В предыдущих постах процессы, протекающие при обжиге клинкера во вращающихся печах, были рассмотрены без учета влияния таких факторов, как структура сырьевых материалов, дисперсность сырья, наличие в сырьевых материалах различных второстепенных компонентов, температурного режима обжига, присутствие минерализаторов.

В соответствии с современными представ­лениями все взаимодействия между компонентами сырьевой смеси следует рассматривать как реакции между кислотой и основанием. Основными оксидами в процессах клинкерообразования являются оксиды кальция, магния, натрия и калия. К оксидам, которые проявляют кислые свойства в высокотемпературных условиях, относятся оксиды кремния, алюминия, железа, серы, азота, ионы хлора и пр.

Кинетику взаимодействия между оксидами оценивают по скорости усвоения СаО, либо оксид кальция является одним из оснóвных оксидов, вступающим в реакции клинкерообразования с кислыми оксидами кремния, алюминия и железа с образованием кальциевых солей кремневой, алюминиевой и железистой кислот. Степень завершенности реакций оценивают по содержанию в материале неусвоенного оксида кальция или СаО _(своб). Характер процессов, протекающих в сырьевой смеси, определяется температурой обжига. При этом необходимо обеспечить условия, способствующие получению клинкера с монадобластической микроструктурой, характеризующейся равномерным распределением в его объёме хорошо закристаллизованных зерен алита и белита.

В следующих постах вы узнаете о степени влияния некоторых факторов на кинетику клинкерообразования и качество клинкера.

Контроль реакции прокаливания определяет стабильность работы печи. Из опыта, накопленного с различными типами печей с декарбонизаторами, следует, что существует взаимосвязь между различиями в степени обжига и временем пребывания материала в системе предварительного обжига. Системы с более коротким временем пребывания твердых частиц, как правило, демонстрируют большие колебания прокаливания.

Основные конфигурации систем предварительного обжига связаны с потоком вторичного и третичного воздуха из печи и охладителя соответственно в систему предварительного обжига. Различные конфигурации действующих установок можно резюмировать следующим образом:

I. Вторичный воздух для сжигания из печи полностью поступает в камеру декарбонизатора без какого-либо отдельного канала третичного воздуха от клинкерного холодильника. Таким образом, этот тип декарбонизатора работает с газом для сжигания, обедненным кислородом (10-14%), и подходит только для подачи топлива в меньшем количестве (20-30%).

II. Печные газы не проходят через предварительный декарбонизатор, который использует только горячий третичный воздух из клинкерного холодильника. Печные газы смешиваются с продуктом предварительного обжига перед поступлением в циклон подогревателя.

Это сгорание в декарбонизаторе осуществляется горячим воздухом, содержащим 21% кислорода. Доля топлива в декарбонизаторе может находиться в диапазоне 50-65% от общего расхода топлива на обжиг клинкера.

III. Третичный воздух из клинкерного холодильника и печные газы смешиваются перед декарбонизатором, а затем добавляются к потоку, поступающему в систему. При необходимости эта конфигурация может также предусматривать байпас для печных газов.

IV. При наличии двух потоков циклонных теплообменников для печи, в один поток подаются печные газы, а в другой - газы из декарбонизатора. Третичный воздух из клинкерного холодильника подает воздух для горения в декарбонизатор.

Не вдаваясь в детали конструкции, можно в целом выделить два типа декарбонизаторов: линейные кальцинаторы (ILC) и кальцинаторы отдельной линии (SLC). Основное различие заключается в том, что в ILC печные газы проходят через предварительный кальцинатор, а в SLC - нет.

Другим важным аспектом работы предварительного обжига является температура третичного воздуха. Чем выше температура, тем ниже потребление тепла и стабильнее система обжига. Таким образом, системы печей с декарбонизаторами тесно связаны с конструкцией и эффективностью работы клинкерного холодильника.

