Инновационные монолитные огнеупорные решения Компании Calderys для цементной промышленности

“Инновационные монолитные огнеупорные решения Компании «Calderys» для цементной промышленности”
Авторы: Мария Веб-Янишь; Андрей Клемба
Введение:
Группа Компаний «Calderys»--мировой лидер в проектировании и поставке материалов и технологий для огнеупорных решений различных перерабатывающих отраслей промышленности. Создание инновационных, современных монолитных продуктов и решений для различных проектов позволило нам идти в ногу с техническим прогрессом в цементной промышленности. 100 лет опыта в огнеупорных технологиях и их развитии, развитие своей мировой сети инженерных центров, позволяют «Calderys» обеспечивать полный сервис для Заказчиков по футеровке и теплоизо- ляционным решениям, включая индивидуально разработанные для клиента анкерные системы, выполнение шефмонтажа и руководство проектом.
Тенденции в использовании альтернативного топлива и отходов промышлен- ности:
Для обеспечения высокой температуры, необходимой для технологического процесса, могут применяться различные виды топлива ( угольная пыль и отходы коксового про- изводства, мазут, природный газ). Сжигание дополнительного топлива применяется в цементных печах с 1994 года. Из-за высокой стоимости основных видов топлива существует возрастающая тенденция для их замены на альтернативные виды топлива. В цементных печах могут сжигаться надлежащим образом переработанные отходы других отраслей промышленности, включая растворители, нефтепродукты, краски и отходы от их производства, шины, пластмассы, опилки, отходы от перегонки нефти и другие горючие отходы. Некоторые виды пластмасс, содержащие хлориды (такие, как винил) хорошо уничтожаются благодаря осаждению хлоридов в клинкер. В Азии, несмотря на то, что применение ископаемых видов топлива очень велико, в качестве альтернативного топлива могут применяться сельскохозяйственные отходы: рисовая шелуха, пальмовые листья, текстильные отходы и отходы из резины, различные отходы от производства нефтепродуктов и прочее. Для использования альтернативных видов топлива мы применяем в агрегатах огнеупоры с особыми эксплуатационными характеристиками.
Основные зоны футеровки в цементной промышленности, подверженные наибольшим перегрузкам.
Основные виды воздействия на различные зоны футеровки агрегатов представлены в следующей таблице. Графа 1: основные виды воздействия на футеровку.
Зона применения Абразивное Темп. Химическое Нарост/ Термическ Возд.-е
>800° воздействие гарнисаж ий удар пыли
C
Основной циклон X X X X
Газоходы
Циклон ниж. уровня XX XX XXXX XXX X XX
Кальцинатор XX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX X X XXX
Входная камера XXX XXXX XXXX XX XX XX
Впускн. коллектор X XX XXX
Газоход третичного возд. Устр.-во подачи XXX X XX XXX
XXX X XX X
Свод Головки печи XX XXXX XXX XX XXX
Фурма горелки XXX XXXX XXXX XX XXX
Вход печи XX XX X
Вх. и выходное
кольцо XXXX XXXX XXX
Холодник XXXX XXXX XXX XXX XXXX
Влияние топлива на футеровку:
В теплоагрегатах, таких как подогреватель или печь предобжига, вещества в газообразной форме, такие как щелочи, сульфаты и хлориды попадают в систему через топливо и другие горючие вещества. Они неоднократно испаряются и конденсируются, вызывая обогащение этих фаз в сырье. Сильное изнашивание огнеупора происходит в областях, под-верженных наибольшему вредному воздействию. Уровни R2O, SO3 и CL- по срав-нению с обычным содержанием в печи могут повыситься этими факторами 5 раз, 3-5 раз и 80-100 раз соответственно, в самой горячей зоне подогревателя. Сырое сырье мо-жет сформировать конденсат и, затем, формировать новые фазы, особенно в области входного отверстия между ротационной печью и подогревателем. Хлориды (KCl и NaCl) формируются сначала в газовой фазе из-за схожести хлора с щелочами. Щелочи (Na2O, K2O) реагируют с SO3 и Cl2, которые создают кислые остатки K2SO4 и KCl. Эти продукты находятся в газообразной форме в температурах выше 700/800
0 С .
