Основными критериями пригодности глинистого
сырья для производства керамзита являются:
- его способность вспучиваться при термической
обработки в пределах
- 1050–1250 С и образовывать при этом материал,
имеющий ячеистое строение с объёмным
весом в куске в пределах 200–1350 кг/м3;
- содержание не более 30% песчаных и пылеватых
частиц. А отдельные окислы в следующих
пределах: SiO2 – 50–55%
А12О3 – 15–25%
CaO – доЗ%
MgO – до 4%
Fe2O3+FeO – 6,5–10%
Na2O+K2O – 3,5–5%
– отсутствие частиц карбонатов кальция
и магния крупнее 0,2 мм и гипса;
– содержать тонкодисперсных органических
примесей в пределах 1–2%, однако в некоторых
случаях недостаток их может быть восполнен
соответствующими добавками (нефтяные
продукты и отходы).
Процессы, происходящие при
обжиге керамзитового песка
Создание пористой структуры керамзита
достигается вспучиванием размягченного
при термической обработке глинистого
сырья газами (СО, СО2, Н2О, SO2, O2, N2, CH), выделяющимися
в процессе нагревания. Наилучший керамзит
получают при оптимальном соотношении
вязкости и связности сырья в нагретом
состоянии при условии достаточного газовыделения.
Это соотношение должно выдерживаться
в течение всего периода газовыделения.
Получение керамзита с наилучшими показателями
связано с характером газовой среды внутри
гранул и в печном агрегате, также с режимом
сушки и обжига сырца и охлаждении обожженных
гранул.
Характер газовой среды при термической
обработке сырцовых гранул обуславливается:
A) составом продуктов сгорания топлива;
Б) коэффициентом избытка воздуха;
B) составом газов, выделяемых органическими
примесями глинистой породы (летучих и
при окислении коксового остатка), карбонатами
и продуктами реакций, зависящих от химического
состава породы;
Г) составом парообразных продуктов,
образующихся при удалении химически
связанной воды различных глинистых минералов,
также получаемых при испарении влаги
сырцовых гранул, загружаемых в печь.
Продукты сгорания топлива и избыточный
воздух, подаваемые в печь под давлением,
устремляются в основном по оси печи. Парообразные
и газообразные продукты, выделяемые исходным
сырьем при его нагревании и обжиге, отмывают
гранулы и затем перемешиваются и удаляются
с продуктом сгорания топлива.
Вспучиванием называют процесс увеличения
материала в объеме, сопровождающегося
образованием внутренней, преимущественно
замкнутой пористости.
Для уяснения основных закономерностей
процесса вспучивания глиняной гранулы
рассмотрим его в самом схематическом
приближении.
Рис. 1. Схема вспучивания элементарной
ячейки глиняной гранулы а) сухая гранула;
б) вспученная гранула; 1 – пора; 2 – спекшаяся
оболочка; 3 – сухая гранула; 4 – вспученная
гранула
Представим
себе, что нагревается полый глиняный
шарик радиусом Го (рис. 1),
который можно уподобить элементарной
поре глиняной гранулы. Во время нагрева
при достижении определенной температуры
глиняная оболочка рассматриваемого шарика
начнет размягчаться, спекаться и в конечном
счете уплотнится и станет газонепроницаемой,
находясь в пиропластическом состоянии.
Если в этот момент внутри шарика по каким-либо
причинам начнут выделяться газы, то, не
имея выхода через оболочку, они будут
создавать во внутренней полости шарика
избыточное давление, под воздействием
которого оболочка будучи размягченной,
начнет расширяться и радиус ее станет
rвсп. Это и будет представлять собой вспучивание
элементарной ячейки глины.
Таким
образом, процесс вспучивания состоит
из двух стадий: первая – спекание с образованием
закрытой поры и вторая – собственно вспучивание
под давлением газов, выделяющихся внутри
закрытой поры. Сумма таких элементарных
актов в каждой ячейке глиняной гранулы
и обусловит общий процесс вспучивания
всей гранулы. При этом, рассматривая процесс
вспучивания всей гранулы, необходимо
иметь в виду, что по своей толще она нагревается
неравномерно: с поверхности нагревается
быстрее, чем в центре. Поэтому поверхность
гранулы еще до того, как вся ее масса приобретает
пиропластическое состояние, покрывается
плотной спекшейся газонепроницаемой
оболочкой 2, предотвращающей утечку газов
из гранулы даже в том случае если поп
давлением газов отдельные перегородки
пор окажутся прорванными.
