книги / Производство керамзита

вконгломераты («козлы»), температуру факела горения

вприменяемых в настоящее время однобарабанных вра­ щающихся печах поддерживают на уровне не выше

1240— 1350 °С. Поскольку теоретическая температура го­

необходимого. Поэтому коэффициент избытка воздуха во вращающихся печах при обжиге керамзита в настоя­ щее время колеблется от 1,2 до 1,6, в отдельных случаях превышая 2. В этих условиях газовая атмосфера в печи содержит свыше 4—6 % свободного кислорода и по свое­ му характеру является окислительной или сильноокис­ лительной.

Для наглядности приведем данные об условиях сжи­ гания топлива и нагревания материала во вращающих­ ся печах при обжиге цементного клинкера и керамзита:

При недостатке воздуха для полного сгорания топли­ ва, неудовлетворительном смешивании топлива и возду­ ха или недостаточной температуре для его воспламене­ ния горение будет неполным. В этом случае та или дру­ гая часть самых ценных горючих составляющих в виде оксида углерода, Нг, СО углеводородов и сажистого уг­ лерода С, не сгорая уходит в атмосферу печи, а затем с отходящими газами — в трубу.

Насколько значительными могут быть потери тепло­ ты в результате неполного сжигания топлива, видно из следующих примеров. При полном сгорании 1 кг угле­ рода по реакции С + О о^С О г выделяется 33 936 кДж теплоты. При неполном же сжигании углерода по реак­ ции C-f-0,5C>2=CO выделяется только 10 080 кДж, что составляет лишь около 1/3 теплоты, которая могла бы быть получена при полном сгорании углерода.

Еще выше удельные потери теплоты при недожоге углеводородов и водорода, если последние по тем или

другим причинам, Не сгорая в печи, уходят с отходящими газами в трубу. В этом случае полностью теряется теп­ лота горючих газов, составляющая, в частности, для эти­ лена С2Н4—58 800, метана СН4—36330 и водорода Н2—• 10836 кДж/м3. Таким образом, неполное сгорание влечет за собой химический недожог топлива и безвозвратную потерю значительного количества теплоты.

В результате неполного сжигания топлива в печи об­ разуется восстановительная атмосфера. Почти все иссле­ дователи отмечали благоприятное влияние восстанови­ тельной атмосферы печей на вспучиваемость глин. Из опытных данных следует, что при обжиге в восстанови­ тельной среде вспучиваемость многих глин возрастает по сравнению с вспучиваемостыо в окислительной среде. Это увеличение составляет от нескольких десятков до нескольких сотен процентов. Некоторые глины в усло­ виях окислительной среды практически совсем не вспу­ чиваются, тогда как в восстановительной атмосфере от­ мечается хорошая поризация материала с образованием мелкоячеистой структуры керамзита.

Очевидно, что наиболее убедительные показатели улучшения вспучиваемости глинистого сырья при обра­ ботке в различных газовых средах могут быть получены на слабовспучивающихся породах, особенно суглинках. Такие исследования были выполнены автором совместно с А. Н. Рязанцевым на термогравиметрической установ­ ке (табл. 14, 15).

Слабее всего вспучивается сырье, обжигающееся в окислительной среде воздуха: коэффициент вспучивания при принятом режиме термообработки колебался в пре­ делах 1,29— 1,7, а плотность материала в куске от 1,27 до 1,45 г/см3.

Наиболее высокие показатели вспучивания наблю­ даются у образцов, обжигавшихся в восстановительной среде водорода и оксида углерода. Коэффициент вспучи­ вания слабовспучивающихся лосиноостровского и крас­ ноярского суглинков в этом случае повышается более чем в 2 раза, достигая 4,09, 3,58 и 3,42.

Большую практическую ценность имеют вполне удов­ летворительные показатели вспучивания глинистого сырья в нейтральных и условно нейтральных средах: азоте, аргоне, углекислоте, парах воды, азоте с парами воды и т. п. Так, коэффициент вспучивания лосиноост­ ровского суглинка в указанных средах составляет соот-

тельная среда

процесс вспучивания. Мы полагаем, что наиболее силь­ ное влияние среды проявляется, начиная с температуры воспламенения органических веществ, содержащихся в глинистом сырье, и кончая моментом собственно вспучи­ вания материала. Поэтому во избежание преждевремен­ ного выгорания органических примесей и окисления ок­ сидов железа необходимо поддерживать внутри материа­ ла восстановительную атмосферу примерно в пределах 300— 1150 °С.

