Кольцеобразование в цементной печи: диагностика и устранение

Введение в проблему кольцеобразования

Кольцеобразование представляет собой одну из наиболее серьезных эксплуатационных проблем вращающихся печей обжига цементного клинкера. Кольца представляют собой отложения материала, формирующиеся по внутренней окружности печи и существенно снижающие эффективность производственного процесса. Образование колец приводит к уменьшению внутреннего диаметра печи, нарушению движения материала, снижению производительности и может потребовать аварийной остановки печи.

Вращающаяся печь для обжига клинкера работает при температурах 1400-1450°C, создавая условия для частичного плавления сырьевой смеси и образования клинкерных минералов. В процессе обжига на стенках печи формируется защитное покрытие из затвердевшего клинкера, которое предохраняет огнеупорную футеровку от прямого воздействия высоких температур. Однако при нарушении теплового баланса и изменении химического состава материала происходит чрезмерное накопление отложений, формирующих кольца различных типов.

Формирование колец является динамическим процессом, при котором силы образования отложений превышают силы их разрушения. Основными факторами образования являются плавление или замерзание материала вследствие изменения температуры, а также взаимное сцепление агрегатов, построенных из мелких частиц, удерживаемых поверхностными силами.

Типы колец во вращающейся печи

В практике эксплуатации цементных печей выделяют несколько основных типов колец, различающихся по химическому составу и месту образования.

Спурритовые кольца

Спурритовые кольца формируются в зоне кальцинирования вращающейся печи за счет десорбции диоксида углерода в свежеобразованную свободную известь или рекарбонизации белита. Спуррит представляет собой карбонизированную форму белита с химической формулой Ca5(SiO4)2CO3. Эти кольца имеют твердую слоистую структуру и по химическому составу близки к обычному клинкеру.

Образование спурритовых колец происходит при достаточно высоком парциальном давлении CO2 над слоем материала, что приводит к обращению реакции кальцинирования. В грубомолотых сырьевых смесях с высоким содержанием кремнезема свободная известь не успевает прореагировать с кремнеземом в зоне кальцинирования, что повышает вероятность образования спурритовых отложений. Когда карбонат в спуррите замещается серой, образуется сульфоспуррит Ca5(SiO4)2(SO4).

Сульфатные кольца

Сульфатные кольца образуются при молярном соотношении серы к щелочам более 1,2. В таких условиях в системе циркулирует значительное количество свободного SO3. При определенной концентрации в печных газах происходит сульфатизация свободной извести с образованием ангидрита CaSO4. При работе печи в слабовосстановительных условиях могут формироваться более летучие и легкоплавкие сульфидные соединения серы, усиливающие проблему.

Соли в расплавленном состоянии обволакивают движущуюся клинкерную пыль, заставляя ее прилипать к стенке печи в форме колец. Характерно, что даже небольшое количество свободной серы достаточно для образования колец. Интенсивность проблемы возрастает с увеличением концентрации пыли в печных газах.

Клинкерные кольца

Клинкерные кольца, также называемые синтер-кольцами, формируются в верхней переходной зоне печи на границе зоны обжига и переходной зоны. Эти кольца имеют плотную структуру и могут достигать длины 10-15 метров, располагаясь на расстоянии 7-11 диаметров печи от выхода. Цвет колец близок к клинкерному, что указывает на их состав из хорошо обожженного материала.

Кольца имеют слоистую структуру, соответствующую кривизне корпуса печи. Химический состав близок к составу клинкера, без значительного повышения концентрации SO3 или щелочей. Механизмом связывания является замерзание алюмоферритного расплава. Мелкие частицы клинкера размером 150-450 мкм переносятся обратным потоком газов, осаждаются на огнеупорной футеровке в зоне с температурой ниже 1250°C и формируют отложения.

Носовые кольца

Носовые кольца образуются в нижней переходной зоне на разгрузочном конце печи. Причиной их формирования является избыточное количество жидкой фазы в клинкере, выходящем из печи. Это часто вызвано слишком высокой температурой зоны обжига или повышенным содержанием жидкой фазы в сырьевой смеси.