Множество вариантов конструкции систем циклонных теплообменников и декарбонизаторов направлены на достижение следующих целей:

• Удовлетворение противоречивых требований по минимизации температуры и уровня кислорода, и полное выгорание топлива;
• Снижение тепловой нагрузки во вращающейся печи;
• Достижение контролируемой степени декарбонизации;
• Сокращение выбросов NOx;
• Использование альтернативных или трудносгораемых видов топлива.

Что касается вышеуказанных целей, и, в частности, последних двух, цементная промышленность разработала конструкции систем для снижения выбросов NOx и для сжигания различных видов топлива в предкальцинаторе.

В результате конструктивных усовершенствований циклонов предварительного нагрева эффективность разделения материала возросла, а перепад давления на циклонный теплообменник существенно уменьшился. Падение давления в циклонах было уменьшено за счет обеспечения больших впускных отверстий, больших выпускных отверстий и наклонных входных полок, а также за счет устранения любых внутренних горизонтальных поверхностей. Разработка высокоэффективных циклонов с низким перепадом давления позволила установить дополнительные ступени теплообменных циклонов для снижения температуры выходящего газа и достижения экономии топлива при незначительном увеличении стоимости установки.

Отходящие из вращающейся печи газы с температурой 900-1000 С по газоходу движутся в циклонный теплообменник IV ступени, а затем последовательно проходят циклонные теплообменники III, II и I ступеней, пылеулавливающее устройство и дымососом через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. Время пребывания материала в подогревателе составляет примерно 30 с, а в печи - около 40 мин. Печь вращается со скоростью два оборота в минуту, а перепад давления в циклонном теплообменнике составляет 300-600 мм воды.

Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, и при этом нагревается. На выходе из циклона IV ступени материал имеет температуру 700-800 С, затем он подаётся во вращающуюся печь для дальнейшего обжига.

Время пребывания частиц сырьевой муки в циклонном теплообменнике не превышает 25-30 с, и за это очень короткое время материал нагревается, полностью дегидратируется глинистая составляющая сырьевой смеси, а также на 25-30% успевает пройти декарбонизация карбонатной породы. Таким образом, в циклонном теплообменнике осуществляются процессы, которые соответствуют зоне подогрева и частично зоне кальцинирования. При этом процесс теплообмена на 80 % осуществляется в газоходах и только 20 % приходится на долю циклонов.

Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками имеют высокие технико-экономические показатели, длительный срок службы, просты по конструкции и надёжны в эксплуатации (отсутствие движущихся элементов), они отличаются высоким коэффициентом использования. Основным недостатком данного теплообменного устройства является большая высота циклонной башни — 50-60 м.

Учитывая разницу температур и характер твердофазовых реакций до этой стадии, наиболее энергоэффективным решением для процесса клинкерообразования было разделение на две подсистемы: подсистему предварительного нагрева и частичной декарбонизации в режиме воздушной суспензии частиц, и подсистему спекания клинкера в присутствии жидкой среды.

Наиболее современными являются технологии, основанные на трёхступенчатом обжиге, которые позволяют направлять в обжиговую печь материал, который декарбонизирован почти полностью. Для интенсификации процесса диссоциации CaСО3 между запечным теплообменником и печью устанавливается специальный реактор – диссоционная ступень (декарбонизатор или кальцинатор), представляющая собой печь специальной конструкции с вихревой форсункой, где происходит сжигание топлива и декарбонизация сырьевой муки в вихревом потоке.

Реализация этих подсистем дала возможность генерировать и поглощать более 60% общего подводимого тепла в зоне прокаливания, где потребление тепла было высоким из-за эндотермической природы реакции декарбонизации. Сгорание топлива и, в еще большей степени, время пребывания твердых частиц зависят от режима газового потока. Расчетное время пребывания газа в различных конструкциях варьируется от 1,4–1,7 секунды в системах с отдельным декарбонизатором и до 4-5 секунд в расширенной системе воздуховодов. Некоторые декарбонизаторы для предварительного прокаливания материала сконструированы с закрученным или циклоническим движением газового потока внутри них, что обеспечивает твердым частицам относительно более длительное время пребывания.

