Известково-обжигательные печи.

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 5Следующая ⇒

• известковое тесто.

Магнезия MgO содержится обычно в карбонатных породах в широких пределах – от 0,5-3 до 10-20% и более. Присутствуя в извести в количестве до 5-8%, она относительно мало влияет на свойства продукта. При повышенном содержании магнезии известь приобретает слабые гидравлические свойства.

В зависимости от содержания оксида магния различают следующие виды воздушной извести:

• кальциевую – MgO не более 5%,

• магнезиальную – MgO от 5 до 20%

• доломитовую – MgO от 20 до 40%.

Качество воздушной извести оцениваются по разным показателям, основным из которых является содержание в ней свободных оксидов кальция и магния. Чем выше их содержание, тем выше качество извести.

Известь, предназначенная для производства автоклавных изделий, не должна содержать более 5% оксида магния. Активность высококачественных сортов маломагнезиальных известей достигает 93-97%.

Негашёная комовая и молотая известь оценивается также по содержанию в них углекислоты и потерям при прокаливании при 950-1000ºС в течение 30 минут.

Важным показателем строительных свойств воздушной извести является выход теста. Он определяется количеством известкового теста, получаемого при гашении 1кг извести. Чем выше выход теста, тем оно пластичнее и тем больше его пескоёмкость. Высококачественные сорта извести при правильном гашении характеризуются выходом теста в 2,5-3,5л и больше. Такие извести называются жирными. Известь с меньшим выходом теста считают тощей.

К молотой негашёной извести предъявляются требования не только по суммарному содержанию свободных оксидов кальция и магния, но и по тонкости измельчения.

Основным показателем гидратной извести, а также известкового теста является содержание в них активных оксидов кальция и магния.

По этому признаку эти виды извести делят на два сорта:

• 1-го сорта – 67%

• 2-го сорта – 60%

(%-минимально допустимое содержание активных СаО и MgO ).

В молотую негашёную известь, а также в гидратную известь допускается вводить тонкоизмельчённые минеральные добавки в таком количестве, чтобы содержание СаО+ MgO в кальциевой негашёной извести 1-го сорта было не менее 65%, а 2-го сорта – 55%.

При введении тех же добавок в гидратную известь активность должна быть не менее 50% (1-й сорт) и 40% (2-й сорт).

Влажность гидратной извести не должна быть более 5%.

Воздушная известь 1-го сорта без добавок с Государственным Знаком качества должна отвечать дополнительным требованиям, в частности коэффициент вариации по содержанию активных СаО и MgO не должен быть более 3%. Содержание же активных СаО и MgO в гидратной извести должно быть не менее 70%, а влажность должна быть не более 4%.

Исходные материалы

Исходными материалами для производства воздушной извести являются многие разновидности известково-магнезиальных карбонатных пород. Все они относятся к осадочным породам. В состав известняков входят углекислый кальций СаСО3 и небольшое количество различных примесей.

Карбонат кальция состоит из 56% СаО и 44% СО2. Он встречается в виде двух минералов – кальцита и аргонита.

Кальцит, или известковый шпат, кристаллизуется в гексагональной системе. Его кристаллы имеют форму ромбоэдров. Истинная плотность кальцита 2,6-2,8г/см3; твёрдость по десятибалльной шкале – 3. Кальцит хорошо растворяется при обычной температуре в слабой соляной кислоте с выделением углекислого газа.

Арагонит – менее распространённый минерал, кристаллизуется в ромбической системе. Его истинная плотность 2,9-3г/см3, твёрдость – 3,5-4. При нагревании до 300-400оС арагонит превращается в кальцинит, рассыпаясь в порошок.

Чистые известково-магнезиальные породы – белого цвета, однако они часто бывают окрашены примесями оксидов железа и углистыми примесями. Количество и вид примесей к карбонатным породам, размеры частей примесей, а также равномерность распределения их в основной массе в большей степени отражаются на технологии производства извести, выборе печей для обжига, оптимальной температуре и продолжительности обжига, а также на свойствах получаемого продукта. Обычно чистые и плотные известняки обжигают при 1100-1250оС. Чем больше карбонатная порода содержит примесей доломита, глины, песка, тем ниже должна быть оптимальная температура обжига для получения мягкообожжённой извести. Такая известь хорошо гасится водой и даёт тесто с высокими пластичными свойствами.