Следу-ющая катастрофическая реакция дает начало щелочному воздействию, если R2O и уровни хлоридов больше чем 1 и 0,01 соответственно. Сложные щелочные соли проя- вляют более серьезные коррозийные свойства, нежели простая соль. Смеси сульфата и солей хлорида понижают их температуру отвердевания, ниже, к 700
0 С . Эти соли про-
никают как далее вниз по агрегатам по движению сырья в линии (холодильник) или же вверх по теплоагрегатам (подогреватель, циклон нижнего уровня, колосниковая решёт- ка подогревателя) K2SO4 и KCl, проникают через поры огнеупора и вступают в реак- ции, которые приводят к образованию новых реагентов, которые увеличиваются в объеме, и, в конечном счете вызывают разрушение под воздействием щелочи. Продук- ты реакции, которые могут быть KAS2, KAS4 [лейцит], зависят от щелочной концен- трации и химического состава огнеупора (Al2O3/SiO2). Формирование лейцита (поро- дообразующий минерал подкласса каркасных алюмосиликатов ) связано с 20 кратным увеличением объема. Щелочи, которые не объединены с хлором, реагируют с серой, и формируют щелочные сульфаты (Na2SO4). Формирование полевых шпатов, фойдов (близкая к полевым шпатам минеральная группа) и алюмината кальция вызывает уве- личение объема и приводит к разрушению футеровки.
Воздействие
Щелочная атака Al2O3-SiO2 на огнеупоры:
Шамотные огнеупоры с <25% Al 2 O 3 :
Шамот, содержащая более высокий процент кварца, чем каолинит, надо полагать, подвергается следующим реакциям:
2K +CO
Al 2 O 3 ,2SiO 2 + 2SiO 2 ? KAS 4 (лейцит) + C
2K +CO
Al 2 O 3 ,2SiO 2 + 4SiO 2 ? KAS 6 (калиевый полевой шпат) + C
High K 2 O
AndKAS 6 (калиевый полевой шпат) + C?? KAS 4 (лейцит)
Low Na 2 O
Al 2 O 3 ,2SiO 2 + 2 SiO 2 ? ?NAS 6 (альбит)
High Na 2 O
NAS 6 (альбит)????NAS 2 (нефелин)
Шамотные огнеупоры с >25% Al 2 O 3 :
Полевые шпаты могут также появиться в материалах, с более высоким содержанием Al2O3, в присутствии существенных количеств щелочных элементов [5-10
% ] и при температурах выше чем 900-1000 °C.
Увеличение объема также весьма важно для лейцита и достигает 20 % .
Другие полевые шпаты или фойды (калиафелит, нефелин) могут также образоваться с различным увеличением объема.
Mуллиты: Fig. 2 Шамот при 1100°C в щелочной среде
При температуре более, чем 950 °C , муллит может подвергаться воздействию щелочей. Лейцит и калиафелит кристаллизуются при наличии щелочи. Учитывая, такие факторы как температура и время мы имеем:
3 Al
2 O 3 ,2SiO 2 + 6K+3CO ? K 2 O,Al 2 O 3, 2SiO 2 + 2 (K 2 O,Al 2 O 3 ) + 3C
(муллит) ( калиафилит)
Совместимые с NaO
(K,Na) 2 ,Al 2 O 3 ,2SiO 2 (калсилит)
Вышеупомянутая реакция увеличивает объем примерно до 29%
Fig. 3 Муллит при 1300°C в щелочной среде
Высокоглиноземистые материалы с содержанием >80% Al
2 O 3 :
В небольших количествах лейцит и калиафелит могут образоваться при контакте с щелочами. Алюминаты калия могут образоваться при температуре более чем 1200 °C. В этом случае увеличение объема может достигнуть 17-20%. Контакт
α - глинозема
(корунд) и β - глинозема с щелочами [(K, Na) 2O, nAl2O3] приводят к разрушению под
воздействием щелочи. Реакция может иметь следующий вид:
11 Al
2 O 3 + 2K + CO ? K 2 O,11Al 2 O 3 + C
С возрастанием доли глинозема в связанной фазе в алюмосиликатных огнеупорах наблюдается возрастание реакций в присутствии увеличения щелочных паров, это приводит к увеличению объема вкраплений, вступающих в эти реакции. Это было выявлено, как главная причина для трещин и разрушения огнеупоров в теплообменнике вращающихся обжиговых печей в цементной промышленности.
Fig. 3 Корундовый огнеупор при 1300°C в щелочной среде
Проникновение солей в огнупорный материал:
В зависимости от пористости и размеров этих пор соли (KCl или NaCl) могут проникать в огнеупор в стандартных эксплуатационных условиях. Поскольку температура уменьшится, новые соединения, возникшие в реакции с щелочами кристаллизуются с увеличением объема (порождение депозита соли с разрыванием.
