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 теплоизоляционным решениям, включая индивидуально разработанные для клиента анкерные системы, выполнение шефмонтажа и руководство проектом.

Тенденции в использовании альтернативного топлива и отходов промышленности:

Для обеспечения высокой температуры, необходимой для технологического процесса, могут применяться различные виды топлива ( угольная пыль и отходы коксового производства, 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.

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 ⁰С. Следу-ющая катастрофическая реакция дает начало щелочному воздействию, если R2O и уровни хлоридов больше чем 1 и 0,01 соответственно. Сложные щелочные соли проявляют более серьезные коррозийные свойства, нежели простая соль. Смеси сульфата и солей хлорида понижают их температуру отвердевания, ниже, к 700 ⁰С. Эти соли проникают как далее вниз по агрегатам по движению сырья в линии (холодильник) или же вверх по теплоагрегатам (подогреватель, циклон нижнего уровня, колосниковая решётка подогревателя) K2SO4 и KCl, проникают через поры огнеупора и вступают в реакции, которые приводят к образованию новых реагентов, которые увеличиваются в объеме, и, в конечном счете вызывают разрушение под воздействием щелочи. Продукты реакции, которые могут быть KAS2, KAS4 [лейцит], зависят от щелочной концентрации и химического состава огнеупора (Al2O3/SiO2). Формирование лейцита (породообразующий 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 увеличение объема и приводит к разрушению футеровки.

Воздействие

Щелочная атака Al2O3-SiO2 на огнеупоры: Шамотные огнеупоры с <25% Al₂O₃:

Шамот, содержащая более высокий процент кварца, чем каолинит, надо полагать, подвергается следующим реакциям:

2K +CO

Al₂O₃,2SiO₂ + 2SiO₂- KAS₄(лейцит) + C

2K +CO

Al₂O₃,2SiO₂ + 4SiO₂- KAS₆(калиевый полевой шпат) + C

High K₂O

And KAS₆(калиевый полевой шпат) + C - KAS₄(лейцит)

Low Na₂O

Al₂O₃,2SiO₂ + 2 SiO₂- NAS₆(альбит)

High Na₂O

NAS₆(альбит) -NAS₂(нефелин)

Диффузионный процесс значительно ограничен следующими процессами:

- Насыщаемостью стекловидной фазы соединения с щелочами,

- Другие кристаллические элементы как муллит, кварц или кристаллоболит, находятся в жидкой фазе;

- Это ведет к закупорке пор и уменьшает проникновение щелочей. Такая «защита» происходит при температуре ниже чем 1200 °C.

Шамотные огнеупоры с >25% Al₂O₃:

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.

Fig. 2 Шамот при 1100°C в щелочной среде

Mуллиты:

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 Al₂O₃,2SiO₂ + 6K+3CO - K₂O,Al₂O_3,2SiO₂ + 2 (K₂O,Al₂O₃) + 3C

(муллит) ( калиафилит)

Совместимые с NaO

(K,Na)₂,Al₂O₃,2SiO₂ (калсилит)

Вышеупомянутая реакция увеличивает объем примерно до 29%

Высокоглиноземистые материалы с содержанием >80% Al₂O₃:

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)иβ - глинозема с щелочами [(K, Na) 2O, nAl2O3] приводят к разрушению под воздействием щелочи. Реакция может иметь следующий вид:

11 Al₂O₃ + 2K + CO - K₂O,11Al₂O₃ + 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

Fig. 3 Корундовый огнеупор обжиговых печей в цементной промышленности. 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

Fig. 4 Пример огнеупора, депозита соли с разрыванием. _{«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 огнеупоров должен быть сделан на основе хорошего понимания специфических условий работы определенного агрегата .

Таблица 2 Тест на воздействие щелочной коррозии на огнеупоры с различным содержанием карбида кремния (температура горения <1100 °C)

Исследование подтверждает, что продукты с содержанием глинозема:> 25% и > 85% требует, что дополнение их карбидом кремния улучшает их стойкость. Маленькие трещины видимы на задней стороне испытуемого тигля. Ситуация изменяется при в более высокой температуре, которая имеется в камере сгорания, у входного кольца , своде головки печи, фурме горелки или в горячей зоне холодильника. При более высокой температуре содержание карбида кремния в огнеупорном бетоне имеет положительное значение.В бетонах на основе шамота небольшое добавление 5-10% карбида кремния создает положительный эффект. Подобная ситуация появляется в бетонах на основе муллита и более высоко глиноземестом материале. Это было также доказано в практике, что продукты, содержащие между 5-15% из карбида кремния представляют превосходные показатели по сопротивлению щелочной коррозии и абразивному воздействию.

Таблица 3 Тест на воздействие щелочной коррозии на огнеупоры с различным содержанием карбида кремния (температура горения <1100 °C)

Шамот

Бетоны с Al₂O₃ содержание Al₂O₃>25%;

Муллит

Бетоны, содержание

Al₂O₃>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 значительногоокисления при высокой температуре такие материалы могут вызвать очень сильное тепловое расширение и создать проблемы.

Fig. 6 Поверхность бетона с 65% SiC после окисления

Компания «Calderys» была пионером в создании материалов с низким содержанием карбида кремния в цементной промышленности. Многолетний опыт подтверждает их успешное применение в обжиговой печи, камере сгорания, фурме горелки, входного кольца, или в горячей зоне холодильника.

Таблица 4. Стандартные карбидокремниевые материалы для камеры сгорания, входного кольца подающей трубы, свода холодильника

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.