Примеси гипса нежелательны. При содержании в извести даже около 0,5-1% гипс сильно снижает пластичность известкового теста. Значительно влияют на свойства и железистые примеси, которые уже при 1200оС и более вызывают образование в процессе обжига легкоплавких эвтектик, способствующих интенсивному росту крупных кристаллов оксида кальция, медленно реагирующих с водой при гашении извести и вызывающих явления, связанные с понятием «пережог».

Физико-механические свойства пород также отражаются на технологии извести. Для обжига в высоких шахтных печах пригодны лишь те породы, которые характеризуются значительной механической прочностью (прочность на сжатие не менее 20-30МПа). Куски породы должны быть однородными, неслоистыми; они не должны рассыпаться и распадаться на более мелкие части во время нагревания, обжига и охлаждения.

Рассыпаться во время обжига склонны крупнокристаллические известняки, состоящие из кристаллов кальцита размером 1-3мм. Мягкие разновидности известково-магнезиальных пород надо обжигать в печах, в которых материал не подвергается сильному измельчению. Известково-магнезиальные породы в зависимости от их химического состава являются сырьём для производства не только воздушной, но и гидравлической извести, а также портландцемента.

В зависимости от химического состава карбонатные породы делят на семь классов: А, Б, В, Г, Д, Е, Ж (таблица 1).

Из сырья классов А и Б получают соответственно жирную (пластичную) и тощую маломагнезиальную известь, из сырья классов В и Г – магнезиальную, из сырья классов Д и Е – доломитовую, а из сырья класса Ж – гидравлическую известь.

По структуре известняки делят на: кристаллические зернистые мраморовидные, плотные тонкозернистые, оолитовые, известковые туфы, известняки-ракушечники, мел, доломитизированные известняки и доломиты.

Мрамор по химическому составу - наиболее чистое сырьё. Однако в связи с высокими декоративными свойствами он используется в качестве отделочного материала, и поэтому в производстве извести, за редким исключением, не применяется.

Плотные известняки имеют мелкозернистую кристаллическую структуру, содержат обычно небольшое количество примесей и отличаются высокой прочностью. Их наиболее широко используют для получения извести.

Мел – мягкая рыхлая горная порода, легко рассыпающаяся на мелкие куски. Его обычно обжигают лишь во вращающихся печах, так как при обжиге в шахтных печах он легко крошится, что нарушает процесс обжига.

Известняковый туф отличается ноздреватым строением и большой пористостью. Иногда его используют для производства извести во вращающихся и шахтных печах (в зависимости от прочности).

Известняк-ракушечник состоит из раковин, сцементированных углекислым кальцием. Он представляет собой малопрочную горную породу, поэтому редко применяется для изготовления извести.

Оолитовый известняк – горная порода, состоящая из отдельных шариков карбоната кальция, сцементированных тем же веществом.

Доломитизированные известняки и доломиты по своим физико-механическим свойствам сходны с плотными известняками. Иногда доломиты залегают в природе в виде рыхлых скоплений. В доломитезированных известняках в качестве примеси присутствует доломит СаСО3 * MgCO3. Теоретически доломит состоит из 54,27% СаСО3 и 45,73% MgCO3 или 30,41% СаО, 21,87% MgO и 47,72% СО2. Истинная плотность доломита 2,85-2,95 г/см3. доломитовые породы почти нацело слагаются минералом доломитом с тем или иным содержанием глинистых, песчаных, железистых и тому подобных примесей.

Средняя плотность известняков составляет 2400-2800 кг/м3, мела – 1400-2400 кг/м3.

Влажность известняков колеблется в пределах 3-10%, а мела – 15-25%.

Сырьём для производства воздушной извести могут служить не только специально добываемые для этой цели карбонатные породы, но и отходы при добыче известняков для нужд металлургической, химической, строительной и других отраслей промышленности. Для этой цели в ряде случаев используют побочные продукты в виде дисперсного карбоната кальция или гидроксида кальция (карбонатные отходы сахарного и содового производства, гидратная известь от производства ацетилена и др.).

Негашёная известь (комовая)

Известь негашёная комовая представляет собой смесь кусков различной величины. По химическому составу она почти полностью состоит из свободных оксидов кальция и магния с преимущественным содержанием СаО. В небольшом количестве в ней могут присутствовать неразложившийся карбонат кальция, а также силикаты, алюминаты и ферриты кальция и магния, образовавшиеся во время обжига при взаимодействии глины и кварцевого песка с оксидами кальция и магния.