Дополнительным фактором может быть чрезмерно глубокое положение трубы горелки, что сокращает длину первичной зоны охлаждения под горелкой и позволяет избыточному количеству расплава достигать носового кольца. Образование чрезмерного покрытия на носовом кольце толщиной 300-350 мм создает проблемы с качеством клинкера и эксплуатационные нарушения.

Щелочные кольца

Щелочные кольца возникают при молярном соотношении серы к щелочам менее 0,8, обычно в печах с высокой нагрузкой по хлору. В таких условиях легкоплавкие соли калия обеспечивают связывание клинкерной пыли, движущейся вверх по печи. Через механизм замерзания-оттаивания эти кольца могут достигать значительных размеров. Щелочные кольца встречаются реже других типов, поскольку сера и карбонаты обычно присутствуют в избытке относительно калия.

Механизмы образования колец

Циркуляция летучих компонентов

Основную роль в образовании колец играет внутренняя циркуляция летучих компонентов в печной системе. Элементы, такие как сера, калий, натрий и хлор, происходящие из сырьевых материалов и топлива, проходят повторяющиеся циклы испарения-конденсации. При воздействии высоких температур эти соединения испаряются, а затем конденсируются в более холодных частях установки.

Для оценки состава летучих компонентов в цементной промышленности используется индекс ASR (Alkali Sulfate Ratio). Проблемы возникают при дисбалансе между щелочными компонентами и серой. При избытке серы (молярное соотношение S/щелочи более 1,2) образуются сульфатные кольца, при избытке щелочей (молярное соотношение S/щелочи менее 0,8) формируются щелочные кольца.

Влияние тонкости помола сырья

Тонкость помола сырьевой муки оказывает существенное влияние на склонность к образованию колец. Чрезмерно тонкий помол приводит к повышенной концентрации пыли в печных газах, что усиливает перенос материала газовым потоком и его осаждение на стенках печи. С другой стороны, грубый помол с высоким содержанием кремнезема не позволяет свободной извести полностью прореагировать в зоне кальцинирования, увеличивая вероятность образования спурритовых отложений.

Нестабильность температурного режима

Колебания температуры являются критическим фактором образования колец. При стабильных температурных условиях высота кольца автоматически поддерживается неизменной. Единственной причиной аномального роста кольца является изменение его поверхностной температуры, что создает условия для формирования наслоений и метаморфических процессов, консолидирующих кольцо.

Нестабильность может быть вызвана нерегулярным и недостаточным контролем температуры на загрузочном конце, частыми колебаниями разрежения в печи, а также чрезмерным образованием пыли внутри печи. Клинкерная пыль, переносимая атмосферой печи, играет значительную роль в росте колец.

Характеристики пламени горелки

Форма и характеристики пламени непосредственно влияют на температурный профиль в зоне обжига. Короткое, интенсивное и широкое пламя может эродировать покрытие из-за большого выделения тепла на короткой площади. Длинное пламя более благоприятно для формирования покрытия в зоне обжига, однако чрезмерно длинное пламя снижает длину зоны кальцинирования, повышает температуру и увеличивает летучесть серы и щелочей, усиливая их рециркуляцию.

Диагностика кольцеобразования

Температурный профиль печи

Мониторинг температурного профиля является ключевым инструментом диагностики образования колец. Современные системы термического мониторинга обеспечивают непрерывный контроль температуры корпуса печи по всей ее длине с высоким разрешением.

Аномальные температурные градиенты на корпусе печи указывают на возможное образование колец. Локальное снижение температуры корпуса может свидетельствовать о наличии толстого покрытия или кольца, изолирующего корпус от внутреннего тепла. Систематический мониторинг позволяет обнаружить формирование колец на ранней стадии и предпринять превентивные меры.

Визуальная инспекция

Системы визуального контроля позволяют оператору наблюдать за пламенем и зоной обжига в реальном времени. Камера высокого разрешения, установленная около горелки с бороскопом, введенным в зону обжига, обеспечивает визуализацию формы пламени и температурных полей.

