaMg(CO ₃) ₂, белого, серого, зеленоватого или красноватого цвета, удельный вес 2,86 т/м ³, твердость - 4. В чистом доломите 30,4 % CaO, 21,86 % MgO и 47,75 % CO ₂[20].

Физико-механические свойства пород отражаются на выборе оборудования, технологии производства извести и на показателях готовой продукции. К ним относятся показатели прочности на сжатие, пористость, влажность, удельный и объемные веса, коэффициент разрыхления [48].

В зависимости от химического состава пород определяются области применения произведенной из них извести. Известняки, мел, доломиты, предназначенные для производства строительной и технологической извести, исследуются на содержание CaCO ₃, MgCO ₃, CO ₂, SiO ₂, Al ₂O ₃, Fe ₂O ₃, нерастворимый в HCl осадок, тяжелые металлы, радиоактивные изотопы. Карбонатные породы для металлургической извести должны иметь показатели по содержанию Na ₂O, K ₂O, SO ₃, P ₂O ₅, Cl, F.

Карбонатные породы образовались в основном из останков живых организмов, обитавших миллионы лет назад в морской воде. Скопления скелетов, раковин, панцирей, в состав которых входил углекислый кальций, образовали известняковый ил, который под действием огромного давления столба воды и вышележащих пластов уплотнялся. Чем больше времени прошло с момента образования таких скоплений, тем более плотным является известняк.

Некоторая часть карбонатной породы образовалась химическим путем при переходе растворенной в воде двууглекислой соли кальция в нерастворимую углекислую (химические известняки).

Российская Федерация обладает большими запасами карбонатного сырья. Месторождение карбонатного сырья имеет промышленное значение в том случае, если его запасы достаточны для длительной эксплуатации (свыше 25 лет). Запасы сырья в месторождении определяют бурением скважин на всю глубину месторождения. Скважины распределяют в шахматном порядке на всем участке, где предполагается наличие сырья, на расстоянии 100 м одна от другой. Одновременно с бурением отбирают пробы породы для определения ее химического состава.

После промера толщины пустой породы и полезного слоя в каждой скважине определяют их среднюю величину по месторождению. Запасы сырья подсчитывают умножением площади разведанной части месторождения в квадратных метрах на толщину полезного слоя (мощность пласта) в метрах.

Большинство разрабатываемых месторождений карбонатного сырья относится к залежам, выходящим на поверхность земли или находящимся под небольшим слоем пустых пород. Разработка таких месторождений ведется открытым способом, т.е. полезную породу разрабатывают в карьере после сноса вышележащих пустых пород (вскрыши).

Системой разработки называется определенный порядок выборки полезного ископаемого из месторождения. Открытые работы обычно ведутся горизонтальными слоями, уступами. После подготовительных работ по устройству карьера, называемых вскрытием карьера, проводятся вскрышные работы, обнажающие залежи сырья на расчетный период работы. Вскрышные работы ведутся в один уступ. Выемка полезного ископаемого ведется экскаватором в один или несколько уступов в зависимости от мощности пласта.

Пластом называется масса полезного ископаемого, ограниченная двумя более или менее параллельными плоскостями, имеющая значительные размеры по длине и ширине. Пласты редко бывают горизонтальными и чаще всего имеют наклон (угол падения) в пределах 45°. Толщина пород называется мощностью или глубиной залегания пласта.

К вскрышным работам относятся снятие вскрыши с пласта и транспортирование пустой породы за пределы карьера или засыпка ею уже выработанного пространства карьера.

Первой операцией при разработке месторождений карбонатной породы является бурение шпуров, представляющих собой цилиндрические скважины для закладки зарядов взрывчатого вещества. Заряды при взрыве отделяют куски породы от массива, подготавливая горную массу для дробильно-сортировочных фабрик.

Буровзрывные работы занимают важное место в добыче сырьевых материалов. Эффективность буровзрывных работ зависит от типа применяемых для бурения скважин механизмов, системы закладки скважин и качества применяемых взрывчатых веществ. Для известняковых карьеров необходимо применять вращательные и ударные способы бурения. В карьерах рекомендуется применять эффективные бризантные (дробящие) взрывчатые вещества в сочетании с электродетонаторами паспортизованного замедления. На некоторых карьерах применяют безвзрывные методы рыхления известняков и доломитов: механическое разрушение с использованием фрезерного комбайна; механическая разборка гидравлическим экскаватором с комплектом навесного оборудования; механическое рыхление с использованием рыхлительно-бульдозерного агрегата. При выборе метода учитывают прочность и слоистость пород, а также фракционный состав получаемой массы [21].

Рисунок 2.1 - Обобщенная схема подготовки карбонатных пород для производства извести

В процессе производства извести в качестве топлива используют уголь, кокс, мазут, природный газ, коксовый газ. Выбор вида топлива зависит от доступности, экономической целесообразности и технологических требований к продуктам обжига. Например, на сахарных заводах применяется твердое топливо, так как имеются требования к дымовым газам по содержанию CO ₂ для дальнейшего их использования в технологии. В настоящее время на российских известковых заводах наиболее распространенный вид топлива - природный газ [14].

2.1.2 Хранение сырья и топлива

Складское хозяйство предприятия, изготовляющего известь, состоит из открытых или закрытых площадок, емкостей и хранилищ. Промежуточные (складские) емкости позволяют предприятию накапливать в них запас сырьевых материалов, топлива и продукции для бесперебойной работы основного технологического оборудования [12].

Различают склады, служащие для хранения сырья, топлива и готовой продукции.

Склады заводов часто получают сырье и топливо по железной дороге. Транспортируется оно обычно в саморазгружающихся полувагонах грузоподъемностью до 70 т.

При доставке сырья автомобильным транспортом склад обычно представляет собой открытую бетонированную площадку с эстакадой, на которую заезжают самосвалы.

Сырье поступает на склад во фракционированном или нефракционированном виде. В первом случае оно распределяется со склада по приемным бункерам печей, во втором - его вначале отправляют в приемные бункера дробильно-сортировочной установки, а после дробления и рассева ленточными транспортерами распределяют по приемным бункерам обжиговых печей.

Каменный уголь хранят в штабелях. В зависимости от склонности к самовозгоранию ископаемые угли делятся на две категории: А - опасные (бурые и каменные длиннопламенные) и Б - устойчивые (антрацит, тощие каменные угли). Угли категории А хранят в штабелях высотой до 3 м, если срок хранения не превышает двух месяцев. При большем сроке высота штабеля не должна превышать 2-2,5 м. Высота штабеля при хранении антрацита не ограничивается.

Склады твердого топлива оборудуют противопожарным инвентарем, обеспечивают водопроводом и ящиками с песком.

Уголь доставляют со склада к бункерам дробильно-сортировочной линии или приемным бункерам печей (при фракционированном угле) чаще всего передвижными или стационарными ленточными транспортерами - конвейерами. Иногда используются скреперные установки и опрокидные вагонетки узкой колеи.

Мазут хранят в резервуарах, отдаленных от других помещений на 200-300 м. Резервуары оснащаются змеевиками, по которым пропускают пар, подогревающий мазут для снижения его вязкости. Мазут подается к обжиговым печам по обогреваемому паром трубопроводу при помощи шестеренчатого насоса.

2.1.3 Контроль качества сырья и топлива

Качество исходных материалов (сырья и топлива) контролируют при их поступлении на склад, периодически при хранении на складе и раз в смену на технологической линии перед поступлением в обжиговый агрегат.

Качество карбонатной породы на складе контролируют как по документации поставщика, так и непосредственным анализом проб, взятых из прибывшей партии сырья или различных мест штабеля.

Для определения физико-химических свойств сырья необходимо отобрать среднюю пробу. Карбонатную породу для средней пробы отбирают из каждой партии в размере 20 кг равными порциями не менее чем из 20 мест.

Перед определением влажности и химического состава карбонатного сырья отобранную пробу подвергают сокращению квартованием. Среднюю пробу в количестве до 1 кг, отобранную методом квартования, помещают в эксикатор и направляют в лабораторию для исследования.

Для определения влажности карбонатную породу из средней пробы измельчают до полного прохождения через сито с отверстиями 3 мм и квартованием отбирают 20-40 г. Навеску взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г в предварительно просушенной и взвешенной фарфоровой чашке. Далее чашку с навеской материала помещают в сушильный шкаф, где выдерживают до постоянного веса при температуре 105-110 °C. Высушенную навеску охлаждают в эксикаторе и взвешивают.

Потери при прокаливании (П.П.П.) карбонатной породы контролируют для косвенного определения содержания в сырье углекислого кальция и магния. П.П.П. химически чистого CaCO ₃ составляют 44 %, в доломитизированных известняках П.П.П. несколько выше, а П.П.П. известняков, засоренных примесями, ниже 44 %. При величине П.П.П. ниже 40 % карбонатное сырье не рекомендуется применять для производства воздушной извести.

Далее определяют содержание в средней пробе CaO, MgO, SiO ₂, полуторных окислов (R ₂O ₃ = Al ₂O ₃ + Fe ₂O ₃), CaSO ₄, S, P, Cl.

Если контрольная проверка качества сырья показывает неудовлетворительные результаты, то производят повторную проверку, отбирая двойное количество проб. При отрицательных результатах повторной проверки партия карбонатной породы не принимается предприятием и не пускается в производство.

Гранулометрический состав карбонатного сырья периодически, 1 раз в смену, проверяют на технологической линии перед его подачей в скип или питатель печи.

Все данные соответствующих анализов заносят в журнал по контролю сырья.

Твердое топливо контролируют особенно тщательно, так как его качество существенно колеблется в процессе добычи и поставки потребителю. Поставщик обязан выслать предприятию удостоверение о качестве отгруженного топлива, в котором указываются марка и группа угля, выход летучих веществ, зольность, размер кусков, содержание влаги, теплотворность топлива.

От каждой поступающей на предприятие партии твердого топлива берется средняя проба, которая подвергается анализу с определением влажности, зольности, сортности и теплотворности топлива.

Влажность топлива определяют таким же способом, как и влажность сырья.

Зольность топлива определяют следующим образом. 5-10 г из средней пробы помещают в тигель и прокаливают при постепенном повышении температуры до полного сгорания органической части.

Сортность твердого топлива устанавливают рассевом средней пробы топлива на грохоте или контрольных ситах с размерами отверстий, соответствующими гранулометрическому составу топлива по технологической карте.

Влажность и зольность твердого топлива, идущего в производство извести, определяют один раз в сутки, а сортность (гранулометрический состав) - один раз в смену.

Кроме того, необходимо периодически контролировать правильность хранения твердого топлива в штабелях.

Жидкое топливо контролируют как по паспорту поставщика, так и отбором проб от полученной партии. В паспорте поставщика указываются марка мазута, содержание серы и теплотворность.

Среднюю пробу отбирают в чистый металлический сосуд во время слива мазута в хранилище из напорной части мазутопровода между расходным баком и печью. На каждые 10 т для пробы берут 1 л. Для получения лабораторной пробы первичную пробу при температуре не выше 25 °C сильно взбалтывают в течение 5-10 мин и затем быстро отливают из нее 1 л в чистую сухую бутылку с пробкой. Теплотворность мазута определяют, как и для твердого топлива.

Качество мазута, идущего в производство, контролируют 2-4 раза в месяц.

Газообразное топливо принимают по паспортным данным поставщика.

Все данные по качеству топлива заносят в специальный журнал по контролю топлива.

2.1.4 Дробление и помол

Измельчением называется процесс превращения крупных кусков материала в мелкие под действием внешних сил. Процесс измельчения характеризуется степенью (коэффициентом) измельчения, величина которой показывает, во сколько раз уменьшился средний размер кусков материала после измельчения по отношению к их первоначальному среднему размеру.

При грубом измельчении (дроблении) коэффициент измельчения составляет 3-20, при тонком (помоле) - достигает 500-1000. Машины, служащие для грубого измельчения, получили название дробилок, а тонкого - мельниц.

Процесс дробления условно делят на три стадии: крупное дробление - с измельчением кусков материала от 1500-1000 мм до 300-200 мм, среднее дробление - от 300-200 мм до 80-20 мм и мелкое дробление - от 80-20 мм до 10-3,0 мм.

Процесс помола соответственно делится на грубый помол - измельчение материала до размера части 0,3-0,1 мм, тонкий помол - до размера 0,1-0,001 мм и сверхтонкий, когда размер частиц в материале ниже 0,001 мм.

Различают четыре способа воздействия на материал при измельчении: раздавливание, раскалывание, истирание и удар. Способ измельчения выбирают, учитывая свойства материала: для твердых эффективными являются удар и раскалывание, для вязких - истирание, для хрупких - раскалывание.

Дробление и помол являются основными технологическими стадиями при производстве извести и известняковой муки. Дроблению подвергают карбонатное сырье и твердое топливо перед загрузкой в печной агрегат и перед помолом в мельницах. Известь подвергают как дроблению, так и дальнейшему измельчению в мельницах.

Дробилки, применяемые в известковом производстве, по конструкции и принципу действия разделяют на следующие типы:

- щековые, в которых раздавливание и частичное истирание материала происходит между неподвижной и подвижной щеками;

- конусные, раздавливание и истирание материала в которых происходит между неподвижным наружным и вращающимся внутренним конусами;

- валковые, в которых материал измельчается раздавливанием и частичным истиранием между вращающимися навстречу валками;

- ударного действия, в которых материал измельчается вследствие ударов по кускам быстро вращающихся молотков, кусков друг о друга, о плиты брони и колосники.

Мельницы подразделяются на следующие типы:

- быстроходные ударного действия, аналогичные с молотковыми дробилками;

- тихоходные, измельчающие при вращении материал по принципу удара и частичного истирания свободно падающими мелющими телами (шарами, цилиндрами, стержнями).

Щековые дробилки применяют для крупной и средней стадии дробления.

Конусные дробилки - более сложные агрегаты, в связи с чем реже применяются в известковом производстве. Их преимуществом являются высокая производительность, непрерывность процесса измельчения, постоянство размера продуктов дробления.

Валковые дробилки применяют в основном для измельчения мягких материалов (мел, уголь) небольших размеров (до 150 мм). По количеству валков дробилки разделяют на одновалковые, двухвалковые и многовалковые.

Дробилки ударного действия широко применяются для дробления угля, мела, извести и известняка средней твердости. Дробилки этого типа просты по конструкции, компактны, имеют небольшой вес, большую производительность и высокую степень измельчения.

Шахтные и аэробильные мельницы являются видоизмененными молотковыми дробилками, отличающимися от последних тем, что отбор готового продукта производится воздушным потоком. Шахтные и аэробильные мельницы применяются для измельчения карбонатной породы, каменного угля, комовой извести и других малоабразивных материалов. В этих мельницах совмещаются два процесса: помол и подсушка измельченного материала. В шахтных мельницах используются горячие газы с температурой 300-600 °C.