Производство комовой негашёной извести состоит из следующих основных операций: добычи и подготовки известняка, подготовки топлива и обжига известняка.

Известняки добывают обычно открытым способом в карьерах. Плотные известково-магнезиальные породы взрывают. Для этого вначале с помощью станков ударно-вращательного (при твёрдых породах) или вращательного бурения (при породах средней прочности) бурят скважины диаметром 105-150мм глубиной 5-8м и более на расстоянии 3,5-4,5м одна от другой. В них закладывают надлежащее количество взрывчатого вещества в зависимости от прочности породы, мощности пласта и требуемых габаритов камня.

Наблюдающаяся иногда неоднородность залегания известняков в месторождениях обуславливает необходимость выборочной разработки полезной породы. Выборочная добыча известняка повышает стоимость продукта, поэтому при определении технической и экономической целесообразности разработки тех или иных месторождений необходимы тщательные геологоразведочные изыскания.

Полученную массу известняка в виде крупных и мелких кусков погружают в транспортные средства обычно одноковшовым экскаватором. В зависимости от расстояния между карьером и заводом известняк доставляют на завод ленточными конвейерами, автосамосвалами, железнодорожным и водным транспортом.

Высококачественную известь можно получить только при обжиге карбонатной породы в виде кусков, мало различающихся по размерам. Поэтому перед обжигом известняк соответствующим образом подготавливают: сортируют по размеру кусков и, если необходимо, более крупные негабаритные куски дробят.

В шахтных печах наиболее целесообразно обжигать известняк раздельно по фракциям 40-80, 80-120мм в поперечнике, а во вращающихся печах - 5-20 и 20-40мм.

Так как размеры глыб добытой горной породы нередко достигают 500-800мм и более, то возникает необходимость дробления их и сортировки всей полученной после дробления массы на нужные фракции. Это осуществляется на дробильно-сортировочных установках, работающих по открытому или замкнутому циклу с использованием щековых, конусных и другого типа дробилок. Дробить и сортировать известняк целесообразно непосредственно на карьере и доставлять на завод лишь рабочие фракции.

Обжиг – основная технологическая операция в производстве воздушной извести. При этом протекает ряд сложных физико-химических процессов, определяющих качество продукта. Цель обжига - возможно более полное разложение СаСО3 и MgCO3 * CaCO3 на СаО, MgO и СО2 и получение высококачественного продукта с оптимальной микроструктурой частичек и их пор.

Реакция разложения (декарбонизация) основного компонента известняка – углекислого кальция идёт по схеме: СаСО3 →← СаО + СО2. Теоретически на разложение 1 моля СаСО3 (100 г) расходуется 179 кДж или 1790 кДж на 1 кг СаСО3. В пересчёте на 1 кг получаемого при этом СаО затраты равны 3190 кДж.

Процесс диссоциации углекислого кальция – обратимая реакция. Её направление зависит от температуры и парциального давления углекислого газа СО2 в среде с диссоциирующимся карбонатом кальция.

Диссоциация углекислого кальция возможна лишь при условии, если давление диссоциации будет больше парциального давления СО2 в окружающей среде. При обычной температуре разложение СаСО3 невозможно, поскольку давление диссоциации ничтожно. Установлено, что лишь при 600оС в среде, лишённой углекислого газа, начинается диссоциация углекислого кальция, причём она протекает очень медленно. При дальнейшем повышении температуры диссоциация СаСО3 ускоряется.

Разложение СаСО3 происходит не сразу во всей массе куска, а начинается с его поверхности и постепенно проникает к внутренним его частям. Скорость передвижения зоны диссоциации внутрь куска увеличивается с повышением температуры обжига.

Качество строительной воздушной извести зависит не только от содержания в ней свободных оксидов кальция и магния, но и от микроструктуры продукта, определяемой величиной и формой кристаллов СаО и MgO, а также величиной пор и распределением их в массе вещества.

При истинной плотности кальцита, основного компонента известняка, 2,72 г/см3 1 г вещества занимает абсолютный объём 1:2,27 = 0,36 см3. Из 1 г кальцита при обжиге образуется 0,56 г оксида кальция, который при плотности 3,4 г/см3 занимает объём 0,56:3,4 = 0,16 см3, т. е. в 2,25 раза меньше, чем исходный кальцит. Естестественно, что уменьшение объёма сопровождается уменьшением общей пористости кусков и увеличением их средней плотности.