Современные системы печей предварительного нагрева и декарбонизации рассчитаны на удаление СО2 из карбоната кальция (не менее 85% материала).

Степень прокаливания материала в декарбонизаторе зависит от:

• температуры газового потока в реакторе;
• времени пребывания материала;
• разделения газа и твердых частиц;
• эффекта циркуляции твердых частиц;
• кинетики декарбонизации известняка, обусловленную морфологией и химическим составом карбоната кальция.

Температура материала на входе в реактор составляет 720-750 С. В результате сгорания дополнительного количества топлива температура газового потока повышается до 1000-1050 С, а материал нагревается до температуры 920-950 С. Каждая частица материала находится в системе «циклонный теплообменник — декарбонизатор» всего 70-75 с, но на выходе из нее степень декарбонизации составляет 85-95%.

Установка диссоционной ступени позволяет повысить съем клинкера с 1 м3 внутреннего объёма печи в 2,5-3 раза, в результате печь диаметром 5-5,5 м имеет производительность 6000-8000 т/сут, а удельный расход теплоты снижается до 3-3,1 кДж/кг клинкера. Размеры реактора невелики, он может быть использован не только при строительстве новых линий, но и при модернизации уже существующих коротких вращающихся печей с циклонными теплообменниками.

Различие в производительности печей обусловлены типом циклонных теплообменников (в основном количество ступеней и диаметром циклонов) и типом декарбонизатора.

Печи сухого способа производства примерно в два раза короче печей мокрого способа при равной или даже большей производительности. Современные мощные печи этого способа имеют размеры: 6,4/7,0×95 м, 5×75 м и производительность 25 т/ч и 75 т/ч соответственно. Уменьшение длины печи связано с двумя основными факторами: во-первых, в печах сухого способа в принципе отсутствует зона сушки, во-вторых, часть процессов выносится из печи в запечные теплообменные устройства (циклонные теплообменники, реактор-декарбонизатор или кальцинатор).

В ряде стран Западной Европы и Японии, ввиду большого расхода топлива мокрый способ полностью отсутствует, все 100% цемента выпускается по экономичному сухому способу. В США, Канаде, многих странах превалирует сухой способ, по которому работают 60-80% заводов.

В печах сухого способа выделяют все зоны тепловых преобразований материала как в печах мокрого способа, кроме зоны сушки.

Эффективное использование теплоты во вращающихся печах возможно только при установке системы внутрипечных и запечных теплообменных устройств. Внутрипечные теплообменные устройства имеют развитую поверхность, которая либо всё время покрыта материалом, непосредственно соприкасающимся с газами, либо работает как регенератор, воспринимаю теплоту от газов и передавая ее материалу. Эти устройства увеличивают поверхность теплообмена между газами и материалами также потому, что, уменьшая скорость движения материала, повышают коэффициент заполнения печи.

В основу конструкций печей сухого способа производства с циклонными теплообменниками положен принцип эффективного теплообмена между отходящими из печи дымовыми газами и частицами сырьевой муки, находящимися во взвешенном состоянии. Уменьшение размера частиц обжигаемого материала и увеличение его удельной поверхности, а также максимальное использование всей поверхности частиц для контакта с теплоносителем интенсифицируют теплообмен между ними. Этот способ передачи теплоты обеспечивает быстроту и равномерность нагрева и поэтому весьма эффективен. Во взвешенном состоянии при достижении температуры диссоциации декарбонизация СаСО3 протекает также гораздо быстрее, чем при обжиге шихты в слое. Но все процессы, связанные с непосредственным контактом частиц-реагентов между собой (твёрдофазовые реакции, спекание), наоборот, замедляются.

Самые первые вращающиеся печи работали с 4-мя ступенями циклонных теплообменников.

