ФСА процесса обжига клинкера в печах, по мокрому способу

Московский  Государственный Строительный Университет

Кафедра автоматизации  инженерно-строительных систем

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

По курсу: автоматизация технологических процессов и производств

«ФСА процесса обжига клинкера в печах, по мокрому способу»

 

 

 

Студент: ***

Преподаватель: Егоров А.В.

 

 

МГСУ 2012г.

Для своей  работы мы выбираем вращающуюся печь, соответственно все дальнейшие описания и определения будут относиться именно к ней.

Определения:

Обжиг — высокотемпературная термическая обработка материалов или изделий с целью изменения (стабилизации) их фазового и химического состава и(или) повышения прочности и кажущейся плотности, снижения пористости.

Основным  агрегатом любого цементного завода является цементообжигательная печь. По принципу работы печи делятся на вращающиеся, с циклонными теплообменниками, с кальцинаторной решёткой и другие.

Цементный клинкер – продукт, получаемый обжигом до спекания или плавления сырьевой смеси надлежащего состава и содержащий, главным образом, высокоосновные силикаты и(или) (высоко)низкоосновные алюминаты кальция. Является промежуточным продуктом при производстве цемента.

Цементный клинкер  получают в основном из мокрых сырьевых смесей (шламов) с влажностью от 30% до 50% во вращающихся печах, не имеющих запечных теплоутилизаторов. К преимуществам мокрого способа обжига относятся простота приготовления сырьевой смеси, легкость достижения однородности ее состава, сравнительно небольшие энергозатраты и достаточно гигиенические условия труда (отсутствие запыленности). Недостатком мокрого способа является повышенный расход топлива.

Барабанная  печь (Вращающаяся печь)

Барабанная  печь, барабанная вращающаяся печь, трубчатая печь — промышленная печь для обжига и сушки сырья и  полупродуктов.

Барабанная  вращательная печь имеет форму горизонтально  расположенного цилиндра диаметром 1,2…5 м и длиной 18…200 м. Печь медленно вращается вокруг оси. Назначение —  для физико-химической обработки  сыпучих материалов. Как правило топливо сжигается внутри печи. Менее распространены косвенный нагрев (через стенку муфеля) и комбинированный нагрев обрабатываемого материала. Во вращающейся печи сжигаются пылевидное, твёрдое, жидкое или газообразное топливо. Как правило природный газ. Как правило в печи греющие газы движутся навстречу обрабатываемому материалу (противоток). Менее распространены печи с параллельным током газов и материала.

Конструкция печи:

• кожух (барабан)
• опорные ролики
• открытая зубчатая передача: венец, шестерня
• привод: электродвигатель, редуктор
• топочная головка (горячая)
• газоотводящая головка
• механический питатель
• горелка
• система газоочистки
• холодильник

Печь состоит  из горизонтально расположенного цилиндрического  кожуха (барабана), футерованного изнутри  огнеупорным кирпичом, опорных устройств  и привода, головок — топочной и газоотводящей и холодильника. Барабанные печи могут иметь перегребающие  и теплообменные устройства, а  также специальные устройства для  подачи твердых и газообразных материалов в отдельные зоны печи через отверстия  в кожухе. Кожух обычно глухой по всей длине, сварен из листового железа толщиной 10...30 мм. Иногда диаметр изменяют по длине печи. При большом диаметре кожух усиливают кольцами жесткости. Изнутри кожух футерован шамотным, магнезитовым или высокоглиноземистым  кирпичом. Снаружи кожуха проложен теплоизоляционный слой. Толщина  футеровки обычно 200...300 мм, толщина  теплоизоляции 10...30 мм. Снаружи кожуха закреплены опорные стальные бандажи и большая венцовая шестерня. Бандажи опираются на ролики. Печь со скоростью 0,6...2 об/мин вращается. Мощность электродвигателя 40...1000 кВт.