Декарбонизация известняков при низких температурах (800-850оС) приводит к образованию оксида кальция в виде массы губчатой структуры, сложенной из кристаллитов размером около 0,2-0,3 мкм и пронизанной тончайшими капиллярами диаметром около 8 * 10-3 мкм.

Повышение температуры обжига до 900о и особенно до 1000оС обуславливает рост кристаллов оксида кальция до 0,5-2 мкм и значительное уменьшение удельной поверхности до 4-5 м2/г, что должно бы отрицательно отражаться на реакционной способности продукта. Но одновременное возникновение крупных пор в массе материала создаёт предпосылки к быстрому прониканию в него воды и энергичному их взаимодействию. Наиболее энергичным взаимодействием характеризуется известь, полученная обжигом известняка при температурах около 900оС. Обжиг при более высоких температурах приводит к дальнейшему росту кристаллов оксида кальция (до 3,5-10 мкм), уменьшению удельной поверхности, усадке материала и понижению скорости взаимодействия его с водой.

Обжиг при 1400оС и выше вызывает увеличение средней плотности, резкое уменьшение пористости и образование кристаллов оксида кальция и их конгломератов значительных размеров – 10-20 мкм и больше, что предопределяет замедленное их взаимодействие с водой, характерное для пережжённой извести.

Некоторые примеси в известняках, особенно железистые, способствуют быстрому росту кристаллов оксида кальция и образованию «пережога» и при температурах около 1300оС. Это вызывает необходимость обжигать сырьё с такими примесями при более низких температурах.

Пережог в извести вредно сказывается на качестве изготовляемых на ней растворов и изделий. Запоздалое гашение такой извести, протекающее обычно в уже схватившемся растворе или бетоне, вызывает механические напряжения и в ряде случаев разрушение материала. Поэтому наилучшей будет известь, обожжённая при минимальной температуре, обеспечивающей полное разложение углекислого кальция и экономию топлива.

Выбор температуры обжига известняка зависит и от наличия в нём примесей углекислого магния. В отличие от углекислого кальция MgCO3 при нагревании разлагается при более низкой температуре: начало около 400оС и полная диссоциация при 600-650оС. Реакционная же способность образующегося при этом MgO, как и СаО, с повышением температуры обжига значительно уменьшается. Уже при 1200-1300оС получается намертво обожжённый оксид магния – периклаз, который практически не обладает вяжущими свойствами и только при очень тонком измельчении начинает медленно взаимодействовать с водой. Достаточно активный оксид магния получается при обжиге доломитов и доломитизированных известняков при 850-950оС.

Для обжига извести применяют печи различных типов: шахтные, вращающиеся и др. Используют также установки для обжига извести во взвешенном состоянии, в кипящем слое, на специальных решётках и т. д.

Наибольшее распространение получили шахтные печи. Эти печи характеризуются непрерывностью действия, пониженным расходом топлива и электроэнергии, а также простотой в эксплуатации. Строительство их требует относительно небольших капиталовложений.

В зависимости от вида применяемого топлива и способа его сжигания различают шахтные печи, работающие на короткопламенном твёрдом топливе, вводимом обычно в печь вместе с обжигаемым материалом; так как известняк и кусковое топливо при этом загружают в шахту перемежающимися слоями, то иногда такой способ обжига называют пересыпным, а сами печи пересыпными; на любом твёрдом топливе, газифицируемом или сжигаемом в выносных топках, размещаемых непосредственно у печи; на жидком топливе; на газовом топливе, натуральном или искусственном.

Кроме того, применяют печи, в которых известняк обжигается за счёт сжигания короткопламенного топлива, вводимого в шахту вместе с сырьём, и одновременно длиннопламенного топлива, сжигаемого в выносных топках.

По степени обжига различают извести мягкообожжённые, среднеобожжённые и сильнообожжённые. Первые характеризуются отсутствием пережога и быстрой гасимостью. В сильнообожженных известях может присутствовать пережог, для них характерно замедленное гашение.

По характеру процессов, протекающих в шахтной печи, в ней различают три зоны по высоте: подогрева, обжига и охлаждения.