Основным условием, обеспечивающим вспучивание
глинистых пород при их нагревании, является
совмещение во времени пиропластического
состояния глины с интенсивным газовыделением
внутри обжигаемого материала. В глинах
при их нагревании выделяется довольно
значительное количество газообразных
продуктов, причем экспериментально установлено,
что вспучиваемость глин зависит от удельного
газовыделения, которое у хорошо вспучивающихся
глин превышает 100 мг/г. В настоящее время
можно считать установленным, что источниками
газовыделения в глинах являются реакции
разложения и восстановления оксидов
железа при их взаимодействии с органическими
примесями или добавками в глине, а также
химически связанная вода глинистых минералов.
Схема восстановительных реакций может
быть представлена следующими уравнениями:
6Fe2O3 → 4Fe3O4 + О2; 2Fe3O4 → 6FeO + О2;
Fe2O3 + С = 2FeO + СО; Fe2O3 + СО = 2FeO + СО2.
Возникновение пиропластического состояния
в глине наступает в результате накопления
в ней достаточного количества жидкой
фазы – силикатного расплава. Интенсивность
накопления жидкой фазы зависит прежде
всего от химического состава глины. Она
возрастает с увеличением содержания
щелочей в глине и резко убывает по мере
возрастания в ней свободного кварца.
Восстановительная
среда резко интенсифицирует процесс
накопления жидкой фазы.
На вспучиваемость
глины оказывает влияние и режим нагрева,
создающий определенную интенсивность
теплообмена. Температурный перепад, возникающий
в грануле и зависящий от интенсивности
теплообмена, может оказывать решающее
влияние на процесс вспучивания глины.
Процесс формирования керамзитовой структуры
при обжиге глиняной гранулы развивается
в три температурных этапа. В интервале
температур 100–800 °С в грануле образуются
поры различных размеров за счет удаления
различных видов физической и частично
химически связанной воды, а также за счет
частичного выгорания органических примесей.
В этом же интервале температур начинается
спекание глины. В интервале 800–1050 °С происходит
образование наружной спекшейся оболочки
и дальнейшее развитие пористости, но
уже за счет начала процессов вспучивания.
В материале развиваются твердофазовые
реакции и происходит накопление жидкой
фазы. На третьем этапе (1050–1200 °С) интенсивно
развиваются и завершаются процессы вспучивания,
нарастают количества средних и крупных
пор радиусом до 50 мкм. Общая пористость
вспученной гранулы достигает 70 – 90%.
Расчётная часть
Для расчета принята схеме установки,
изображенная на рис. 2, которая состоит
из двухзонной печи кипящего слоя, футерованного
циклона й холодильника кипящего слоя.
В холодильнике происходит частичное
охлаждение материала, окончательное
охлаждение производится при пневмотранспортировании.
Холодильник выполняет также роль гидрозатвора,
позволяющего с верхнего уровня слоя,
свободно выгружать материал. Отходящие
газы из зоны обжига печи после осаждения
из них пылевидных фракций готового продукта
подаются в зону термоподготовки. Перед
поступлением в футерованный циклон отходящие
газы из зоны обжига смешиваются с холодным
воздухом. Это позволяет снизить температуру
газов, подаваемых в зону термоподготовки,
до технологически требуемой величины,
а также облегчить работу футерованного
циклона в тепловом отношении. Осажденная
пыль из отходящих газов после зоны термоподготовки
возвращается в зону обжига печи.
Исходные данные
Объём производства 50 тыс. м3/год. Насыпная
плотность песка 636 кг/м, коэффициент
использования оборудования – 0,89. Температура
в зоне термоподготовки 357°С , температура
в зоне обжига 1128°С; температура в холодильнике
515 °С, температура воздуха 21 °С, влажность
сырца 10,3%, ППП 12,4%, в том числе: СО2 от диссоциации
СаСО3 – 1,98%, СО2 от диссоциации MgCO3 – 3,33%,
дегидратации –2,46%.
Зерновой состав %
Сырца:
> 5 мм ………2
2,5–5 мм...... 4
1,2–2,5 мм… 13
0,6–1,2 мм… 24
0,3–0,6 мм… 32
0,15–0, Змм…20
< 0,15 мм…… 2
Песка:
> 5 мм…….. 2
2,5–5 мм...... 9
1,2–2,5 мм…16
0,6–1,2 мм… 26
0,3–0,6 мм… 34
0,15–0, З мм…11
< 0,15 мм ……2
Материальный баланс
При составлении материального баланса
необходимо учитывать следующие условия:
- удаление остаточной влаги происходит
в зоне термоподготовки;
- унос пыли из зоны термоподготовки составляет
7…8%
Унос мелких фракций керамзитового песка
из зоны обжига составляет 18–20%
– коэффициент осаждения пыли из отходящих
газов в циклонах
термоподготовки и обжига равен 0,8.