Другие исследователи, например И. Д. Метелкин, счи­ тают, что для оптимального вспучивания необходимо поддерживать восстановительную атмосферу в пределах 400, 900 и 950 °С. Они утверждают, что за пределами этих температур газовая среда может быть любой, в том числе и сильноокислительной.

Для проверки этого положения на слабовспучивающихся суглинках Лосиноостровского и Красноярского месторождений были проведены опыты по вспучиванию при смене газовых сред — окислительно-восстановитель­ ной и восстановительно-окислительной.

Опыты, проведенные автором с А. Н. Рязанцевым на термогравиметрической установке, позволили устано­ вить, что при обработке образцов в начале обжига в окислительной среде со сменой ее через каждые 100 °С

на восстановительную среду вспучиваемость постепенно, почти линейно падает и достигает минимального значе­ ния при 1150— 1200°С. И наоборот, при обработке об­ разцов в начале обжига в восстановительной среде со сменой ее через каждые 100°С на окислительную вспу­ чиваемость сначала постепенно увеличивается, а затем с 800—900 °С почти скачкообразно возрастает до макси­ мума, характерного для данного глинистого сырья. Это убедительно подтверждает точку зрения о благоприят­ ном влиянии восстановительной среды внутри материа­ ла за пределами 900—950 °С вплоть до температуры оп­ тимального вспучивания (рис. 27).

Приведенные примеры вспучивания слабовспучивающихся глин и суглинков в различных газовых средах указывают прежде всего на вредное влияние окисли­ тельной среды, резкое повышение вспучивания в восста­ новительной среде и хорошее вспучивание сырья, осо­ бенно содержащего достаточное количество оксидов же­ леза и органических примесей, в нейтральных средах.

Последнее особенно важно, потому что обжиг в вос­ становительной среде, как правило, связан с большим перерасходом топлива и неэкономичен, тогда как необ­ ходимая нейтральная среда на современном этапе раз­ вития керамзитового производства может быть создана технологическими и конструктивными приемами. Еще до недавнего времени считалось, что поскольку вспучи­ ваемость глин в этих условиях резко возрастает, обжиг керамзита следует проводить только в восстановитель­ ной среде. Однако проведенное автором более детальное изучение механизма вспучивания глин показало, что для

оказывает не внешняя восстановительная атмосфера пе­

но вблизи его поверхности. При этом восстановительная среда внутри материала может не обусловливаться восстановительной атмосферой печи, а создаваться и ус­ пешно регулироваться органическими примесями, темпе­ ратурой и скоростью обжига в различные периоды тер­ мической обработки, характером окислительно-восстано­ вительных реакций и реакций разложения, а также ско­ ростью газового потока в печи. Существенное положи­

тельное влияние при этом оказывает нейтральная атмос­ фера в печи.

Это положение позволило по-новому подойти к ана­ лизу условий, обеспечивающих эффективное вспучива­ ние глин в промышленных печах, и созданию оптималь­ ных режимов обжига, а также более четко определить требования к газовой атмосфере печи с учетом эконо­ мичности керамзитового производства.

Рассмотрим более подробно эти условия. Состав га­ зовой атмосферы не однороден как по длине вращаю­ щейся печи, так и по ее сечению. В зоне отвердевания и предварительного охлаждения керамзита, через которую в печь из холодильника поступает вторичный воздух, ат­ мосфера имеет ярко выраженный окислительный харак­ тер и почти целиком состоит из азота и кислорода. В этой зоне происходит интенсивное окисление закисных и закись-оксидных форм железа, начиная с поверхност­ ных слоев гранул керамзита; при этом зерна керамзита принимают красную окраску. В следующей по порядку зоне — зоне вспучивания материала, совпадающей с зо­ ной горения форсуночного топлива, атмосфера печи со­ стоит из продуктов горения топлива и в основном опре­ деляется элементарным составом топлива и избытком воздуха, поступающего в печь.

На стыке зон вспучивания и подогрева и в зоне подо­ грева атмосфера печи, состоящая ранее из продуктов го­ рения топлива, разбавленных избыточным воздухом, по­ степенно пополняется газообразными продуктами диссо­ циации карбонатов, окисления или восстановления сер­ нистых соединений, парообразными продуктами разло­ жения содержащих воду минералов, а также газообраз­ ными продуктами возгонки и окисления органических ве­ ществ. Наконец, в зоне сушки атмосфера печи пополня­ ется парообразными продуктами испарения адсорбиро­ ванной и механически примешанной воды материала.