Шаровые мельницы широко применяются для тонкого измельчения (размола) извести и карбонатной породы. Основным элементом шаровой мельницы является цилиндрический или конический барабан, бронированный изнутри плитами. Цилиндрические мельницы выпускают различной длины, одно-, двух- и многокамерными. Многокамерные мельницы называются трубными.

В известковом производстве применяют цилиндрические мельницы непрерывного действия. В мельницах непрерывного действия материал непрерывно загружается через переднюю центральную торцовую пустотелую цапфу, а продукт непрерывно выгружается через заднюю цапфу.

По способу помола различаются шаровые мельницы сухого и мокрого помола. В известковом производстве применяют мельницы сухого помола.

Шаровые мельницы работают как по замкнутому циклу с сепаратором, так и по открытому циклу. По замкнутому циклу работают короткие однокамерные мельницы. Двухкамерные и многокамерные шаровые мельницы дают более тонкий и однородный помол извести (карбонатной породы). Работают они без сепараторов, их производительность выше однокамерных.

2.1.5 Сортировка

На многих участках известкового производства материал сортируют по размеру кусков. Наиболее широкое применение нашел механический способ сортировки, или грохочение. Грохочение применяют перед дроблением, а также в промежутке между первичной или вторичной стадиями дробления.

Грохочение выполняется грохотами - сортировочными машинами, снабженными поверхностями грохочения. В качестве просеивающих поверхностей применяют колосниковые решетки, листовые решета, штампованные сита, проволочные сита, резиновые, капроновые и полиуретановые сетки.

Количество получаемых при грохочении фракций материала определяется числом применяемых сит, а размер кусков каждой фракции - размером отверстий соответствующих сит.

Эффективность сортировки материала грохотами оценивается коэффициентом качества грохочения, равного отношению количества кусков (частиц) материала, размер которых несколько меньше размера отверстий в сите, к фактическому количеству кусков этого класса в исходном материале. Коэффициент качества грохочения зависит от размера отверстий сита в свету и их формы, угла наклона грохота, скорости продвижения по нему материала, влажности материала, количества глинистых примесей и т.п.

Воздушная сепарация применяется для отделения готового продукта от общего потока. Способ основан на выделении частиц материала определенного размера под действием силы тяжести из вертикального или горизонтального потока, или под влиянием центробежной силы из криволинейного потока. Аппараты, в которых осуществляется этот способ, называются воздушными сепараторами. Работа сепараторов характеризуется коэффициентом полезного действия, представляющего отношение количества готового продукта к общему количеству пыли, поступившей в сепаратор.

Магнитный способ применяется в магнитных сепараторах для выделения из материала металлических предметов перед его поступлением в дробильно-размольные или транспортные машины и механизмы.

Гидравлический способ может применяться при промывке засоренного глиной и песком карбонатной породы на карьере или перед подачей в обжиговые печи.

Грохоты подразделяют на инерционные наклонные, самобалансные, гирационные. В зависимости от насыпного веса применяемого материала они подразделяются на три типа: легкого - насыпной вес материала до 1000 кг/м ³, среднего - до 1600 кг/м ³ и тяжелого - до 2500 кг/м ³.

Инерционные наклонные грохоты выпускают двух типов: тяжелые колосниковые грохоты и средние.

Тяжелые колосниковые грохоты применяют на дробильно-сортировочных фабриках для предварительного грохочения материала перед подачей его в дробилку первичного дробления.

Средние инерционные грохоты предназначены для разделения крупнокускового материала на фракции. Инерционные грохоты характеризуются круговыми колебаниями сит, вызываемыми эксцентриситетом (смещением) проводного вала. Отсюда грохоты этого типа называют также эксцентриковыми.

Воздушные сепараторы (классификаторы) подразделяются на два основных типа: воздушно-проходные и механические. В воздушно-проходных классификаторах воздушный поток создается вентилятором, расположенным вне сепаратора. В механических сепараторах внутри аппарата установлен вентилятор, который создает в нем замкнутый поток воздуха.

2.1.6 Транспортировка и дозирование

В известковом производстве для транспортирования и дозирования известняка, мела, извести и каменного угля применяют машины непрерывного и периодического транспорта. Машины непрерывного транспорта предназначены для перемещения порошкообразных, сыпучих, кусковых материалов и штучных грузов непрерывным потоком на сравнительно большие расстояния (до 2 км) по определенной траектории. Машины периодического транспорта предназначены для перемещения материалов определенными порциями на коротком участке пути и называются дозаторами или питателями.

К машинам непрерывного транспорта относятся: ленточные, пластинчатые, ковшовые, винтовые конвейеры и пневмовинтовые насосы.

Ленточные конвейеры применяют для непрерывного перемещения крупно- и мелкокускового известняка, мела и каменного угля.

Пластинчатые конвейеры применяются для перемещения горячей комовой извести от выгрузочных устройств печей до приемных воронок дробилок или бункеров. Пластинчатые конвейеры позволяют подавать материал под большим углом, чем ленточные.

Ковшовые конвейеры (элеваторы) предназначены для перемещения мелкокусковых и порошкообразных материалов под большим углом к горизонту или вертикально. Тяговым органом элеватора служит бесконечная лента или цепь с жестко закрепленными на ней ковшами.

Винтовые конвейеры (шнеки) предназначены для транспортирования сухих мелкозернистых и пылевидных материалов (известь, известняковая мука, пыль).

Пневмовинтовые насосы применяют в системах пневмотранспорта нагнетательного типа для перемещения молотой извести и известняковой муки.

Ленточные питатели применяют при подаче мелкого материала. Пластинчатые питатели применяют для питания дробилок первичного дробления крупными и тяжелыми материалами. Лотковые (качающиеся) питатели применяют для транспортирования как крупного, так и мелкого материала.

Ящичный питатель используется для дозирования сырья низкой механической прочности (мел, рыхлый известняк и т.д.). Дисковые (тарельчатые) питатели широко применяют для подачи мелкокусковых и зернистых материалов (карбонатная порода, известь, уголь) в дробильно-размольные машины, во вращающиеся печи и сушильные барабаны.

Скиповые подъемники применяют для доставки материалов в загрузочные воронки шахтных печей. Камерный насос представляет собой цилиндрическую камеру, в которую из бункера периодически загружается материал. Преимуществами камерных насосов являются отсутствие вращающихся механизмов, простота и надежность эксплуатации и возможность транспортирования крупнозернистых материалов (до 12 мм).

Электровибрационные питатели применяют для подачи сыпучих материалов с размером кусков до 150 мм.

2.1.7 Очистка воздуха и газов от пыли

Пыль образуется при эксплуатации основного технологического оборудования: обжиговых печей, дробилок, грохотов, мельниц; при работе технологического транспорта: транспортеров, шнеков, питателей; при погрузочно-разгрузочных работах и т.п. Пылеобразование является неотъемлемой частью процесса производства извести, поэтому оснащение его пылеулавливающим оборудованием должно быть обязательным во всех случаях.

Методы очистки воздуха (аспирация) или дымовых газов от пыли разделяются на следующие виды:

- механическая очистка, при которой осаждение частиц происходит под действием силы тяжести, инерционных или центробежных сил. Механическая очистка осуществляется при помощи пылевых камер и аппаратов - циклонов;

- фильтрование, т.е. пропускание газов через пористые перегородки. Фильтрование осуществляется при помощи тканевых (рукавных) фильтров;

- электрическая очистка, при которой осаждение взвешенных в газовом потоке частиц происходит под воздействием электромагнитного поля высокого напряжения; электрическая очистка осуществляется в электрических фильтрах;

- мокрая чистка, при которой запыленный поток пропускают через слой жидкости или орошают потоком жидкости, осуществляется в скрубберах и пенных аппаратах.

Пылеосадительные камеры широко применяются для механического осаждения крупных фракций пыли (от 0,2 до 2 мм) при ее выносе отходящими газами вращающихся печей и сушильных барабанов [22], [23].

Циклоны применяются для более эффективной механической очистки газового потока с размером частиц пыли 0,003-0,1 мм.

Рукавные фильтры используются для более полного осаждения тонкодисперсной пыли. Степень пылеосаждения рукавных фильтров составляет 90-98 %.

Электрофильтры изготовляют двух видов: трубчатые и пластинчатые.

Трубчатый электрофильтр состоит из группы установленных вертикально труб, в центре которых на изоляторах подвешены коронирующие электроды. Механизм пылеосаждения в электрофильтре состоит в следующем. Частицы пыли, попав в область короны, получают отрицательный заряд и притягиваются положительным электродом, которым служит стальная круглая или многогранная труба. Притянутые положительным электродом частицы оседают на нем, в связи с чем трубы называются осадительными электродами.

Пыль удаляют периодическим встряхиванием осадительных электродов при помощи специального механизма. Осажденная пыль накапливается в бункере, откуда она периодически удаляется. В трубчатом электрофильтре газы пропускаются внутри труб снизу вверх.

Пластинчатый электрофильтр представляет собой герметичную камеру, в которой на равном расстоянии друг от друга установлены металлические пластины с натянутыми между ними проводами, служащими коронирующими электродами. Таких групп пластин (полей) установлено четыре, поэтому электрофильтр называется четырехпольным. Высокое напряжение поступает на электроды от аппаратуры, установленной в помещении.

Отходящие из печи запыленные газы по трубопроводу поступают в камеру электрофильтра. Газы, двигаясь вдоль пластин горизонтально, пересекают магнитное поле. Частицы пыли, получая от коронирующих электродов отрицательный заряд, оседают на пластинах, имеющих положительный потенциал.

Пластины с помощью специального механизма периодически встряхиваются, и осевшая на них пыль ссыпается в расположенные под пластинами бункера. Пыль из бункеров периодически выгружается шнековыми транспортерами в промежуточный бункер, куда поступает также пыль, осевшая в пылеосадительной камере печи. Печные газы просасываются через электрофильтр дымососом.

Преимущества очистки газов при помощи электрофильтров состоят в том, что при этом достигается высокая степень очистки газов (94-99 %).

Центробежные скрубберы и пенные аппараты очищают газы следующим образом. В цилиндрический корпус скруббера запыленный газ поступает тангенциально и, получив вращение, движется снизу вверх. Частицы пыли в закрученном потоке отбрасываются центробежными силами к стенке аппарата. Стенки корпуса орошаются водой, поступающей в скруббер через сопла, расположенные в верхней части цилиндра. Смоченные водой частицы пыли удаляются вместе с ней через коническое днище скруббера.

В пенных аппаратах запыленный газ проходит через камеру, в которой непрерывно взбивается пена. В центробежных скрубберах и пенных аппаратах степень очистки газов от тонкодисперсной пыли достигает 99 %.

Аспирационные установки используют для двух- и трехступенчатых систем аспирации воздуха. Двухступенчатые применяются для аспирации оборудования дробильно-сортировочного отделения и состоят из циклона и рукавного фильтра или из циклона и мокрого пылеуловителя. Трехступенчатая очистка используется для аспирации шаровых мельниц и состоят из вертикальной шахты, циклона и рукавного фильтра [46].

2.2 Общие сведения об обжиге карбонатных пород

Выбор способа производства извести, типа обжиговой печи осуществляется на основании технико-экономической оценки всех факторов, влияющих на себестоимость и качество извести, с учетом характеристик применяемого сырья, вида технологического топлива и эффективности их использования, а также с учетом факторов, влияющих на чистоту окружающей среды. Обобщенная технологическая схема производства извести приведена на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 - Обобщенная технологическая схема производства извести

В процессе обжига чистых карбонатных пород происходит термическая диссоциация карбонатов кальция (CaCO ₃) и магния (MgCO ₃) с поглощением тепла по уравнениям:

CaCO ₃ + 178 кДж/моль = CaO + CO ₂

MgCO 3 + 130 кДж/моль = MgO + CO ₂

Величина теплового эффекта соответствует температуре 25 °С. Для температуры 900 °C тепловой эффект определяется законом Кирхгофа и составляет для CaCO ₃ 164,19 кДж/моль. Теоретическая потеря веса за счет выделения CO ₂ при полном термическом разложении составляет 44 %, для доломита потери больше, так как карбонат магния теряет 52,2 % своего веса [14].

Оксид кальция CaO, образующийся в процессе обжига, взаимодействует и с глинистыми примесями, содержащимися в породе и золе твердого топлива, образуя CaSO ₄, 2 CaOAl ₂O ₃, 3 CaOAl ₂O ₃, CaOFe ₂O ₃, 2 CaOFe ₂O ₃, 2 CaOSiO ₂. Эти соединения называются клинкерными, CaO в этих соединениях не активен.

Скорость разложения карбонатов в обжиговой печи зависит от следующих параметров:

- температуры и времени обжига;

- размера и плотности кусков породы;

- теплопроводности и микроструктуры сырья;

- коэффициента теплоотдачи от газов к материалу;

- от упругости диссоциации PCO ₂.

Температура разложения CaCO ₃ по справочным данным 898 °C. Полное разложение CaCO ₃ происходит при температурах выше 900 °C. Разложение MgCO ₃ начинается при температурах 480 °C, полное разложение начинается с 750 °C. Так как у CaCO ₃ и MgCO ₃ температуры разложения различны, то MgO может пережигаться прежде, чем при более высокой температуре образуется CaO, изменять плотность и реакционную способность негашеной извести. Существует оптимальная температура обжига и скорость нагрева для каждой карбонатной породы, которые определяются практическими исследованиями.

Скорость реакции разложения карбонатов кальция и магния растет с уменьшением давления газа CO ₂, однако колебания концентрации CO ₂ в печных газах (25-40 %) не оказывают существенного влияния на ведение обжига.

Разложение CaCO ₃ в куске и основное количество тепла диссоциации (разложения) сосредоточено на некоторой границе (поверхности), величина и положение которой непрерывно меняются. Граница между наружным обожженным слоем и внутренним необожженным называется зоной диссоциации. Эта граница хорошо видна на изломе куска извести с недожогом.

При повышении температуры обжига выше 800 °C скорость разложения карбонатной породы резко возрастает. Так, если скорость продвижения зоны диссоциации при температуре 950 °C принять за единицу, то при температуре 1050 °C она увеличится в 1,8 раза, а при 1150 °C - в 4 раза. Отсюда следует, что температура обжига является основным фактором в увеличении производительности печи. Физико-механические свойства пород отражаются на выборе оборудования и технологии производства извести, на показателях готовой продукции.

По мере того как кусок карбонатной породы обжигается, увеличивается толщина слоя извести на его поверхности. Вследствие высокой пористости коэффициент теплопроводности CaO в 3 раза ниже, чем карбонатной породы, что уменьшает подвод тепла к границе диссоциации. Таким образом, время полного разложения куска карбонатной породы зависит не только от температуры обжига, но и от его линейного размера.

На время разложения оказывает влияние форма кусков карбонатной породы. Время полного разложения куска карбонатной породы неправильной округлой формы в 1,5-2 раза меньше времени обжига равного ему по объему куска в виде плиты.