Fig. 4 Пример огнеупора, «пропитанного» химическими новообразованиями
Aбразивное воздействие:
Высокое абразивное воздействие на своды, стены, на газоходы или другие зоны падения клинкера- последствие циркуляции пыли и воздействия клинкера в различных зонах тепло-агрегатов. Входное кольцо, горячие зоны холодильника, фурма горелки - лучший пример зон сильного абразивного воздействия, только должным образом выбранное решение футеровки может принести ожидаемую длительную
эксплуатацию огнеупора. Футеровка входного
отверстия, входной камеры циклонов может разрушиться меньше чем через 6 месяцев, когда огнеупорный материал был не правильно подобран.
Как уменьшить и исключить образование разрушающих включений ? Выбор материалов:
Использование специальных карбидокремниевых материалов уменьшает эффект щелочного воздействия и воздействия сырья и шлаков на футеровку. Многолетние тесты подтвердили, что специальный выбор материала с карбидом кремния, существенно увеличивают химическую стойкость огнеупоров. В тесте приведенном ниже, мы рассмотрим поведение огнеупора в щелочной среде (сульфаты, хлоры и карбонаты) и в различных температурах. В современных агрегатах цементной промышленности температуры в камере сгорания или даже в самой обжиговой печи могут повыситься до 1350°C и 1200°C соответственно. Это делает более сложной работу фактически используемых футеровочных материалов. Введение третичного и вторичного воздуха также изменяет существующие условия работы футеровки и может вызвать дальнейшее увеличение окисления огнеупоров. Таким образом выбор огнеупо- ров должен быть сделан на основе хорошего понимания специфических условий рабо- ты определенного агрегата .
Таблица 2 Тест на воздействие щелочной коррозии на огнеупоры с различным
содержанием карбида кремния (температура горения <1100 °C)
Шамот Бетоны с Al
2 O 3
содержание Al
2 O 3 >25%;
Муллит
Бетоны, содержание Al
2 O 3 >85%;
Бетоны с Al 2 O 3
содержание Al
2 O 3 >95%;
Таблица 3
Тест на воздействие щелочной коррозии на огнеупоры с различным
содержанием карбида кремния (температура горения <1100 °C)
Шамот Бетоны с Al
2 O 3
содержание Al
2 O 3 >25%;
Муллит
Бетоны, содержание Al
2 O 3 >85%;
Бетоны, содержание Al
2 O 3 >85%;
Детальное наблюдение процессов позволило «Calderys» создать полный дипазон материалов с карбидом кремния, которые могут значительно уменьшить существующие проблемы. Для избежания щелочной коррозии и налипания гарнисажа, не всегда необходимо использовать продукты, с высоким уровнем содержания карбида кремния (60-70%). Из-за значитель- ногоокисления при высокой температуре такие материалы могут вызвать очень сильное тепловое расширение и создать проблемы.
Fig. 6 Поверхность бетона
с 65% SiC после окисления
Таблица 4.
Стандартные карбидокремниевые материалы для камеры сгорания,
входного кольца подающей трубы, свода холодильника
Продукт Calde
Calde Cast Calde Gun Calde Gun Spraycast
ML 55 S5 MM55 S5 LF 45S A 50 S5
Casting/pumpin
Бетон Торкрет масса LPG g
Высокоглиноземи Высокоглиноземи Высокоглиноземи
с-тый с-тая с-тая шамот
max. рабочая
темп. 1550 1500 1500 1550
Al2O3 55 57 43.3 52
SiC -
CaO 1.4 4.1 1.7 2.2
откр.
порист.при 1000°C [%]
14 20 - 17
плотность[g/cm
3] 2.46 2.35 2.24 2.38
CCS [MPa]
110 100 90 70
800 130 80 - 60
1000 130 75 - 100
1200 120 75 120 120
1400 105 60 - 135
Все продукты, представленные в таблице могут использоваться в различных агрегатах, по необходимости, они могут быть нанесены как торкретированием, или как заливной или саморастекающийся бетон, по технологии «спрейкаст». При окислении карбида кремния образуется кварцит, который «затыкает» поры в огнеупоре и уменьшает пористость материала с низким содержанием
(5-30%) карбида кремния.
III Заключение:
Кирпичная футеровка была заменена на соответствующие монолитные решения в цементой промышленности. Ограничения времени и отсутствие надлежащего обучения для персонала, который монтирует футеровку, были первыми препятствиями для введения монолитных решений футеровки. Большие успехи достигнуты за счет развития инновационных решений, таких как LCC (низко цементных бетонов), и ULCC (бетонов с ультра низким содержанием бетона) объединенных с современными монтажными технологиями, таких как саморастекающийся бетон, технологии «спрейкаст», и технологии торкретирования. Наши технические решения развиваются при партнерских отношениях с клиентами, увеличивают стойкость футеровки, они применимы для различных зон агрегатов в цементной промышленности и могут устанавливаться при помощи различных технологий.
MWJ