Нумерация циклонов начинается сверху по направлению движения материала сверху вниз. Сырьевая мука в системе циклонных теплообменников движется навстречу отходящих из вращающейся печи газов температурой 900 - 1100 С. Средняя скорость движения газов в газоходах составляет 15 - 20 м/с, что значительно выше скорости движения частиц сырьевой муки. Сырьевая мука поступает в газоход между верхними I и II ступенями циклонов, увлекается газовым потоком и переносится в циклонный теплообменник I ступени. Поскольку диаметр циклона намного больше диаметра газохода, скорость газового потока резко снижается, и частицы выпадают из него. Осевший в циклоне материал через затвор - мигалку поступает в газоход, соединяющий II и III ступени, а из него выносится газами в циклон II ступени. В дальнейшем материал движется в газоходах и циклонах III и IV ступеней. Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, начиная относительно холодной (I) и кончая горячей (IV). В то же время, по мере повышения температуры газов и материала свойства последнего изменяются, и изменяются более радикально с появлением жидкой фазы внутри печи. Диаграмма температур материала и отходящих газов в процессе обжига клинкера демонстрирует , что наибольшая разница температур между газами и материалом существует на стадии обжига во вращающейся печи.

IV. Зона экзотермических реакций занимает не более 5% длины печи. Температура материала быстро повышается до 1250 – 1300 C за счет выделения теплоты при образовании минералов. Температура газов изменяется незначительно и составляет на входе 1600 – 1700 С.

В этой зоне активно образуются клинкерные минералы (двухкальциевый силикат 2CaO·SiO2, трехкальциевый алюминат 3CaO·Al2O3, четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO·Al2O3·Fe2O3, частично трехкальциевый силикат 3CaO·SiO2). Реакции образования силикатов, алюминатов и ферритов кальция являются экзотермическими. В связи с этим интенсивное образование указанных соединений сопровождается значительным выделением теплоты (до 420 кДж на 1 кг клинкера), что приводит к интенсивному повышению температуры материала на 150-200 С на коротком участке печи (в несколько метров). В зоне кальцинирования, особенно в экзотермической зоне, с повышением температуры материала возрастает скорость образования C2S, а также перехода СА в С5А3 и далее в С3А. К концу экзотермической зоны температура материала достигает примерно 1300 С. К этому времени он состоит преимущественно из C2S, С3А, C4AF или C2F и некоторого количества СаО (своб.)

V. Зона спекания занимает 13 – 18% длины печи. В ней часть материала (20 – 30%) плавится, образуя на футеровке обмазку толщиной 100 – 200 мм. В жидкой фазе образуется основной клинкерный минерал – трехкальциевый силикат 3CaO·SiO2 (алит). Температура материала достигает максимального значения около 1450 С. Участок, ближе к разгрузочному концу печи, где материал охлаждается с 1450 до 1350 C (до температуры застывания расплава), по характеру происходящих физико-химических процессов следует относить к зоне спекания. В зоне спекания сжигается топливо. Максимальная температура газов достигает 1700 – 1800 С. Скорость движения материала составляет 0,6 – 0,8 м/мин, газов – около 25 м/с.

При 1300 С начинается спекание материала вследствие образования в нём расплава в количестве 20-30 % объёма начавшей спекаться массы. В начальный момент спекания в расплав переходят С3А, C4AF, MgO и СаО, в дальнейшем в нём начинает растворяться и двухкальциевый силикат C2S. При этом в жидкой фазе создаются благоприятные условия для образования основного минерала портландцемента — трёхкальциевого силиката C3S из C2S и СаО. Это соединение плохо растворимо в расплаве, вследствие чего оно выделяется из него в виде мелких кристаллов, которые в последующем могут значительно увеличиваться в размерах. Выделение из расплава C3S сопровождается понижением в нём концентрации C2S и СаО, что приводит к переходу в расплав новых порций этих веществ, оставшихся в твёрдом состоянии в общей массе материала.

Это, в свою очередь, обусловливает дальнейший ход процесса образования в расплаве и выделения из него C3S до почти полного связывания СаОсво. с C2S. Как уже отмечалось ранее, трёхкальциевый силикат выделяется из расплава вместе с небольшими количествами А1203, и MgO, образуя с ними твёрдый раствор, который называют алитом. Формулу алита иногда записывают как 54СаО·16SiO2·Al2O3·MgO (формула Джеффри).