Продолжительность полного разложения кусков карбонатной породы различного размера при данной температуре пропорциональна квадрату линейного размера куска. Поэтому для получения равномерно (одинаково) обожженной извести необходимо, чтобы исходное сырье имело близкие по размеру куски. Для обжига в шахтных печах пригодны породы с прочностью не менее 10 МПа, с одинаковым размером кусков от 40 мм до 120 мм. Для обжига во вращающихся печах подходят размеры кусков 10-20 мм, 20-40 мм, 20-50 мм. Многие сахарные заводы в Российской Федерации получают известь в шахтных пересыпных печах с активностью выше 91-92 %, используя известняки с прочностью более 30 Мпа, размером кусков 50-150 мм и содержанием CaCO ₃  93 % [12], [13].

Степень диссоциации карбонатов определяется содержанием в готовой извести неразложившегося известняка (недожог/непогасившиеся зерна). Их процентное содержание определяет сорт готового продукта. Реакционная способность извести характеризуется химической активностью CaO + MgO с водой в обычных условиях. Основными показателями при этом являются время и температура гашения.

2.3 Типы известеобжигательных печей

Выбор типа известеобжиговой печи зависит от физико-химических свойств, фракционного состава карбонатных пород, доступности топлива.

2.3.1 Шахтные печи

Наиболее широкое распространение в России получили шахтные печи. Это обусловлено простотой их конструкции и эксплуатации, относительно низкими капитальными затратами на строительство, высокой тепловой эффективностью.

Шахтная печь представляет собой установленную вертикально на фундаменте шахту, снабженную в верхней части устройством для загрузки исходных материалов, а в нижней - механизмом для выгрузки продукции [25].

Движущийся в шахте сверху материал проходит последовательно три технологические зоны: зону подогрева, зону обжига и зону охлаждения. В зоне подогрева происходит нагревание сырьевых материалов от температуры окружающей среды до 900 °C за счет тепла движущихся из зоны обжига газообразных продуктов. В зоне обжига происходит горение топлива и разложение горной породы на известь и углекислый газ при температуре 1000-1200 °C. В зоне охлаждения температура извести снижается движущимся снизу вверх холодным воздухом до 80-100 °C.

По применяемому при обжиге топливу принято различать шахтные печи пересыпные, работающие на твердом кусковом топливе в пересыпку с обжигаемым материалом, газифицированные, работающие на газообразном топливе, работающие на жидком топливе (мазуте) [25].

Пересыпными называют печи, в которых слой обжигаемого материала пересыпан слоями твердого короткопламенного топлива.

Шахтными печами на газообразном топливе называют печи, оборудованные устройствами для ввода и распределения в шахте природного, искусственного или смешанного газа.

Шахтными печами на жидком топливе называют печи, оборудованные устройствами для ввода, распыления и газификации мазута.

2.3.1.1 Шахтные пересыпные печи

В пересыпных печах, работающих на короткопламенном твердом топливе, производится более 30 % всей выпускаемой в РФ и странах CHГ извести. В пересыпной печи образуется минимальный объем газообразных продуктов обжига на единицу продукции, благодаря чему концентрация CO ₂ в сухих отходящих газах достигает 40-42 % (по объему) и его утилизация становится экономически целесообразной.

Пересыпные печи, работающие на твердом топливе, в среднем имеют производительность от 30 до 200 т в сутки. Печи отличаются значительной рабочей высотой шахты в пределах 18-19 м и достаточной теплоизоляцией корпуса, что обеспечивает более высокую экономичность процесса обжига.

Общий вид одной из шахтных пересыпных печей этого типа производительностью 100 т извести в сутки показан на рисунке 2.3. Зоны обжига и подогрева имеют цилиндрическую форму с круглым сечением, которое в зоне охлаждения, постепенно уменьшаясь, переходит в квадратное.

В корпусе шахты печи предусмотрено по высоте три лаза (люка), необходимых для загрузки печи материалами в период ее подготовки к пуску и во время ремонта. В верхней части шахты имеются отверстия для установки датчиков уровня материалов в шахте и отверстия для установки термопар, датчиков разрежения и заборных устройств для анализа газа. В зоне обжига шахты предусмотрено два ряда отверстий-гляделок для контроля режима обжига. Имеются также отверстия для установки термопар и датчиков давления (разрежения).

Загрузка сырья и топлива в печь производится при помощи скипового подъемника и автоматического весового дозатора. Из печей производительностью 50 и 100 т/сут газы отсасываются с двух сторон шахты через патрубки, из печи производительностью 200 т/сут - через металлический короб, сообщающийся с шахтой нижней своей частью. Короб находится постоянно под слоем карбонатной породы, что значительно снижает подсос холодного воздуха в печь через загрузочное устройство. На печах предусмотрена очистка отходящих газов от пыли при помощи циклонов. Известь выгружается выгрузочной решеткой с возвратно-поступательным движением. Привод решетки - гидравлический. Герметизация нижней части печей осуществляется барабанным затвором, у 200-тонной печи - при помощи трехшлюзового затвора. Воздух под решетку нагнетается дутьевым вентилятором.

1 - выгрузочный механизм; 2 - футеровка; 3 - слой кладки из легковесного кирпича; 4 - слой теплоизоляционной засыпки; 5 - отверстия для установки датчиков уровнемера шихты; 6 - патрубки для отсоса газов; 7 - загрузочное устройство; 8 - скиповой подъемник; 9 - вспомогательные люки (лазы); 10 - гляделки; 11 - барабанный затвор; 12 - фундаментная плита

Рисунок 2.3 - Шахтная пересыпная печь производительностью 100 т извести в сутки

Показатели шахтных пересыпных печей представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Показатели шахтных пересыпных печей [25]

Показатели	Производительность, т/сут
	30	50	100	200
Высота печи, м:
рабочая	18,0	18,2	18,0	19,0
строительная	27,2	27,2	27,8	34,6
Внутренний диаметр шахты, м	2,0	2,5	3,2	4,3
Полезный объем шахты, м 3	56,2	89,0	143,0	265,0
Съем извести в сутки:
с 1 м 2 поперечного сечения, т/м 2 сут	9,55	10,2	12,5	13,8
с 1 м 3 полезного объема, т/м 3 сут	0,53	0,56	0,7	0,75
Расход условного топлива, кг/т	134	133	133	133

Для того чтобы при обжиге карбонатной породы получить известь заданных свойств и качества, необходимо обеспечить в печи определенный тепловой и аэродинамический режим.

Выделение необходимого для разложения карбонатной породы количества тепла происходит при горении твердого топлива. Шихта известеобжигательных печей содержит 6,5-10,5 % топлива. Процесс горения разбавленного слоя топлива происходит в несколько стадий. Вначале из топлива выделяется влага, затем летучие вещества, позднее образовавшийся твердый остаток сгорает в присутствии кислорода воздуха.

Пиролиз каменного угля начинается при низких температурах. При температуре до 500 °C из антрацита выделяется водород, метан и летучая сера. Летучие вещества выделяются в интервале 500-700 °C, т.е. в зоне подготовки топлива, где кислорода недостаточно для их полного сжигания. Ввиду высокой теплотворности метана и водорода потери тепла (химический недожог) для антрацита достигает 8,5 % от его теплотворности. Меньше всего летучих содержится в коксе, поэтому химический недожог для кокса не превышает 2 % его теплотворности.

При горении углерода топлива помимо CO ₂ образуется значительное количество окиси углерода CO. Этому процессу способствует соприкосновение CO ₂ с раскаленной поверхностью углерода топлива (твердого остатка). Такие условия создаются при неравномерном распределении топлива в слое шихты и завышенной дозировке топлива.

Разбавление слоя топлива инертным материалом способствует дожиганию окиси углерода. Однако процесс сжигания CO никогда не происходит полностью и ухудшается с увеличением содержания в шихте мелочи, которая забивает промежутки между кусками и тем самым препятствует перемешиванию газов.

Содержание CO в отходящих газах увеличивается также при послойной загрузке сырья и топлива. Следовательно, окись углерода является одним из первичных продуктов горения твердого топлива независимо от количества подводимого воздуха и даже при хорошей организации процесса содержится в отходящих газах в количестве 1-2 %.

По мере выгорания топлива его размеры непрерывно уменьшаются и поэтому часть из них, проваливаясь между кусками извести, попадает на выгрузочный механизм, составляя потери тепла от механического недожога топлива. Потери от механического недожога минимальны при соотношении кусков материала и топлива 1:1.

Основным параметром процесса является температура обжига. Ввиду сложности непосредственного измерения температуры материала по поперечному сечению шахты, она контролируется обжигальщиком визуально через гляделки, расположенные в зоне обжига.

На температуру материала влияют многочисленные факторы, основными из которых являются:

- соотношение "топливо-сырье";

- гранулометрический состав и качество топлива и сырья;

- соотношение "топливо-воздух" и скорость выгрузки извести.

Воздействуя на перечисленные факторы, обжигальщик поддерживает в печи необходимую температуру обжига и обеспечивает выпуск извести заданного качества.

Топливо подается в шихту на современных печах автоматическим дозатором. Первоначальный вес топлива устанавливают на основании проектных данных печи и калорийности применяемого топлива. Если на склад поступает антрацит худшего качества (выше зольность и влажность и ниже теплотворность), то необходимо сделать перерасчет установки дозатора, так как для поддержания в печи необходимой температуры придется израсходовать большее количество топлива.

Состав топлива и карбонатной породы оказывает большое влияние на температуру обжига в печи и на полноту горения топлива, т.е. на его удельный расход. Наилучшим считается такое соотношение размеров топлива и карбонатной породы, когда применяются идентичные фракции. Однако такой гранулометрический состав шихты обеспечить трудно. Удовлетворительные результаты получаются, если размер кусков антрацита не более, чем вдвое, меньше кусков карбонатной породы.

Применение для обжига в шахтных пересыпных печах каменных углей с размером кусков меньше 25 мм сопровождается перерасходом топлива на 1 т выпускаемой извести, снижением производительности печи и ухудшением качества извести (появление пережога и уменьшение содержания CaO).

Отрицательное влияние на процесс обжига оказывает неодинаковый гранулометрический состав карбонатной породы. Удовлетворительные результаты получены при обжиге фракций, размеры мелких кусков в которых не более чем в 1,5-2 раза меньше крупных. Наличие в карбонатной породе свыше 10 % мелочи вызывает неравномерное распределение воздуха по сечению шахты и поэтому неравномерное и неполное выгорание топлива. Следствием этого является образование в зоне обжига отдельных участков повышенных и низких температур, что сопровождается недожогом и пережогом извести [6].

2.3.1.2 Шахтные газифицированные печи

Применение газообразного топлива в шахтных печах повышает культуру производства и степень его механизации, позволяет вырабатывать известь без пережога.

Таблица 2.2 - Проектные показатели шахтных печей, работающих на газообразном топливе [25]

Показатели	Единица измерений	Производительность, т/сут
		50	100	200
Высота печи:
рабочая	м	18,2	18,0	19,0
строительная	м	27,2	27,8	34,6
Внутренний диаметр шахты в зоне обжига	м	2,5	3,2	3,74
Полезные объемы шахты	м 3	89	143	258
Плоскостной съем извести	т/м 2 сут	10,2	12,5	14,7
Объемный съем извести	т/м 3 сут	0,56	0,70	0,80
Расход условного топлива	кг/т извести	156	156	155

Газифицированная шахтная печь изображена на рисунке 2.4.

1 - выгрузочная решетка; 2 - периферийные горелки нижнего яруса; 3 - отверстия для установки отбора давления и термопар; 4 - две балочные горелки верхнего яруса; 5 - гляделка; 6 - предохранительный взрывной клапан; 7 - двухклапанное загрузочное устройство; 8 - скиповой подъемник; 9 - отверстия датчиков уровнемера шахты; 10 - короб отсоса дымовых газов; 11 - две балочные горелки нижнего яруса; 12 - трехшлюзовой затвор; 13 - периферийные горелки верхнего яруса

Рисунок 2.4 - Газифицированная шахтная печь

Шахта печи в зоне обжига имеет форму квадрата размером 3,74  3,74 м со скругленными углами. В нижней части зоны подогрева квадратное сечение, постепенно расширяясь кверху, переходит на круглое диаметром 4,3 м и затем в верхней части на диаметр 4,9 м. В зоне охлаждения квадратное сечение сужается до размера 2,6  2,6 м на уровне выгрузочной решетки. Рабочая высота шахты 19 м.

Шахта в зоне обжига выложена из шамотного легковесного кирпича и имеет минимальную толщину слоя (по углам квадрата) 230 мм и максимальную (по осям квадрата) - 500 мм. Кладка футерована внутри слоем многошамотного кирпича длиной 345 мм или хромомагнезитовым кирпичом. Зоны подогрева и охлаждения футерованы кирпичом.

Между стальным кожухом печи (толщиной 10 мм) и кладкой уложен слой теплоизоляционной засыпки (трепела) толщиной 65 мм.

В кладке шахты предусмотрены гляделки, отверстия для установки приборов.

Газообразное топливо вводится в один или несколько ярусов через периферийные и центральные балочные горелки. В нижний ярус газ подается через периферийные диффузионные горелки и в центральную область шахты при помощи балочных многосопловых горелок.

Балочные горелки расположены в ярусе параллельно друг другу на расстоянии 900 мм. По высоте шахты они смещены одна относительно другой на 600-700 мм, что необходимо для предотвращения подвисания материала на балках. В верхнем ярусе газ вводится в центральную область печи при помощи двух балочных горелок, расположенных в направлении, перпендикулярном к нижним горелкам, и по периферии - через шесть диффузионных горелок.

Одновременно с топливом через балочные горелки вводится первичный воздух. Вторичный воздух подается в зону охлаждения печи через гребень выгрузочного механизма дутьевым вентилятором. Таким образом, данная система ввода и распределения газообразного топлива создает благоприятные условия для полного его сжигания в слое кускового материала.

Печь снабжена загрузочно-распределительным устройством, состоящим из скипового подъемника с ковшом, вращающейся чаши и двухклапанного затвора, нижний распределительный конус которого - спиралеобразный с отбойной пластиной. Карбонатная порода загружается в скип автоматическим весовым дозатором.

Выгрузочная решетка с возвратно-поступательным движением и гидравлическим приводом обеспечивает равномерную выгрузку извести по всему поперечному сечению шахты. Герметизация печи осуществляется трехшлюзовым затвором.

Печные газы отсасываются через выходной коллектор дымососом. Перед выбросом в атмосферу они проходят очистку от пыли в группе циклонов. В верхней части шахты предусмотрено два предохранительных взрывных клапана.

Необходимый уровень материала в печи поддерживается автоматически при помощи датчика уровня, установленного в отверстиях шахты и посылающего управляющий сигнал электродвигателю скиповой лебедки [25].

