Цепь измельчения V-SEPARATOR:

• Отделение мелкого материала от свежего;
• Высыхание влаги из свежего материала;
• Охлаждение горячего свежего материала;
• Дегломерация;
• Смешивание свежего материала и крупки;
• Предотвращение образования отложений при шлифовании;
• Производство готового материала с индивидуальным размером зерна.

Преимущества:

• Все внутренние части неподвижны и имеют ровные и ровные поверхности, как и корпус;
• Простая, но эффективная защита от износа;
• Устранение необходимости в техническом обслуживании на долгие годы;
• V-СЕПАРАТОР представляет собой несложный статический сепаратор без каких-либо движущихся частей;
• Выполняет целый ряд технологических функций;
• Это значительно расширяет область применения измельчения под высоким давлением;
• Снижение инвестиций в оборудование;
• V-сепаратор также способствует экономии энергии.

На рисунке показан принцип помола в вертикальной роликовой мельнице фирмы Loscheс системой ведущего и опорного ролика

В VRM измельчение происходит за счет сдавления и сдвигающих усилий (трения), которые передаются через помольные ролики. В вертикальной цементной мельнице создается давление с помощью гидравлической системы, давление воздействует на материал между помольным роликом и помольным столом таким образом, чтобы достичь цели измельчения.

Огромные проблемы, связанные с увеличением затрат на электроэнергию, привели к замене существующего измельчающего оборудования новыми мельницами. Однако в большинстве случаев такая замена не является экономичной, основанной только на экономии энергии.

Проблема экономии энергии при помоле привела к применению для помола цемента новых типов мельниц, таких как вертикальные роликовые мельницы (VRM). вертикальная цементная мельница объединяет в себе функции дробления, сушки, измельчения, сортировки и транспортировки, она измельчает сыпучие, гранулированные или порошкообразные материалы в порошкообразный материал по мере необходимости. Вертикальная цементная мельница применяется для переработки негорючих и невзрывоопасных минеральных материалов с твердостью по Моосу ниже 8 класса. Вертикальная мельница может одновременно сушить и измельчать материалы с влажностью до 10%;

Последние мировые технологические тенденции действительно отражают эти разработки: большинство концепций нового оборудования ориентированы на VRM.

Наименьший размер шара должен быть, как минимум, по крайней мере в два раза больше, чем ширина прорезей в выгрузочной решетке. Например, диаметр шара ≥ 16 мм при ширине прорези ≤8 мм. по этой причине, как правило, рекомендуется использовать шары диаметром ¾ дюйма (19 мм) как наименьший размер в конце мельницы. 5/8 дюйма можно использовать при установке новых перегородок, но часто это проблематично при эксплуатации при износе решеток.

Самые низкие энергозатраты достигаются при степени заполнения 24-26%, поэтому существует возможность снизить энергопотребление, если не нужна высокая производительность мельницы.

На практике наиболее эффективным считается такое заполнение барабана, при котором уровень мелющих тел и измельчаемого материала не доходит до его осевой линии. В промышленном производстве, например, коэффициент заполнения мелющими телами обычно не превышает 0.35-0.4.Перегрузка и недогрузка мельницы шарами нерациональны: перегрузка ведет к повышенным расходам энергии и шаров, а недогрузка снижает производительность.

Производительность барабанных мельниц зависит от диаметра, рабочего объема, скорости вращения, конструктивных особенностей, размера и формы мелющих тел, твердости и крупности кусков руды (исходных и измельченных), плотности пульпы и выхода конечного продукта. Производительность мельниц подсчитывают по удельной затрате энергии.

Мощность, потребляемая шаровой мельницей, зависит только от физических параметров мельницы: диаметра, длины барабана, скорости вращения, коэффициента мощности А и размера шаров.

Вращающаяся шаровая мельница может рассматриваться как несбалансированный маховик. Она приближается в наибольшей степени дебаланса, когда происходит простое вращение сухой дробящей среды и не производится никакая полезная работа. В этих условиях для поддержания вращения мельницы требуется максимальная мощность.

Модель Слегтена расчета шаровой загрузки:

1 камера дробления

• Равное количество шаров (n) в каждом диапазоне размеров 80; 70 и 60 мм, к ним добавить шары 90 мм, чтобы измельчать крупные частицы клинкера.

2 переходная зона (начало второй камеры)

• Заполнить самыми большими шарами этой зоны (иногда совпадает с наименьшим размеров шара в первой камере). Конструктивно для этой зоны используют шары 50 и 40 мм.

Вторая камера (тонкий помол)

• Распределение шаров менее 40 мм следует из формулы: D=3.3e^-0,1x
• Где D– диаметр шаров, мм; х – расстояние от конца переходной зоны, м
• Шары диаметром 30 мм начинают загружать по окончанию переходной зоны и далее по формуле.

Факторы, определяющие эффективность работы помольного агрегата:

• Степень заполнения объема мельницы мелющими телами;
• Качество и ассортимент мелющих тел;
• Интенсивность аспирации рабочего пространства мельницы;
• Величина и равномерность питания мельниц материалом, автоматизация мельницы.

Скорость вращения

Зная принцип работы барабанной мельницы, очевидно, что скорость вращения барабана имеет очень большое значение. Скорость задает траекторию движения мелющих тел, а, следовательно, и характер воздействия на измельчаемый материал.

Скорость, при которой все содержимое барабана прижимается к его стенкам и начинает вращаться вместе с ним, называется критической скоростью n_кр(об\мин) и рассчитывается по формуле:

Скорость вращения мельниц обычно равна 0,70-0,85 от критической. В процессе измельчения шары при указанных условиях поднимаются в мельнице на достаточную высоту и эффективно дробят материал. При частоте вращения менее 0,75-0,85 от критической, создается водопадный режим измельчения – основная масса мелющих тел поднимается вместе с внутренней поверхностью на некоторую высоту, а затем, отрываясь, свободно падает под действием сил тяжести по траекториям, близким к параболическим. Измельчение клинкерных зерен в данных условиях происходит преимущественно ударом. Водопадный режим применяется при измельчении более крупного материала (в первой стадии). При смешанном режиме измельчения одна часть мелющих тел участвует в свободном полете, а другая – перекатывается внутри барабана по замкнутым траекториям, измельчая руду ударом и истиранием. Каскадный режим наиболее тихоходный, скорость вращения составляет 0,5-0,6 от критической, при этом свободный полет мелющих тел исключен, т.к. они непрерывно циркулируют внутри барабана, поднимаясь по круговым траекториям на некоторую высоту, затем скатываясь под углом, близким к углу естественного откоса. В воде нормальный угол откоса шаров составляет около 30°. При каскадном режиме материал измельчается преимущественно истиранием, он является наиболее эффективным для второй камеры мельниц.

