книги / Производство керамзита

Шлйкерный способ целесообразно применять при ис­

подвергают обогащению эффективными добавками. Шлйкерный способ имеет два варианта приготовления

исходного материала, пригодного для питания вращаю­ щейся печи (рис. 44). По одному из этих вариантов обычными методами, применяемыми в цементной про­ мышленности, в болтушках готовят шлам, который пе­ рекачивают в бассейны, а затем подают в печь на об­ жиг. В этом случае формирование гранул происходит только во вращающейся печи. Этот вариант использован в цехе керамзита Обуховского домостроительного ком­ бината Главленинградстроя. По другому варианту, ко­ торый применяется в Финляндии, переработку глины и приготовление шлама ведут на бегунах мокрого помо­ ла, шлам по своей консистенции приближается к смета­ нообразной массе. Переработанную и продавленную че­ рез отверстия в днище бегунов увлажненную массу на­ правляют в печь, где под влиянием нагрева, воздействия гранулирующих устройств (цепи, крестовины) и перека­ тывания формируются гранулы размером примерно 8— 20 мм в поперечнике.

Ввиду высокого расхода топлива производство керам­ зита по шликерному способу может быть организовано только после тщательных технико-экономических обос­ нований.

3.4. Сушка и подогрев гранул

Приготовленный пластическим способом гранулиро­ ванный полуфабрикат обычно имеет влажность в преде­ лах 16—25% . Несмотря на это, его не обязательно су­ шить перед обжигом. Объясняется это тем, что в техно­ логии керамзита без ущерба д л я ‘качества готового про­ дукта глинистые материалы из хорошовспучивающихся пород или облагороженных добавками можно обжигать не только при любой формовочной влажности, но и в виде шлама, где содержание воды достигает 40—60 %.

Известно, что в производстве керамических изделий необходимость их сушки перед обжигом обусловливается требованиями к их сохранности от трещин, деформаций и разрушения. При изготовлении же керамзита из хо-

рошовспучивающихся глин трещиноватость, деформаций и даже полное разрушение части исходного сырца су­ щественного влияния на конечный результат производ­ ства не оказывает, так как окончательное формирова­ ние зерен вспученного материала из гранул произволь­ ной формы, в том числе и осколков разрушенного сыр­ ца, происходит в процессе обжига во вращающейся пе­ чи. При этом отмечается, что в процессе вспучивания все гранулы и их осколки увеличиваются в объеме и принимают, как правило, гравелистую форму без сле­ дов трещин и деформаций, полученных при сушке или предварительной тепловой подготовке.

Однако, по технико-экономическим соображениям, це­ лесообразно в максимальной мере использовать теплоту отходящих газов печей и остывающего керамзита для сушки и подогрева материала перед обжигом.

Рационально использовать тепловые ресурсы можно организацией искусственной сушки гранулированного сырца в искусственных сушилках с бункерованием су­ хого полуфабриката перед печами. Достоинством такого решения является то, что запас полуфабриката перед печами позволяет создавать ритмичное, бесперебойное, круглосуточное питание печей материалом и организо­ вать работу подготовительных отделений, в том числе карьера, в одну-две смены вместо трех при прерывной рабочей неделе. Недостаток подобного решения состоит в том, что для сушки используется лишь часть высво­ бождающейся - теплоты, при этом большее ее количе­ ство теряется после выгрузки материала из сушилки.

Другое направление рационального использования тепловых ресурсов — применение для обжига влажного материала по аналогии с мокрым способом производст­ ва цемента более длинных вращающихся печей, в кото­ рых сушка сырца происходит в удлиненной зоне обез­ воживания. Достоинство такого решения — сушка и об­ жиг осуществляются в одном агрегате, недостаток — не­ возможность локального регулирования режима сушки, т. е. независимо от режима работы печи.

Третье направление — организация одновременно сушки и подогрева материала до температуры примерно 200—400 °С перед обжигом в отдельных от вращающей­ ся печи теплообменных аппаратах. Это принципиально новое, предложенное нами решение имеет важнейшее не только экономическое, но и технологическое значение.