Для того чтобы газообразное топливо полностью сгорело, необходимо обеспечить хорошее перемешивание его с достаточным количеством воздуха и минимальную температуру для воспламенения. В зависимости от типа системы ввода природного газа в шахтную печь и конструкции горелочных устройств эти условия удовлетворяются разными способами.

Периферийная диффузионная горелка, широко применяемая в шахтных печах, представляет собой отрезок трубы диаметром 25-40 мм с соплом на конце, вставленный в прямоугольное отверстие в футеровке шахты (см. рисунок 2.5).

1 - слой известняка в шахте; 2 - сопло горелки; 3 - футеровка шахты; 4 - горелка

Рисунок 2.5 - Установка периферийной диффузионной горелки

Газ под давлением 100-1000 мм вод. ст. вылетает из сопла со скоростью 25-100 м/сек в слой карбонатной породы. Так как межкусковое пространство не имеет прямых каналов, то энергия струи газа быстро падает от столкновения с кусками сырья и глубина проникновения струи в слой материала невелика (0,5-0,8 м от места ввода). Газ и воздух, двигаясь в межкусковом пространстве шихты, перемешиваются относительно медленно, и полное сгорание топлива происходит на пути 2,5-3 м от места ввода (горелки).

При наличии в шихте значительного количества мелочи условия смешения газа и воздуха ухудшаются и часть газа не успевает выгореть в зоне обжига. Попадая в зону с температурой ниже 700 °C (зона подогрева), газ даже при образовании газовоздушной смеси не сгорает и выбрасывается дымососом в атмосферу.

Периферийные диффузионные горелки самостоятельно применяются лишь в шахтных печах щелевидного или эллипсного сечения с размером одной из сторон не более 1,6 м. При этом необходимо использовать сырье с отношением размера мелких кусков к крупным не более 1:1,6.

Для ввода газообразного топлива в центральную часть шахты широко применяют диффузионные горелки в виде охлаждаемых балок (см. рисунок 2.6).

Вода поступает в балочную горелку через патрубок с температурой 10-40 °C, а выходит через патрубок с температурой до 100 °C.

Газ и первичный воздух выходят через сопло и патрубки в подбалочное пространство, где они смешиваются и газ частично сгорает. Основная же масса выходящего из горелки газа перемешивается со вторичным воздухом, двигаясь в межкусковом пространстве шахты, ввиду чего процесс выгорания газа растягивается по высоте шахты на 2,5-3 м.

1 и 7 - патрубки выхода и входа охлаждающего масла; 2 - горелка; 3 - сопло; 4 - патрубок; 5 - стальная балка; 6 - труба для ввода воздуха

Рисунок 2.6 - Балочная многосопловая горелка

Балочная горелка позволяет пропустить 400-600 м ³/ч природного газа при давлении 0,2-0,5 кГ/см ² и 1000-1500 м ³/ч воздуха при потере напора 40 мм вод. ст. Для ее охлаждения требуется от 2 до 5 м ³/ч воды. Потери тепла с охлаждающей водой достигают 10 % от общего расхода тепла на единицу продукции.

Центральная (подовая) газовая горелка (см. рисунок 2.7) состоит из стального пирамидального корпуса, в который по отдельным трубопроводам подается природный газ (в камеру 4) и рециркуляционный газ (в камеру 5). Природный и рециркуляционный газы выходят через щели под пирамидальный козырек и перемешиваются под ним, после чего образованная смесь выходит в зону охлаждения шахтной печи.

Смесь газов, поднимаясь в зоне охлаждения печи вверх, смешивается с движущимся по шахте печи воздухом, образуя топливную смесь. Топливная смесь (природный газ, рециркуляционный газ и воздух), достигнув низа зоны обжига (температура 900 °C и выше), воспламеняется и сгорает в пределах зоны обжига.

1 и 3 - трубы ввода рециркуляционного и природного газов; 2 - щели; 4 - камера газа; 5 - камера рециркулята; 6 - стальной козырек; 7 - корпус горелки

Рисунок 2.7 - Центральная (подовая) горелка

Карбонатную породу обжигают в три стадии, последовательно протекающие в зонах подогрева, обжига и охлаждения печи.

Зона подогрева газовых печей составляет около 35 % рабочей высоты шахты, что позволяет снизить температуру отходящих газов до 250 °C (без учета подсосов холодного воздуха) и подогреть карбонатную породу в конце зоны до температуры 500 °C. Выходящие из зоны подогрева печные газы при рациональном режиме содержат 16-22 % углекислого газа (CO ₂) и 3-4 % кислорода (O ₂).

Зона обжига занимает примерно 40 % рабочей высоты шахты. В зоне обжига происходит сжигание природного газа и диссоциация карбонатной породы. Среднюю температуру газов в зоне обжига поддерживают 1100-1200 °C. Равномерность распределения температуры газового потока по поперечному сечению шахты в зоне обжига зависит от равномерности распределения газа и воздуха по сечению шахты и условий их перемешивания. В результате неблагоприятных условий смешивания газа и воздуха в слое коэффициент избытка воздуха поддерживают в пределах  = 1,2-1,3 [25].

Зона охлаждения занимает четвертую часть полезной высоты шахты и служит для охлаждения извести до 80-120 °C перед ее поступлением на выгрузочный механизм.

2.3.1.3 Шахтные печи, работающие на жидком топливе

Рассматриваемая шахтная печь производительностью 30 т/сут (см. рисунок 2.8). предназначена для работы на многосернистом топливе, теплотворностью QPH = 9000 ккал/кг. Шахта печи в зоне обжига имеет квадратное сечение в поперечнике размером 2  2 м, которое в зоне охлаждения плавно переходит на размеры 1,6  1,6 м (на уровне выгрузочной решетки). Зона подогрева печи имеет круглое сечение диаметром 2 м и в своей нижней части плавно переходит на квадратное. Рабочая высота шахты - 19,2 м, средняя площадь поперечного сечения в зонах обжига и подогрева - 3,57 м ².

Кладка шахты выполнена из красного кирпича с максимальной толщиной 380 мм. Футеровка выложена многошамотным кирпичом. Теплоизоляционная засыпка трепелом между стальным кожухом и кладкой составляет толщину 62 мм. Гляделки, расположенные в два яруса, предназначены для контроля процесса обжига.

Мазут сжигают в печи при помощи шести ротационных форсунок, из которых две вводят мазут в пространство под охлаждаемой балкой (центральная подача мазута), а четыре остальные с противоположных сторон шахты периферийно.

Форсунка подает распыленный мазут в форкамеру, где он газифицируется и воспламеняется. Образовавшиеся продукты газификации поступают либо в подбалочное пространство, где, перемешиваясь с воздухом, сгорают, либо периферийно в слой материала, где, смешиваясь с движущимся по шахте воздухом, сгорают в межкусковом пространстве. К форсункам мазут подается насосом при давлении до 25 кГ/см ².

Первичный воздух (для газификации мазута) и вторичный вводят в форсунки и под выгрузочную решетку от вентилятора. Дымовые газы через отверстие удаляются из печи дымососом и перед выбросом в атмосферу проходят очистку в группе циклонов диаметром 800 мм. В верхней части установлен предохранительный взрывной клапан.

Карбонатная порода загружается в печь скиповым подъемником с ковшом емкостью 0,5 м ³. Герметизация печи и распределение шихты по сечению осуществляется двухклапанным затвором. Карбонатная порода подается в печь автоматически по сигналу указателя уровня загрузки печи, установленного в отверстиях шахты [25].

Известь выгружается платформой с возвратно-поступательным движением. Герметизация низа печи и выдачи извести на транспортер осуществляется барабанным затвором.

Жидкое топливо (мазут различных марок) удается эффективно сжигать в шахтных известеобжигательных печах только при условии его предварительной газификации в камерах или топках. На рисунке 2.9 изображена топка (форкамера), представляющая собой футерованную огнеупорным кирпичом выносную камеру, сообщающуюся с шахтой печи в зоне обжига.

1 - выгрузочная решетка; 2 - форкамеры; 3 - мазутные форсунки; 4 - охлаждаемая балка; 5 - гляделки; 6 - отверстия датчиков уровнемера шахты; 7 - скиповой подъемник; 8 - загрузочное устройство; 9 - предохранительный взрывной клапан; 10 - отверстие для отсоса газов; 11 - барабанный затвор

Рисунок 2.8 - Шахтная печь на жидком топливе производительностью 30 т/сут

В торцовой части форкамеры расположена форсунка, через которую в форкамеру подается распыленный мазут и воздух для его газификации.

Для нормального протекания процесса газификации на 1 кг мазута необходимо ввести в камеру 3 м ³ воздуха. Скорость воздуха на входе в форкамеру - 30-40 м/сек. Стенка камеры разогревается до температуры 850-900 °C, что способствует стабильному процессу горения.

Продукты газификации под давлением 300-400 мм вод. ст. поступают в подбалочное пространство или слой обжигаемой карбонатной породы. Теплотворность продуктов газификации - 2200 ккал/м ³.

Сжигание продуктов газификации в шахте печи происходит в основном таким же образом, как и в шахтной газовой печи, оснащенной периферийными и балочными горелками.

1 - форкамера; 2 - мазутная форсунка

Рисунок 2.9 - Топка для газификации мазута при его сжигании в шахтной печи

При рациональной организации сжигания жидкого топлива 40 % от общего расхода мазута на обжиг подают в нижний ярус и 60 % - в верхний. Воздух в количестве 20 % от необходимого для сжигания топлива вводится в форкамеру и используется для газификации мазута (первичный воздух), остальные 80 % вводятся дутьевым вентилятором под решетку выгрузочного механизма (вторичный воздух).

На температуру в зоне обжига оказывают влияние количество и теплотворность поступающих продуктов газификации мазута, фракционный и химический состав карбонатной породы, соотношение "топливо-воздух" и скорость выгрузки извести.

Количество поступающих в печь продуктов газификации мазута обжигальщик регулирует, изменяя количество подаваемого в форсунки мазута.

Теплотворность продуктов газификации мазута зависит от качества распыления и соотношения "мазут-воздух" в форкамере. Для обеспечения хорошего распыления мазута механической форсункой давление мазута должно быть около 20 кГ/см ², а температура не ниже 60 °C. Соотношение "мазут-воздух" настолько сильно отражается на теплотворности продуктов газификации, что должно поддерживаться регулирующим устройством.

Чем больше воздуха поступает на газификацию 1 кг мазута, тем ниже теплотворность его продуктов. При хорошей организации процесса газификации продукты имеют следующий химический состав (в об. %): CO ₂ - 4,8; O ₂ - 0; CO - 13,6; H ₂ - 8,5; CH ₄ - 3,2; C _nH _m - 1,2; N ₂ - 68,5. Теплотворность их равна приблизительно 2200 ккал/м ³. Температуру продуктов газификации на выходе из форкамеры поддерживают в пределах 900-1000 °C.

Соотношение "топливо-воздух" в зоне обжига при сжигании мазута поддерживают в пределах  = 1,2-1,3.

2.3.1.4 Регенеративные печи

Характерной особенностью регенеративной печи с параллельным потоком материала, является наличие двух соединенных переходным каналом цилиндрических шахт. Чаще всего печи имеют проектную мощность 100-600 т/сутки.

Двухшахтная прямоточно противоточная регенеративная (ППР) печь (см. рис. 2.10) состоит из заполненных известняком шахт А и Б, соединенных на уровне 1/3 их высоты переходным каналом 4. В зоне подогрева известняка расположены диффузионные горелки 5, равномерно расположенные по поперечному сечению шахты. Горелка представляет собой трубу в трубе, в межтрубное пространство которой подается воздуходувкой 1 под давлением 20...25 кПа холодный первичный воздух. Горелка снабжена наконечником длиной 300 мм, выполненным из жаропрочной стали. Длина кожуха - 3 м, горелки - около 4 м, срок службы - 1 год, демонтаж горелки длится 8 часов. В каждой шахте размещено по 9...12 горелок. Воздух для охлаждения извести непрерывно нагнетается воздуходувкой 1 под давлением 15 кПа в зоны охлаждения обеих шахт. Расход воздуха на охлаждение извести до температуры 50...90 °C устанавливается вне зависимости от необходимого для полного сгорания топлива (в горелки воздух поступает с коэффициентом избытка  = 1,1) [25].

Печь работает циклически. Взвешенное количество известняка поступает в загрузочный бункер 1 и через клапаны 8 заполняет шахты А и Б. Известняк движется сверху вниз и обжигается одновременно в двух шахтах. При подаче топлива в горелки шахты А клапан 6 открыт, и воздух поступает в шахту А вместе с топливом, где, нагреваясь от известняка, смешивается в межкусковом пространстве с природным газом, который двигается в параллельном токе с материалом. Горение природного газа с разогретым до 800°С воздухом происходит без его химического недожога при  = 1,1 и сопровождается образованием продуктов горения при температуре 1450...1500 °C, которая быстро снижается до 1250 °C...1300 °C из-за интенсивного потребления тепла реакцией декарбонизации CaCO ₃ подогретого до 850 °C известняка. Необходимо выдерживать точное соотношение расходов воздуха и топлива, вводимых в зону горения топлива, чтобы зона максимальных температур в шахте находилась в зоне неразложившегося известняка, так как температура материала при этом не поднимается выше 1000 °C...1050 °C и пережога извести (CaO) не происходит. Опускаясь, известняк все больше превращается в мелкокристаллический оксид CaO и CO ₂, температура извести в конце зоны обжига не превышает 1100 °C, а печные газы, отдавая тепло материалу, снижают свою температуру к концу зоны обжига до 1150 °C...1200 °C.

1 - вентилятор с вращающимися поршнями, 2 - вентилятор, 3 - механизм выгрузки, 4 - переходной канал, 5 - диффузионные горелки, 6 - клапан, 7 - загрузочный бункер, 8 - шиберы, 9 - дутьевой конус, 10 - воздухопровод, 11 - бункер извести, 12 - конвейер, 13 - питатель электровибрационный

Рис. 2.10 - Пример двухшахтной печи ППР

Известь в нижней части шахты А охлаждается воздухом до 50°С...90°С на выходе из печи, а воздух нагревается от движущейся с ним в противотоке извести, смешивается с печными газами, выходящими из зоны обжига, и по перетоку 4 поступают в шахту Б. Температура печных газов в перетоке поддерживается регулятором не выше 1200 °C. В шахте Б отходящие печные газы отдают тепло в противотоке с опускающимся материалом, охлаждаясь до температуры 80 °C...100 °C. При этом происходит обжиг известняка, но с меньшей скоростью из-за невысоких температур. Шахты работают циклически в двух режимах: прямотока и противотока продолжительностью по 12...15 мин. Поэтому через 12...15 мин. клапан 5 шахты А закрывает поступление воздуха в горелки с одновременным прекращением в них топлива. Примерно через 80 с (время переключения клапанов) клапан 5 шахты Б открывает подачу воздуха в горелки шахты Б, отключив отбор печных газов на дымосос. Одновременно прекращается подача топлива в горелки шахты Б. Наступает новый цикл работы печи, при котором газы, топливо и материал в шахте Б движутся в прямотоке, а отходящие печные газы и материал в шахте А - в противотоке.