Самым высокопроизводительным считается смешанный режим, который возникает при скорости около 0,7-0,75 от критической.

Для футеровки трубных цементных мельниц, применяемых в цементной промышленности, изготовляют преимущественно бронеплиты следующих типов (см. рисунок).

Типы профилей футеровочных плит шаровых мельниц: а – одноволновой; б – двухволновой; в – каскадный; г – блочный; д – с подъемной планкой; е – унифицированный; ж – плоский; з – цилиндрический полочного типа из стального проката; и – ступенчатый; к – каблучковый обыкновенный; л – конусно-ступенчатый с каблучковой поверхностью; м – резиновая.

Общий вид бронефутеровки камер мельницы

Для рационального распределения (классификации) мелющих тел по размеру в направлении движения измельчаемого материала используют классифицирующие цилиндрические самосортирующие бронефутеровки полочного типа. Классификация мелющих тел происходит за счет чередования футеровочных плит с выступами и без них и изменения размера выступа. Классификация мелющих тел также происходит при использовании бронеплит конусно-ступенчатой формы с каблучковой поверхностью и конусно-волнистой формы. Самосортировка мелющих тел при использовании конусных плит состоит в самораспределении по длине мельницы шаров разного диаметра. Футеровка устанавливается так, чтобы рабочая поверхность плиты образовывала набор коротких усеченных конусов, которые обращены своим большим основанием в сторону загрузки. Подобное расположение плит гарантирует распределение мелющих тел с уменьшающимся размером в сторону движения измельчаемого материала. В зоне загрузки находятся шары большего диаметра для разрушения кусков крупного размера, а при их удалении от места загрузки располагаются шары меньшей массы, которые необходимы для измельчения мелкокускового материала. Количество таких шаров необходимо большее. Сцепление между материалом, шарами и плитами достигается за счет каблучковой или волнистой поверхности. Размеры каблучков принимают равными диаметру самых больших шаров. Установлено, что футеровки быстро изнашиваются при меньшем диаметре каблучков из-за малого сцепления с шаровой загрузкой. Расстояния между каблучками выбирают исходя из следующего условия: самые малые шары не должны заклиниваться между каблучками.

Одними из самых распространенных футеровочных плит цилиндрической части барабана шаровых мельниц, выпускаемых отечественными заводами, являются ступенчатые футеровки. Резиновая футеровка применяется при следующих условиях эксплуатации мельниц: среда должна быть нейтральной, кислотность pH допускается не более 8-10 единиц; температура среды не выше 80°С; диаметр загружаемых шаров не более 80 мм; размер частиц загружаемого материала на более 20 мм. Массивные защитные резиновые футеровки позволяют экономить сотни тонн дорогостоящих дефицитных хромоникелесодержащих высоколегированных сталей, обеспечивает длительную работу оборудования – в течение заданного межремонтного периода всей линии в целом. Такие футеровки гарантируют снижение шума и создают условия для облегчения труда персонала. В футеровках из резины обычно применяется схема "лифтер - плита", что обусловлено характеристиками износа этого материала.

Футеровки обычно изготавливаются в виде отдельных плит соответствующих размеров. Габаритные размеры футеровочных плит определяются исходя из возможности их подачи внутрь барабана мельницы через люк или загрузочную цапфу, а также масса плит при толщине в пределах 40 – 50 мм; ширине как правило 300 – 400 мм; длине 350 – 500 мм равна 25-60 кг. Различают следующие способы крепления футеровки: болтовой и безболтовой. Чаще всего плита крепится к корпусу мельницы одним или двумя болтами. Особое значение уделяется надежности крепления плиты к корпусу. Безболтовая технология крепления плит предполагает стыковку футеровок за 15 счет краев необходимой высоты отдельных плит друг с другом. Футеровка внутри барабана мельницы укладывается таким образом, чтобы зазоры между плитами, направленные вдоль оси вращения корпуса, составляли прямую линию, а зазоры, идущие поперек корпуса, образовывали зигзагообразную линию. При такой схеме расположения плит исключается возможность перекатывания размалываемого материала вдоль поперечных зазоров и истирания им корпуса мельницы.

Более 2000 мельниц по всему миру оснащены футеровками компании "Christian Pfeiffer" в 1-й и 2-й камере, которые обладают износостойким профилем и новым видом крепления футеровочных плит (система Compact Lining). С помощью многоступенчатой термической обработки футеровок достигается гомогенная, непрерывная структура материала, которая гарантирует высокую износостойкость и прочность футеровки мельницы.

В результате целого ряда серий испытаний "Christian Pfeiffer" оптимизировал форму прогрессивных ступенчатых футеровок до такой степени, что достигается наилучшее измельчение материала мелющими шарами. Характер формы лифтеров сохраняется на протяжении всего срока службы, в связи с чем, эффективность мельницы в течение всего срока эксплуатации также остается постоянной.

Сегодняшние разработки в большей степени касаются резино-металлических футеровок, которые обладают высокой прочностью на растяжение и коррозионной стойкостью.

Клинкер, выйдя из холодильника через распределительную течку и запорные клапаны, попадает на ковшовый ячейковый транспортер и поступает в силосы клинкера. Температура клинкера, попадающего на транспортер колеблется от 70 до 150^°С.

Ковшовые транспортеры применяются в качестве технологического транспорта цементного производства для подъема материала под углом до 60-85°С от начального до конечного пункта без промежуточной загрузки и разгрузки. Материал перемещается с помощью ковшей, укрепленных через равные промежутки (или сомкнутых между собой) на бесконечном тяговом органе - цепи или ленте.

Ковшовый  транспортер для клинкера. Заполнение ковшей на 25…70%.

На цементных заводах, построенных до 1970 г., клинкер хранится на открытых складах. Склад представляет две опорные стены, на которых крепятся пути для мостового грейферного крана.

