Кальцинация известняка: процесс, история и применение

Кальцинация или прокаливание — термический процесс обработки для достижения термического разложения. Процесс происходит ниже температуры плавления продукта. Название «кальцинация» происходит от латинского слова «Calcinare», означающего «сжигать известков». Известков (CaO) — одно из старейших химических веществ, известных человеку, а процесс производства известка — одна из старейших химических промышленностей. Быстрорастворимый известков производился в США еще в 1635 году на Роуд-Айленде. Технический прогресс, которого не было веками, быстро развил известковую промышленность за последние пятьдесят лет в области процессных методов и проектирования.

Известняк — одно из основных сырьевых материалов в сталелитейной промышленности, используется как в производстве чугуна, так и в сталелитейных и вспомогательных процессах. Большинство известка в железно-сталелитейной отрасли применяется для флюсирования примесей в сталелитейных печах и во многих вторичных сталелитейных процессах. Известков также используется в разных количествах в процессе синтерирования для подготовки железной руды, в десульфуризации чугуна, для нейтрализации кислот и на водоочистных сооружениях.

Известняк — природный минерал. Месторождения известняка широко распространены. Известняк с разных месторождений отличается физическими и химическими свойствами. Химический состав может сильно варьировать от региона к региону, а также между разными месторождениями в одном регионе. Известняк можно классифицировать по химическому составу, текстуре и геологическому происхождению. Типично, известняк содержит более 90% CaCO₃ (карбонат кальция) и несколько процентов MgCO₃ (карбонат магния). Доломит — двойной карбонат, содержащий 54–58% CaCO₃ и 40–44% MgCO₃.

Классификация известняка

Известняк обычно классифицируют на два типа: (1) высококальциевый, в котором карбонатное содержание состоит преимущественно из CaCO₃ с содержанием MgCO₃ не более 5% (обычно меньше); (2) магнезиевый или доломитизированный известняк, относящийся к известняку, содержащему MgCO₃ на более высоком уровне, чем обычный известняк, но меньше доломита, с содержанием MgCO₃ в диапазоне около 5–20%. Известняк обычно сопряжен с примесями: кремнеземом (SiO₂), оксидом алюминия (Al₂O₃), железом (Fe), серой (S) и другими микроэлементами.

Химическая реакционная способность различных известняков также показывает большую вариацию из-за различиев в кристаллической структуре и природе примесей (SiO₂, Al₂O₃, Fe и др.). Различные свойства известняка сильно влияют на метод обработки. Поэтому необходимо знать исчерпывающую информацию об известняке: физические и химические свойства, характеристики прожога и кинетические параметры кальцинации. Это способствует оптимальному проектированию и эксплуатации известковых печей.

Тепловиды и кинетика кальцинации

Реакции кальцинации обычно происходят при или выше температуры термического разложения. Эта температура обычно определяется как температура, при которой стандартная свободная энергия Гиббса равна нулю. Реакция разложения известняка: CaCO₃ = CaO + CO₂ (г). Энергия активации реакции кальцинации обычно составляет 37–60 ккал/моль, с преобладанием значений около 50 ккал/моль. Эти значения сравниваются с теоретическим значением (в равновесии) 39–41 ккал/моль. Неопределенность обусловлена внутренней сложностью процесса кальцинации, который, предполагая модель сжигающегося ядра, включает семиступенчатый механизм: (1) тепло передается на внешнюю поверхность частицы, затем (2) проводится через прокаленный внешний слой к внутренней границе реакции, где (3) происходит химическая реакция, а выделившийся CO₂ либо (4) реагирует на границе, либо (5) диффундирует от границы к внешней поверхности, затем (6) диффундирует от поверхности в окружающую атмосферу, и (7) CO₂ из окружающей атмосферы также диффундирует к границе реакции. Скорость кальцинации определяется любым одним или комбинацией этих этапов.

Кальцинация — равновесная реакция. Принципиально, CaCO₃ разлагается на известков, если окружающее парциальное давление CO₂ ниже равновесного значения парциального давления при заданной температуре. С другой стороны, любой сформированный известков превращается обратно в карбонат, если парциальное давление CO₂ превышает это равновесное значение. Скорость реакции разложения определяется парциальным давлением CO₂, температурой реакции и размером частицы. При 700 °C и атмосферном давлении скорость реакции становится чрезвычайно медленной, даже при отсутствии CO₂. Химическая реакционная способность варьирует между источниками известняка не только из-за различий в кристаллической структуре, но и в зависимости от природы примесей.