После предварительного подогрева материал поступает непосредственно во вращающуюся печь, основное назна­ чение которой в этом случае сводится к процессу вспу­ чивания. В связи с этим ее длина может быть резко сокращена. Предварительный подогрев можно произво­ дить в различного рода аппаратах барабанного, шахт­ ного, конвейерного или другого типа. Основные преиму­ щества ступенчатого принципа термической обработки: возможность наиболее полного использования теплоты отходящих газов и остывающего керамзита непосредст­ венно для процесса сушки и нагрева материала (при этом исключается промежуточное охлаждение материа­ ла, как, например, при раздельной сушке); возможность

предприятия, изготовляющие керамзит по пластическо­ му, сухому и мокрому способам, не прибегают к сушке сырца перед обжигом. Этот процесс осуществляется в удлиненной зоне сушки вращающейся печи с примене­ нием внутрипечных теплообменных устройств.

Отечественные предприятия, работающие по сухому способу, также не применяют сушки. На всех же пред­ приятиях, работающих по пластическому способу, пре­ дусмотрена искусственная сушка гранул.

В последние годы все большее распространение в

СССР получает третье, наиболее прогрессивное направ­ ление, предусматривающее ступенчатый принцип терми­ ческой обработки — тепловую подготовку материала пе­ ред обжигом в запечных теплообменниках и вспучива­ ние его в укороченных вращающихся печах.

Сушку гранулированного сырца проводят в барабан­ ных сушилках, а также в специальных аппаратах кон­ вейерного и других типов. Сушильные барабаны — свар­ ные или клепанные из котельной стали цилиндры дли­ ной 8—30, диаметром 1—2,8 м, устанавливаемые на двух опорах с наклоном к горизонту 2,5—6° Цилиндры при­ водятся в движение насаженной на них шестерней от ре­ дукторной или ременной передачи с частотой вращения 2—8 об/мин.

В зависимости от направления движения газов по от­ ношению к материалу сушильные барабаны могут рабо­

Ствё примера приведен тепловой баланс сушильного ба­

Сушильные барабаны и другие сушильные устройст­ ва применяются лишь для проведения процесса собст­ венно сушки гранулированного сырца до влажности 7— 15 %• Совершенно иное технологическое назначение име­ ют запечные теплообменные аппараты и оборудование для предварительного подогрева гранул перед вспучива­ нием.

Барабан тепловой подготовки. Так как тепловая под­ готовка материала перед вспучиванием включает не только сушку, но и подогрев материала примерно до 200—400 °С, то обычные сушильные барабаны для этой цели не пригодны. В ряде случаев их можно использо­ вать лишь после необходимой модернизации. Отличи­ тельная черта барабанов для предварительной тепловой подготовки состоит в том, что они работают в сочетании с барабанами вспучивания, сопряжены с последними по одной оси или через смесительную камеру, действуют по принципу противотока, имеют привод для вращения в пределах 1,5—3,5 об/мин и обязательно футеруются пол­ ностью или на 2/3 длины с горячей стороны. Их разме­ ры определяются размерами и производительностью ба­ рабанов вспучивания. Основное технологическое назна­ чение барабанов — нагрев гранулированного материала до 200—400 °С в условиях восстановительной среды

внутри гранул. Они служат теплообменником для мак­ симально возможного использования теплоты продук­ тов горения форсуночного топлива, сжигаемого в бара­ бане вспучивания, для чего их следует обязательно снаб­ жать вставными теплообменными устройствами в виде лопастей, крестозин, угольников, цепных завес и т. д.

Восстановительные условия внутри гранул материала в этой зоне создаются за счет содержащихся в глини­ стом сырье органических примесей пли их добавок и на­ копления сажистого углерода по реакции 2СОч=*СС>2+С и водорода — С 0 4 -Н _ 0 ~ СО +Нг.

При заданных температуре обжига и влажности сыр­ ца, длине и диаметре барабана оптимальный режим предварительной тепловой подготовки материала регу-

1ЫЗ

смещаются в область более высоких температур. Харак­ тер процессов, происходящих при обжиге керамзита во вращающейся печи, позволяет условно подразделить ее на четыре зоны: сушки или испарения влаги; нагрева, совпадающую с зонами дегидратации, декарбонизации и окислительно-воссгановительных реакций; вспучивания; охлаждения.