На складе одновременно хранятся минеральные добавки (доменный шлак, зола уноса, известняк и гипс). Примерное расположение материалов на складе показано на рисунке ниже. Пролет грейферного крана 60…76,2 м определялся размерами обслуживаемого транспортного поля, а объем грейфера вместимостью 0,25…3 м³. Высота штабеля материала достигает 25 м. количество обслуживающих мостовых грейферных кранов должно быть не менее  двух.

Дозировка в данном случае идет по объему. Зная насыпную плотность каждого компонента, технолог рассчитывает количество ковшей для загрузки для каждого типа цемента. Например, для бездобавочного цемента на каждые 8 ковшей клинкера подается один ковш гипса. В бункере и при дальнейшем передвижении материала в мельницу компоненты перемешиваются.

Источник www.etwinternational.ru

Удельный расход тепла при производстве клинкера варьируется от 2900…3150–750 кДж/кг клинкера в печах сухого способа производства производительностью от 4000 до 7000 тонн в сутки, оборудованных прекальцинатором (декарбонизатором) с циклонными теплообменниками. Существуют производственные установки с лучшим или худшим потреблением тепла, в зависимости от их возраста, конструкции, сырья, топлива и местных условий.

Для стадии пирообработки от циклонного теплообменника до клинкерного холодильника при определении удельного расхода тепла преобладают следующие факторы:

Циклонный теплообменник:

• перепад давления в теплообменнике;
• эффективность верхних циклонов;
• запыленность газов, выходящих из теплообменника;
• температура газов, выходящих из теплообменника;
• эффективность вентилятора теплообменника;
• удельная потребляемая мощность вентилятора циклонного теплообменника.

Предварительный кальцинатор (предкальцинатор):

• процентное содержание топлива, подаваемого в предкальцинатор от общего расхода топлива на обжиг;
• достигнутая степень декарбонизации;
• время выдержки в предкальцинаторе;
• температура на выходе из предкальцинатора;
• перепад давления в камере предкальцинатора;
• CO на выходе из предкальцинатора;
• удельный объем предкальцинатора, включая воздуховоды;
• удельная тепловая нагрузка в предкальцинаторе (млн кДж/ч/м³).

Вращающаяся печь:

• производительность в тоннах/сутки;
• объем печи;
• тепловые нагрузки в зоне горения;
• степень наполнения материалом;
• время нахождения материала в печи;
• среднее время между полной сменой огнеупоров;
• скорость вращения и наклон печи.

Клинкерный холодильник:

• удельная производительность на площадь колосниковой решетки в тоннах/сутки;
• температура клинкера, выходящего из холодильника;
• эффективность рекуперации тепла;
• температуры вторичных и третичных воздушных потоков;
• температура вентиляционного воздуха;
• охлаждающий воздух в Нм³/кг клинкера;
• толщина слоя клинкера на решетке;
• удельное энергопотребление холодильника с его вспомогательными устройствами, такими как решетки, вентиляторы, измельчитель клинкера и т.д.

Как уже отмечалось, экономия тепла в различных печных системах зависит главным образом от размера, количества ступеней циклонного теплообменника, скорости перепуска печного газа, если таковой имеется, состава сырьевой смеси и типа топлива.

Кроме того, печь с  предкальцинатором и печь без предкальцинатора с одинаковым количеством ступеней  циклонного теплообменника могут не иметь большой разницы в удельном расходе тепла. Это связано с тем, что в системе циклонных теплообменников печи более низкие потери излучения от циклонов компенсируются значительно более высокими потерями излучения от печи. В печах с предкальцинатором это соотношение обратное.

Что касается удельного энергопотребления, то элементами оборудования, требующими наибольшей мощности в системе обжига, являются двигатели вентиляторов отходящих газов из печной установки, двигатели вентиляторов  колосникового холодильника и приводной двигатель печи.

Потребляемая мощность вытяжных вентиляторов в основном зависит от общей потери давления в системе печи. Основная часть этого перепада давления происходит в циклонных теплообменниках. Этот перепад давления может уменьшаться за счет увеличения размеров циклона теплообменника, но для данной геометрии теплообменика для стабильной работы необходим определенный минимальный перепад давления.

Вообще говоря, общее удельное энергопотребление системы обжига с предкальцинатором и с колосниковым холодильником будет выше, чем у системы обжига без предкальцинатора.

Для системы циклонных теплообменников с перепадом давления 400 мм рт. ст. удельное энергопотребление оценивается в 9 кВт*ч/т клинкера, а для системы с предкальцинатором аналогичной конфигурации, но с перепадом давления 520 мм рт. ст. удельное потребление электроэнергии оценивается в 16 кВтч/т.

Несмотря на это различие, система печей с предкальцинатором является предпочтительным вариантом для современных крупнотоннажных установок по производству цемента из-за ее многочисленных преимуществ.

Перспективность применения сухих печей обусловлена тепловой экономичностью, высокой удельной производительностью, простотой конструкции, малыми размерами и низкими капитальными затратами. Недостатки печей этого типа высокий расход электроэнергии и относительно низкая стойкость футеровки. Кроме того, они чувствительны к изменению режима работы печи и колебаниям состава сырья. Поскольку степень декарбонизации цементной сырьевой муки, поступающей из циклонного теплообменника в печь, не превышает 35%, материал должен оставаться в печи продолжительное время для завершения процесса обжига. Для интенсификации процесса разработаны системы трехступенчатого обжига, принцип которого заключается в том, что между циклонным теплообменником и вращающейся печью встраивается специальный реактор-предкальцинатор. Сжигание топлива и декарбонизация материала в таком реакторе происходят в вихревом потоке газов.

В таблице 1 приведены показатели работы вращающихся печей цементной промышленности Японии.

Эти данные показывают, что удельная производительность печей с циклонными теплообменниками в 3 раза выше, чем печей мокрого способа. Удельная производительность печей с циклонными теплообменниками на практике в отдельных случаях более высока ≈73 кг/ (м³·ч), а при осуществлении мер по повышению частоты вращения может быть доведена до 95,8 кг/ (м³·ч).

В настоящее время основное наиболее эффективное и перспективное направление развития техники производства цементного клинкера сухим способом состоит в применении и усовершенствовании вращающихся печей с циклонными теплообменниками и предкальцинатором.

На вращающихся печах мокрого способа производства производительностью свыше 50 т/ч для охлаждения клинкера устанавливают колосниковые холодильники «Волга».

На современных печах сухого способа охлаждение клинкера производится на колосниковых холодильниках разных фирм, имеющих некоторые отличия.