Кальцинация CaCO₃ — сильно эндотермическая реакция, требующая около 755 Мкал теплового входа для производства тонны известка (CaO). Реакция начинается только при температуре выше температуры диссоциации карбонатов в известняке. Обычно это между 780 °C и 1340 °C. После начала реакции температура должна поддерживаться выше температуры диссоциации, а выделившийся CO₂ должен удаляться. Диссоциация CaCO₃ происходит постепенно от внешней поверхности частицы внутрь, и остается пористый слой CaO — желаемый продукт. Поэтому процесс зависит от адекватной температуры прожога не менее 800 °C для обеспечения разложения и достаточного времени удержания, то есть обеспечения того, что известков/известняк удерживается достаточно долго при температурах 1000–1200 °C для контроля его реакционной способности.

Факторы, влияющие на кальцинацию

Кристаллическая структура влияет на скорость кальцинации, внутреннюю прочность известняка и полученный кристаллический размер известка после кальцинации. Меньшие кристаллы агломерируются при кальцинации и формируют более крупные кристаллы, что вызывает усадку и уменьшение объема.

Кальцинация при более высокой температуре означает более высокую агломерацию и большую усадку. Плотность известняка также связана с кристаллической структурой. Форма кристаллов определяет пустое пространство между кристаллами, а значит, плотность известняка. Крупные пустоты обеспечивают легкий проход для газов CO₂ при кальцинации и приводят к уменьшению объема. Некоторые известняки из-за своей кристаллической структуры дезинтегрируют в процессе кальцинации. Такой известняк не пригоден для прокаливания. Существует другой известняк, поведение которого противоположно: он становится настолько плотным при кальцинации, что препятствует выходу CO₂ и становится непористым. Такой известняк также не подходит для кальцинации.

Реакционная способность известка — мера скорости реакции известка в присутствии воды. Метод испытания для измерения реакционной способности молотого известка проводится путем гашения известка водой. Реакционная способность известка зависит от различных параметров, связанных с сырьем и процессом: (1) температура и время прожога, (2) кристаллическая структура известняка, (3) примеси известняка, (4) тип печи и топливо. Классификация известка часто встречается в терминах его реакционной способности: (1) мертво прожженный, (2) твердый, (3) средний, (4) мягкий.

Известков с низкой реакционной способностью часто называют средним, твердым и мертво прожженным. Снижение реакционной способности сопровождается уменьшением поверхности и пористости известка, что называется синтерингом. Каждый конкретный тип известка имеет определенную реакционную способность, которая, в свою очередь, определяется требованиями применения и конкретным процессом. Как упоминалось выше, характеристики известка также зависят от сырого известняка, типа печи и используемого топлива. Например, коксовые шахтные печи обычно производят известков со средней или низкой реакционной способностью, тогда как газовые регенеративные печи параллельного течения обычно производят высокореакционный известков.

Разложение доломита и доломитизированного известняка намного сложнее. Разложение может происходить через одну или две дискретные стадии или даже через промежуточные стадии. Вовлеченные реакции: CaCO₃·MgCO₃ + тепло = CaCO₃·MgO + CO₂; CaCO₃·MgO + тепло = CaO·MgO + CO₂; CaCO₃·MgCO₃ + тепло = CaO·MgO + 2CO₂. Температура, необходимая для разложения доломита и доломитизированного известняка, обычно в диапазоне 500–750 °C.

Мелкодисперсный известняк больше подходит для кальцинации в вращающихся печах и позволяет оптимальное время удержания. Более низкая температура прожога также обеспечивает меньший расход топлива. Напротив, крупнодисперсный известняк и низкая температура прожога необходимы для шахтных печей. Если повышение температуры слишком быстрое, внешний слой кусков известняка прокаливается очень быстро. По мере повышения температуры поверхность известняка усаживается и закрывает поры, созданные выходом CO₂. Это вызывает повышение внутреннего давления в известняке. Поскольку газ CO₂ не может выйти, известняк взрывается и дезинтегрируется, образуя нежелательную «мелкую фракцию», что снижает качество известка.

