Более двух веков известь (CaO) и углекислый газ (CO2), являются основными веществами, применяемыми для очистки сахаросодержащих растворов. Традиционно их получают путем обжига известнякового камня (известняка) твердым топливом (в основном коксом, реже углем) в шахтных известково-газовых печах.
Качество получаемых, из известково-газовой печи продуктов зависит от следующих факторов:
- подготовка и дозировка компонентов шихты;
- равномерное распределение шихты по поперечному сечению печи;
- соблюдение технологического режима процесса обжига известняка;
- эффективности станции очистки сатурационного газа и известкового молока;
- наличие системы автоматического управления известковым отделением.
В данной статье изложены основные принципы реконструкции известково-газовых печей для повышения эффективности их работы, накопленные "Техинсервис" в процессе многолетнего опыта эксплуатации и инженерных исследований.
1. Реконструкция тракта подготовки шихты, известково-газовой печи и станции очистки сатурационного газа
Под реконструкцией подразумевается осуществление следующих мероприятий:
- модернизация грохотов первичного отсева камня и топлива перед бункерами запаса;
- установка новых вибропитателей камня и топлива с возможностью отсева;
- установка дозатора топлива;
- установка транспортёров отсева камня и топлива;
- установка весов шихты;
- установка поворотного загрузочного устройства;
- установка распределительного устройства;
- установка оборудования очистки и охлаждения сатурационного газа;
- внедрение системы автоматического управления.
В основном, печи сахарных заводов оборудованы различными типами выгрузочных устройств извести: каретки Антонова, поворотная улита и качающийся стол.
Каретки Антонова и поворотная улита не обеспечивают равномерной выгрузки извести из печи. Через них невозможно подать воздух в центральную зону печи. В этом случае необходима замена этих устройств на конус-рассекатель в комплекте с вибропитателями, установка которых позволяет устранить все недостатки.
Предлагаемые проекты реконструкции предусматривают внедрение нового оборудования, разработанного "Техинсервис" и изготавливаемого Гребёнковским заводом "Сахпроммеханизация". В комплект поставки входит оборудование, программное обеспечение системы автоматического управления, инструкции по эксплуатации и технологическому контролю.
Технические приемы и "НОУ-ХАУ" реализованы на предприятиях Украины, России, Белоруссии, Польши и Латвии.
Поступающие со склада, известняк и топливо проходят предварительную очистку в грохотах и подаются в бункеры запаса. Принцип работы комплекса оборудования показан на Рис. 1.
Рис. 1. Схема оборудования и механизмов известково-газовой печи
Из бункера "известняк" камень вибропитателем подаётся на транспортёр смешения шихты Тр1. При этом, на лотке вибропитателя, происходит окончательный отсев камня. Мелкая фракция и песок удаляются транспортёром отсева камня Тр2.
Из бункера "топливо" кокс или уголь вибропитателем подаётся в дозатор топлива. Мелкая фракция топлива удаляется транспортёром Тр3. В дозаторе взвешивается заданная порция топлива. Из дозатора, оснащённого вибролотком, взвешенная доза топлива подаётся на транспортёр смешения шихты Тр1. Скорость подачи камня и топлива устанавливается таким образом, чтобы слой топлива равномерно покрывал слой камня на транспортере.
Взвешивание заданных порций топлива и шихты в скиповом подъёмнике осуществляется соответствующими тензодатчиками.
Транспортёром смешения Тр1 шихта направляется в вагонетку скипового подъемника.
Скиповым подъёмником шихта подаётся в бункер загрузочного устройства (УЗП), которое состоит из поворотного приёмного бункера и одноклапанного затвора.
После каждого поступления шихты из скипа в бункер, последний совершает поворот на заданный угол. Это необходимо для исключения сегрегации шихты при односторонней выгрузке её из скипа в бункер.
При подъеме клапана шихта поступает в печь на распределительное устройство. Распределительное устройство состоит из конуса-рассекателя, нескольких рядов неподвижных отбойников и защитного цилиндрического кожуха. Размеры конуса, количество и конфигурация отбойников рассчитываются индивидуально, в зависимости от внутреннего диаметра печи и фракции известнякового камня. Устройство обеспечивает однородное, равномерное распределение шихты по поперечному сечению печи на расчётном рабочем уровне.
Ниже приведены эксплуатационные показатели реконструированных известково-газовых печей:
| Расход топлива на обжиг известняка, % к массе камня |
- не более 6,8…7,5 1 |
| Степень обжига известняка, % |
- не менее 92 |
| Производительность печи, т извести/м2 в сутки |
Номинальная - до 14 |
| Концентрация СО2 в сатурационном газе, % |
- не менее 34 |
| Температура газа на выходе из печи, ° С |
60-1502 |
| Температура извести на выходе из печи, ° С |
- не более 50 |
1 Верхний предел - в зависимости от влажности и качества топлива.