Система эффективно отображает контрастные изображения синтер-колец или колец из угольной золы, формирующихся в зоне обжига, а также других серьезных отложений покрытия. Можно визуально оценить состояние покрытия, которое должно начинаться приблизительно на расстоянии половины диаметра печи от носового кольца.

Параметры работы печи

Ряд эксплуатационных параметров служит индикаторами образования колец:

• Повышение отрицательного давления перед вытяжным вентилятором
• Неполное сгорание топлива, определяемое анализатором CO
• Прерывистая задержка загрузки материала
• Аномальные температурные градиенты на корпусе печи
• Повышение силы тока двигателя привода печи на 15-20%

Анализ уровня оксидов азота может служить надежным индикатором температуры зоны обжига. Уровень NOx обычно измеряется в диапазоне 500-2000 ppm и сильно коррелирует с температурой зоны обжига. В отличие от силы тока двигателя печи, который изменяется при образовании колец и их разрушении, сигнал NOx дает более точное представление об условиях обжига.

Анализ клинкера

Петрографический анализ клинкера позволяет определить, был ли материал обожжен в восстановительной атмосфере, быстро или медленно охлажден. Микроскопическая оценка показывает, произошло ли превращение C2S из бета- в гамма-модификацию, что характерно для медленного охлаждения.

Изменения в содержании свободного оксида кальция могут указывать на проблемы в зоне обжига. Резкое снижение содержания свободной извести при неизменной подаче топлива может свидетельствовать о формировании условий для интенсивного обжига или изменении положения зоны спекания.

Методы устранения колец

Регулировка параметров горелки

Оптимизация работы горелки является первостепенным методом борьбы с образованием колец. Регулировка положения горелки оказывает прямое влияние на температурный профиль и движение зоны обжига.

Положение горелки

При слишком глубоком положении горелки пламя горит далеко, горелка удалена от слоя материала и приближена к футеровке печи. Пламя омывает покрытие и футеровку, снижая срок службы футеровки и способствуя образованию длинного и толстого покрытия. Высокотемпературная зона смещается назад, материал становится липким. Влияние усиливается при низком коэффициенте насыщения сырьевой смеси и высокой зольности топлива.

Чем глубже горелка входит в печь, тем дальше перемещается точка высокой температуры, и зона охлаждения увеличивается, что равносильно укорочению длины печи. Температура на загрузочном конце соответственно повышается. При выдвижении пламени за пределы печи высокотемпературная зона смещается вперед, зона охлаждения укорачивается, температура клинкера на выходе повышается, что неблагоприятно для разгрузочного кожуха печи.

Регулировка первичного и вторичного воздуха

При коротком и толстом пламени обычно увеличивают подачу первичного воздуха. При увеличении вторичного воздуха пламя становится тонким и длинным. Чрезмерный первичный воздух легко вызывает короткое толстое расширяющееся пламя, при котором не только легко выжигается покрытие, но и образуется материал с толстым желтым ядром.

При чрезмерном вторичном воздухе сердцевина пламени удлиняется, что заставляет несгоревшие частицы кокса опускаться в заднюю часть печи и продолжать гореть. В результате жидкая фаза материала появляется преждевременно, приводя к чрезмерно длинному покрытию на корпусе печи и образованию колец.

Система CARDOX для удаления колец

Система CARDOX представляет собой высокотехнологичное решение для безопасного удаления колец без необходимости длительной остановки и охлаждения печи. Система использует контролируемое расширение углекислого газа для разрушения затвердевших отложений.

Принцип работы системы

Система CARDOX состоит из многоразовых стальных трубок высокой прочности, заполненных жидким диоксидом углерода, химического нагревателя и разрывной мембраны. При активации химический нагреватель мгновенно преобразует жидкий CO2 в газообразное состояние, создавая давление до 40 000 psi (около 2760 бар) или до 34 000 psi (около 2345 бар) в зависимости от типа используемой системы.

Контролируемый направленный выброс газа разрушает кольцевые отложения путем воздействия на естественные трещины и слабые места в структуре кольца. Метод является недетонирующим, не создает ударных волн, вибрации или высоких уровней шума, характерных для обычных взрывчатых веществ.