Здесь материал нагревается примерно от 1300 до 1450 С, что способствует более быстрому усвоению СаО двухкальциевым силикатом и образованию алита. Оптимальная температура спекания зависит в основном от свойств исходных материалов, наличия в них различных примесей, тонкости измельчения и однородности смеси. Выдерживать материал при оптимальной температуре спекания нужно с надлежащей точностью, так как это в большой мере отражается на качестве клинкера: с одной стороны, увеличение продолжительности выдержки материала в зоне спекания способствует более полному усвоению СаО, что улучшает качество клинкера; с другой, — оно может вызвать чрезмерное укрупнение кристаллов алита, отрицательно сказывающееся на его свойствах. Исследования и практика производства показывают, что портландцементы с высокими физико-механическими показателями получают из клинкеров, в которых алит и белит характеризуются благоприятной кристаллической структурой, а содержание неусвоенного СаО не превышает 0,5-1 %.

Температура образования жидкой фазы и её количество зависят от тех компонентов сырья, которые в процессе обжига образуют минералы-плавни (С3А, C4AF). Однако их содержание в клинкере ограничивается, так как при повышенном их количестве прочностные характеристики и стойкость затвердевшего портландцемента ухудшаются.

Для ускорения процесса клинкерообразования, особенно при изготовлении клинкеров с высоким содержанием C3S, применяют специальные добавки-минерализаторы (фтористый кальций CaF2, кремнефтористые натрий Na2SiFg или магний MgSiF6, оксид железа в виде руды или колчеданных огарков, гипс и фосфогипс и др.). Минерализаторы не только способствуют снижению температуры спекания материала и уменьшению вязкости расплавов, но и каталитически влияют на образование C2S и C3S и формирование их кристаллов. Большой эффект даёт введение указанных фтористых солей в количестве 0,5-1 % массы клинкера. Они понижают температуру спекания на 100-150°С. Кроме того, фтористые соли способствуют уменьшению содержания щелочей в клинкере, образуя фториды, улетучивающиеся в процессе обжига вместе с дымовыми газами. Это особенно важно при производстве портландцемента из сырья с повышенным содержанием щелочных соединений. Последние, присутствуя в портландцементе в количестве более 0,8-1 %, отрицательно влияют на процессы его схватывания и твердения.

VI. Зона охлаждения занимает 2 – 6% длины печи. Материал охлаждается до 1100 – 1250 °С. Температура воздуха, подаваемого в печь из холодильника, составляет 400 – 800 °С.

Окончательное охлаждение клинкера происходит в холодильнике до температуры 80-100°С.

До температуры примерно 1300°С в нём присутствует ещё жидкая фаза и продолжается реакция усвоения СаО и образования C3S. Затем жидкая фаза застывает и спекание заканчивается.

Обычно при охлаждении клинкера с 1450 до 1300°С и ниже жидкая фаза в нём застывает частично в виде стекла, частично же при этом происходит кристаллизация из расплава С3А, C4AF, а также MgO (в виде периклаза). Степень закристаллизованности расплава зависит от скорости охлаждения материала после его выхода из зоны спекания.

Охлаждённый клинкер в основном состоит из кристаллов минералов-силикатов (алита и белита) и промежуточного вещества, в которое входят стекло, минералы-плавни (C4AF, С3А, С5А3), а также оксидов кальция и магния (в виде кристаллов). В зависимости от скорости охлаждения изменяется не только содержание стекловидной фазы, но и размеры кристаллов периклаза MgO. Медленно охлаждённые клинкеры содержат крупные кристаллы MgO (до 30-40 мкм), которые могут вызвать неравномерность изменения объёма цемента. В быстроохлаждённых клинкерах большое количество MgO остаётся в стекле, а остальная часть, переходя в мелкокристаллическое состояние (8-10 мкм), почти не оказывает отрицательного влияния на равномерное изменение объёма цемента при твердении.