Расчет горения природного газа
Определить количество воздуха, необходимого
для горения 1 м3 природного газа следующего
состава, %: СН4–95; С2Н6-2,7; С3Н8-0,3; C4HI0-0,3; С5Н12-0,6; СО2-0,1;
N2-1,1. Расчет горения газа производим в
табличной форме с учетом различных значений
коэффициента избытка воздуха а. Коэффициент
избытка воздуха а = 1 используется для
теоретического расчета расхода воздуха,
необходимого для горения 1 кг или 1 м топлива;
α1-коэффициент избытка воздуха в корне
факела (α1=1,21); а2 – коэффициент избытка
воздуха на загрузочном конце печи (α2=1,48). Теплота
сгорания топлива (теплотворность): Q=37256,43
кДж/нм3
Расчет материального
баланса
Приход |
кг |
% |
Расход |
кг |
% |
СН4=95х0,717 |
68,115 |
4,4 |
CO2 |
208,58 |
13,21 |
С2Н6=2,7х1,356 |
3,66 |
0,25 |
Н2О |
124,86 |
7,91 |
С3Н8=0,3х2,02 |
0,606 |
0,05 |
N2 |
1183,57 |
74,96 |
С4Н10=0,3х2,04 |
0,612 |
0,04 |
О2 |
61,88 |
3,92 |
С5Н12=0,6х3,218 |
1,93 |
0,13 |
|
|
|
СО2=0,1х1,977 |
0,198 |
0,02 |
|
|
|
N2=1,1х1,251 |
1,38 |
0,09 |
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
| |
|
|
Невязка: (100*0,96):1543,933 =0,06 % |
|
|
воздух |
|
|
|
|
|
О2 |
341,93 |
22,1 |
|
|
|
N2 |
1125,5 |
72,89 |
|
|
|
итого |
1543,933 |
100 |
|
1544,89 |
100 |
Состав
1мᶾ газа |
Реакция
горения |
О2 |
N2 |
Воздух |
СО2 |
Н2О |
N2 |
O2 |
Сухих
газов
|
Всех
газов |
СН4=0,95 |
СН4+2О2=
СО2+2Н2О |
1,9 |
|
|
0,95 |
0,95 |
|
|
|
|
С2Н6=0,027 |
С2Н6+3,5О2=
2СО2+3Н2О |
0,0945 |
0,054 |
0,081 |
С3Н8=0,003 |
С3Н8+5О2=
3СО2+4Н2О |
0,015 |
0,009 |
0,012 |
С4Н10=0,003 |
С4Н10+6,5О2=
4СО2+5Н2О |
0,0195 |
0,012 |
0,15 |
С5Н12=0,006 |
С5Н12+8О2=
5СО2+6Н2О |
0,048 |
0,03 |
0,36 |
СО2=0,001 |
Переходят
в газы |
- |
0,001 |
- |
N2=0,011 |
Переходят
в газы |
- |
0,011 |
- |
| |
|
|
|
|
| |
Всего при
α=1 |
2,077 |
7,81 |
9,89 |
Сум-ма
1,055 |
Сум-ма
1,553 |
7,821
|
0,56 |
9,436 |
9,58 |
| |
α1=1,22
|
2,51 |
9,45 |
11,96 |
|
|
9,461
|
0,433 |
10,95 |
11,1 |
| |
α2=1,52 |
3,07 |
11,56 |
14,64 |
|
|
11,571 |
0,993 |
13,62 |
13,76 |
Расчет горения
природного газа
Расчет горения
природного газа
Зона термоподготовки
Приход сырца G, кг/ ч.
Расход:
· удаление влаги 0,091G, кг/ ч;
· унос пыли (1–0,09G)*0,075=0,06825G, kг/ч.
Выход материала из зоны 1 – (0,091G+0,06825G)=0,841G,
кг/ч.
Зона обжига
Приход
· из зоны термоподготовки 0,841G, кг/ ч;
· из циклонов зоны термоподготовки 0,8956G*0,19=0,17G,
кг/ ч.