Обжиг известняка: получение извести

Обжиг известняка – это целенаправленный нагрев карбонатного сырья до определенной температуры, в результате которого происходит его разложение на оксид кальция и углекислый газ. Этот процесс используется в производстве извести, соды, цемента, вяжущих веществ. Реакция осуществляется в специальных печах 2 типов.

Реакция

Известняк в данном случае рассматривается как кальцит, представленный карбонатом кальция. Реакция разложения в процессе обжига выглядит как CaCO₃=CaO+CO₂. Она происходит в температурном интервале 1000-1300°C. Первое вещество используется в качестве основного компонента негашеной извести.

Оборудование

Обжиг известняка осуществляется в промышленных печах. Эти установки существуют в 2 вариантах: вращающиеся и шахтные.

Вращающиеся печи универсальны с точки зрения агрегатного состояния сырья: допустимы работы как с твердыми, так и с мягкими породами. Это установки длиной от 30 до 100 м и диаметром от 2 до 4 м. Они установлены под углом в 3-4 и вращаются с частотой 0,5-1,2 об/мин. Суточная производительность составляет 500-700 кг/м³ обжигательного барабана. С увеличением длины установки возрастает производительность, и сокращается расход топлива за счет увеличения площади контакта.

Разработано несколько способов сокращения расхода топлива, одновременно подходящих для утилизации высокотемпературных газов, образующихся в процессе реакции. Один из них – предварительный нагрев сырья. Он предполагает установку перед печью нагревателя, обеспечивающего разогрев материала до 500-800°C.

Таким образом, в общем виде одна из типовых схем вращающейся установки для обжига извести выглядит как нагреватель – печь – холодильник. Расход теплоты при такой технологии составляет 4600-5030 кДж/кг извести.

Шахтные печи подходят только для обжига твердых пород. Они подразделены на несколько вариантов. К настоящему времени в производстве остались только газовые установки, а полугазовые и пересыпные варианты устарели и сохранили актуальность только на небольших предприятиях. Газовые печи отличаются от этих аналогов большей производительностью и лучшим качеством продукта. Такие установки могут быть выполнены в разных конфигурациях. Функциональные зоны здесь те же, что и во вращающихся печах. Под шахтой устанавливают выгрузочное устройство, и под ним – бункер охлаждения. Недопустимость использования мягкого сырья объясняется возможностью его зависания.

Технология

Процесс обжига состоит в нагреве известняковой массы до 1000-1300°C. Величина температуры напрямую определяет скорость процесса, однако важно соблюдение данного температурного интервала. Так, при его превышении происходит пережег сырья, что ведет к формированию крупнокристаллического оксида Ca. Такой компонент характеризуется существенно замедленным процессом гашения. Поэтому он не подходит для производства извести, так как процесс может продолжаться и после ее использования, что может повлечь появление дефектов.

В качестве топлива используют мазут или газ. Твердое топливо плохо подходит из-за зольности. Осаждающиеся на сырье частицы ведут к формированию легкоплавких соединений. От них в печи остаются настыли. Топливо сгорает в печи, поджигаясь факелом.

Процесс обжига представляет последовательное проведение сырья через стадии сушки, подогрева, обжига, предварительного охлаждения. При работах с плотными известняками этап сушки исключают ввиду их малой влажности.

Во вращательных печах зона подогрева составляет 50-70% длины установки, зона обжига – 25 – 30. Их величину варьируют изменением длины факела. Зона предварительного охлаждения занимает оставшуюся часть печи (около 5%). Для окончательного охлаждения используется холодильник. Воздух оттуда, нагретый продуктом до 300-400°C подается в печь. Эту часть воздуха называют вторичной. Она составляет основную массу воздуха печи. Оставшуюся часть (первичный воздух) подают через горелку. Теплообмен в установке происходит путем излучения. Для ускорения этого процесса в зоне подогрева устанавливают теплообменники.

К достоинствам технологии с вращающимися печами относят следующие особенности

• Высокую производительность установок (в 2 – 4 раза выше шахтных).
• Быстрое осуществление процесса.
• Минимизацию вероятности пережога за счет быстрого прохождения сырья по установке.
• Компактность технологической схемы.
• Экономичность создания цехов.
• Возможность автоматизации процесса.
• Высокое качество продукта (однородность и малое количество примесей).
• Возможность использования любого вида топлива.
• Производство продукта любого типа (строительной и металлургической извести).
• Возможность использования любого вида сырья.

Недостатками данной технологии считают

• Дороговизну установок.
• Значительную металлоемкость.
• Высокий расход электроэнергии.
• Высокий расход топлива.

Шахтные печи также подразделены на 3 функциональные зоны: подогрева, обжига, охлаждения. Первая занимает 35% высоты установки и служит для охлаждения высокотемпературных газов, исходящих снизу, до 300-350°C. Они же нагревают здесь сырье до 900°C в нижней части. Зона обжига составляет 40% шахты. Средняя температура здесь составляет 1100-1200°C. Зона охлаждения занимает 25%. В ней температура продукта понижается до 80-120°C. Окончательное охлаждение осуществляется в бункере охлаждения. Теплота оттуда идет на дополнительный подогрев шахты.

Теплообмен в шахтных печах происходит путем конвекции. Важным условием для них является обеспечение равномерного распределения газа по шахте в поперечном сечении. В противном случае возможно возникновение местных перегревов материала, что может нарушить процесс вплоть до остановки печи. Поэтому точки подачи газа располагают в зависимости от конфигурации установки: в стенках в печах диаметром до 1,8 м, там же, но на нескольких уровнях в щелевидных вариантах, в стенках и по центру в установках большего диаметра. К тому же ввиду неоптимальных условий для смешивания газа и воздуха приходится подавать в шахту дополнительный воздух в 20-30% от стехиометрического расхода. При этом сырье приходится держать в шахте достаточно продолжительное время для прожжения центральной зоны. Это существенно сокращает производительность таких установок (до 100 т/сут). В любом случае обжиг весьма неоднороден, и эта неоднородность прямо пропорциональна диаметру и обратно пропорциональна высоте печи.

Достоинствами шахтных печей считают

• Низкую металлоемкость.
• Дешевизну создания.
• Невысокий расход топлива.
• Малые затраты энергии.

Недостатки таких установок

• Невысокая производительность.
• Невысокая степень декарбонатизации сырья (до 93-97%).
• Неравномерный обжиг.
• Высокие требования к сырью (однородности, чистоте, гранулометрическому составу).