Производство качественного известка зависит от типа печи, условий кальцинации и природы сырья — известняка. При относительно низких температурах кальцинации продукты, образованные в печи, содержат как непрожженный карбонат, так и известков — так называемый «недопрожженный» известков. По мере повышения температуры производится «мягко прожженный» или «высокореакционный» известков. При еще более высоких температурах — «мертво прожженный» или «низкореакционный» известков. Мягко прожженный известков получается, когда фронт реакции достигает ядра загруженного известняка и превращает весь присутствующий карбонат в известков. Высокопродуктивный продукт относительно мягкий, содержит мелкие кристаллиты известка и имеет открытую пористую структуру с легко доступным внутренним пространством. Такой известков обладает оптимальными свойствами: высокой реакционной способностью, большой удельной поверхностью и низкой насыпной плотностью. Повышение степени кальцинации за эту стадию заставляет образованные кристаллиты известка расти, агломерироваться и синтериться. Это приводит к уменьшению удельной поверхности, пористости и реакционной способности и увеличению насыпной плотности. Этот продукт известен как мертво прожженный или низкореакционный известков.

Кальцинация известняка в печи

Прохождение известняка (с или без значимого содержания MgCO₃) через печь можно разделить на три стадии или зоны теплопередачи (Рис. 1): (1) зона предварительного нагрева, (2) зона кальцинации, (3) зона охлаждения.

Зона предварительного нагрева — известняк нагревается от окружающей температуры до ~800 °C прямым контактом с газами, выходящими из зоны кальцинации, состоящими преимущественно из продуктов сгорания, излишков воздуха и CO₂ от кальцинации.

Зона кальцинации — топливо сгорает в предварительно нагретом воздухе из зоны охлаждения и (в зависимости от конструкции) в дополнительном «горючевом» воздухе, подаваемом с топливом. В этой зоне создаются температуры выше 900 °C. При 800–900 °C поверхность известняка начинает разлагаться. При температурах выше температуры разложения известняка (900 °C) разложение происходит под поверхностью кусков известняка. При 900 °C эти куски покидают зону кальцинации и иногда встречаются как остаточный известняк, все еще застрявший внутри. Если полностью разложенные куски все еще находятся в зоне кальцинации, происходит синтеринг.

Зона охлаждения — известков, покидающий зону кальцинации при 900 °C, охлаждается прямым контактом с «охлаждающим» воздухом, частью или всем горючевым воздухом, который в свою очередь предварительно нагревается. Известков покидает эту зону при температуре ниже 100 °C.

Время пребывания известняка-известка в печи варьируется в зависимости от типа печи и типа конечного продукта. Этот период составляет от шести часов до двух суток. Известков часто называют легким или мягким, средним или твердым прожженным в зависимости от степени кальцинации. Степень реакционной способности (реактивность к воде) уменьшается по мере увеличения уровня пористости.

Рис. 1 Стадии зон теплопередачи и длинная вращающаяся печь

Скорость разложения известняка в печи зависит от нескольких факторов, присущих самим частицам известняка: морфологии и состава, и от процессных условий. Основные переменные: (1) химические характеристики известняка, (2) размер и форма частиц, (3) температурный профиль зоны кальцинации, (4) скорость теплообмена между газами и частицами.

Большинство используемых печей основаны либо на шахтной, либо на вращающейся конструкции. Существует несколько других печей на разных принципах. Все эти конструкции включают концепцию трех зон. Тогда как шахтные печи обычно включают зону предварительного нагрева, некоторые другие известковые печи, а именно вращающиеся печи, иногда работают в связке с отдельными предварительными нагревателями. Большинство печных систем характеризуются противотоками твердых тел и газов, что имеет последствия для выбросов загрязнителей.

Печной известков (ROK) обрабатывается просеиванием мизерной фракции из известка. Плюсовая фракция известка используется для сталелитья, а мизерная — в синтерировании железной руды, на водоочистных сооружениях и во многих других мелких применениях на металлургическом заводе.

Типы известковых печей — техники и конструкции

Прокаливающие печи делятся на две категории: (1) вращающиеся печи и (2) вертикальные печи. Оба типа могут быть спроектированы для любого твердого, жидкого или газообразного топлива. Вращающиеся печи могут быть длинными с прямыми вращающимися охладителями, в то время как вертикальные печи бывают нескольких типов. Прокаливающие печи требуют известняка с надлежащим индексом декрепитации. Индекс декрепитации известняка — мера его восприимчивости к дезинтеграции при кальцинации. Низкое значение декрепитации снижает пористость слоя, препятствуя прохождению газов и эффективности печи. Вращающиеся печи также требуют известняка с хорошим индексом качания.