2 Верхний предел - при переработке сахара-сырца.
Эффективная работа станции очистки и охлаждения газа имеет важное значение для эксплуатации газовых компрессоров и процесса сатурации.
Станция очистки и охлаждения газа должна обеспечивать минимальное аэродинамическое сопротивление, охлаждение газа до температуры не более 50°С, эффективное отделение воды после газового компрессора. На Рис. 2 приведена, разработанная "Техинсервис", принципиальная схема станции очистки сатурационного газа с замкнутым контуром оборотного водопотребления.
Рис. 2. Схема очистки сатурационного газа
В комплект поставки входит:
- Сухая ловушка с бункером пыли и затвором, поз. 1;
- Лавер (мокрый скруббер) на пересекающихся струях, поз. 2;
- Водоотделитель, поз. 3;
Горячий газ из печи поступает в сухую ловушку 1, в которой происходит осаждение крупной фракции пыли. Из сухой ловушки газ поступает в лавер 2. Проходя через водяные завесы газ охлаждается, а мелкая пыль, смоченная водой, удаляется в сборник-гидрозатвор 4. Конструктивной особенностью лавёра является создание эффективного процесса тепломассообмена в малом объёме при минимальном аэродинамическом сопротивлении. Охлаждённый и очищенный газ, через водоотделитель 3 поступает в газовый компрессор 6.
Из водокольцевого газового компрессора газо-водяная смесь, под давлением, поступает в ресивер газа 7. Важное значение для отделения воды от газа имеет правильный выбор габаритов ресивера, подвод в него трубопровода газо-водяной смеси и автоматическое поддержание заданного уровня воды. В противном случае возможен "заброс" воды на сатурацию.
Основные технико-экономическими показателями работы схемы очистки и охлаждения газа:
- номинальная производительность по газу - 4500÷7800 м3/ч;
- степень очистки газа в лавере - 95% (при начальной концентрации пыли не более 1400мг/м3);
- аэродинамическое сопротивление - лавера не более 80 мм.вод.ст., всей схемы - не более 200 мм.вод.ст.;
- температура газа на выходе из лавера - не более 50°С;
- схема работает в замкнутом контуре оборотного водопотребления;
- потребление технической воды предусмотрено:
- при аварийной ситуации;
- при подпитке оборотного контура, в случае отсутствия сброса воды из ресивера 7 в сборник-гидрозатвор 4
2. Система управления.
"Техинсервис" разработаны несколько вариантов современных систем автоматического управления (САУ) на базе микропроцессорной техники и использованием частотных преобразователей на приводах отдельных механизмов:
- процессом загрузки шихты, обжига и выгрузки извести;
- процессом загрузки шихты, обжига, выгрузки извести и производительностью газовых компрессоров;
- комплексная САУ известковым отделением и компрессорной.
Реконструкция известково-газовых печей по технологии "Техинсервис" позволяет приблизить процесс обжига к оптимальному.
3. Особенности горения топлива и разложения известняка
Известняк соответствующего гранулометрического (фракционного) состава, смешанный с топливом, периодически загружается в печь. Однородность гранулометрического состава известняка и топлива является очень важным фактором процесса обжига.
Известно, что в процессе обжига известнякового камня протекают следующие основные реакции:
| реакции, протекающие при горении топлива |
реакции, протекающие при разложении известняка |
| 1 |
C + O2 = CO2 |
а) первичные реакции |
| 2 |
CO2 + C « 2CO |
7 |
CaCO3 = CO2 + CaO |
| 3 |
CO + 1¤ 2O2 = CO2 |
8 |
MgCO3 = CO2 + MgO |
| 4 |
C + H2O = CO + H2 |
б) вторичные реакции |
| 5 |
S + O2 = SO2 |
9 |
x CaO + Al2O3 = x CaO· Al2O3 |
| 6 |
S + H2 = SH2 |
10 |
y CaO + SiO2 = y CaO· SiO2 |
| |
|
11 |
z Ca O + Fe2O3 = z CaO· Fe2O3 |
| |
|
12 |
CaO + CO2 = CaCO3 |
В условиях шахтной известково-газовой печи в первой фазе сгорания топлива без избытка воздуха протекают реакции 1, 4 и 5. Во второй фазе - реакция 2. Если в зоне обжига температура поднимается выше 1150 °С, равновесие реакции 2 сдвигается в сторону образования СО, т.е. температура обжига свыше 1150°С является основной причиной присутствия СО в сатурационном газе.
Высокое содержание СО в газе - следствие неравномерного распределения топлива по сечению печи и наличия очагов с повышенной температурой горения.
Температуру обжига необходимо поддерживать на возможно низком уровне, не только с целью экономного расходования топлива, а прежде всего, для производства более активной извести быстро и хорошо гасящейся. Известь, полученная при высоких температурах - твердая и медленно гасится.