Теплопередача от холодильника косвенно влияет на производительность печи, что имеет решающее значение для производства цемента. Колосниковые клинкерные холодильники минимизируют температуру клинкера за счет ощутимого нагрева, что приводит к рекуперации энергии. Горячий клинкер выходит из вращающейся печи в колосниковый охладитель при температуре приблизительно 1400°C и охлаждается до температуры, которая на 85°C выше температуры окружающей среды.

Рекуперированный горячий воздух из охладителя используется в качестве вторичного воздуха для содействия полному сгоранию топлива из горелки печи. Оставшееся рекуперированное тепло также используется в качестве топлива для предварительного обжига (третичный воздух). Отработанное тепло передается в окружающую среду через циклон или рукавный фильтр для удаления пыли. В этом варианте воздух направляется в слой клинкера более эффективно, чем это возможно в обычной конструкции. Кроме того, решетки, используемые с воздушными балками, называемые «решетками с регулируемым потоком», позволяют воздуху проходить горизонтально через щели в углубления на поверхности решетки. Это в значительной степени устраняет просыпание мелких частиц клинкера и делает воздушный поток менее зависимым от сопротивления слоя. Другие усовершенствования в конструкции колосникового охладителя включают маятниковую раму для подвижной колосниковой решетки, которая, как утверждается, сводит к минимуму техническое обслуживание привода.

Недавнее развитие конструкции колосникового холодильника представляет собой «поперечный охладитель», который полностью состоит из неподвижных колосниковых решеток, транспортировка клинкера осуществляется возвратно-поступательными движениями толкателей над поверхностью решетки. Этот холодильник также оснащен оригинальным регулятором расхода воздуха под каждую решетку, который поддерживает постоянный поток воздуха через слой клинкера независимо от пористости слоя. Инновационные конструктивные особенности также проявляются в холодильниках «Polytrack», «Pyrofloor» и «Eta-cooler», поставляемых различными производителями.

Можно также упомянуть о новом холодильнике с вращающимся диском (RDC), который установлен под разгрузочным концом печи и снабжен системой распределения клинкера (CDS) над медленно вращающимся диском. Специальное извлекающее устройство выгружает клинкер в валковую дробилку, расположенную на внешнем диаметре RDC. Диаметр RDC синхронизирован с диаметром печи и производительностью печи. Общее время пребывания в этом охладителе оценивается в 30 мин, что несколько меньше, чем в охладителе с возвратно-поступательной решеткой (~ 45 мин).

В современном колосниковом охладителе потери тепла могут быть снижены примерно до 400 кДж/кг клинкера.

Рекуперация тепла в виде вторичного и третичного воздуха показана на рисунке, на котором также показаны две зоны охладителя: вентиль с регулируемым потоком (CFG) и быстрое прохождение (RFT). В зоне рекуперации тепла охлаждающий воздух подается непосредственно на колосниковые плиты через систему воздуховодов и полых балок, а не через нижнее отделение решетки, как в обычных холодильниках. Благодаря быстрому прохождению из клинкера устраняется эксплуатационная проблема отвода полос раскаленного клинкера, часто называемая «красной рекой».

Более эффективный холодильник позволяет полностью контролировать вторичный воздух и температуру клинкера. Тепловые потери этого холодильника за счет излучения и конвекции чрезвычайно низки. Более эффективный холодильник обеспечивает быстрое первоначальное охлаждение клинкера. Этот факт имеет большое значение для образования алита. Этот холодильникобеспечивает температуру подачи клинкера около 1360-1400°C, что повышает тепловую эффективность до 72-75%. Подача избыточного охлаждающего воздуха приводит к охлаждению клинкера до 65°C; эта температура позволяет немедленно измельчать клинкер до готового цемента.

На работающих печах мокрого способа производительностью до 50 т/ч охлаждение клинкера производится в рекуператорных холодильниках. Рекуператорные холодильники представляют собой барабаны, расположенные  в виде венка вокруг выгрузочного горячего конца печи, являясь неотъемлемой частью вращающейся печи. Рекуператорные барабаны вращаются вместе с вращающейся печью, без отдельного привода. Применяют холодильники 2-х типов: традиционные короткие, когда 8-12 барабанов диаметром 1,5м и длиной до 7 м подвешены консольно на корпусе печи, и модернизированные удлиненные рекуператоры до 2 м диаметром и длинной до 20 м, которые из-за большой массы устанавливаются на продленном корпусе печи с выносной роликоопорой.

Рекуператорный холодильник – вид на узлы крепления рекуператорных барабанов к корпусу вращающейся печи.

Схема рекуператорного холодильника.

Клинкер через периферийные отверстия в конце печи по загрузочным лейкам (патрубкам) поступает в рекуператоры. Навстречу клинкеру движется воздух, так что холодильник работает по принципу противотока. Для интенсификации теплообмена внутри барабана устанавливаются пересыпные элементы. Форма элементов выполняется таким образом, чтобы клинкер пересыпался по всему сечению рекуператора. В зависимости от температуры клинкера по длине рекуператора устанавливаются пересыпные элементы различной формы.

В высокотемпературной области выполняется футеровка из огнеупорного шамотного кирпича переменной высоты. Далее устанавливаются полки из жаропрочной стали, а затем жаростойкие ковши. Для снижения теплопотерь через корпус необходимо высокотемпературную часть барабана (примерно 65%) теплоизолировать. Весь охлаждающий воздух поступает в печь в виде воздуха для горения (вторичный воздух) с температурой 500-600°С.

Для максимальной теплопередачи во вращающихся рекуператорных барабанах следует поддерживать скорость воздуха на входе клинкера в холодильник 3,8-4,3 м/сек. Эти скорости применимы к избытку воздуха в 10% и к объему вторичного воздуха, составляющему 85% от общего объема воздуха для горения.

Потери тепла через корпус рекуператорных холодильников за счет излучения и конвекции находятся в диапазоне 200-340 кДж/кг клинкера.

Тепловой КПД традиционного рекуператорного холодильника составляет обычно примерно 65%, при этом клинкер охлаждается от 1100 до 300°С, КПД удлиненных рекуператоров достигает 75%, клинкер в них охлаждается до 130°С.

Преимуществом рекуператорного холодильника является простота конструкции, отсутствие привода и избыточного аспирационного воздуха.

Недостатки заключаются в невысоком КПД, в повышенной температуре клинкера и в невозможности регулирования скорости охлаждения.