Существует множество техник и конструкций печей, хотя в настоящее время известковые печи доминируют относительно небольшим числом конструкций; многие альтернативы доступны, особенно подходящие для специфических применений. При выборе типа печи необходимо учитывать свойства известняка: прочность до и после прожога, тип доступного топлива и качество продукта. В целом используется шесть основных типов печей для кальцинации известняка. Главные факторы выбора печи: (1) природа месторождения известняка, (2) характеристики, доступность и качество известняка, (3) входная гранулометрия (механические свойства загрузки печи и мелкая фракция в загрузке), (4) требования к свойствам известка для основного применения, (5) производительность печи, (6) тип доступного топлива, (7) экологическое воздействие, (8) капитальные и операционные затраты. Физико-химические свойства известка неразрывно связаны с типом печей, используемых для кальцинации. Таблица 1 приводит различные типы печей.

Таблица 1 Типы известковых печей
№	Тип печи	Мощность, т/сут	Размер загрузки, мм
1	Длинная вращающаяся печь	160–1500	2–60
2	Вращающаяся печь с предварительным нагревателем	150–1500	10–60
3	Регенеративная печь параллельного течения	100–600	10–200
4	Аннулярная шахтная печь	80–300	10–150
5	Смешанная шахтная печь	60–200	20–200
6	Другие печи	10–200	20–250

Вращающиеся печи

Обычно для производства известка используются два типа вращающихся печей: (1) длинная вращающаяся печь (ДВП) и (2) вращающаяся печь с предварительным нагревателем (ВПП).

Длинные вращающиеся печи (ДВП) — ДВП (Рис. 1) состоит из вращающегося цилиндра длиной до 150 м, наклоненного под углом 1–4° к горизонту, диаметром 2–4,5 м. Известняк загружается в верхний конец, топливо и горючевой воздух подаются из нижнего конца. Известков выгружается из печи в известковый охладитель, где используется для предварительного нагрева горючевого воздуха. Используются различные конструкции охладителей: планетные блоки вокруг корпуса печи, движущиеся решетки, различные типы противотоковых шахтных охладителей.

В ДВП нет предварительного нагревателя, горелки топлива находятся на конце выгрузки известка. Тип топлива: газ, жидкость, пульверизированное твердое ископаемое топливо, отходы или биомасса. Потребность в тепле: 1430–2200 Мкал/т известка. Потребность в электричестве: 18–25 кВт·ч/т известка. Конструкция печи: наклонный вращающийся цилиндр с огнеупорной облицовкой и «миксерами» для улучшения теплообмена. Типы охладителей: (1) планетные вокруг корпуса печи, (2) движущиеся решетки, (3) вращающийся цилиндр, (4) стационарный шахтный охладитель. Подача горючего воздуха — через охлаждающий воздух на конце охладителя и первичный воздух с топливом. Вытяжка дымовых газов — индукционным вентилятором (ID) на конце вращающегося цилиндра на стороне загрузки известняка через воздуховод. Газ охлаждается и дедустируется перед выбросом. Выгрузка известка — на конце охладителя. Важные моменты: качество огнеупора и тонкое помол угля для обеспечения хорошего сгорания и снижения нагара (образования колец) в печи.

Непрерывное измерение CO и O₂ необходимо для хорошего сгорания и безопасности. ДВП обладает гибкостью производства. Очень быстрая реакция на изменение параметров. Широкий диапазон размеров загружаемого известняка. Достигается очень низкий остаточный CO₂. Гибкость реакционной способности от мягкого до твердого прожженного. Возможность производства мертво прожженного доломита. Гибкость по использованию топлива. Мягкий известняк можно использовать, но при кальцинации образует много мелкой фракции. Недостатки ДВП: высокие энергозатраты, образование колец (зола угля, сульфаты кальция, глина и др.).

Конструкция горелки важна для эффективной и надежной работы ДВП. Пламя должно быть регулируемым для разных типов топлива. Поскольку процессные условия можно легко и быстро менять, ДВП могут производить более широкий диапазон реакционной способности известка и более низкие остаточные CO₂, чем шахтные печи. Относительно слабые загрузочные известняки, которые разрушаются и непригодны для шахтных печей, подходят для вращающихся печей.

Вращающиеся печи могут работать на широком спектре топлив. Поскольку теплопередача в зоне кальцинации во многом определяется излучением, а инфракрасная излучательная способность возрастает в последовательности газ, масло, твердое топливо, выбор топлива может существенно влиять на теплопотребление. Потери излучения и конвекции сильно относительны к другим конструкциям известковых печей, что приводит к более высокому энергопотреблению по сравнению с другими типами печей.

Преимущество вращающейся печи: сера (S) из топлива и в меньшей степени из известняка может быть удалена из печи в дымовых газах за счет комбинации контроля температуры и процента CO в зоне кальцинации. Таким образом, низкосеристый известков можно производить из высокосеристого топлива с учетом лимитов выбросов SO₂ в выхлопных газах. ДВП — гибкие печи по использованию топлива и различным размерам загрузочного известняка, особенно мелким фракциям.