Вначале сырец поступает в зону сушки, где под воз­ действием теплоты дымовых газов, имеющих в этой зо-' не температуру от 200 до 750 °С, свободная и частично физически связанная вода, содержащаяся в нем, испа­ ряется. Свободная вода полностью удаляется лишь тог­ да, когда температура глинистого материала достигает 120 °С. Физически Связанная вода, адсорбированная на поверхности мельчайших глинистых частиц и запол­ няющая микрокапилляры, при медленном обжиге уда­ ляется в температурном интервале 150— 170 °С, а при быстром нагреве — при более высоких температурах. Так как на испарение затрачивается большое количество теплоты, температура самого материала в зоне сушки

поднимается весьма медленно и лишь к концу обезво­ живания достигает примерно 200 °С.

В зависимости от способа производства влажность сыр­ ца, поступающего в печь, колеблется от 0 до 35% . Сы­ рец имеет нулевую или минимальную влажность в том случае, если сушка и предварительный нагрев полуфаб­ риката выносится за пределы вращающейся печи, на­ пример, при ступенчатом обжиге глинистых материалов на керамзит в двухбарабаниых печах. Наиболее высо­ кую влажность сырец имеет при мокром способе приго­ товления полуфабриката.

Таким образом, длина зоны сушки во вращающейся печи может существенно изменяться. В тех случаях, когда применяют мокрый способ, она составляет до 60 % общей длины печи, а при сухом и пластическомспосо­ бах — до 25—40 %.

Материал в зоне сушки лежит почти сплошным сло­ ем на футеровке, занимая незначительную часть живого сечения печи. Газовый поток практически не омывает материал либо соприкасается с ним по крайне малой поверхности. Поэтому зона сушки вращающейся печи в качестве сушильного аппарата работает крайне неэф­ фективно. Для увеличения теплопередачи по аналогии с конструкцией сушильных барабанов в верхнем холодном

конце печи следует устраивать тенлообменные устройст­ ва в виде лопастей, крестовин и других различных вста­ вок. Однако в отличие от сушильных барабанов в печах для обжига керамзита такие устройства получили рас­ пространение лишь в последние годы, так как предпо­ лагалось, что они способствуют измельчению материала и накоплению мелких фракций заполнителя. Более ра­ циональным решением считается вынос секции сушки за пределы печи с применением специально приспособлен­ ных аппаратов для одновременной сушки и подогрева гранулированного сырца.

в технологии керамзита окислительно-восстановительных реакций, дегидратация и декарбонизация материала. Ес­ ли бы материал подвергался постепенному и длительно­ му нагреву, то ‘указанные реакции происходили бы в основном при следующих температурах: удаление части

окисление органических примесей в пределах температу­ ры их воспламенения — от 350 до 650 °С. Восстанови­ тельные же реакции при этом происходили бы лишь при условии обжига в восстановительной внешней газовой атмосфере печи. Однако обжиг керамзита, как правило, ведут в слабоокислительной и окислительной внешней среде, а весь процесс нагрева материала в этой зоне с 200 до 1110— 1250 °Су когда он начинает вспучиваться, за ­ нимает всего лишь около 15—30 мин. Время же нагрева­ ния в период наиболее интенсивного выделения паро- и газообразных продуктов разложения глинистых материа­ лов, карбонатов и т. д. до тепературы вспучивания со­ ставляет всего 6—8 мин (со скоростью 70—90 град/мин). Такой быстрый нагрев сказывается как на последова­ тельности, так и на температурном уровне физико-хими- мических реакций, протекающих в материале.