Из сказанного следует, что средний состав дымовых газов, отбираемых для анализа перед выходом в трубу, не отражает их действительного состава на различных участках длины печи. Еще в большей мере это справед­ ливо в отношении газовой атмосферы на различных уча­ стках сечения печи. В непосредственной близости от об­ жигаемого материала, где контакт и взаимодействие материала с окружающей газовой средой непрерывны, состав газовой атмосферы, соприкасающейся с отдельны*

чественное соотношение гранул, находящихся внутри и на поверхности слоя, а также продолжительность пре­ бывания их как на поверхности, так и внутри слоя. Это можно сделать, пользуясь упрощенными эмпирическими формулами Е. И. Ходорова [194].

Наблюдения и расчеты показывают, что каждая от­ дельно взятая частица в течение всего цикла движения во вращающейся печи находится на поверхности мате­ риала лишь очень короткий период — несколько минут, а все остальное время она движется внутри слоя. Поэто­ му без большой погрешности можно считать, что в про­ цессе обжига почти все частицы находятся внутри слоя; всю насадку гранулированного материала в печи можно рассматривать как подвижное тело с большой внутризерновой пустотностыо, частицы которого непрерывно изменяют свое положение: периодически появляясь на несколько секунд на поверхности, они, в основном, то удаляются, то приближаются к ней. Поэтому подавляю­ щая масса частиц не может омываться газовой атмосфе­ рой, циркулирующей над материалом, а тем более по центру и свободному сечению печи, и непосредственно воспринимать действие восстановительной или окисли- ' тельной газовой среды.

Следствием указанного положения является тот факт, что на самых решающих для технологии обжига керамзита участках печи, где развиваются благоприятные для про­ цесса вспучивания окислительно-восстановительные ре­ акции, направление и интенсивность которых в значи­ тельной мере зависит от окружающей материал газовой среды, состав последней предопределяется не составом газового потока, движущегося над материалом, а газо- и парообразными продуктами разложения и возгонки компонентов глинистого материала, создающих ту или иную плотность газовых завес вокруг частиц, и их взаи­ модействием с окружающей средой.

Очевидно, что газовая атмосфера, движущаяся над материалом по свободному сечению печи, не омывает подавляющее большинство его частиц, окруженных за­ весами газов и паров, выделяющихся из сырца и пре­ пятствующих соприкосновению внешней атмосферы с от­ дельными гранулами. Благоприятная же для вспучива­ ния восстановительная среда в основном обеспечивается за счет внутренних ресурсов глинистого материала, как привило, содержащего большее или меньшее количество

органических веществ, и регулируется характером его взаимодействия с окружающей средой.

Правильность этого положения подтверждает анализ механизмов процессов, протекающих в промышленных печах при термической обработке. В процессе нагрева­ ния из глинистого материала непрерывно (с различной скоростью и в разных количествах) выделяются газооб­ разные и парообразные продукты — водяные пары, ле­ тучая часть органических примесей, углекислота, серни­ стый газ и др. При относительно медленном нагрева­ нии— со скоростью 5— 12 град/мин в начале обжига — в пределах 120— 180°С удаляется свободная и физиче­ ски связанная вода.

При дальнейшем нагревании в интервале температур 180—950 °С удаляется химически связанная вода из раз­ личных водных минералов, содержащихся в глинах ок­ сидов железа, гипса, монтмориллонита, гидрослюды и др. В этих же пределах температур с выделением углекис­ лого газа разлагаются карбонаты: карбонат железа при 300—400 °С, карбонат магния при 600—700 °С и карбо­ нат кальция при 800—900°С. В интервале 200—450°С выделяется летучая часть органических примесей газа.

При более быстром нагревании глин со скоростью 30—50 град/мин и выше указанные интервалы темпера­ тур выделения газообразных и парообразных продуктов значительно смещаются в сторону более высоких темпе­ ратур, а максимумы и минимумы на кривых снижения массы сглаживаются. Уменьшение массы, косвенно ха­ рактеризующее общую массу газообразных и парообраз­ ных продуктов, выделяющихся из глинистых материалов при обжиге, зависит от влажности загружаемого в печи сырца и потерь при прокаливании, в сумме составляю­ щих обычно 10—30 %.

Большой интерес представляют соотношения между исходными объемами глинистого материала, подвергае­ мого термической обработке на керамзит, и выделяемых из него газообразных и парообразных продуктов. Расче­ ты показывают, что объемы газов, выделяющихся из об­ жигаемого глинистого материала, огромны: они в сотни и тысячи раз превышают объем исходного полуфабри­ ката. Например, при испарении 1 г воды объем образую­ щихся паров составляет при 100 °С — 1,7 л, при 500 °С — 3,5 л, а при 1000 °С достигает 6 л. Это означает, что при