Вращающиеся печи с предварительными нагревателями (ВПП) — Вращающиеся печи могут оснащаться предварительными нагревателями. ВПП (Рис. 2) обычно значительно короче обычных ДВП (например, 40–90 м). Теплопотребление снижается за счет уменьшения потерь излучения и конвекции, а также увеличения тепловозврата из выхлопных газов.

Разработано несколько конструкций предварительных нагревателей, включая вертикальные шахты и движущиеся решетки. Предварительный нагреватель выбирается на основе размера и свойств загрузочного известняка. Большинство принимают минимальный размер 10 мм, некоторые использовали известняк до 6 мм, а некоторые не переносят слабый известняк или известняк, склонный к разрушению.

Хотя удаление серы сложнее с ВПП, существует несколько способов: (1) работа печи в восстановительных условиях с подачей дополнительного воздуха на заднем конце (работает только с определенными конструкциями предварительного нагревателя), на горелке, горючем воздухе, предварительном нагревателе, печи и охладителе; (2) добавление достаточно мелкоразделенного известняка в загрузку для предпочтительного поглощения SO₂ с последующим сбором в заднем пылесборнике или просеиванием из известка, выгружаемого из охладителя.

В ВПП горелки топлива на конце выгрузки известка. Тип топлива: газ, жидкость, пульверизированное твердое ископаемое топливо, отходы, биомасса. Потребность в тепле: 1220–1860 Мкал/т известка. Потребность в электричестве: 17–45 кВт·ч/т известка. Конструкция: наклонный вращающийся цилиндр с огнеупорной облицовкой и «миксерами». ВПП имеют диаметр 2–4,5 м и длину до 90 м. Типы охладителей: (1) планетные вокруг корпуса печи, (2) движущиеся решетки, (3) вращающийся цилиндр. Подача горючего воздуха — через охлаждающий воздух на конце охладителя. Дымовые газы проходят через предварительный нагреватель, вытяжка — ID-вентилятором. Газ охлаждается при теплообмене с загрузочным известняком. Выгрузка известка — на конце охладителя. Важные моменты: качество огнеупора, тонкий помол угля, герметичность стыка между предварительным нагревателем и печью. Высокое содержание мелкой фракции в загрузочном известняке может заблокировать предварительный нагреватель. Непрерывное измерение CO и O₂ необходимо для хорошего сгорания и безопасности.

ВПП обладают гибкостью производства. Очень быстрая реакция на изменение параметров. Могут использовать широкий диапазон размеров загрузочного известняка. Достигается очень низкий остаточный CO₂. Гибкость реакционной способности от мягкого до твердого прожженного, с возможностью производства мертво прожженного доломита. Гибкость по топливу: газ, жидкость, пульверизированное твердое ископаемое топливо, отходы, биомасса. Мягкие загрузочные известняки можно использовать, но дают много мелкой фракции. Меньшие топливозатраты в ВПП за счет лучшего теплообмена в предварительном нагревателе (начало декарбонизации). Недостатки: образование колец (зола угля, сульфаты кальция, глина), предварительный нагреватель — дополнительное оборудование для обслуживания.

Рис. 2 Вращающаяся печь с предварительным нагревателем

Шахтные печи

Шахтные печи составляют большинство всех печей, используемых в настоящее время для производства известка. Типы шахтных печей: (1) смешанная шахтная печь (МШП), (2) регенеративная печь параллельного течения (РППТ), (3) аннулярная шахтная печь (АШП), (4) другие печи. Шахтные печи вертикальны по конструкции, высотой до 30 м и диаметром до 6 м. Для этого типа печи известняк загружается в верхнюю секцию и постепенно продвигается вниз через разные стадии печи до выгрузки внизу в виде известка. Производительность традиционных шахтных печей ограничивалась трудностями в получении равномерного теплового распределения по поперечному сечению печи и равномерного движения материала через печь.

Смешанная шахтная печь (МШП) — МШП (Рис. 3) использует известняк с верхним размером 20–200 мм и соотношением размеров около 2:1. Наиболее широко используемое топливо — плотный кокс низкозольного сорта. Размер кокса лишь немного меньше известняка, поэтому он движется вниз вместе с известняком, а не просачивается через промежутки. Известняк и кокс смешиваются и загружаются в печь так, чтобы минимизировать сегрегацию. Антрацит используется все чаще из-за цены и меньшей доступности металлургического кокса.