Обычно из медленно охлаждённого клинкера получается цемент с пониженной активностью, что объясняется пониженным содержанием стекловидной фазы. Цемент с высоким содержанием стекла часто обладает повышенной сульфатостойкостью вследствие того, что содержание трёхкальциевого алюмината (в виде кристаллов) в нём снижается. Это следует учитывать при выборе клинкеров для изготовления сульфатостойких цементов и не ограничиваться данными о количестве С3А, получаемом расчётом по химическому составу. Цементы с повышенным содержанием стекла в клинкере характеризуются повышенной экзотермией.

После зоны спекания обжигаемый материал переходит в зону охлаждения — последний участок печи, где полученный клинкер охлаждается воздухом от 1300 С до температуры, при которой выходит из печи (1000- 1100 С).

В зависимости от характера физико-химических процессов, происходящих при нагревании сырьевого материала, печь по длине условно разделяют на 6 технологических зон.

Нумерация зон идет от холодного конца к горячему по ходу продвижения материала.

I. Зона сушки занимает 20 – 25% длины печи. В этой зоне испаряется физическая влага из шлама. Температура материала повышается от 15 – 20 °C до 170 – 200 °C. Температура газов снижается с 800 – 900 °С до 180 – 250 °С. Скорость движения жидкого шлама 4 – 6 м/мин, на участке подсушенного материала 0,8 – 1,5 м/мин. Скорость газов 7 – 8 м/с. Для интенсификации теплообмена в этой зоне устанавливают цепные завесы. При достижении определенной вязкости шлама в цепной завесе начинают образовываться гранулы. Эта зона носит название зоны критической влажности. Материал, выходящий из цепной завесы, должен иметь температуру 90 – 110 C и влажность 8 – 10%, так как при более низкой влажности резко усиливается пылеобразование и рециркуляция материала вследствие разрушения гранул. Цепная завеса занимает 18 – 20% длины печи.

Шлам, попадая в печь, подвергается воздействию дымовых газов, имеющих значительную температуру (300-900 С). При этом начинается энергичное испарение воды, сопровождаемое постепенным загустеванием шлама. В дальнейшем, когда значительная часть воды уже испарилась, образуются крупные комья, которые затем распадаются на более мелкие частицы вследствие ухудшения связующих свойств глиняного компонента, а также разрыхляющего воздействия цепей.

II. Зона подогрева и дегидратации занимает 25 – 30% длины печи. При последующем движении по длине печи материал попадает в область более высоких температур. В этой зоне удаляется химически связанная (гидратная) влага из глинистого компонента. Реакция сопровождается поглощением теплоты q1 = 7880 кДж/кг гидратной влаги:

Al2O3·2SiO2·2H2O = Al2O3·2SiO2 + 2H2O – q1.

Температура газов на входе в зону 1100 – 1200 С. Материал нагревается до 550 – 800 С. Скорость движения материала 2 – 4 м/мин. Скорость газов до 13 м/с. В этой зоне устанавливают металлические теплообменники из жаропрочной стали.

При 400-500 С в материале выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита и других глинистых минералов с образованием каолинитового ангидрида. Удаление из глины гидратной воды сопровождается потерей пластичности и связующих свойств, что приводит к распаду образовавшихся ранее комьев материала в подвижный порошок.

III. Зона кальцинирования (декарбонизации) занимает 22 – 30% длины печи. В этой зоне протекают процессы разложения карбонатов магния и кальция.

Материал нагревается до 950 – 1100 °С. Температура газов на входе в зону 1500 – 1600 °С. Скорость движения материала 3 – 6 м/мин, газов до 16 м/с.

При 750-800°С и выше в материале начинаются реакции в твёрдом состоянии между его составляющими. Вначале они едва заметны, однако с повышением температуры материала до 1000°С и более интенсивность их резко возрастает. При 800°С в результате взаимодействия между компонентами, находящимися в твёрдой фазе, начинается сцепление отдельных частичек порошка и образование гранул разного размера. Повышению интенсивности реакций в твёрдом состоянии способствует тонкое измельчение материала и тесное смешение компонентов. При реакциях в твёрдом состоянии между карбонатом кальция и продуктами распада глинистых минералов начинают образовываться клинкерные минералы β-2СаО·Si02, СаО·А1203 и 2СаО·Fe2Os.