Описание  технологического процесса:

Обжиг цементного клинкера по мокрому способу:

Печь как  тепловой агрегат условно можно  разбить на несколько технологических  зон. Исходное сырье — шлам поступает  в первую зону — зону сушки —  с начальной влажностью 30-50 %. Часть этой зоны обычно оснащается цепными завесами различной конфигурации для интенсификации процесса сушки. По мере нагревания и испарения влаги происходит загустевание шлама, начинается его гранулирование, и в следующую зону — зону подогрева — материал входит с температурой     100-150 °С, а выходит с температурой 500-600 °С. Начиная с 600°С происходит слабый, а с повышением температуры до       900-1000 °С усиливающийся до максимума процесс разложения карбоната кальция с выделением углекислого газа и образованием свободной извести (СаО_св). Одновременно в этой зоне — зоне декарбонизации — происходит и образование кристаллов двухкальциевого силиката. Зона декарбонизации является основной теплопотребляющей зоной в печи.

Дальнейшее  увеличение температуры материала  до 1300°С происходит в зоне экзотермических реакций за счет выделения тепла при реакциях образования двухкальциевого силиката, алюминатов и алюмоферритов кальция. На этой стадии процесса появляется жидкая фаза, часть материала расплавляется и происходит образование трехкальциевого силиката.

Наиболее  ответственной частью печи с точки  зрения управления является зона спекания, где при температурах 1350-1450 °С завершается процесс клинкерообразования. Результат обжига определяется количеством неусвоенной окиси кальция (СаОсв) и кристаллической структурой полученного клинкера.

При правильном выборе режима работы зоны спекания и  последующей его стабилизации можно  снизить расход тепла на обжиг  при сохранении заданного качества клинкера. Пройдя зону спекания, в зоне охлаждения клинкер снижает свою температуру до 1100-1000 °С, а затем окончательно охлаждается в холодильнике. Вторичный воздух, отбирающий тепло от клинкера (200-250 ккал/кг клинкера), входит в печь с температурой 600-800°С. Таков технологический процесс обжига клинкера. 

Параметры температуры  по зонам:

Зона	Диапазон температур, °С
Поступление сырья	100 – 150
Зона прогрева	500 – 600
Зона декарбонизации	900 – 1000
Зоне экзотермических реакций	1300
Зона спекания	1300 – 1450
Зона охлаждения	1100 - 1000
Холодильник	50 – 100

 

Сводный тепловой баланс вращающейся печи, при обжиге клинкера

Приходные статьи	Количество теплоты			Расходные статьи	Количество теплоты
	кДж	кДж на 1 кг керамзита	% к итогу		кДж	кДж на 1 кг керамзита	% к итогу
От горения  топлива	16035758,42	2908,23	88,23	На испарение  влаги	1238601,86	217,41	6,78
Физическая теплота: топлива	57052,93	10,01	0,31	На химические реакции	3704588,41	650,27	20,3
сырца	506357,07	88,9	2,69	Потери тепла  с керамзитом на выходе из печи	5257630,57	922,87	28,82
воздуха, подсасываемого на горение	1338101,76	234,88	7,13	Потери тепла  в окружающую среду	3207150,1	562,95	17,57
воздуха, подсасываемого в печь	51461,82	9,03	0,27	Потери тепла  с отходящими газами	4676470,79	820,86	25,63
воздуха вторичного, поступающего из холодильника	256182,99	44,97	1,36	Потери тепла  с химическим недожогом топлива	160354,55	28,15	0,88
ИТОГО	18244914,99	3296,02	100	ИТОГО	18244796,28	3202,51	100

 

Система уравнений, описывающая тепловые процессы, протекающие во вращающейся печи:

 

Обоснование необходимости автоматизации процесса обжига клинкера цемента во вращающееся  печи:

Эффективность работы вращающихся печей цементной  промышленности в немалой степени  зависит от наладки технологического оборудования, процесса обжига клинкера и режима эксплуатации печей при  выпуске клинкера высокой активности, минимальном расходе топлива  и высоких технико-экономических  показателях.