Процесс охлаждения клинкера является сложным процессом из-за огромного количества взаимодействующих рабочих параметров, таких как: длина клинкерного холодильника, температура окружающей среды, ширина клинкерного холодильника, скорость привода клинкерного холодильника, скорость вентилятора клинкерного холодильника, массовый расход клинкера и воздуха, а также плотность клинкера и воздуха.

Чтобы составить мнение об охладителях клинкера, следует учитывать следующие критерии:

1. Тепловая эффективность охладителя определяет отношение тепла, выделяемого из горячего клинкера и используемого в процессе обжига, к общему теплосодержанию клинкера, выходящего из печи. Тепловой КПД (E) выражается как:

Обозначения:

А-теплосодержание клинкера, выходящего из печи;

B- тепловые потери холодильника клинкера;

B- состоит из:

• теплопотери, выходящего из холодильника воздуха;
• потери тепла при выходе клинкера из холодильника;
• потери тепла из-за излучения холодильника.

Если, например, А =1400 кДж/кг и B =400 кДж/кг клинкер, то тепловая эффективность охладителя клинкера рассчитывается следующим образом:

Тепловой КПД клинкерного холодильника во вращающихся печах всех типов конструкции находится в диапазоне от 40 до более чем 80%.

2. Другим критерием оценки эффективности охладителя является разница температур между горячим клинкером, поступающим в охладитель, и горячим вторичным воздухом, выходящим из охладителя. Кроме того, лучшим охладителем является конкретный охладитель, который из-за своей общей эффективности подает максимальное количество тепла во вращающуюся печь вместе со вторичным воздухом.

3. Степень охлаждения клинкера определяется как температура клинкера на выходе. Эта температура различается в различных типах охладителей от 50 до 300C.

4. Объем охлаждающего воздуха в рекуператорных и колосниковых холодильниках ограничен объемом воздуха, необходимым для поддержания процесса горения во вращающихся печах, однако клинкер, выходящий из этих холодильников, имеет более высокие температуры.

5. Более низкая температура клинкера, поступающего из колосникового охладителя, является результатом более высокого объема воздуха, используемого для охлаждения клинкера. Горячий избыточный воздух частично используется для сушки, а частично выбрасывается в атмосферу; это требует сбора пыли, что приводит к дополнительным расходам.

Эти влияющие факторы препятствуют оценке охладителей клинкера, поскольку часто преимущество, с одной стороны, должно быть компенсировано потерями, с другой.

Существует два основных типа клинкерных холодильников:

1. Охлаждающие барабаны, прикрепленные к окружности разгрузочного конца вращающейся печи - рекуператорные холодильники.
2. Колосниковый охладитель.

Охлаждение является неотъемлемой и существенной частью процесса получения клинкера.

Процесс охлаждения клинкера происходит в два этапа:

1. внутри печи между зоной обжига и разгрузочным концом печи;
2. внутри клинкерного холодильника.

На первом этапе клинкер охлаждается от температуры зоны обжига примерно до 1200-1250 C, а на втором этапе процесс охлаждения продолжается примерно до 100 C.

Клинкерные холодильники при производстве цемента предназначены для выполнения следующих задач:

• повысить качество цемента и улучшить размалываемость клинкера. При быстром охлаждении клинкера образование в нем минеральных кристаллов замедляется. Даже если некоторые из них кристаллизовались, они более мелкие, чем кристаллы, образующиеся при нормальной скорости охлаждения. Этот вид клинкера может быть превращен в высококачественный цемент. Между тем, из-за быстрого охлаждения в частицах клинкера возникают термические напряжения и трещины, что облегчает их измельчение.
• утилизировать тепло, выделяемое клинкером, для предварительного нагрева вторичного воздуха, чтобы улучшить процесс сгорания топлива, сэкономить энергию и снизить стоимость топлива. Вторичный воздух называется воздухом для горения. Он отличается от первичного воздуха, который подает топливо в корпус печи через обжиговую трубу. Охладитель клинкера передает тепло от клинкера к воздуху для горения, чтобы улучшить процесс теплообмена и в некоторой степени снизить расход топлива.
• упростить дальнейшее измельчение, хранение и транспортировку. Цементный клинкер после спекания не является конечным цементным продуктом, продаваемым на рынке. Необходимо подать его на цементную мельницу для дальнейшего измельчения с гипсом и минеральными добавками для достижения определенной степени измельчения и различных характеристик. Поэтому нам необходимо заранее снизить температуру клинкера (обычно на 50-300 С), чтобы обеспечить следующий процесс.

При медленном охлаждении неустойчивые модификации алита начинают перекристаллизовываться с выделением примесей, вследствие чего они подвергаются расщеплению.  Если клинкер охлаждается слишком медленно в диапазоне от 1250 C до 1100 C, алит начинает распадаться на вторичные кристаллы белита и СаО. Зерна белита при этом располагаются в виде каемок на поверхности кристаллов алита.

Скорость охлаждения влияет на то, как происходят белитовые переходы, причем эффекты различимы микроскопически.

Медленное охлаждение клинкера способствует росту минералов клинкера. Размер кристаллов алита не только влияет на измельчаемость клинкера (для измельчения крупных кристаллов требуется дополнительная энергия), но также влияет на гидратацию и прочность цемента. Кристаллы алита, которые при правильном обжиге и быстром охлаждении остаются небольшими, повышают прочность цемента. Из двух цементов с идентичным химическим составом тот, который содержит кристаллы алита меньшего размера (15 микрон), оказался прочнее. Его 28-дневная прочность на сжатие составила 391 кг / см², тогда как испытание на прочность при сжатии цемента с кристаллами диаметром 40 микрон составило всего 293 кг / см².

Составы алюминатной и ферритовой фаз при охлаждении могут заметно отличаются от расчетных составов C₃A и C₄AF соответственно в зависимости от скорости охлаждения и присутствия второстепенных оксидов.

 Несколько более медленное охлаждение, от 1300 до 700 C за несколько секунд, дает орторомбическую кристаллизацию C₃A, слабокристаллическую, богатую железом форму этой фазы. Еще более медленное охлаждение (1300-1100 C за 6 минут) дало обычно кристаллическую алюминатную и ферритную фазы.

Орторомбическая модификация C₃A известна как призматический, темный промежуточный материал, и иногда является псевдотетрагональной. Эта модификация может возникнуть только при наличии достаточного количества щелочных оксидов, но его образованию, по-видимому, способствует также быстрое охлаждение и исходное содержание оксида алюминия в материале, потенциально способные давать относительно высокую долю алюмината.

