Исследование кинетики процесса обжига на клинкер

Котелева Наталья Ивановна — Fri, 30 May 2014 10:07:45 +0000

Стадия обжига подготовленной сырьевой смеси во вращающейся трубчатой печи является одной из энергозатратных и при этом важнейших с точки зрения качества конечного продукта.
В результате обжига сырьевой смеси получается цементный клинкер, свойства которого как вяжущего материала обусловливаются свойствами составляющих его минералов, основными из которых являются двухкальциевый силикат, трехкальциевый силикат, алюмоферриты, алюминаты кальция [1].
На процесс образование конечного продукта существенное влияние оказывает ряд физико-химических и теплотехнических процессов, которые протекают в определенных температурных границах, по которым проходит разделение технологических зон печи.
При мокром способе производства, первой зоной печи является зона сушки сырья. В зависимости от влажности материала, расход тепла на испарение влаги может составить более одной трети от всех затрат тепла на обжиг.
В последующих зонах материал постепенно нагревается и проходит последовательно зоны дегидротации и декарбонизации.
В зоне экзотермических реакций при образования двухкальциевого силиката, алюминатов и алюмоферритов кальция материалов начинает расплавляться и происходит насыщение ранее образовавшегося двухкальциевого силиката до трехкальциевого силиката.
В зависимости от времени пребывания клинкера при высоких температурах, а также скорости охлаждения клинкера кристаллы его могут иметь различные размеры.
Кристаллическая структура клинкера оказывает существенное влияние на прочностные показатели. Установлено, что мелкокристаллическая структура клинкера позволяет при прочих равных условиях получать цементы более высоких прочностей.
Процесс охлаждения клинкера в самой печи и в холодильниках имеет большое значение как с теплотехнической, так и с технологической точки зрения.
Быстрое охлаждение клинкера препятствует разложению алита, находящегося в метастабильном состоянии в интервале температур 1200-1250°С, способствует фиксации жидкой фазы в стекловидном состоянии.
Для создания модели процесса обжига необходима информация о кинетических параметрах отдельных стадий.
Эта информация была получена из экспериментальных данных, полученных при разложении шихты в дифференциальном сканирующем калориметре фирмы NETSCH. В качестве экспериментальных данных получались значения текущей массы образца и скорость тепловыделения.
Для определения кинетических констант процесса обжига шихты на клинкер в производстве портландцемента были проведены кинетические исследования нагрева сухой шихты. В качестве экспериментальных данных получены значения текущей массы образца и скорость тепловыделения. Для определения химических реакций, протекающих при обжиге шихты на клинкер с помощью рентгенофазового анализа получена информация о минералогическом составе шихты.
Для обработки полученных экспериментальных данных была получена модель, с использованием модели реактора периодического действия, с заданным режимом изменения температуры. В качестве независимой переменной в данной модели было использовано время. В качестве профиля изменения температуры был задан профиль температуры работающей печи обжига. Связь между временем и длиной печи была установлена в соответствии с формулой [2, том 177, с. 161]
_,
где – текущее время реакции, мин, l– текущая длина печи, м, - скорость движения твердой фазы м/мин.
На основании этих данных путем решения обратной задачи в программном комплексе ReactOp с использованием метода нелинейного программирования[3] были определены кинетические параметры и тепловые эффекты отдельных стадий.
Постановка задачи поиска кинетических параметров приведена в уравнении [4]

-Расчетное (с) и экспериментальное значение массы образца в i –й точке реакции
- Расчетное (с) и экспериментальное значение скорости тепловыделения (теплопоглощения) в образце в i –й точке реакции.
- тепловой эффект j-й стадии реакции,
- натуральный логарифм предэкспоненциального множителя и энергия активации j-й стадии реакции,
- вектор параметров модели.
На рисунках 1, 2 показано сопоставление экспериментальных данных и результатов моделирования с найденными значениями констант.

Рисунок 1 – Сопоставление опытных данных убыли веса при нагреве сухой шихты и данные по обжигу шихты при тех же условиях сгенерированные в модели.

Рисунок 2 – Сопоставление экспериментальных данных по скорости тепловыделения с результатами моделирования полученными в результате решения уравнений математической модели, с найденными значениями кинетических параметров.

На рисунке 2 видно три выраженных пика теплопотребления в процессе обжига. Первый обусловлен испарением кристаллогидратной влаги, второй разложением MgCO₃, третий декарбонизацией карбоната кальция.
В результате обработки данных определены параметры для реакций, протекающих по длине трубчатой вращающейся печи:
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по всей длине кривой показывает удовлетворительное совпадение, за исключением последнего участка. На этом участке расхождение может быть объяснено тем фактом, что в условиях эксперимента происходило плавление образца, что приводило к поглощению теплоты плавления за счет тепловыделения экзотермических процессов при спекании.

Электронный научно-практический журнал «Современная техника и технологии» » firing

Исследование кинетики процесса обжига на клинкер