Комплекс  процессов, происходящих во вращающихся  печах под воздействием тепловой энергии, весьма обширен и сложен. Процессы горения топлива, движения газов и материала, теплообмена  и физико-химических превращений  сырьевой смеси тесно связаны  между собой и каждый из них  имеет решающее значение. Они и определяют основные мероприятия при проведении наладки: подбор оптимального химического и минералогического состава клинкера в сырьевой смеси, обеспечивающего необходимые условия для высокоэффективной работы печи и стабильности процесса; выбор рациональной конструкции теплообменных устройств для интенсивного теплообмена и снижения потерь теплоты; отработка рационального режима сжигания топлива, обеспечивающего экономное его расходование и интенсивность высокотемпературных процессов; выбор оптимальных режимных параметров и отработка методов управления процессами.

Производительность  печей, удельный расход топлива зависят  не только от конструктивных и технологических  исходных характеристик, но и от режима работы. Форсирование режима до известного предела повышает производительность, но увеличивает унос материала, температуру  отходящих газов, удельный расход теплоты. Дальнейшее форсирование может привести к сокращению производительности из-за большого уноса при одновременном резком увеличении удельного расхода теплоты. Уменьшение нагрузок печей против оптимальных также расстраивает их работу: происходит смещение зон, пересушка материала и т.д.

Выбор и поддержание  оптимальных нормативов, показателей  и параметров технологического процесса оказывает решающее влияние на получение  продукции заданного качества, а  также на экономику предприятия.

Обжиг клинкера - самый сложный, важный и энергоемкий  передел. Общие энергозатраты на производство цемента распределяются примерно следующим образом: подготовка сырья - 10%, обжиг клинкера - 79%, помол цемента - 10%, прочие - 1%. Поэтому наладка процесса обжига, снижение энергозатрат, прежде всего затрат топлива приобретают исключительное значение.

В основе наладочных работ лежит анализ процессов, происходящих в печи при многочисленных изменяющихся факторах. Не следует полагать, что  проведение обычных наладочных работ  обеспечит полную оптимизацию процесса обжига клинкера. Каждый оптимальный  режим может быть рассчитан только с применением средств вычислительной техники на основании достаточно обширной и точной технической и  химико-технологической информации, что требует специальных исследований.

Совершенствование организаций и методов наладки, испытаний технологического оборудования, безусловно, способствует повышению  технической культуры его эксплуатации, повышению эффективности цементного производства и ускорению освоения проектных мощностей предприятий.

Интенсивное развитие цементной промышленности в последние годы, внедрение печных установок большой единичной  мощности, вовлечение в производственный процесс сырьевых материалов более  низкого качества ставят перед цементным  производством новые проблемы.

Специальные средства контроля для процесса обжига клинкера, по мокрому способу.

1. Газоанализирующие устройства. Для оценки нормального хода процесса обжига клинкера в печи и экономичности работы используется устройства, измеряющие состав отходящих газов: содержание кислорода О₂, углекислого газа СО₂ и горючих компонентов СО.

 

2. Устройство контроля положения зоны сушки. Задача повышения эффективности работы цементообжигательных печей и управления ими в оптимальном режиме (с минимумом потерь или максимумом производительности) требует создания принципиально новых устройств контроля работы отдельных зон печи. Одним из таких устройств является устройство контроля положения зоны сушки.

 

3. Устройство контроля температуры материала внутри печи. Среди основных параметров, характеризующих ход процесса обжига в различных зонах печи, главенствующее место принадлежит температуре материала. Этот параметр может контролироваться с помощью серийно выпускаемых термопар градуировок ХК и ХА. В качестве вторичных приборов, измеряющих термоэлектродвижущие силы, развиваемые термопарами, используются электронные потенциометры типа ПСР с классом точности 0,5. В соответствии с внедряемой сейчас в нашей стране Государственной системой приборов (ГСП) потенциометры ПСР заменяются приборами типа КСП.

 

4. Цветовой пирометр типа. Температура в зоне спекания вращающихся печей не может быть измерена с помощью термопар. Этому мешают высокая температура материала в рассматриваемой зоне (около 1450 °С) и газа (свыше 1800 °С), химическое и механическое воздействия материала на чехол термопары, переменная во времени толщина обмазки и другие факторы. Поэтому для измерения температуры в зоне спекания применяют бесконтактные методы пирометрии, к которым относятся радиационный, яркостный и цветовой. Их основные преимущества: отсутствие контакта с контролируемой средой, значительно меньшая инерционность измерения и др.