В МШП топливо смешивается с известняком. Потребность в тепле: 810–1120 Мкал/т известка. Потребность в электричестве: 5–15 кВт·ч/т известка. Конструкция: вертикальный цилиндр или прямоугольная шахта с огнеупорной облицовкой. Горючевой воздух: охлаждающий воздух, подаваемый снизу. Выгрузка известка — вращающейся эксцентриковой плитой. Важно: требует равномерного смешивания камня и топлива и равномерного распределения известняка по поперечному сечению. Высокая удержанность серы из топлива в известке.

Известков из печи имеет низкую реакционную способность. Охлаждающий воздух используется как горючевой. Печь работает на малом излишке воздуха. Равномерное смешивание топлива/воздуха в печи трудно достичь, что создает вариации в соотношении воздух/топливо. Процессные условия приводят к выбросам CO. Печь требует крупную фракцию загрузочного известняка. Низкая реакция на изменение параметров (24 часа), большая инерция.

Рис. 3 Смешанная шахтная печь

Регенеративная печь параллельного течения (РППТ) — Главная особенность стандартной РППТ (Рис. 4) — два круговых ствола, соединенных перекрестным каналом, хотя ранние конструкции имели три ствола или прямоугольные стволы. Эксплуатация РППТ включает два ключевых принципа:

• Зона предварительного нагрева в каждом стволе действует как регенеративный теплообменник, помимо предварительного нагрева известняка до температуры кальцинации. Излишки тепла в газах передаются известняку другого ствола на первой стадии процесса. Затем тепло возвращается от известняка горючим воздухом, который предварительно нагревается до ~800 °C. В результате печь имеет очень низкое удельное теплопотребление.
• Кальцинация известняка происходит при относительно умеренной температуре, обычно 900–1100 °C. Это делает печи идеально подходящими для производства умеренно и высокореакционного известка с низким остаточным CO₂.

На практике партии известняка заряжаются поочередно в каждый ствол и проходят вниз через зону предварительного нагрева, вокруг топливных ланц и затем в зону кальцинации. Из зоны кальцинации они наконец попадают в зону охлаждения. Работа печи состоит из двух равных периодов, длящихся 8–15 минут при полной производительности. В первом периоде топливо впрыскивается через ланцы в первый ствол и сгорает с горючим воздухом, дутым в этот ствол. Выделяемое тепло частично поглощается кальцинацией известняка в этом первом стволе. Охлаждающий воздух дуется в основание каждого ствола для охлаждения известка. Охлаждающий воздух в стволе №1, вместе с газами сгорания и CO₂ от кальцинации, проходит через соединительный перекрестный канал в ствол №2 при температуре ~1050 °C. В стволе №2 газы из ствола №1 смешиваются с охлаждающим воздухом, дутым в основание ствола №2, и текут вверх, нагревая известняк в зоне предварительного нагрева ствола №2.

Если этот режим продолжится, температура выхлопных газов поднимется значительно выше 500 °C. Однако через 8–15 минут подача топлива и воздуха в первый ствол прекращается и происходит «переворот». После зарядки известняка в ствол №1 топливо и воздух подаются в ствол №2, а выхлопные газы удаляются из верха ствола №1.

Печь может работать на газе, жидкости, пульверизированном твердом топливе, а также на отходах или биомассе. Печь имеет высокий коэффициент регулирования, хотя при более низких производительностях возможна некоторая потеря энергоэффективности. После разгора печи нежелательно ее гасить, так как это может сократить срок службы огнеупора. Кампейнный срок огнеупора в зоне горения и перекрестном канале — 4–8 лет. Стандартная РППТ требует чистый известняк, идеально с соотношением размеров не более 2:1. Минимальный размер известняка — 30 мм, хотя модифицированная конструкция «РППТ для мелкого известка» может работать на размерах 10–30 мм на чистом известняке.

В РППТ подача топлива — через ланцы в слой известняка. Потребность в тепле: 765–1000 Мкал/т известка. Потребность в электричестве: 20–41 кВт·ч/т известка. Конструкция: два или три вертикальных цилиндра или прямоугольные шахты с огнеупорной облицовкой, соединенные каналом для циркуляции горячих газов. Подача горючего воздуха — сверху (основная) и ланцы (10%). Выгрузка известка — вращающейся эксцентриковой плитой. Важно: качество огнеупорных работ. РППТ обладает гибкостью производства. Реакционная способность производимого известка высокая с разумной гибкостью от высокой до средней, когда известняк позволяет. Низкое потребление топлива и энергии. РППТ имеет ограниченную гибкость останов/пуск. Не подходит для известняка с высокой декрепитацией. Огнеупорная облицовка дороже, чем для других типов печей.