Положительными сторонами печи ППР является ряд процессов, в числе которых высокотемпературный подогрев воздуха (до 800 °C), идущего на сжигание топлива, в зоне подогрева печи. При этом регенеративной насадкой служит известняк. Такое техническое решение подогрева воздуха намного эффективнее, чем применение теплообменника для утилизации тепла отходящих из печи газов или отбор нагретого до 550-600 °C воздуха из зоны охлаждения печи и его транспортирование к выносным топочным горелкам зоны обжига. Кроме того, в печи ППР происходит максимально полная регенерация физического тепла извести и отходящих печных газов, благодаря чему термический КПД печи достигает 85 %, расход топлива 3720 кДж/кг извести при остаточной CO ₂ в извести менее 1,5-2 %. Низкая температура отходящих из печи газов позволяет использовать для их обеспыливания рукавные фильтры. К положительным сторонам печей ППР относятся обжиг известняка мелких фракций (30-60 мм), эффективная работа на мазуте и даже на смеси мазута с угольной пылью (40 %).

К отрицательным сторонам печей ППР относятся высокая стоимость, работа при условии полной автоматизации всех процессов и операций, повышенный расход электроэнергии. Печи характеризуются возможностью регулирования производительности, при пониженной производительности снижается их тепловая эффективность. Особенностью печей является пониженная стойкость футеровки, которая в зоне обжига и в соединительном канале составляет 4-8 лет [27].

Для печи требуется чистый камень, идеальное соотношение камня по гранулометрии (не выше 2:1), минимальный размер камня 30 мм. Модифицированные печи могут работать с мелким (10-30 мм) чистым известняком. В таблице 2.3 приведены технические характеристики регенеративных печей с параллельным потоком материала.

Таблица 2.3 - Технические характеристики регенеративных печей с параллельным потоком материала

Подача топлива	Через топливные трубки в слой камня
Суточная мощность, т/сут	100-600
Расход тепла, ГДж/т извести	3,6-4,2
Расход электроэнергии, кВтч/т извести	20-41
Гранулометрия известняка, мм	10-200
Вид топлива	Газ, жидкое, измельченное твердое, горючие отходы и биомасса
Воздух для горения	90 % подается сверху и 10 % через топливные трубы
Выгрузка извести	Вращающаяся эксцентричная пластина
Важные особенности	Очень важно обеспечить высокое качество футеровочных работ
Преимущества	Гибкая производительность. Высокая активность извести в зависимости от свойств известняка. Отличное распределение топлива вследствие того, что каждая топливная трубка взаимодействует с небольшим поперечным сечением. Низкий расход топлива и электроэнергии
Недостатки	Ограниченная гибкость процесса пуска/остановки. Не подходит камень с высокой склонностью к растрескиванию. Ограниченная возможность умеренного и мягкого обжига. Используемый огнеупорный материал самый дорогой по сравнению с другими типами печей

2.3.1.5 Шахтная кольцевая печь

Основной особенностью печей этого типа является наличие центрального цилиндра, который ограничивает ширину кольцевого пространства и обеспечивает хорошее распределение тепла [27].

Шахта кольцевой печи (рис. 2.11) состоит из наружного 20 и внутреннего 19 полых стальных футерованных огнеупорным кирпичом цилиндров. Внутренний цилиндр охлаждается воздухом. Загрузочное устройство печи - кюбельное. Выгрузка извести производится при помощи вращающегося диска 2 (улиты). Камеры 4 и 17 для сжигания газообразного или жидкого топлива расположены в два яруса по высоте шахты в шахматном порядке и соединены мостами 18 с наружным и внутренним цилиндрами. В каждом ярусе установлено по пять камерных горелок. Печь оборудована футерованным изнутри металлическим рекуператором 10.

Первичный воздух по трубопроводу 3 под давлением 5 кПа поступает в рекуператор 10, подогревается в нем отходящими газами печи до 450 °C...460 °C и направляется по трубам 9 и 6 в камеры горения топлива. Выходящие из зоны обжига при температуре 900 °C...950 °C печные газы ПГ-1 разделяются футерованным цилиндром 12 на два потока. Один поток по внутренней полости цилиндра и газоходу 11 направляется в рекуператор, после которого по газоходам 8 и 14 поступает в дымосос 15. Второй поток просасывается через кольцевой слой известняка в зоне подогрева, охлаждаясь до температуры 100 °C...120 °C, и по газоходу 13 удаляется из печи дымососом 15. Печь работает под разрежением.

1, 3, 22 - трубопроводы холодного воздуха, 2 - механизм выгрузки, 4, 17 - топочные камеры для сжигания мазута или природного газа, 5, 16 - трубопроводы горячего воздуха, охлаждающего цилиндры, 6, 9 - трубопроводы горячего воздуха из рекуператора, 7 - инжектор, 8, 14 - трубопровод печных газов, соединяющий рекуператор и дымосос, рекуператор, 11 - футерованный трубопровод печных газов, 12 - футерованный цилиндр, 13 - трубопровод отходящих из печи газов, 15 - дымосос, 18 - керамические перемычки (мостики), 19, 20 - полые цилиндры, 21 - полость, 23, 25 - вентиляторы, 24 - желоб электровибрационный, 26 - дымосос, 27 - пылеосадительная установка. ПГ-1 - противоток отходящих газов в зоне подогрева, ПГ-2 - прямоток части продуктов полного горения топлива в нижнем ярусе топочных камер

Рисунок 2.11 - Пример шахтной кольцевой печи производительностью 300 т/сут.

Часть воздуха, идущего на горение, по трубе 22 нагнетается вентилятором в полость 21 внутреннего цилиндра, где подогревается до температуры 200 °C, и по трубам 16 и 5 поступает в горелки верхнего и нижнего ярусов. Часть воздуха по трубе 1 поступает через выгрузочный механизм 2 в зону охлаждения печи и движется вверх в противотоке с опускающейся известью. Нагретый воздух из зоны охлаждения переходит во внутреннюю полость цилиндра 19, из которой он через полости под мостами 18 инжекторами 7 подается в нижние и верхние камеры горения. Температуру в камерах горения топлива поддерживают на уровне 1350 °C.

Продукты полного горения топлива ПГ-2 при  = 1,6 поступают из камер горения нижнего яруса в слой образовавшейся в середине зоны обжига извести, проходят с ней в прямотоке сверху вниз в кольцевом пространстве между цилиндрами. Выходящие из камер верхнего яруса продукты неполного горения топлива, образующиеся при  = 0,5...0,6, движутся в противотоке с опускающимся материалом. Поступающие в кольцевой слой продукты неполного горения топлива (CO и H ₂) догорают в слое известняка, развивая температуру 1450 °C...1500 °C, что обеспечивает высокую скорость декарбонизации известняка, опускающегося из зоны подогрева. При этом пережога извести не происходит из-за падения температуры в результате поглощения тепла реакцией декарбонизации. Так как продукты горения ПГ-2 не содержат горючих элементов, то их температура снижается за счет потребления тепла продолжающейся реакцией декарбонизации опускающейся извести. Поэтому прямоточная организация движения газов в нижней части зоны обжига увеличивает ее протяженность, не вызывая при этом пережога извести из-за падающей температуры печных газов. В конце зоны обжига печные газы ПГ переходят во внутреннюю полость цилиндра 19, смешиваясь с поступающим сюда воздухом из зоны охлаждения. Образовавшаяся при этом смесь газов представляет собой рециркуляционные газы с температурой 900 °C, которые инжекторами 7 нагнетаются в камерные горелки 17 верхнего яруса, а продукты газификации топлива поступают в подмостиковое пространство кольцевого слоя известняка и движутся в нем в противотоке с материалом. Технические характеристики кольцевых шахтных печей представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Технические характеристики кольцевых шахтных печей

Подача топлива	В верхние и нижние камеры горения, иногда в смеси с известняком
Суточная мощность, т/сут	80-300
Расход тепла, ГДж/т извести	3,3-4,9
Расход электроэнергии, кВтч/т извести	18-35 (может составить 50 при использовании камня мельче 40 мм)
Гранулометрия известняка, мм	40-150
Вид топлива	Газ, жидкое, измельченное твердое, горючие отходы и биомасса
Воздух для горения	Сверху через трубу с обеспыливанием и использованием вентилятора
Выгрузка извести	Вращающаяся эксцентричная пластина
Важные особенности	Необходим очень строгий контроль за прохождением процесса
Преимущества	Малое остаточное CO 2 в извести. Высокая средняя активность извести. Экономия топлива за счет регенерации. Центральный цилиндр ограничивает ширину кольцевого пространства. Хорошее распределение тепла
Недостатки	Необходимость обслуживания рекуператора тепла и других камер. Относительно высокая стоимость инвестиций

2.3.1.6 Другие типы шахтных печей

В эту группу попадает ряд конструкций печей. В этих печах топливо вводят через стенки и сжигают в зоне обжига, продукты горения поднимаются вверх в противотоке извести и известняку. В некоторых конструкциях топливо частично сжигают во внешних газогенераторах. В других оно подается через центральную горелку, балочные горелки или вдувается под внутренние своды [27].

Печи с двумя наклонами шахты

В печах можно получать продукт высокой активности. Печь обычно имеет прямоугольное сечение и две наклонные секции в зоне обжига. В расположенных напротив каждой наклонной секции компенсирующих сводах создается пространство, где в камерах горения сжигаются топливо и подогретый воздух. Охлаждающий воздух подается в основание печи, он подогревается, удаляется и вновь инжектируется в камеры горения. Извилистые пути как газов, так и шихты сочетаются в двухстороннем обжиге, обеспечивая эффективное распределение тепла. Для обжига можно использовать твердое, жидкое и газообразное топливо, но его необходимо тщательно подбирать, чтобы предотвратить возникновение приваров из золы топлива и сульфата кальция.

Многошахтные печи

Это вариант печи с двумя наклонами шахты. Он представляет собой четыре или шесть имеющих различный наклон участков зоны обжига, напротив которых располагаются компенсирующие своды. В зоне охлаждения известь подогревает охлаждающий воздух, который затем отбирают, очищают от пыли и вновь подают в камеры горения.

Для регулирования активности извести можно изменять в широком диапазоне температуру в нижних камерах горения. Такие печи можно отапливать твердым, жидким и газообразным топливом, возможно использовать топливную смесь.

2.3.1.7 Автоматизация шахтных печей

Современные шахтные известеобжигательные печи оснащены автоматическими устройствами и механизмами, которые осуществляют автоматическую загрузку сырья и топлива в печь, автоматическое измерение теплотехнических параметров процесса обжига, контрольно-измерительными приборами, автоматическое отключение подачи газообразного топлива в печь при падении давления газа в газопроводе и нарушении работы системы водяного охлаждения балочных горелок.

Система автоматической загрузки шихты в шахтную печь включает следующие устройства:

- автоматический дозатор;

- загрузочное устройство;

- механизм поворота чащи загрузочного устройства;

- радиоактивный или штанговый измеритель уровня материала в шахте.

- штанговый или ультразвуковой уровнемер.

Различают весовые и объемные автоматические дозаторы.

Весовой автоматический дозатор шихты (см. рисунок 2.12) работает следующим образом. Карбонатная порода из левого бункера лотковым питателем подается в дозирующий бункер. По мере заполнения бункера материалом измерительная весовая система приближается к равновесию. Как только вес карбонатной породы в бункере достигнет установленной величины, измерительная система выключает электродвигатель лоткового питателя.

Одновременно с этим включится электродвигатель лоткового питателя, который из правого бункера подает твердое топливо в бункер. Когда общий вес шихты в бункере достигнет заданного значения, измерительная весовая система выключает питатель.

При возвращении в нижнее положение ковш скипового подъемника нажимает на рычаг 1, который через рычаги 2 и 4 открывает затвор дозирующего бункера, и материал по течке ссыпается в ковш. При движении скипа вверх система рычагов 1, 2 и 4 под действием контргруза прочно закрывает затвор дозирующего бункера. Командный аппарат включает лотковый питатель, и цикл дозирования шихты повторяется. К моменту возвращения скипа в нижнее положение дозирующий бункер вновь заполнен шихтой.

Автоматические объемные дозаторы используют в печах, работающих на жидком и газообразном топливе.

1, 2 и 4 - рычаги; 3, 6 и 13 - течки; 5 и 14 - лотковые питатели; 7 - бункера; 8 и 10 - тросы и тяги; 9 - весовая измерительная система; 11 - дозирующий бункер; 12 - затвор; 15 - ковш

Рисунок 2.12 - Автоматический весовой дозатор

Принцип действия автоматического объемного дозатора (см. рисунок 2.13) состоит в следующем. Из приемного бункера карбонатная порода по течке поступает в дозирующий бункер. Ковш скипового подъемника, занимая нижнее положение, нажимает на рычаг 1 и через рычаги 3, 4 открывает затвор. Карбонатная порода в объеме бункера по течке высыпается в ковш.

1, 3, 4 и 8 - рычаги; 2 - затвор; 5 - затвор течки; 6 и 11 - течки; 7 - бункер; 9 - рычаг с вилкой; 10 - дозирующий бункер; 12 - бункер

Рисунок 2.13 - Автоматический объемный дозатор

При движении ковша вверх рычаг 1 освобождается и под воздействием соединенного с его осью контргруза закрывает затвор. При дальнейшем движении ковша вверх он входит в зацепление с вилкой рычага 9, поворачивает его в верхнее положение, открывая рычагом 8 затвор. При этом карбонатная порода поступает в дозирующий бункер до его заполнения.

При движении ковша вниз скип поворачивает рычаг 9 в нижнее положение и затвор перекрывает отверстие течки. После этого цикл работы дозатора повторяется. Для того чтобы скип не смог занять нижнее положение при открытом затворе, установлена электрическая блокировка, останавливающая движение ковша на некотором расстоянии от рычага 1.

Загрузочное устройство шахтной печи состоит из скипового подъемника с электрической лебедкой, поворотной чаши и двухклапанного затвора. На рисунке 2.14 изображена кинематическая схема работы загрузочного устройства. Электрическая лебедка посредством троса и системы блоков транспортирует шихту ковшом на верх печи.

1 - лебедка; 2 - ковш силового подъемника; 3, 4, 5 и 6 - шкивы; 7 - верхний клапан; 8 - нижний клапан; 9 - груз; П-1 и П-2 - ползуны; Д1 и Д2 - гидравлические демпферы

Рисунок 2.14 - Кинематическая схема автоматической работы загрузочного устройства

При движении вверх по стволу ковш своим выступом входит в зацепление с зубом ползуна П-1, поднимая при помощи троса и шкивов и верхний клапан. При этом шихта, находящаяся в приемной чаше, проваливается в нижнюю камеру, выходное отверстие которой закрыто клапаном.