Кубический алюминат C₃A в клинкере часто мелкозернистый и тесно смешан с дендритными кристаллами феррита: когда он образует более крупные кристаллы, они, как правило, равноразмерны. Эти две модификации имеют разную скорость растворения в воде, т.о. разную химическую гидравлическую активность.

Поведение MgO при образовании клинкера заметно зависит от скорости охлаждения. Если клинкер обжигается при высокой температуре (> 1500 C), относительно высокое содержание MgO может попасть в жидкую фазу, и при быстром охлаждении большая его часть остается в кристаллической решетке алюминатной и ферритовой фазах, и только небольшое количество периклаза отделяется в виде мелких кристаллов. При медленном  охлаждении от высоких температур только около 1,5% MgO (относящегося к клинкеру) переходит в твердый раствор, избыток которого образует крупные кристаллы периклаза. При температурах ниже 1450  C MgO сложнее переходит в раствор, и могут сохраняться скопления кристаллов периклаза.

Прочность твердеющего портландцемента зависит от размера кристаллов периклаза. Гидратация более крупных кристаллов периклаза, которая связана с одновременным увеличением объема, происходит медленнее, чем гидратация минералов, образующих клинкер и это ухудшает прочность твердеющего цемента. Максимальный размер кристаллов периклаза, которые практически не повреждают цемент, составляет около 5-8 микрон. Медленное охлаждение клинкера может привести к образованию кристаллов периклаза размером около 60 микрон. Было обнаружено, что 4% кристаллов периклаза в цементе размером до 5 микрон демонстрируют ту же скорость расширения в тесте с автоклавированием, что и 1% кристаллов периклаза размером 30-60 микрон.

Алит и белит, составляющие более 75 мас.% клинкера, в процессе охлаждения могут претерпевать изменения. Далее при охлаждении он может подвергаться  перекристаллизации и разложению (последнее с образованием белита).

Кристаллы алита и белита распределяются в плотной матрице из мелкокристаллического срастания алюмината и феррита, которое образовалось на самой ранней стадии охлаждения выше 1300 C.

В процессе обжига образуется клинкерная жидкость, количество которой может достигать до 30%. Кристаллы алита быстро зарождаются и растут в расплаве через растворение. Белит может образовываться как на стадии процесса обжига, так и на стадии охлаждения. 

Клинкерная жидкость  может вести себя любым из трех способов во время охлаждения, с промежуточными возможностями.

В первом случае постоянно поддерживается равновесие между жидкой и ранее существовавшими твердыми фазами (алит и белит). Это подразумевает возможность переноса материала между этими твердыми частицами и жидкостью в любом направлении до момента, пока жидкость остается. Эта ситуация будет называться "равновесной кристаллизацией".

Во втором случае жидкость не кристаллизуется, а образует стеклофазу.

В третьем случае жидкость кристаллизуется независимо, т.е. без  взаимодействия с уже присутствующими твердыми фазами. Промежуточные режимы включают, например, равновесную кристаллизацию до определенной температуры и независимую кристаллизацию ниже нее.

Быстрое охлаждение клинкера позволяет получать кристаллы алита и белита достаточно однородного строения. Промежуточная фаза при этом выделяется или в виде мелких кристаллов, или затвердевает в виде стекла.

В печных системах подогревателя-прекальцинатора летучие вещества практически не имеют путей выхода, и, следовательно, циркулирующие летучие вещества могут либо привести к закупорке циклона из-за образования низкоплавких фаз или чрезмерное улавливание в клинкере. Эта ситуация частично преодолевается путем отвода части выходящих из печи газов через обводной канал.

Если концентрация летучих веществ в системе печи становятся слишком высокой либо из-за большого поступления летучих компонентов, либо из-за высокой степени летучести, необходима установка байпаса печного газа для извлечения части летучих компонентов из системы печи.

Летучие компоненты в печном сырье, особенно сульфаты, щелочи, и хлориды, проходят через циклы конденсации-волатилизации в печных системах подогревателя-прекальцинатора.

Летучесть системы состоит из двух компонентов: первичная летучесть (E1) и вторичная или контурная летучесть (E2).

Первичная летучесть - это потери при испарении K₂O, Na₂O, SO₃, и Cl- (и других, если они присутствуют), когда печное сырье проходит через зону горения печи в первый раз.

Вторичная или контурная летучесть - это потери при испарении этих оксидов/радикалов после того, как испарившиеся фазы подверглись реакции конденсации в более холодных частях циклона подогревателя и повторили свой путь через печь.

Зона обжига печи очень горячая (обычно около 1400 C). Некоторые незначительные соединения и их эвтектика кипят или улетучиваются ниже температуры зоны горения. Они переносятся в потоке газа к концу подачи, где они часто конденсируются, создавая проблемы с налипанием материала. Они также конденсируются на частицах сырья и уносятся обратно в зону обжига, где снова улетучиваются. Это приводит к “летучему циклу”, который может сделать печь очень нестабильной и сложной в эксплуатации. Хлор, сера и щелочи - это элементы, которые обычно способствуют возникновению этой проблемы. Основная часть летучих соединений может быть удалена вместе с клинкером при соблюдении правильных условий эксплуатации печи. Однако хлориды (наиболее летучие) и большие количества сульфатов должны быть удалены и утилизированы с использованием либо системы отвода газа (для циклонных печей с предварительным нагревом), либо для удаления пыли в мешках/осадителях (для длинных печей). Содержание хлорида в сырьевом сырье выше 0,015- 0,02% обычно приводит к необходимости удаления пыли.

Первичная летучесть химических компонентов обычно определяется с помощью специально разработанных лабораторных установок, но летучесть контура трудно оценить, так как она измеряется на основе анализа образцов цепи, собранных надлежащим образом за период исследования.

Из приведенных выше данных следует, что летучесть щелочей в контуре и сульфатов существенно возрастает по сравнению с их первоначальной первичной летучестью, что не так для хлоридов. В этом контексте важно отметить что фактическая летучесть в печной системе будет также зависеть от потери летучих веществ из системы и их количества, переходящего в клинкер.

Современная байпасная система состоит из воздушной камеры гашения, запорного клапана, камеры водяного гашения и пылеуловителя. Воздушная камера гашения используется для смешивания окружающего воздуха с печными газами для быстрого охлаждения.