Рис. 4 Регенеративная печь параллельного течения

Аннулярные шахтные печи (АШП) — Главная особенность АШП (Рис. 5) — центральный цилиндр, ограничивающий ширину аннуляра, и дуги для распределения газов сгорания, обеспечивающие хорошее тепловое распределение. Центральная колонна также позволяет части газов сгорания от нижних горелок быть втянутыми вниз по стволу и впрыскиваемыми обратно в нижнюю камеру.

Эта рециркуляция умереннивает температуру у нижних горелок и обеспечивает, чтобы финальные стадии кальцинации происходили при низкой температуре. Оба эффекта помогают обеспечить продукт с низким остаточным CO₂ и высокой реакционной способностью. АШП может работать на газе, масле или твердом топливе. Выхлопные газы имеют высокую концентрацию CO₂.

В АШП подача топлива — как в верхней, так и в нижней части горючей камеры, иногда смешанная с известняком. Центральный цилиндр ограничивает ширину аннуляра. Потребность в тепле: 790–1170 Мкал/т известка. Потребность в электричестве: 18–35 кВт·ч/т известка (до 50 кВт·ч для размеров загрузки ниже 40 мм). Конструкция: вертикальный цилиндрический ствол с огнеупорной облицовкой. АШП имеет внешние камеры и горелки. Тип топлива: газ, жидкость, пульверизированное твердое топливо, отходы, биомасса. Подача горючего воздуха — на вершине кальцинационной камеры. Выгрузка известка — вращающейся эксцентриковой плитой. Важно: требует очень точного процессного управления.

Известков из печи имеет низкий остаточный CO₂ и высокую/среднюю реакционную способность. Экономия топлива за счет тепловозврата. Печь имеет хорошее тепловое распределение. АШП требует обслуживания тепловозврата и внешних камер. Относительно высокая стоимость строительства из-за конструкции.

Рис. 5 Аннулярная шахтная печь

Другие типы шахтных печей

Эта группа включает ряд конструкций. В этих конструкциях топливо вводится через стенки печи и сгорает в зоне кальцинации, а продукты сгорания движутся вверх против тока известка и известняка. В некоторых конструкциях топливо частично сгорает во внешних газификаторах. В других — вводится через такие устройства, как центральная горелка, лучовая горелка или впрыскивается под внутренние дуги. Некоторые из этих печей описаны ниже.

Двухнаклонные шахтные печи — Этот тип печи (Рис. 6) может производить реакционно способный продукт с низким карбонатом. По сути прямоугольная в поперечном сечении, но включает два наклонных участка в зоне кальцинации. Против каждого наклонного участка смещенные дуги создают пространства, в которые топливо и предварительно нагретый горючий воздух подаются через горючие камеры. Охлаждающий воздух втягивается в основание печи, где предварительно нагревается, отбирается и повторно впрыскивается через горючие камеры. Извилистые пути для газов и загрузки, вместе с горением с двух сторон, обеспечивают эффективное тепловое распределение. Можно использовать ряд твердых, жидких и газообразных топлив, хотя их нужно выбирать осторожно, чтобы избежать чрезмерных нагаров от золы топлива и сульфатов кальция.

Рис. 6 Двухнаклонная шахтная печь и печь кальцинации в газоподвешенном состоянии

Печи кальцинации в газоподвешенном состоянии (GSC) — Техника для обработки минералов, таких как кальцинация известняка, доломита и магнезита из пульверизированного сырья для получения высокореакционных и однородных продуктов. Большинство процессов в установке GSC (сушка, предварительный нагрев, кальцинация, охлаждение) выполняются в газоподвешенном состоянии. Установка состоит из стационарного оборудования и нескольких движущихся компонентов (Рис. 6). Количество материала в системе пренебрежимо мало, поэтому через несколько минут работы продукт соответствует спецификациям. Нет потерь материала или качества при пуске и остановке, поэтому нет некондиционного продукта. Процесс GSC производит продукт с высокой реакционной способностью даже при высокой степени кальцинации. Материал для обработки в газоподвешенном состоянии должен иметь подходящую мелкодисперсность. Практический опыт показывает, что размер частиц 2 мм не должен превышаться. Некоторые показатели для сбалансированной работы установки GSC: расход топлива ~1150 Мкал/т продукта, потребление энергии 33 кВт·ч/т продукта.