При 900-1000°С резко усиливается разложение карбоната кальция с образованием свободного оксида кальция СаО (своб.) и углекислого газа С02. В этой зоне печи потребление теплоты наибольшее. Это обусловлено тем, что разложение СаС03 является эндотермической реакцией, идущей с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг СаС03).

На участке вращающейся печи, где температура материала достигает 1000-1100 С и где основная масса СаС03 уже превратилась в СаО (своб.) и частично в C2S, СА и C2F (конец зоны кальцинирования), резко возрастает интенсивность реакций в твёрдом состоянии.

Вращающаяся печь работает по принципу противотока - материала и горячих газов движутся навстречу друг другу.  Выделяют горячий и холодный конец печи.  Холодный конец печи 8 приподнят и входит в пыльную камеру 6, с торца печи по шламопроводу  5 подается жидкий сырьевой шлам.  С горячего конца по форсунке 10  подается топливо, которое сжигается непосредственно в печи. При вращении материал продвигается по печи от холодного конца к горячему. Горячие газы после сжигания топлива носят название отходящие газы, за счет создания разряжения дымососом 2 в пространстве печи продвигаются с горячего конца в холодный конец.

Отходящие из печи газы после очистки в электрофильтрах 3 выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 1. Готовый клинкер из вращающейся печи поступает в холодильник 11, где осуществляется его охлаждение до ~70 С дутьевым воздухом от вентиляторов 14, 15. За счет возвратно-поступательного движения колосников решеток 12 и 13, клинкер транспортируется к разгрузочной части холодильника, далее в дробилку 16 и транспортер 17. Часть воздуха, нагретого клинкером в процессе его охлаждения до ~ 450 С, возвращается в печь в качестве вторичного рекуперационного воздуха, необходимого для горения топлива. Количество вторичного воздуха, засасываемого в печь, регулируется печным дымососом 2. Избыточный воздух из холодильника с температурой ~120 С после очистки в пылеулавливателе 18 удаляется вентилятором 19 и выбрасывается в атмосферу.

Получение клинкера сопровождаются сложными физическими и физико-химическими процессами, в результате которых из исходных компонентов образуются спёкшиеся зёрна, состоящие в основном из минералов C₃S, (3-C₂S, С₃А, C₄AF) и стекловидной фазы. Характер процессов, протекающих в сырьевой смеси, определяется температурой обжига. При этом необходимо обеспечить условия, способствующие получению клинкера с монадобластической микроструктурой, характеризующейся равномерным распределением в его объёме хорошо закристаллизованных алита и белита. Этому способствует повышенный коэффициент насыщения сырьевой смеси и оптимальная продолжительность выдержки клинкера в зоне высоких температур.

В последние годы цементные печи начали оснащаться новыми типами горелок.

Все импортные горелки имеют широкий диапазон регулирования процесса горения топлива и длины факела.

Преимущества зарубежных горелок:

• возможность применения различных видов топлива;
• возможность сжигания альтернативного топлива;
• наличие защитной теплоизоляции;
• возможность регулирования формы и температуры факела изменением скорости вылета и завихрением топливно-воздушного потока.

Недостатки:

• усложненная массивная конструкция;
• несколько завышен объем первичного воздуха.

Горелки многоканального типа рассчитаны на сжигание угля, кокса, мазута и природного газа и их смесей, а также альтернативного топлива. Горелки многоканального типа с радиальным и аксиальным газом оснащены двумя типами форсунок: для осевой подачи газа (аксиальный газ) и для тангенциальной подачи газа (радиальный газ). По сравнению с простой одноканальной горелкой современные многоканальные предполагают большие возможности для управления формой факела путем регулирования соотношения между подачей радиального и аксиального газа.