Время гашения извести зависит от температуры обжига и колеблется в значительных пределах:
| Температура обжига, ° С |
800 |
1000 |
1200 |
1400 |
| Время гашения, мин |
2 |
7 |
20 |
67 |
Конструкция и размеры известегасильных аппаратов, эксплуатируемых на сахарных заводах, обуславливают время пребывания извести в них около 8...12 минут. Если температура обжига превышает 1150-1200 °C, возможен "проскок" непогашенной извести, которая будет удалена из аппарата вместе с "перепалом" и песком.
Следовательно, границы условий получения хорошо обожженной, высокоактивной извести и сатурационного газа довольно узкие. Температура в зоне обжига должна находиться в пределах 1000-1100 °С, а время пребывания кусков известняка в этой зоне и в печи зависит от его гранулометрического состава и минералогической структуры. Примерное время, необходимое для обжига известнякового камня средней твердости, при температуре 1000 °С в зависимости от его размеров составляет:
| Средний размер камня, мм |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
| Время, необходимое для обжига, часы |
4 |
8 |
15 |
20 |
28 |
35 |
| Время пребывания в печи, часы |
6 |
17 |
30 |
40 |
56 |
75 |
СаО, полученная в результате обжига СаСO3, может реагировать с примесями, содержащимися в сырье, например с SiO2, Al2O3, Fe2O3 и др. При этом, особо велика роль тех примесей, которые в четырехкомпонентной системе CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3 образуют соединения, имеющие температуру плавления близкую к температуре обжига. Расплавленные соединения спекаются в большие агломераты, так называемые "козлы". Это вызывает серьезные нарушения в работе печи. При охлаждении расплавы образуют стекловидное покрытие поверхности кусков обожженной извести, что значительно затрудняет их реагирование с водой во время гашения. Это вторичное явление, происходящее при "пережоге" извести.
Практически, обжигаемый известняк не содержит достаточного количества примесей для создания условий образования низкоплавящихся соединений. Однако, в случае значительного загрязнения известняка глиной и песком, могут появиться локальные очаги низкоплавящихся смесей. Это может быть вызвано также и присутствием золы топлива. Низкоплавящиеся многокомпонентные системы чаще всего образовываются в местах контакта извести с обмуровкой печи. В случае, когда СаО контактирует с СО2 при температуре 500-850 °С, может происходить процесс рекарбонизации, скорость которого увеличивается с ростом температуры.
Поэтому режим обжига должен быть таким, чтобы не создавались условия, благоприятствующие рекарбонизации.
При загрузке, важно равномерно распределить шихту по сечению печи. При неравномерном распределении шихты, деформируется поле скоростей газа, происходят серьезные нарушения в режимах процесса обжига.
Фракционный состав топлива должен быть таким, чтобы зона его горения и зона обжига известняка находились в одном интервале по высоте, а время сгорания топлива совпадало со временем обжига известняка. Из опыта эксплуатации шахтных печей, подтверждаемого теорией, это условие выполняется, когда размер куска топлива составляет примерно половину размера куска камня.
Большое значение имеет аэродинамическое сопротивление печи. Рекомендуется использовать, для обжига, куски известняка размером не менее 0,015…0,02 диаметра печи. Например, для печи диаметром по футеровке 3950 мм минимальный размер куска известняка - 60...80 мм.
Для получения извести хорошего качества необходимо применять известняк гранулометрического состава с соотношением максимального и минимального размеров кусков, не превышающим 1,5. Например, 60 - 90 мм или 80 -120 мм.
Известно, что в шахтной известково-газовой печи, имеются три основные зоны - подогрева, обжига и охлаждения.
Газ необходимо отбирать из пространства над зоной подогрева, между уровнем шихты и сводом печи.
При чрезмерно низких температурах обжига получается не полностью обожженная известь, т.н. "недопал" и газ с меньшим содержанием СО2, а при очень высоких температурах и большой протяженности зоны обжига получается пережженная известь - "перепал", которая трудно и медленно гасится.
Холодный воздух, необходимый для процесса горения топлива, подается в нижнюю часть шахты печи, охлаждает обожженную известь и одновременно нагревается. Охлажденная до температуры » 30÷60°С известь, вместе с золой сгоревшего топлива, отбирается из нижней части печи.
Реконструкция известково-газовых печей по технологии "Техинсервис" позволяет приблизить параметры процесса обжига известняка к оптимальным, а сам процесс сделать регулируемым.
Литература:
1. Н.П. Табунщиков, Л.Д. Шевцов "Получение извести и сатурационного газа для технологических нужд сахарного производства" (Обзор), ЦНИИТЭИ, Пищепром, Москва 1973
2. А.В. Монастырёв "Производство извести", Москва "Высшая школа" 1975