Многокамерные шахтные печи — Еще один тип двухнаклонной печи. Состоит из четырех или шести чередующихся наклонных участков в зоне кальцинации, напротив каждого — смещенная дуга. Дуги служат той же цели, что и в двухнаклонной печи. Охлаждающий воздух предварительно нагревается известком в зоне охлаждения, отбирается, дедустируется и повторно впрыскивается через горючие камеры. Особенность печи: температура нижних горючих камер может варьироваться для контроля реакционной способности известка в широком диапазоне. Печь может работать на твердом, жидком и газообразном топливе или их смеси.

Печи с движущейся решеткой — Для загрузочного известняка размером 15–45 мм вариант — «движущаяся решетка» или CID-печь. Состоит из прямоугольной шахтной зоны предварительного нагрева, подающей известняк в зону кальцинации. В зоне кальцинации известняк медленно каскадируется по пяти осциллирующим плитам, напротив которых серия горелок. Известков проходит в прямоугольную зону охлаждения. Печь может сжигать газообразное, жидкое или пульверизированное топливо и, по отчетам, производит мягко прожженный известков с остаточным CaCO₃ менее 2,3%.

Конусовидные печи — «Конусовидная» известковая печь — относительно новая разработка, принимающая загрузочный известняк 10–25 мм. Состоит из аннулярной зоны предварительного нагрева, из которой известняк выталкивается толкательными стержнями в цилиндрическую зону кальцинации. Газы сгорания от центральной, направленной вниз горелки, работающей на масле, позиционированной в центре зоны предварительного нагрева, втягиваются в зону кальцинации эжектором. Известков затем проходит в коническую зону охлаждения. Печь, по отчетам, производит высококачественный известков, подходящий для сталелитья. Мощность печей до 100 т/сут известка. Сообщается, что из-за относительно низкой высоты печь может принимать известняк с низкой прочностью.

Вращающиеся донные печи — Этот тип печи, теперь почти устаревший, проектировался для производства мелкого известка. Состоит из аннулярного вращающегося дна, несущего загрузку известняка. Известняк кальцинируется множественными горелками при вращении на аннулярном дне. Горючий воздух предварительно нагревается излишками тепла в выхлопных газах и/или за счет его использования для охлаждения известка. Благодаря уменьшенному абразивному износу по сравнению с вращающимися и шахтными печами, вращающиеся донные печи производят высокую долю мелкого известка.

Хранение и перемещение

Хранение известка

Известков предпочтительно хранить в сухих условиях и без сквозняков, чтобы ограничить воздушное гашение. Необходимо принимать меры повышенной осторожности, чтобы исключить попадание воды в известков, так как гидратация выделяет тепло и вызывает расширение, оба явления могут быть опасными.

Пневматические разгрузочные машины могут надувать известков непосредственно в бункер хранения, оснащенный фильтром для удаления пыли из транспортного воздуха. Фильтр должен быть погодостойким и водонепроницаемым. Собранная пыль может быть сброшена обратно в бункер. Клапан перегрузки/вакуума, установленный на бункере, — меры предосторожности для проведения ремонтных работ на разгрузочном механизме. Если количество известка недостаточно для обоснования бункеров хранения, продукт можно хранить на бетонной площадке, желательно в отдельном отсеке внутри здания для предотвращения чрезмерного воздушного гашения.

Многие типы оборудования подходят для перемещения известка, и новые постоянно разрабатываются. Следующие методы успешно применялись, но могут не подходить для всех применений.

• Ковшовые подъемники — для всех гранулятых и кусковых сортов, но больше подходят для частиц >100 мм.
• Элеваторы (ленточно-ковшовые и цепно-ковшовые) — для всех сортов известка.
• Скребковые конвейеры — для гранулятого и мелкого известка. Обычно для горизонтального или наклонного транспорта.
• Ленточные конвейеры — широко используются для перемещения кусковых и гранулятых сортов горизонтально и вверх по склону.
• Шнековые конвейеры — широко используются для мелкого известка.
• Вибрационные желобные конвейеры — для размеров частиц до 40 мм. Работают успешнее при небольшом наклоне вниз от загрузки к разгрузке.
• Пневматический транспорт — для продуктов с максимальным размером до 20 мм, часто с меньшими капитальными затратами, но выше операционными. Продукт загружается в вращающуюся дульную запорную арматуру, соединенную с надувным вентилятором. Диаметр трубопровода, объем/давление надувного воздуха проектируются с учетом размера известка, скорости транспорта и длины/маршрута трубопровода. Приемный силос оснащен воздушным фильтром и клапаном перегрузки.