Обеспечение рационального сжигания топлива имеет важнейшее значение при эксплуатации цемент­ных вращающихся печей. Путем регулирования процесса горе­ния можно изменять гранулометрию клинкера и величину об­мазки в зоне спекания, повышать стойкость футеровки и произ­водительность печей, существенно снижать удельный расход тепла.

Для этого необходимо обеспечивать высокий уровень тепло­обмена по всей длине факела и не допускать местного пере­грева футеровки на коротком участке.

 Длина факела определяет размеры зоны обжига в печи, локальную теплонапряженность футеровки и условия образования обмазки на ней. При обеспечении оптимальных характеристик факела (длины, температуры, теплоотдачи) с учетом соблюдения требуемой температуры обжигаемого материала в зоне обжига печи устраняется локальный перегрев и износ футеровки печи, достигается максимальная светимость факела и равномерный нагрев сырья, повышается производительность агрегата, снижается удельный расход тепла и улучшаются показатели качества конечного продукта.

Опыт эксплуатации вращающихся печей показывает, что эффективность их работы в значительной степени зависит от рационального сжигания большого количества топлива, которое в свою очередь, зависит от совершенства его смешения с окислителем и от температуры подготовки смеси к горению. Оптимизация режима сжигания топлива во вращающейся печи связана с количеством воздуха, подводимого в зону горения, и является одним из главных факторов, определяющих снижение удельного расхода тепла на процесс обжига, повышение производительности агрегата и уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу при условии обеспечения требуемых показателей качества сырьевой смеси на выходе.

 Для ведения экономного режима сжигания топлива следует устанавливать такой режим, который бы обеспечивал необходимую температуру обжига без химического и механического недожога топлива. Практика сжигания различных видов топлива показывает, что обеспечить горение топлива без химического недожога при коэффициенте избытка воздуха α=1 не удается даже при его высококачественном смешении и высокой температуре горения (1600-1700  С). Опытным путем установлено оптимальными являются значения α= 1,03 ± 0,02 для условий работы вращающихся обжиговых печей.

 Тепловая работа вращающейся печи и вспомогательного оборудования в большой степени зависит от организации процессов горения. Создание необходимых физико-химических параметров оказывает прямое влияние на качество продукта, а эффективность работы печи в заданном режиме в конечном итоге влияет на расход топлива и себестоимость продукции. Для обеспечения оптимальной работы вращавшейся печи необходимо обеспечить полное горение топлива с минимальным избытком воздуха, наряду с высокой степенью теплообмена между газом и обжигаемой сырьевой смесью. Правильный выбор горелочного устройства и его эксплуатация позволяют обеспечить совершенное смешение топлива с воздухом и получить факел необходимых параметров в соответствии с технологическим процессом и условиями работы печи.

Дополнительное регулирование процесса сжигания топлива можно осуществлять с помощью горелочных устройств. В России в связи с тем, что для обжига клинкера в основном используется газообразное топливо, наиболее эффективными горелками являются газоваяинжекционная диффузионная (ГИД) и диффузионная вихревая горелка (ДВГ). Это обусловлено тем, что данные горелки сжигают газообразное топливо с минимальным количеством (до 2%) или без первичного холодного воздуха.

За рубежом преимущественно применяют угольные форсунки. В Россию поставляют многоканальные форсунки для сжигания угля, кокса, мазута и природного газа и их смесей, а также альтернативного топлива (форсунки фирм KHD Humboldt Wedag и FLSmidth, эксплуатируемые на заводах «Сода», «Мордовцемент», Первомайском, Подгоренском и др.). Данные форсунки требуют не более 7% первичного воздуха, обеспечивают снижение объема отходящих газов и расхода топлива.

Преимущества горелок ГИД и ДВГ:

• простота конструкции;
• отсутствие или наличие первичного воздуха до 2%;
• возможность регулирования формы и температуры факела изменением скорости вылета газа и завихрением газового потока.

Недостатки:

• применимы только для газообразного топлива;
• отсутствие защитной теплоизоляции;
• не приспособлена для сжигания альтернативного топлива.