Выйдя из зацепления с ползуном, ковш продолжает подниматься по стволу, а верхний клапан под действием привода (или собственного веса) опускается вниз, плотно закрывая загрузочное отверстие верхней камеры. При дальнейшем движении вверх ковш входит в зацепление с ползуном П-2 и поднимает груз, который при помощи троса и блоков удерживает клапан в верхнем положении.

Под действием собственного веса и веса шихты нижний клапан опускается вниз, пропуская сырье и топливо в шахту печи.

Выйдя из зацепления с ползуном П-2, ковш продолжает движение по стволу, а конус под действием груза поднимается вверх и плотно закрывает нижнее загрузочное отверстие.

Гидравлические демпферы Д1 и Д2 служат для смягчений ударов, которые возникают в системе тросов в начале и в конце контакта ковша с ползунами П-1 и П-2.

Поднявшись на горизонтальный участок направляющих ствола подъемника, ковш воздействует на конечный выключатель, опрокидывается и высыпает содержимое в загрузочную чашу. Конечный выключатель разрывает цепь питания электродвигателя лебедки скипа и включает через реле времени электродвигатель вращения поворотной чаши. После возвращения ковша в нижнее положение он наполняется сырьем и топливом и, получив соответствующий сигнал, начинает движение вверх по стволу подъемника. При этом описанные выше операции повторяются.

Радиоактивный указатель уровня располагается на двух уровнях по высоте шахты. Указатель уровня состоит из двух источников излучения, двух приемников и одного общего электронного блока, имеющего два выходных реле. При прохождении луча через слой материала приемник фиксирует снижение мощности излучения по сравнению с прохождением луча через свободное пространство. Электронный блок, воспринимая соответствующие электрические сигналы от нижнего и верхнего приемников, управляет выходным реле, рабочие контакты которых посредством электрической цепи управляют электродвигателем скиповой лебедки и включают световую сигнализацию на пульте оператора.

Штанговый указатель уровня представляет собой металлический стержень с грузом на конце. Груз лежит на поверхности слоя шихты и опускается вместе с ней.

Перед загрузкой шихты в печь штанговый указатель поднимается вверх на тросе, соединенном с ползуном, которым управляет ковш скипового подъемника. Находящаяся снаружи шахты часть стержня уровнемера снабжена выступом, расположенным по высоте между двумя конечными выключателями, которые входят в цепь управления лебедкой и цепь световой сигнализации.

Если уровень шихты в печи опустится ниже заданного значения, то штанговый указатель своим выступом воздействует на нижний конечный выключатель и он включит электродвигатель лебедки и световой сигнал на пульте управления. Верхний конечный выключатель играет роль предохранителя на случай переполнения шахты материалами, при его нажатии отключается цепь питания электродвигателя лебедки.

На рисунке 2.15 изображена схема автоматической загрузки карбонатной породы в шахтную печь, работающую на газообразном топливе. Автоматическая загрузка печи осуществляется в зависимости от уровня, находящегося в ней карбонатной породы. Рабочим (управляющим) при этом является нижний указатель уровня 13, а верхний 14 служит для аварийного отключения механизмов загрузки.

1, 3 и 4 - станции управления; 2, 5 - командно-электропневматический прибор КЭП; 6 - электродвигатель привода лебедки; 7 - лебедка скипа; 8 - ковш скипа; 9, 16 - конечный выключатель ВК; 10 - обмотка электрического вибратора; 11 - электровибрационный питатель; 12 - бункер; 13, 14 - нижний и верхний указатель уровня; 15 - электродвигатель привода поворота загрузочной чаши; 17 - загрузочная чаша; 18 - термометр ТХА; 19 - заборное устройство газоанализатора; 20, 21, 22 - датчик разрежения в печи; 23 - термобаллон; 24, 26, 28 - датчик давления; 25, 27 - диафрагма; 29 - предохранительно-запорный клапан ПЗК; 30 - показывающий милливольтметр; 31 - газоанализатор на кислород; 32 - газоанализатор на CO ₂; 33 - показывающий мембранный тягомер; 35, 37 - показывающий мембранный напоромер; 34, 36 - самопишущий дифманометр; 38 - сигнализирующий термометр ТС; 39, 40 - лампочки красного и зеленого цвета; 41 - регистратор импульсов электрический ЭИР

Рисунок 2.15 - Схема автоматической загрузки сырья и теплового контроля процесса обжига в шахтной печи, работающей на газообразном топливе

Когда уровень загрузки карбонатной породы в печи опускается ниже отметки "Уровень загрузки", то выходное реле указателя уровня 13 срабатывает и включает командно-электропневматический прибор (КЭП). КЭП-1 включает на заранее установленное время электровибрационный питатель, подающий карбонатную породу из загрузочного бункера в ковш скипа. После загрузки (по времени) ковша карбонатной породы КЭП-1 размыкает электрическую цепь питателя и замыкает электрическую цепь подъема скипа на верх печи.

Скип, достигнув крайнего верхнего положения, воздействует на конечный выключатель. Выключатель прекращает движение скипа вверх и подает импульсы на реле отсчета количества загруженной в печь карбонатной породы ЭИР и на промежуточное реле времени. Промежуточное реле времени с заданной выдержкой подает сигнал на опускание скипа вниз и на КЭП-2, который управляет механизмом поворота загрузочной чаши [25].

Получив соответствующий сигнал, КЭП-2 включает электродвигатель поворота загрузочной чаши. Длительность замыкания контактов КЭП-2 обеспечивает поворот чаши на угол, величина которого возрастает с каждым циклом.

Циклы загрузки печи карбонатной породы продолжаются до тех пор, пока уровень шихты в печи не достигнет отметки "Уровень загрузки". При этом выходное реле электронного блока уровнемера разорвет цепь электродвигателя скиповой лебедки. Нижний конечный выключатель служит для блокировки, предотвращая подъем скипа при его загрузке сырьем.

Схема автоматической загрузки предусматривает возможность перехода на местное (ручное) управление при помощи кнопок.

Элементы схемы теплового контроля параметров обжига показаны в правой части на рисунке 2.14. В шахтной печи, работающей под разрежением и отапливаемой природным газом, разрежение измеряется датчиками 20, 21, 22 и передается на показывающий тягомер мембранного типа.

Температура отходящих газов измеряется термометром в комплекте с показывающим милливольтметром.

Расход подаваемого в балочную горелку природного газа измеряется комплектом, состоящим из диафрагмы и самопишущего дифманометра. Давление газа перед горелкой отбирается датчиком 26 и поступает на показывающий прибор 35 (манометр или мембранный напоромер). Аналогичными приборами измеряется расход и давление первичного воздуха, поступающего в балочную горелку (датчики 25 и 24).

Анализ отходящих газов на содержание в них углекислого газа CO ₂ и кислорода O ₂ выполняется заборным устройством и автоматическими газоанализаторами, расположенными, как и все перечисленные выше приборы, на щите КИП оператора (обжигальщика).

Автоматический предохранительно-запорный клапан (ПЗК) и сигнализирующий термометр обеспечивают безопасность работы печи. При падении давления в газопроводе клапан ПЗК получает импульс от датчика давления 28 и мгновенно перекрывает газопровод, прекращая поступление газа в печь.

2.3.2 Вращающиеся печи

Вращающаяся печь (см. таблицу 2.3) обладает рядом преимуществ по сравнению с шахтной: большей единичной мощностью агрегата; равномерным качеством получаемой извести при высокой степени ее обжига (90-99 %); возможностью обжига мелких фракций карбонатного сырья любой механической прочности и высокой влажности (см. таблицу 2.4). Основными недостатками вращающихся печей являются: повышенный удельный расход энергоносителей, топлива на обжиг, большие капиталовложения на оборудование и сооружения, значительная металлоемкость [12], [13], [59].

Опыт эксплуатации вращающихся печей мощностью 500 т/сут и выше во многих странах показывает, что с ростом производительности вращающейся печи ее технико-экономические показатели (ТЭП) приближаются к ТЭП современных шахтных печей. Поэтому производство извести с использованием только вращающихся печей рекомендуется создавать при их производительности не менее 300 т/сут [25].

Таблица 2.5 - Основные технико-экономические показатели вращающихся печей для выпуска извести

Тип печи	Удельный расход условного топлива, кг	Удельный расход электроэнергии, кВт  ч	Длина печей, %	Площадь застройки территории, %	Капвложения в строительство, %	Эксплуатационные расходы, %
С внутрипечными теплообменниками	240.300	17.20	100	100	100	100
С запечными шахтными подогревателями сырья	165	25.40	75	60	74	80

Вращающаяся печь представляет собой футерованный изнутри вращающийся стальной цилиндрический барабан, установленный наклонно (3-4 %) на роликовых опорах.

Длинные вращающиеся печи применяют для производства извести сухим и мокрым способами. При сухом способе карбонатное сырье поступает во вращающуюся печь в виде кусков фракции 5-20 мм или 20-50 мм с влажностью 2-24 %. При мокром способе сырье (мел) поступает в печь в виде сметанообразной массы (шлама) с содержанием воды 37-43 %.

Длинные вращающиеся печи выпускают с внутренними теплообменными устройствами или без них. В коротких вращающихся печах, в зависимости от конструкции запечного теплообменника, обжигают карбонатные породы в виде узких фракций: 0,1-2 мм; 10-20 мм; 20-40 мм с влажностью до 8 %.

Таблица 2.6 - Характеристики вращающейся известеобжигательной печи [12]

Показатели	Тип теплообменного и теплоутилизирующего устройства
	внутренний теплообменник	конвейерная решетка	шахтный подогреватель сырья	циклонный теплообменник	паровой котел-утилизатор
Размеры печи, м:
- длина	118	50	50	50	75
- диаметр корпуса	3,6	3,6	3,6	2,7	3,6
Отношение L/D	37	15,6	15,6	21,7	23,5
Производительность, т/ч	12,5	12,7	12,7	7,5	15,0
Удельный расход условного топлива, кг/т	380	234	204	138	286
Расчетное содержание свободных CaO + MgO в извести, %	80	85	85	70	90
Сырье:
- вид	Меловой шлам	Мел	Известняк	Карбонатит	Известняк
- влажность, %	40	16,5	2,0	3,0	4,0
Размер кусков, мм	-	10-25 25-50	10-20 20-40	0,088-0,1	25-50
Вид топлива	Природный газ	Мазут "100"	Природный газ	Мазут "100"	Смесь газов
Теплотворность, ккал/кг, ккал/м 3	8500	9200	8500	9200	3500
Тип горелочного устройства	Двухканальная горелка	Форсунка механического распыления	ГВП-1	Форсунка механического распыления	Двухканальная горелка
Тип холодильника	Барабанный 2,3  38 м	Барабанный 2,5  25 м	Барабанный 2,5  38 м	Барабанный 2,5  20 м	Барабанный 2,5  38 м
Температура выгружаемой извести	150	200	200	200	150
Характеристика теплообменника	Цепная завеса длиной 31 м	Решетка 3 24 м; однократный просос газов	Кольцевой слой толщиной 0,75 м; высота теплообменника по слою) 3,5 м; одноступенчатый	Циклон и шахтная мельница; двухступенчатый	Котел; производительность по пару - 6 т/ч при давлении 13,5 кГ/см 2
Температура газа на выходе из теплообменного устройства, °C	250	250	430	145	200

2.3.2.1 Длинные вращающиеся печи с внутрипечным теплообменником

Длинная вращающаяся печь с теплообменными устройствами внутри корпуса (см. рисунок 2.16) состоит из следующих основных узлов: цилиндрического корпуса с надетыми на него бандажами, роликовых опор, предохранительных упоров и контрольных роликов, установленных на опорах, и привода.

Корпус вращающейся печи представляет собой полый сварной барабан диаметром от 2,2 до 5 м, установленный на роликовые опоры. Каждая опора состоит из двух опорных роликов с четырьмя подшипниками скольжения и клиновинтовыми упорами, воспринимающими осевое давление печи.

Опорные ролики передвигаются и закрепляются в направляющих либо параллельно оси печи, либо под некоторым углом, что необходимо для предотвращения подъема или опускания печи по роликам при ее эксплуатации. Подшипники роликовых опор имеют водяное охлаждение.

1 - роликовые опоры; 2 - бандажи; 3 - подвенцовая шестерня; 4 - редуктор привода; 5 - электродвигатель; 6 - головка печи; 7 - кольца жесткости; 8 - цилиндрический корпус; 9 - венцовая шестерня; 10, 11 и 14 - теплообменные устройства; 12 - пылеосадительная камера; 13 - течка сырья.

Рисунок 2.16 - Длинная вращающаяся печь с внутрипечным теплообменником

Для контроля величины предельного осевого смещения корпуса печи от нормального положения по обе стороны от бандажа расположены контрольные ролики, вращение которых свидетельствует о наличии предельного смещения. В пролетах между опорами для повышения жесткости корпуса установлены кольца жесткости.

Корпус печи имеет наклон 3-4 % к горизонту и вращается со скоростью до 3 об/мин от электродвигателя, соединенного с корпусом через редуктор, подвенцовую и венцовую шестерни. Кроме того, современные печи снабжают вспомогательным приводом небольшой мощности, служащим для вращения печи со скоростью около 4 об/мин в периоды пуска и остановки, а также при ремонтных работах.

Привод печи и опорные ролики установлены с тем же уклоном, что и корпус печи. Внутренняя часть стального корпуса выложена огнеупорной футеровкой.

Печь работает по принципу противотока. Сырье подается со стороны верхнего "холодного" конца печи по течке, а со стороны нижнего "горячего" конца (головки печи) через горелку, подается топливо. Отходящие газы удаляются со стороны холодного конца печи, проходят предварительную очистку в пылеосадительной камере и окончательную в электрофильтре, а затем дымососом выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу.

Печь имеет следующие технологические зоны: зону подогрева сырья, где материал теряет влагу и подогревается до температуры 950 °C; зону обжига (декарбонизации), где при температуре газов 1250-1300 °C происходит разложение сырья с выделением CO ₂ и образованием свободной окиси кальция; зону предварительного охлаждения извести до температуры 1000 °C.

Для нормальной работы печи большое значение имеет правильная футеровка ее зон. Это обусловлено тяжелыми условиями службы футеровки в связи с вращением печи, вызывающим сотрясение кладки и ее истирание движущимся материалом.

При обжиге извести холодные зоны футеруют фасонным шамотным кирпичом, а зону обжига - магнезитовыми огнеуопорами. Шамотный кирпич укладывают на огнеупорных растворах.