В этих условиях реакции разложения компонентов глинистого сырья сдвигаются на более высокий темпе­ ратурный уровень и последние остатки паро- и газооб­ разных составляющих удаляются лишь около 1100— 1200 °С, т. е. в области температур вспучивания глини­

стых материалов. Нарушается и последовательность ре­ акций. При быстром обжиге за короткое время из гли­ нистого материала удаляются огромные объемы паро- и газообразных продуктов, создающих вокруг частиц глинистого материала газовые оболочки, задерживаю­ щие доступ к ним кислорода из окружающей среды и окисление органических примесей. Выгорание коксового остатка последних также смещается в область более вы­ соких температур и происходит тогда, когда заканчива­ ется в основном интенсивный процесс обезвоживания и декарбонизация и кислород печной среды получит воз­ можность свободного доступа к гранулам материала.

Подобный механизм процессов, обусловленных быст­ рым нагревом, создает благоприятные условия для вос­ становительных реакций. В этот период происходит вос­ становление оксидов железа высших степеней окисления в низшие — процесс, играющий первостепенную роль при вспучивании. Так как с притоком кислорода к частицам глины может начаться обратный процесс окисления ок­ сидов железа, что вызовет потерю глинистой породой свойства.вспучиваться, то при правильном режиме обжи­ га коксовый остаток (углерод органических примесей), обусловливающий восстановительную среду внутри пор материала, должен выгорать лишь при температурах вспучивания. Это означает, что температурный интервал между окислением коксового остатка органических при­ месей, содержащихся в глине, и началом вспучивания должен быть минимальным или, что более надежно и в теплотехническом отношении более целесообразно, подъ­ ем температуры в этот период должен быть максималь­ но быстрым.

В период нагрева значительное количество теплоты расходуется на собственно нагрев материала, на реак­ ции обезвоживания, декарбонизации и восстановления, протекающие с поглощением теплоты.

Из зоны нагрева материал поступает в зону вспучи­ вания, где под влиянием высоких температур размягча­ ется и вспучивается за счет давления изнутри газообраз­ ных продуктов, окислительно-восстановительных реак­ ций, незавершенных в период нагрева, а также реакций разложения и взаимодействия отдельных компонентов породы. Длина зоны вспучивания около 15—20 % всей длины печи. После вспучивания керамзит проходит зону отвердевания (5% длины печи).

Таким образом, оптимальные условия вспучивания глинистых материалов во вращающейся печи в значи­ тельной мере определяются быстротечностью обжига, в особенности начиная с 500—600 °С в период наиболее ин­ тенсивного выделения паро- и газообразных продуктов. Протекающие при этом физико-химические процессы в зорах сушки и нагрева материала не заканчиваются, а накладываются друг на друга, и в большей части печи развиваются параллельно.

Отставание предшествующих реакций наряду с воз­ никновением и протеканием последующих реакций про­ исходит тем интенсивнее, чем быстрее идет обжиг. Быст­ рый обжиг вызывает задержку испарения свободной и адсорбированной воды в зоне сушки, поэтому этот процесс смещается на более высокий температурный уровень. В результате в зоне нагрева замедляются и за ­ держиваются окислительно-восстановительные реакции и реакции разложения с высвобождением газообразных продуктов. Задержка же этих реакций в указанных зо­ нах предопределяет их окончание в области более вы­ соких температур, когда материал, размягчаясь, прио­ бретает оптимальную вязкость, а образующиеся в этот момент газо- и парообразные продукты производят эф­ фект порообразования и вспучивания.

Теплообмен во вращающейся печи. Гранулированный материал во вращающейся печи нагревается в процессе пересыпания зерен, когда они соприкасаются с,футеров­ кой или попадают на поверхность слоя. До известного предела, чем больше скорость вращения печи, тем ин­ тенсивнее пересыпается материал, тем чаще в единицу времени зерна материала соприкасаются с футеровкой й попадают на поверхность слоя и, следовательно, интен­ сивнее нагреваются.

При неизменности коэффициента заполнения печи И угла ее наклона наблюдаются следующие закономерно­ сти. Чем больше скорость вращения печи, тем меньше длительность цикла движения материала, равная перио­ ду нагрева частицы на футеровке; период нагрева части­ цы на поверхности слоя; длительность полного цикла движения частицы; число периодов нагрева материала на поверхности слоя и на футеровке за время прохож­ дения расстояния, равного диаметру печи. При этом ско­ рость движения материала в печи прямо пропорциональ­

но