Эффект заключается в том, чтобы вызвать быстрый переход из парообразного состояния в твердое и предотвратить образование жидкости. Камера водяного тушения используется для охлаждения газов до более низких температур для сбора пыли.

Эксплуатационные проблемы часто возникают, когда циркулирующие компоненты достигают высоких концентраций в системе обжига. В печи происходит образование колец во входной секции и образование пылевидного клинкера. 

Последствиями высокой внутренней циркуляции элементов являются образование наростов, неустойчивый поток материала и частые засоры циклонов. Газообразные частицы конденсируются в более холодных зонах, и продукты конденсации часто химически агрессивны и имеют низкий диапазон температур плавления. Следовательно, в колонне подогревателя имеется жидкость, присутствие которой снижает текучесть сырой муки и приводит к прилипанию частиц к стенкам.

Впоследствии это может привести к образованию отложений на стенках циклона и стоячих каналах. Образование наростов может привести к снижению производительности печи производства и приводят к более высокому потреблению тепла, а также к остановке печи или установки, что является дорогостоящим. В таблице перечислены распространенные промежуточные соединения, встречающиеся в наростах и обжиговых кольцах, и их типичное расположение.

В литературе химический анализ образцов наростов из различных печей предварительного нагрева цемента показал, что основными составляющими являются SO₂, K₂O, CaO и Cl - и что их пропорции могут значительно варьироваться в зависимости от их местоположения. Доминирующими фазами в большинстве образцов были CaSO₄ или смесь CaSO₄ и CaCO₃. Меньшие количества других фаз, таких как твердый раствор эллестадита Ca₁₀(SiO₄)3(SO₄)3Z₂, где Z может быть OH, F или Cl, чаще всего хлорелл-стад, Ca₁₀(SiO₄)₃(SO₃)Cl₂ и также сообщалось о спурритах. Микроструктурное исследование показало, что рост колец происходил за счет последовательного осаждения частиц и конденсации газов. Основной причиной образования отложений было присутствие стекловидной фазы K_1-x Na_xCl.

Присутствие спуррита и KCl является причиной стабильности отложений в нижней части подогревателя. Была предложена модель кристаллизации KCl, основанная по механизму пар-жидкость-твердое тело (VLS), который показан на рисунке. Первым этапом является конденсация летучих элементов на зернах известняка. Затем в присутствии жидкой фазы образуются агломераты, которые прилипают к стенкам газоходов, вызывая дальнейшее увеличение толщины слоя твердого материала. Затем в образовавшемся срастании создаются хорошие условия для кристаллизации KCl по механизму VLS, т.е. давление паров KCl и температура, близкие к точке плавления.

Состав отложений содержит как нерастворимый в воде, так и водорастворимый хлор. Отложения на стенках циклонов и в стоячем канале содержали значительные количества хлора в нерастворимой в воде форме, идентифицированного как хлорелл-стад вместо более распространенных водорастворимых KCl и NaCl. Образование хлорелл-стадита может привести к засорению труб, что приводит к снижению выхода клинкера и требует очистки.

Согласно реакции недостаточного контакта с пылью, плохой контакт между горячими газами печи и содержащей известь пылью в печи вызывает образование газообразного HCl из KCl и SO₂, и впоследствии HCl при контакте с горячей мукой в блоке предварительного нагрева может образовывать хлорелл-стад.

Сульфаты щелочей образуют часть сульфатного расплава и остаются захваченными в конкрециях в виде жидкости через процесс горения. Более пористые конкреции клинкера, как правило, содержат сульфаты с высоким содержанием щелочей. Исследования распределения щелочей в клинкере подтвердили, что более мелкие конкреции содержат более низкие уровни щелочи, чем более крупные конкреции, из-за более высокой поверхности, доступной для испарения щелочи. В зоне горения щелочи могут испаряться в виде NaCl, KCl, NaOH, KOH, K₂SO₄ и/или Na₂SO₄. Присутствие H₂O (g) в атмосфере печи способствует образование гидроксидов щелочей, которые являются более летучими, чем соответствующие сульфаты, в соответствии с реакцией (4-12). Аналогичная реакция происходит и с натрием.

Остальные щелочи, не находящиеся в газовой фазе, рекомбинируют непосредственно в материале слоя с Cl или S или интегрируются в решетку минералов клинкера, таких как белит и алюминат.

Сульфаты щелочей конденсируются на частицах пыли при температуре газа на выходе из вращающейся печи. Кроме того, сырая мука добавляется в стоячий канал для того, чтобы способствовать конденсации сульфата щелочи, в противном случае сульфаты щелочи конденсировались бы на стенках стоячего канала, создавая отложения. Таким образом, сульфаты щелочей в газовой фазе из печи включаются в сырую муку после обжига. Слишком высокое содержание щелочи без покрытия серой также может привести к образованию отложений в стояке или засорению третичного воздуховода.

Состав конденсата не является чистым сульфатом щелочи, но может включать CO₂ из газового потока. Таким образом, химический состав расплава представляет собой расплав сульфата щелочи и карбоната щелочи, содержащий небольшие количества гидроксида щелочи. Присутствие карбоната, растворенного в расплавленной сульфатной фазе, объясняет присутствие CO2 в анализах клинкера.

В присутствии хлоридов и сульфатов поведение при испарении как Na, так и K значительно изменяется (в зависимости от того, как сочетаются Na и K). В присутствии серы щелочи предпочтительно образуют сульфаты, если они присутствуют в количествах, превышающих требуемый стехиометрический баланс.

Некоторое количество Na₂O и K₂O входит в состав алюмината, феррита и белита, а остаточные щелочи остаются в видесульфатов. Введение щелочей в минералы клинкера изменяет их кристаллическую структуру, что может снизить гидравлическую реакционную способность цемента.

Щелочные соединения в клинкере можно разделить на три основные группы:

1. щелочные сульфаты;
2. щелочные алюминаты и алюмоферриты;
3. щелочные силикаты.

В некоторых случаях щелочь может также встречаться в виде карбонатов .

Введенная щелочь, сера и хлорид попадут в клинкер, если их не удалить в другом месте. Высокое содержание щелочи в клинкере может быть нежелательным, и необходимо учитывать ограничение на содержание всех таких веществ в цементе.