Теплообменные устройства (10, 11, 14 рис. 2.15) служат для улучшения теплообмена между газовым потоком и материалом в загрузочной части длинных печей. С этой целью во вращающихся печах, работающих как по мокрому, так и по сухому способам обжига, применяют цепные, экранно-лопастные, циклоидные и ячейковые теплообменники [25].

Цепные теплообменники - устройства, в которых происходит конвективно-регенеративный теплообмен газов и материала: прогрев цепей печными газами конвекцией и отдача тепла нагретыми цепями материалу теплопроводностью. При мокром способе в цепном теплообменнике на коротком участке печи влажность шлама снижается с 45...42 % до 10...5 %. Дальнейшее снижение влажности материала нежелательно, так как ухудшается его грануляция. При сухом способе использование цепного теплообменника из жаропрочной стали позволяет подогревать кусковой материал до температуры 500...600 °C на значительно меньшем участке зоны подогрева, чем в печи, не оборудованной теплообменником.

На практике применяют три способа навески цепей: навеску со свободными концами, гирляндную навеску с креплением за оба конца и хордовую навеску.

Металлический наклонный экранно-лопастной теплообменник представляет собой лопасть с ножкой, которая двумя болтами крепится к сегменту, приваренному к корпусу печи. Лопасть размером 0,3  0,3  0,1 м имеет двойной уклон под углами 40° и 15° к поверхности материала во время вращения печи.

Металлический циклоидный теплообменник представляет собой набор лопастей, изготовленных из листовой жаропрочной стали толщиной 12...16 мм. Лопасти болтами крепятся к пластинам, приваренным к корпусу печи. Такая конструкция теплообменника обеспечивает интенсификацию теплообмена материала с газами при незначительном повышении пылеуноса и аэродинамического сопротивления печи.

Металлический ячейковый теплообменник из литой жаропрочной стали эффективен в теплотехническом отношении. Он состоит из полок, шарнирно соединенных с коробками крепления, приваренными к корпусу печи. Каждая пара полок соединена между собой шарнирно. Такое крепление предохраняет теплообменник от температурных деформаций. Теплообменник делит поперечное сечение печи на секции (ячейки), благодаря чему происходит расчленение материала на несколько потоков, в которых интенсивность отдачи тепла от газов к материалу из-за его лучшего перемешивания значительно увеличивается. В результате температура газового потока снижается на 150...180 °C, а материала повышается на 250...300 °C. Теплообменник устанавливают после цепного с интервалом 2...3 м.

Отсутствие внутренних теплообменников существенно снижает тепловой КПД печи и соответственно увеличивает расход топлива на обжиг.

2.3.2.2 Вращающиеся печи с запечным подогревателем

На рисунке 2.17 дан общий вид короткой вращающейся печи. Опорные и упорные устройства коротких печей аналогичны по конструкции длинным вращающимся печам.

В качестве коротких необходимо использовать вращающиеся печи с корпусом следующих размеров: 2,5  30 м, 2,5  40 м, 3  40 м, 3,6  50 м, 3,6  75 м, 4  50 м, 4  60 м, 4,5  60 м.

Главный привод коротких вращающихся печей аналогичен по устройству главному приводу длинных печей, отличаясь для печей одинакового диаметра корпуса мощностью электропривода и редуктора. Для главного привода современных коротких вращающихся печей применяют электродвигатели переменного тока с частотными преобразователями, позволяющими плавно менять частоту вращения барабана печи в широком диапазоне.

В качестве подогревателей кускового материала применяют подогреватели неподвижного слоя сырья типа колосниковой конвейерной решетки, шахтные с подвижным слоем сырья и шахтные с падающим слоем сырья, подогреватели дисперсного сырья циклонного типа, шахтные комбинированные теплоутилизаторы, использующие энергию отходящих печных газов одновременно для подогрева материала и выработки пара, котлы-утилизаторы, вырабатывающие пар.

1 - загрузочная головка; 2 - корпус печи; 3 - кожух венцовой шестерни; 4 - откатная разгрузочная головка; 5 - устройство крепления горелки; 6 - ролик опорный; 7 - упорные ролики; 8 - электродвигатель главного привода; 9 - бак системы централизованной смазки оборудования печи; 10 - ролик упорный; 11 - мазутные насосы (при использовании форсунки)

Рисунок 2.17 - Короткая вращающаяся печь

2.3.2.3 Обжиг карбонатных пород во вращающейся печи

Во вращающейся известеобжигательной печи различают три основные зоны, отличающиеся режимными параметрами термообработки материала и физико-химическими процессами, происходящими в нем. На рисунке 2.18 изображены кривые распределения по длине печи температуры газового потока (кривая 3), температуры поверхности материала (кривая 2) и содержание в извести активных окислов кальция и магния (кривая 1).

Зона подогрева расположена в холодном конце печи, начиная от места поступления в нее сырья, и занимает до 70 % общей длины корпуса длинной печи. Поступающий в зону подогрева материал (пунктирная кривая 2) проходит последовательно сушку (tm - до 120 °C) и нагрев (tm - 850-900 °C). В конце зоны подогрева, в температурном интервале 700-900 °C, полностью разлагается содержащийся в сырье углекислый магний (MgCO ₃) и частично углекислый кальций (CaCO ₃).

а - зона обжига и предварительного охлаждения печи; б - зона подогрева теплообменника; 1 - кривая активности извести; 2 - кривая температуры поверхности материала; 3 - кривая температуры газообразных продуктов

Рисунок 2.18 - Распределение температуры газов, материала и активности извести по длине вращающейся печи

Выходящие из зоны обжига с температурой 1100-1250 °C печные газы (кривая 3) отдают тепло материалу, и их температура снижается до 600-800 °C. Температура печных газов на выходе из печи (в начале зоны подогрева) в значительной мере зависит от влажности сырья и от организации теплообмена с сырьем в зоне подогрева.

При отсутствии в зоне подогрева теплообменных устройств материал в результате незначительной поверхности теплообмена забирает меньше тепла, чем он мог бы теоретически принять от газов, и температура газов на выходе из печи остается высокой (500-600 °C) даже при обжиге влажного мела. При обжиге карбонатных пород (влажность 2-4 %) температура отходящих газов из печи длиной 75 м составляет 700-800 °C.

Применение внутренних теплообменников позволяет интенсифицировать конвективный теплообмен в зоне подогрева, и температура отходящих газов снижается до 350-400 °C. Температура материала по длине печи растет при этом значительно быстрее, и длина зоны подогрева сокращается, а длина зоны обжига увеличивается. Поэтому применение внутренних теплообменных устройств позволяет на 10 % - 15 % увеличить производительность печи при одновременном снижении удельного расхода топлива на 20-25 % за счет лучшего использования тепла печных газов.

Значительный эффект достигается при установке за короткой вращающейся печью запечного теплообменника, например, конвейерной решетки. При этом сушка и подогрев материала до температуры 700-750 °C происходит на конвейерной решетке, куда печные газы поступают с температурой 900-1000 °C, а после двойного просасывания через слой выходят с температурой 350-380 °C. Из-за подсосов холодного воздуха в теплообменнике температура газов обычно равна 200-250 °C. Дальнейшее нагревание сырья до температуры 900 °C происходит на коротком участке зоны подогрева печи.

Выходящие из зоны подогрева печи газы при правильной организация процесса обжига содержат 26-28 % углекислого газа (CO ₂) и 1,0-1,5 % кислорода (O ₂).

Зона обжига длинной вращающейся печи занимает 25-30 %, а короткой - 50-75 % общей длины корпуса печи. В зоне обжига происходит сгорание топлива и завершаются основные физико-химические реакции разложения карбонатного сырья.

Ввиду малого времени пребывания материала в зоне обжига (30-45 мин) его нагревают до температуры 1200 °C, при которой реакция разложения CaCO ₃ происходит достаточно быстро. В результате сырье успевает почти полностью диссоциировать и содержание активных CaO + MgO в воздушной извести обычно составляет 90 %-99 %.

Для обеспечения быстрого нагрева материала максимальную температуру газов поддерживают на 250-300 °C выше температуры материала. Передача тепла материалу происходит от факела и поверхности футеровки печи. От факела тепло передается материалу лучеиспусканием и конвекцией, от футеровки преимущественно теплопроводностью.

В конце зоны обжига расположен порог высотой 200-500 мм, иногда на расстоянии 16-18 м от него устраивают второй порог. Применение кольцевых порогов (местных сужений внутреннего диаметра печи) улучшает характеристики процесса обжига за счет увеличения времени пребывания материала в зоне высоких температур и уменьшения потерь тепла излучением факела в холодный конец печи. В итоге устройство двух-трех порогов в печи позволяет на 5-10 % повысить ее производительность и несколько снизить удельный расход топлива на обжиг.

Длину и расположение зоны обжига регулируют длиной и формой факела, а также тягой дымососа. Сжигание топлива в факеле организуют при общем коэффициенте избытка воздуха от 1,05 до 1,15. Смещение зоны обжига к холодному концу печи увеличивает потери тепла с отходящими газами, а смещение ее к горячему концу приводит к уменьшению длины зоны обжига и появлению в связи с этим потери тепла с выходящей известью.

Зона предварительного охлаждения занимает 5 % длины печи и расположена непосредственно за зоной обжига. Ввиду незначительной длины зоны материал на выходе из нее имеет температуру 900-1000 °C и физическое тепло отдает вторичному воздуху в основном в рекуператорном или барабанном холодильнике. Воздух нагревается в зоне предварительного охлаждения до температуры 600-700 °C, что способствует повышению температуры факела и лучшему использованию тепла в целом.

В холодильнике печи известь охлаждается до температуры 80-120 °C. Холодный воздух, поступающий в холодильник из окружающей среды, нагревается в нем до 400-500 °C [28].

2.3.2.4 Автоматизация вращающихся печей

Одним из основных способов интенсификации процесса производства извести во вращающейся печи является автоматизация основного и вспомогательного технологического оборудования и процесса обжига. Уровень автоматизации производственного процесса при этом может быть различным.

На рисунке 2.19 представлены элементы системы автоматического контроля и регулирования процесса обжига извести во вращающейся печи без запечного теплообменника, оборудованной рекуператорным холодильником и работающей на природном газе.

Схема теплового контроля предусматривает автоматическое измерение и запись на диаграмме приборов расхода природного газа, разрежения в горячей головке печи и пылеосадительной камере, температуры газов в зоне обжига, в пылеосадительной камере и перед дымососом, температуры материала перед зоной обжига, содержания кислорода в отходящих газах. Так же осуществляется тепловизионный контроль за распределением температур по корпусу печи (осуществляется сканирующим тепловизором).

1 и 14 - потенциометры; 2 - регулятор температуры; 3 - регулятор давления; 4 - радиационный пирометр; 5, 8 и 9 - термометры; 6 - регулятор загрузки печи сырьем; 7 - газоотборное устройство; 10 - регулятор полноты сжигания топлива; 11, 12 - милливольтметры пирометрические; 13 - газоанализатор на кислород; 15 - сигнализирующий термометр; 16, 17 - тягомеры мембранные показывающие; 18 - расходомер; 19 - дифференциальный манометр; 20 - исполнительный механизм

Рисунок 2.19 - Схема системы автоматического контроля и регулирования процесса обжига извести во вращающейся печи без запечного теплообменника

Расход природного газа измеряется мембранным дифференциальным манометром и регистрируется вторичным прибором - расходомером. Разрежение по тракту измеряется при помощи мембранных манометров (тягомеров). Температура в зоне обжига измеряется радиационным пирометром, показания которого записываются автоматическим потенциометром. Температура газового потока в пылевой камере и дальше по газовому тракту измеряется термопарами и термометром сопротивления.

Температуру материала внутри вращающейся печи перед зоной обжига может измеряться комплектом, состоящим из стандартного термоэлектрического термометра и автоматического потенциометра.

Содержание кислорода в отходящих печных газах измеряется автоматическим газоанализатором, снабженным записывающим прибором. Для непрерывного отбора, очистки и подачи в прибор пробы газа служит газоотборное устройство, устанавливаемое в переходной или пылеосадительной камере.

Система автоматического регулирования (САР) предусматривает регулирование температуры в зоне обжига и полноты сгорания топлива, а также стабилизацию давления газа перед горелкой и количества подаваемого в печь сырья.

Температуру в зоне обжига регулируют следующим образом. При отклонении температуры в зоне обжига от заданного значения потенциометр 1 посылает в измерительную схему регулятора 2 электрический импульс и регулятор через исполнительный механизм 20 поворачивает регулирующую заслонку газопровода, увеличив или уменьшив подачу природного газа в печь.

Регулятор, кроме того, получает корректирующие импульсы при значительных отклонениях от заданной величины температуры материала перед зоной обжига (от потенциометра) и содержания кислорода в отходящих газах (от газоанализатора) и соответственно изменяет в определенных пределах подачу в печь топлива.

Полнота сгорания топлива в печи обеспечивается регулятором 10, который воздействует своим исполнительным механизмом 20 на направляющий аппарат дымососа. Например, при увеличении содержания O ₂ в отходящих газах измерительная схема регулятора, получающая сигнал от газоанализатора 13, выходит из равновесия и исполнительный механизм несколько прикрывает направляющий аппарат дымососа. При этом разрежение в горячей головке печи несколько снижается, что приводит к уменьшению поступления в печь вторичного воздуха и содержание O ₂ в отходящих газах снижается.

Регулятор 3 поддерживает давление в газопроводе, воздействуя на регулирующий орган (клапан, заслонку). Регулятор 6 получает импульс от датчика расхода материала в печь и воздействует на питатель, уменьшая или увеличивая его производительность. Таким образом он поддерживает постоянную величину подаваемого в печь сырья.

Сигнализирующий термометр подает световой или звуковой сигнал при повышении температуры масла в системе смазки главного привода печи выше допустимого значения.

2.4 Дробление и измельчение извести

Гранулометрический состав молотой извести варьируется от относительно грубой до очень тонкой. Чаще применяется молотая порошкообразная известь размером до 0,2 мм.

Такая известь применяется для производства силикатного кирпича, газосиликатных блоков, производства минеральных удобрений, приготовления известесодержащих растворов в защите растений, стабилизации грунтов, обработке сточных вод промышленных предприятий и животноводческих комплексов.

Кроме гранулометрии к такой извести предъявляются требования по удельной поверхности, времени гашения (реакционной способности), температуре гашения. Помольные установки используются те же, что для измельчения сырья (п. 2.1.2).

2.5 Производство гашеной извести

Гидратация (гашение) кальциевой извести идет с выделением тепла и образованием водяного пара. Реакция гидратации обратимая. Ее направление зависит от температуры и парциального давления водяных паров в гасильном агрегате. Дегидратация гидрооксидов кальция и магния возможна при температуре выше 520 °С [12].

CaO	+	H 2O		Ca(OH) 2	+	67	кДж/моль
56		18		74

Гидратация доломитовой и магнезиальной извести по формуле:

CaO + MgO + H ₂O = Ca(OH) ₂ + MgO + Q (при обычном гашении)

CaO + MgO + H ₂O = Ca(OH) ₂ + Mg(OH) ₂ + Q (при автоклавном гашении).