В зоне подогрева, к которой относят верхнюю часть печи с температурой печного пространства не выше 850оС, материал подсушивается и подогревается поднимающимися раскалёнными дымовыми газами. Здесь выгорают также органические примеси. Поднимающиеся газы, в свою очередь, благодаря теплообмену между ними и загруженным материалом охлаждаются и далее отводятся в верх печи.

Зона обжига размещается в средней части печи, где температура обжигаемого материала изменяется от 850 до 1200оС и затем до 900оС; здесь известняк разлагается, из него удаляется углекислый газ.

Зона охлаждения – нижняя часть печи. В этой зоне известь охлаждается от 900 до 50-100оС поступающим снизу воздухом, который далее поднимается в зону обжига.

Движение воздуха и газов в шахтных печах обеспечивается работой вентиляторов, нагнетающих в печь воздух и отсасывающих из неё дымовые газы. Противоточное движение обжигаемого материала и горячих газов в шахтной печи позволяет хорошо использовать теплоту отходящих газов на подогрев сырья, а теплоту обожжённого материала – на подогрев воздуха, идущего в зону обжига. Расход условного топлива в этих печах составляет примерно 13-16% массы обожжённой извести, или 3800-4700 кДж на 1 кг.

В шахтных пересыпных печах известь загрязняется золой и остатками несгоревшего топлива. Возможно также образование значительного количества пережога вследствие соприкосновения раскалённых кусков антрацита или кокса с обжигаемым известняком. Это особенно заметно при нарушении теплового режима и черезмерном форсировании печей за счёт высоких температур обжига.

Шахтные печи с выносными топками отличаются от пересыпных тем, что топливо в них не загружают непосредственно в шахту вместе с известняком, а сжигают в выносных топках, из которых раскалённые продукты горения поступают в печь и обжигают известняк. Выносные топки позволяют использовать для обжига извести любые виды твёрдого топлива, в том числе и длиннопламенные с большим содержанием летучих, а также получать известь, не засорённую зольными остатками, что является большим достоинством этих печей. Кроме того, для них характерен повышенный расход топлива на обжиг извести, достигающий в печах с топками полного сгорания 25%, а в печах с полугазовыми топками 18-20% массы продукта.

Печи, работающие на нефти, характеризуются тепловым коэффициентом полезного действия около 0,65 и уступают пересыпным печам, КПД которых достигает 0,85-0,88.

Применяются и газовые шахтные печи, в которых теплоноситель движется поперёк хода обжигаемого материала в вертикальной шахте. При этом шахта в плане имеет сильно вытянутое прямоугольное сечение с расстоянием между удлинёнными стенками 25-40 см. Через эти стенки на трёх-четырёх уровнях зоны обжига подаётся газообразное в смеси с воздухом. При обжиге мелкокускового известняка (3-5 см) суточный съём с 1 м3 полезного объёма печи может достигать 15-20 т.

Вращающиеся печи для обжига извести позволяют получать мягкообожжённую известь высокого качества из известняка и мягких карбонатных пород в виде мелких кусков. Вращающиеся печи допускают возможность полной механизации и автоматизации процесса обжига. В них можно применять все виды топлива – пылевидное, твёрдое, жидкое и газообразное.

Расход условного топлива во вращающихся печах значителен и достигает 25-30% массы извести, или 6700-8400 кДж на 1 кг. Недостатки вращающихся печей - большой расход металла на 1 т мощности, повышенные капиталовложения и значительный расход электроэнергии.

Для обжига извести применяют вращающиеся печи длиной 30-100 м, диаметром 2-4 м, с углом наклона 3-4о и частотой вращения 0,5-1,2 об/мин. Удельная суточная производительность их достигает 500-700 кг/м3 в расчёте на полный объём обжигательного барабана. С увеличением длины печей производительность их возрастает, а расход топлива снижается.

Для уменьшения расхода топлива на обжиг извести во вращающихся печах и для утилизации теплоты газов, выходящих из печей с температурой 750-800оС, применяют разные способы. В частности, за печами ставят нагреватели, в которые направляют предназначенный для обжига кусковой материал. Отсюда с температурой 500-800оС он поступает во вращающуюся печь, а из неё в холодильник. При таком способе работы печи расход теплоты на обжиг снижается до 4600-5030 кДж/кг извести.

Познавательные статьи:



Где возникла философия и почему?

Относительная высота сжатой зоны бетона

Сущность проекции Гаусса-Крюгера и использование ее в геодезии

Тарифы на перевозку пассажиров