Преимущества системы CARDOX

• Работа при рабочих температурах до 800-900°C без необходимости охлаждения оборудования
• Минимальное время простоя - удаление кольца занимает 1-2 часа вместо 5-8 дней при ручной очистке
• Отсутствие риска повреждения огнеупорной футеровки при правильной установке
• Безопасность использования - инертный CO2 не создает риска воспламенения
• Многоразовое использование трубок со сроком службы более 15 лет
• Дистанционная активация с безопасного расстояния

Установка и применение

Простые и безопасные системы соединения монтируются на оборудовании в местах известного образования колец, что позволяет установить трубку CARDOX на заданную глубину и направление выброса. Контроль направления выброса минимизирует риск для огнеупорной футеровки. После использования трубка CARDOX легко извлекается и заменяется уплотнительной заглушкой, возвращающей оборудование к нормальной работе до следующего применения.

Температурный контроль

Временное снижение температуры зоны обжига на 50-100°C может вызвать термическое растрескивание колец. Однако необходимо избегать быстрого охлаждения для предотвращения повреждения огнеупорной футеровки. Метод применяется как дополнение к основным способам удаления.

После разрушения кольца температуру можно снова снизить до уровня ниже точки образования шлака. Для предотвращения дополнительного шлакообразования операторы должны проверить термопары камеры сгорания и системы мониторинга, чтобы убедиться в их правильной работе для адекватного контроля температуры.

Механическое удаление

Механическое удаление колец применяется в крайних случаях и требует полной остановки и охлаждения печи. Используются стальные стержни, пневматические молотки или струи воды высокого давления. Метод неэффективен, связан с высоким риском и требует значительного времени на выполнение.

Для устранения колец в средней секции печи могут применяться вращающиеся фрезы или ножи, устанавливаемые внутри печи и работающие синхронно с ее вращением. Такие устройства требуют специальной установки и применяются на печах с регулярными проблемами образования колец в определенных зонах.

Профилактические меры

Контроль химического состава сырья

Регулярное тестирование и балансировка состава сырьевой смеси позволяют избежать накопления липких фаз. Необходимо контролировать содержание щелочей, серы и хлора в сырьевых материалах. Использование систем мониторинга в реальном времени позволяет корректировать состав материала по мере необходимости.

Оптимальное значение коэффициента насыщения (KH) составляет 0,88-0,92, силикатного модуля (SM) 2,4-2,6, глиноземного модуля (IM) 1,4-1,6. Отклонения от этих значений могут привести к изменению свойств жидкой фазы и склонности к образованию колец.

Стабилизация процесса

Поддержание стабильной скорости подачи сырья предотвращает температурные колебания. Необходимо поддерживать постоянную скорость вращения печи (обычно 2-4 об/мин) для минимизации времени удержания материала. Стабильность тягового вентилятора и уровня кислорода имеет критическое значение для равномерного горения.

Оптимизация тонкости помола

Контроль гранулометрического состава сырьевой муки позволяет минимизировать образование пыли при сохранении достаточной реакционной способности материала. Остаток на сите 0,09 мм должен составлять 8-12%, что обеспечивает баланс между реакционной способностью и склонностью к пылеобразованию.

Техническое обслуживание футеровки

Регулярная инспекция и поддержание огнеупорной футеровки в оптимальном состоянии обеспечивают правильное распределение температуры. Поврежденная или изношенная футеровка создает неровные поверхности, способствующие накоплению материала. Использование высококачественных огнеупорных материалов снижает частоту ремонтных циклов.

В зоне высоких температур применяются огнеупорные кирпичи на основе магнезиального алюмината шпинели, обладающие антикоррозионными свойствами. В переходных зонах используется шамотный кирпич, в холодной зоне - клинкер-бетон.

Управление системой рециркуляции пыли

Минимизация рециркуляции мелкой клинкерной пыли снижает склонность к образованию колец. Использование современных систем фильтрации для улавливания мелких частиц до их возврата в печь может смягчить проблему. Эффективная аспирация на участках перегрузки материала снижает пылеобразование в системе.

Часто задаваемые вопросы