Гашение извести в "пушонку" можно производить в гидраторах периодического и непрерывного действия. На современных производствах применяют гидраторы непрерывного действия, у которых больше производительность, есть возможности полной автоматизации процесса подачи исходных продуктов и контроля качества гидратной извести.

Чаще всего для гашения извести используют лопастные двух или трехсекционные аппараты, внутри которых установлены лопасти, перемешивающие и перемещающие известь. Такие гидраторы могут быть одно- и двухвальные. Двухвальные гидраторы отличаются несколько большей производительностью [29]. Конструкция трехсекционного лопастного гидратора представлена на рис. 2.20.

1 - корпус, 2 - форсунки, 3 - скруббер, 4 - циклон, 5 - шлюзовый питатель, 6 - вентилятор, 7 - мотор-редуктор, 8 - вал с лопастями, 9 - люки, 10 -, 11, 12 - винтовые транспортеры трехсекционного лопастного гидратора

Рисунок 2.20 - Конструкция одновального трехсекционного лопастного гидратора

Исходная негашеная известь в виде порошка или гранул подается в верхнюю секцию аппарата 1. В эту же секцию подается вода для гашения извести. При гашении извести образуется большое количество водяного пара и известковой пыли. На рисунке 2.17 изображен вариант, когда вода подается через форсунки 2 в скруббер 3. В скруббере происходит ее нагрев за счет конденсации пара на поверхности капель воды и частичная очистка пара от пыли. Далее пар поступает в циклон 4, где происходит обеспыливание пара: осажденная известковая пыль шлюзовым питателем 5 возвращается в верхнюю секцию аппарата, а паровоздушная смесь вентилятором 6 подается на дальнейшую очистку от пыли. Вентилятор 6 подключен к частотному преобразователю (ЧРП), который позволяет установить минимальную частоту вращения рабочего колеса, что позволяет свести к минимуму подсос воздуха через неплотности корпуса аппарата.

Гашение наиболее интенсивно происходит в первой, верхней, секции аппарата. В последующих секциях происходит догашивание и охлаждение гашеной извести. Готовая гидратная известь выгружается из нижней секции гидратора винтовым транспортером 12. На каждой секции аппарата-гидратора установлен мотор-редуктор 7, который вращает вал с лопастями 8 со скоростью 20-30 об/мин. Скорость вращения вала каждой секции регулируется ЧРП в зависимости от качества исходной негашеной извести. Люки 9 служат для обслуживания и замены лопастей гидратора. Гидратор установлен на опорах 10.

Для очистки паровоздушной смеси используют сухой способ очистки от пыли (циклоны, фильтры) или мокрый способ (скрубберы, циклоны с водяной пленкой, пенные аппараты), а также их комбинация.

Существует вариант расположения фильтра на второй секции аппарата, при этом первая секция устанавливается со сдвигом. В таком случае забор паровоздушной смеси происходит из области не столь интенсивного гашения, а пыль с первой секции успевает осесть в аппарате до поступления смеси в фильтр.

Рукавные фильтры имеют существенный недостаток. Рукава со временем, забиваются гидратной известью, на них образуется корка (известковое тесто), гидравлическое сопротивление рукавов фильтра возрастает и фильтры прекращают нормальную работу. На практике через 2-3 месяца фильтровальные рукава подлежат замене. В таблице 2.7 представлены основные характеристики лопастных гидраторов.

Таблица 2.7 - Основные характеристики лопастных гидраторов

Наименование	Производительность, т/час
	1,5	4	6
Количество секций	2	3	3
Расход негашеной извести, т/час	1,15	3,08	4,62
Расход воды, м 3/час	0,70	1,92	2,89
Расход запыленных газов, м 3/час	560	1580	2400
Длина аппарата, мм	5400	5800	5900
Ширина аппарата, мм	1050	1400	1730
Высота без фильтра (циклона), мм	3040	3700	4000
Полная высота с фильтром, мм	5900	7400	7800
Масса аппарата (без фильтра), т	6,6	12,8	15,2

На российских предприятиях используют несколько различных схем получения гидратной извести:

- получение гидратной извести из дробленой до 20 мм негашеной извести;

- получение гидратной извести из молотой негашеной извести 0-0,2 мм;

При первом варианте после гашения извести в гидраторе классификацией удаляют не погасившиеся зерна, которые могут удаляться в отвал или использоваться в производстве строительных растворов. Во втором случае известь негашеная фракции 0-0,2 мм сразу подается в гидратор, после гашения классификация не требуется.

Также используется схема, когда известь негашеную сначала дробят до фракции 0-40 мм, затем гасят в гидраторе и всю гашеную известь отправляют на помол для получения фракции 0,2 мм.

2.6 Складирование готовой продукции

Современный известковый комбинат выпускает известь комовую, гидратную (пушонку), молотую и известняковую муку для сельского хозяйства. Предприятия большой мощности имеют отдельные склады под каждый вид выпускаемой продукции. Емкость склада выбирается из конкретных условий продолжительности хранения продукции не более 5-10 суток.

В качестве примера на рисунке 2.21 показан склад комовой извести емкостью 2000 т с галереей выдачи продукции. В настоящее время существуют более современные установки. Склад состоит из шести силосов комовой извести, двух галерей с ленточными транспортерами и двух погрузочных машин.

Силос комовой извести представляет собой цилиндрическую банку со стенками из монолитного железобетона. Емкость банки - 330 м ³, диаметр - 6 м, высота - 15,8 м. Для снижения запыленности помещения при загрузке силосов комовой известью предусмотрена аспирационная система.

Известь загружают в силос передвижным реверсивным ленточным конвейером, а выгружают при помощи электровибрационных питателей и ленточного транспортера, который подает известь в бункер погрузочной машины. Погрузочная машина грузит

1 - погрузочные машины; 2 - галереи; 3 - ленточные транспортеры; 4 - электровибрационные питатели; 5 - аспирационная система; 6 - реверсивный ленточный конвейер; 7 - силоса.

Рисунок 2.21 - Склад комовой извести емкостью 2000 т

Склады молотой извести и известняковой муки состоят из однотипных сооружений и оборудования. Склад молотой извести емкостью 2000 т (см. рисунок 2.22) состоит из четырех силосов емкостью 500 т каждый, снабженных аспирационной системой. Железобетонная банка силоса имеет высоту 20,6 м при диаметре 6 м.

Силосы загружаются пневмотранспортом по трубопроводу. Молотая известь распределяется по банкам с помощью двухходовых переключателей. Наполнение силосной банки известью контролируется по сигнализаторам нижнего и верхнего уровня. При наполнении банки известью до верхнего уровня загорается сигнальная лампочка и оператор отключает силос от питающего трубопровода.

Известь выгружается из силоса двумя пневматическими боковыми разгружателями через выпускные отверстия, устроенные в нижней части банки. Выдача извести со склада предусматривается в автомобильный и железнодорожный транспорт.

Известь перекачивают из центрального выгрузочного отверстия банки при помощи разгрузочных шнеков и пневмотранспортного шнека, который направляет известь в бункер пневмовинтового насоса. Пневмовинтовой насос подает порошкообразный материал по трубопроводу пневмоперекачки в тот же бункер или другой, заполняя его сверху.

Аспирационные системы, установленные на силосных складах, отсасывают запыленный воздух в местах загрузки силосов. Очистка воздуха осуществляется в рукавных фильтрах.

1 - трубопровод пневмоперекачки; 2 - пневмовинтовой насос; 3 и 4 - шнеки; 5 - воздухораспределительные коробки; 6 - силос; 7 - трубопровод; 8 - аспирационная система; 9 - автомобильный транспорт; 10 - пневматические боковые разгружатели с дистанционным управлением; 11 - железнодорожный транспорт; 12 - двухходовые переключатели

Рисунок 2.22 - Склад молотой извести емкостью 2000 т

2.7 Контроль качества готовой продукции

Контроль качества негашеной извести

Каждые два часа из печи отбирают известь в количестве около 50 кг, методом квартования получают пробу 5 кг и помещают ее в герметически закрываемый сосуд. Первичную пробу извести (20 кг), отобранную за смену, методом квартования сокращают до 5 кг, получая среднюю пробу, которую и испытывают.

Среднюю пробу комовой извести разбивают на куски до 20 мм, перемешивают и последовательным квартованием отбирают 500 г, которые измельчают до полного прохождения сквозь сито. От просеянной пробы отбирают квартованием 60 г извести, растирают ее в ступке до полного прохождения сквозь сито и хранят в герметически закрытом сосуде.

Среднюю пробу порошкообразной извести перемешивают и последовательным квартованием отбирают 300 г, которые помещают в герметически закрываемый сосуд.

Полученный порошок используют для испытаний в соответствии с ГОСТ 22688-2018 [30].

Для определения суммарного содержания активных CaO и MgO при содержании в извести MgO до 5 % применяют реактивы и растворы: кислота соляная 1H-раствор; однопроцентный спиртовой раствор фенолфталеина.

Для определения содержания не погасившихся зерен из 1 кг негашеной извести готовят известковое тесто и выдерживают его в течение 24 ч, затем разбавляют водой до состояния известкового молока и пропускают через сито, одновременно промывая слабой непрерывной струей воды и слегка растирая кусочки стеклянной палочкой с резиновым наконечником. Остаток на сите высушивают при температуре 105-110 °C до постоянного веса. Полученный остаток в граммах, деленный на 10, дает содержание непогасившихся зерен в процентах.

Чтобы определить время гашения извести, берут сосуд Дьюара, представляющий собой колбу емкостью 0,5 л, и помещают его в коробку. Пространство между сосудом Дьюара и стенками коробки заполняют теплоизоляционным материалом (асбестовой мелочью, минеральной ватой и т.п.).

10 г измельченной извести помещают в сосуд Дьюара, вливают в него 20 мл воды температурой 20 °C и закрывают пробкой, в которой плотно закреплен ртутный термометр со шкалой 0-150 °C и длиной хвостовой части 100-150 мм. При этом наблюдают, чтобы ртутный шарик термометра был погружен в реагирующую смесь.

Смесь в сосуде взбалтывают и оставляют в покое. Через каждые 30 с с момента добавления воды отмечают температуру реагирующей смеси. Наблюдения ведут до достижения максимальной температуры и начала ее падения.

За время гашения принимают интервал времени в минутах от момента добавления воды к извести до начала снижения максимальной температуры.

Испытание по определению остаточной потери при прокаливании извести (П.П.П.) проводят для определения величины "недожога" извести или степени декарбонизации сырья при обжиге. При достаточно полном разложении карбонатных пород остаточные П.П.П. составляют 2-7 %.

Результаты всех испытаний заносят в журнал контроля качества извести.

Контроль качества гашеной извести

Качество гашеной извести оценивают по четырем показателям: суммарному содержанию CaO и MgO, содержанию углекислоты CO ₂, влажности и дисперсности.

Суммарное содержание окисей кальция и магния гашеной извести определяют таким же методом, как и для комовой извести.

Влажность пушонки определяют влагомерами.

Дисперсность гидратной извести определяют так: 50 г пробы извести, предварительно высушенной до постоянного веса при 105-110 °C, просеивают сквозь сита. Просеивание считается законченным, если при дополнительном просеивании в течение 1 мин сквозь указанное сито проходит не более 0,1 г материала. Остаток на сите в граммах, умноженный на 2, соответствует содержанию зерен данной крупности в процентах.

Содержание углекислоты в извести определяют по ГОСТ 22688-2018 [30].

В зависимости от результатов испытания гидратная известь соответствует первому или второму сорту. Данные испытаний средних проб заносятся в журнал контроля качества продукции.

Контроль качества продукции на складе

От каждой партии извести, хранящейся на складе или отгружаемой потребителю, отбирают первичную пробу весом не менее 20 кг. При контроле комовой извести пробу отбирают примерно равными частями не менее чем из 10 различных мест по всей толщине извести: из верхнего, среднего и нижнего слоя. При контроле молотой извести в мешках пробу отбирают из 10 мешков из разных мест штабеля, примерно по 2 кг из каждого мешка. При контроле гашеной извести пробу отбирают примерно равными частями не менее чем из 5 различных мест по всей толщине извести: из верхнего, среднего и нижнего слоя извести, примерно по 2 кг из каждого места.

Отобранную первичную пробу комовой, молотой или гашеной извести квартуют и делят на две равные части. Одну из проб извести испытывают, другую - помещают в герметически закрываемый сосуд, который опечатывают и хранят в течение 15 дней на случай арбитражных испытаний.

Если при испытании средней пробы установлено несоответствие ее хотя бы одному из требований стандарта на известь, то необходимо провести повторные испытания, результаты которых следует считать окончательными.

2.8 Вредные производственные факторы

Санитарно-гигиенические условия труда на известковом предприятии характеризуются следующими специфическими вредностями производства: запыленностью воздуха при загрузке материалов в печь, выгрузке извести из печей, транспортировании, складировании, дроблении, помоле каменного угля, карбонатной породы и извести; загазованностью воздуха и повышенной температурой в печном отделении.

ПДК кальций оксида в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м ³, допускаемая концентрация пыли для производственных помещений составляет для извести 3 мг/м ³, для известняка 6 мг/м ³, для угля 10 мг/м ³. Известковая пыль, действуя на организм человека, разъедает ткани и вызывает ожоги, иногда тяжелого характера, изъязвление верхних дыхательных путей, воспаление легких. Попадание известковой пыли в глаза в некоторых случаях вызывает стекловидный оттек и помутнение роговицы. Индивидуальными средствами защиты от воздействия известковой пыли являются защитные очки, респираторы, марлевые повязки [31], [32], [33], [34].

При нарушении режима сжигания топлива в печных агрегатах возможно отравление обслуживающего персонала продуктами его горения. Наиболее опасными газами, выделяющимися при неполном сгорании топлива, является оксид углерода (CO). Индивидуальным средством защиты от воздействия оксида углерода является шланговый противогаз.

Перевод шахтных печей с твердого топлива на природный газ значительно снижает запыленность рабочих мест, территории предприятия и окружающей местности, а также ликвидирует ряд ручных операций при обслуживании тепловых агрегатов. Внедрение в производство извести мощных шахтных и вращающихся печей с эффективной системой обеспыливания всей технологической линии, оборудованных совершенной системой автоматического регулирования процесса обжига и системой управления всеми механизмами с диспетчерского пульта, позволит полностью устранить вредное влияние извести на организм обслуживающего персонала.

Совершенствование технологических схем производства извести должно сопровождаться, помимо автоматизации процесса, максимально возможным исключением из них пересыпных узлов, сокращением путей транспортирования материала, высоты его подъема и сброса, улучшением обслуживания складских емкостей и совершенствованием погрузочно-разгрузочных средств.