Высокий уровень общей щелочи в конечном цементе часто приводит к повышению рН и лучшему развитию прочности на ранних стадиях, но к снижению прочности на более поздних стадиях. Растворимые щелочи, которые не связаны с серой, могут вызвать мгновенное схватывание (быструю и раннюю потерю обрабатываемости цемента при добавлении воды) из-за активации алюминатов кальция, а также вызвать значительную потерю прочности в течение 28 дней. Щелочи потенциально могут вызывать растрескивание и расширение бетонов из-за их вредной реакции щелочи и кремнезема с реакционноспособными заполнителями. В этой ситуации, щелочи вступают в реакцию с влагой и образуют гель, который расширяется. Кроме того, высокая концентрация щелочей в бетоне оказывает вредное воздействие на большинство механических свойств бетона, таких как прочность на сжатие, расщепление, прямое растяжение и изгиб.

Циркуляция щелочей, которые в основном вводятся из сырья, представлена на рисунке. Хорошо известно, что соединения калия обычно более летучи, чем соединения натрия. Интенсивность щелочного цикла зависит от природы щелочных металлов в сырье, от методов эксплуатации и от типа печи.

Источником щелочи чаще всего является глина или сланец, но они также могут присутствовать в известняке, песке и часто в различных видах альтернативного сырья, таких как летучая зола. Средние концентрации щелочи составляют 0,17 мас. % Na₂O и 0,57 мас. % K₂O для сырья. В большинстве случаев поступление щелочи от ископаемого топлива и/или альтернативных видов топлива довольно мало или пренебрежимо мало, за исключением случаев с высоким содержанием щелочи в золе, т.е. битуминозного угля.

В колонне подогревателя щелочи частично диссоциируют в газовую фазу и рекомбинируют с другими элементами в соответствии с порядком сродства. Если щелочи не сбалансированы сульфатами, они будут оставаться очень летучими и накапливаться в циркуляции между печью и подогревателем. Степень улетучивания щелочи зависит от сырья и выше для глин, чем для полевых шпатов. Около 50 мас. % щелочей, присутствующих в сырье, улетучиваются в печи при температуре от 800 до 1000 C.

Допустимый диапазон концентраций Na₂O и K₂O в стояке печи варьируется от 3 до 5 мас. % без LOI. Избыток щелочей может привести к образованию щелочных карбонатов в циклонах. Кроме того, слишком высокое содержание щелочи без покрытия серой может также вызвать образование отложений в стояке печи или засорение трубы третичного воздуха, как указано в разделе "Циркуляция серы».

В зоне горения KCl и NaCl в виде соединений хлора испаряются из сульфатного расплава. Коэффициент испарения хлора находится в диапазоне от 0,900 до 0,996, и он испаряется почти на 100%. Температуры кипения KCl и NaCl составляют приблизительно 1400 C при 1 атм. Циркуляция определяется фазовым равновесием между жидким и газообразным KCl.

Хлорид имеет значительную циркуляцию вокруг кальцинатора, что приводит к высокой концентрации хлора. В качестве приближения массовый расход хлора на входе в печь в 200 раз превышает массовый расход выгружаемого хлора на выходе.

Высокие значения соотношения SO₃/R₂Oимеют решающее значение в сочетании с циркуляцией хлоридов, поскольку сульфидирование хлоридов щелочей при температурах выше 900 C может происходить в соответствии с общей реакцией (4-9), где M может быть больше или K. Сульфаты щелочей могут быть как твердыми, так и газообразными в зависимости от температуры и от того, происходит ли образование аэрозоля или нет, т.е. в зависимости от местной концентрации и температурных профилей.

Реакция (4-10) показывает сульфатирование CaCl₂, которое также может вступать в реакцию с SO₂. Комбинация HCl и SO₂, присутствие влаги в газовой фазе делает печной газ очень агрессивным, а сульфатация усиливается присутствием хлоридов в средней зоне печи. Та же газовая комбинация ответственна за образование отложений на стояке и/или циклонах, вызванных образованием хлороэлтестадита. Гидролиз хлоридов щелочей в газовой фазе способствует образованию HCl (g), согласно реакции (4-11) особенно при температурах зоны горения. Однако образование HCl в результате этой реакции при температурах ниже 1000-1150 C ограничено, поскольку большая часть KCl находится в газовой фазе, а склонность KCl (g) к гидролизу при таких температурах.

Хлор может содержаться в клинкере в виде CaCl₂, а иногда и в виде KCl, если он задерживается во внутренней сердцевине конкреции клинкера. Большинство стандартов на портландцемент ограничивают количество присутствующего хлорида 0,1 мас. %, чтобы избежать проблем коррозии арматуры в бетоне. 

Циркуляция хлора и места образования различных видов хлора на цементном заводе проиллюстрированы на рисунке. Хлор в виде хлоридов часто встречается в известняках и глинах, преимущественно в виде NaCl. Сырьевая мука обычно содержит относительно небольшое количество Cl, в основном менее 0,01 мас. % без LOI и максимальная допустимая концентрация хлора в сырой муке составляет 0,03 мас. % без LOI для ILC-системы без байпаса, поскольку более высокие концентрации вызовут серьезные проблемы с накоплением хлора в печи.

Хлор может выделяться при сгорании топлива, и поступление хлора из топлива может значительно варьироваться в зависимости от типа топлива. Содержание Cl в ископаемом топливе, таком как уголь и коксующийся газ, довольно низкое, но оно может быть значительным для альтернативных видов топлива, таких как RDF. Возможные пути и механизмы высвобождения Cl при пиролизе и сжигании биомассы объясняется следующим. Газ HCl образуется при сжигании топлива, содержащего органически связанный хлор или неорганические хлоридные соли. Органически связанный Cl также может выделяться в газовой фазе в виде CH₃Cl. В кальцинаторе и на нижних ступенях подогревателя HCl будет поглощаться свободной известью в соответствии с реакцией (4-8) (Partanen, 2004), однако поглощение HCl известняком сильно зависит от влажности дымовых газов.

В зоне горения в пламени нет активного свободного CaO, взвешенного в воздухе, и поэтому HCl из печного топлива поступает непосредственно в подогреватель и там преобразуется в CaCl₂. В кальцинаторе и на нижних ступенях циклона при температуре 800-850 C частицы хлора из сырья могут плавиться, а также происходит конденсация частиц хлора из печных газов. Следовательно, частицы хлора присутствуют в жидкой фазе. Обратная реакция (4-8) также может происходить в присутствии влаги.