Разработка рекомендаций по увеличению вероятности работоспособности установки производства керамзитового песка

1. Прежде всего, исследовали влияние массового расхода сырья в зону термоподготовки. Колебания расхода ± 300 кг / час, определяемые точностью дозатора, на фоне 3000 кг / час оказались недопустимо большими, расчеты показали, что разрешенный диапазон отклонения этого внешнего воздействия должен быть не более ± 30 кг / час. Необходим новый дозатор.

2. Подача сырцовой крошки из зоны термоподготовки в зону обжига осуществлялась по внешнему перетоку, т.е. вертикальной трубе диаметром 250 мм. Где-то по середине высоты перетока на фланцах была вставлена задвижка. По задумке разработчиков на пластине задвижки сверху должен образовываться слой неподвижного зернистого материала, а из отверстия должен равномерно просыпаться этот материал в зону обжига.

Так как давление в зоне обжига больше, чем в зоне термоподготовки, то дымовые газы, естественно, “захотят” двигаться по перетоку вверх, минуя большое гидравлическое сопротивление зоны термоподготовки. Во всяком случае, получилось два параллельных канала для движения дымовых газов из зоны обжига - один через зону термоподготовки, другой по трубе перетока через неподвижный слой зернистого материала на задвижке снова в зону термоподготовки. Образовалась крайне неустойчивая гидродинамическая ситуация: как только слой частиц, лежащих на задвижке, уменьшался по каким-то причинам, так уменьшалось его гидравлическое сопротивление и сразу увеличивался расход газов по перетоку, частицы в нем сначала псевдоожижались, а потом уносились обратно в зону термоподготовки. Дымовые газы проходили по перетоку, а псевдоожиженный слой в зоне термоподготовки “ложился”. Последствия известны - “козел”. Типичный пример бифуркации: малые изменения высоты слоя на задвижке приводят к кардинальным изменениям всего фазового портрета, вот только новая точка устойчивого равновесия никого не устраивает.

Ясно одно: чтобы избежать параллельного хода дымовых газов из зоны обжига следует просто перекрыть доступ газов через переток, но оставить возможность для прохода зернистого материала в зону обжига. Для этого был разработан и рассчитан шлюзовой переток, причем при любом положении затворов прохода для дымовых газов не было. Ниже шлюзового перетока была установлена шайба диаметром 70 мм проходного отверстия, обеспечивающая постоянный расход зернистого материала, если высота слоя его над шайбой будет более 10 калибров отверстия.

Наша группа (инженер М.Э. Рубенчик) смогла визуализировать работу шлюзового перетока на экране ПК и демонстрировать изменения его работы при вариациях параметров перетока. Там же на другом “окошке” того же экрана ПК показывались колебания во времени температуры в зоне обжига. Параметры шлюзового перетока, естественно, выбирались такими, чтобы температура в зоне обжига не выходила за разрешенный диапазон отклонения. По существу, высокая труба перед шлюзовым перетоком играет роль промежуточной емкости для зернистого материала, которая сглаживает пульсации расхода, а высокоточный дозатор в виде шайбы обеспечивает постоянство расхода, причем без применения специальной системы автоматического управления.

3. Подача природного газа в зону обжига осуществляется из магистрального трубопровода через ГРП (газо-распределительный пункт), который уменьшал давление до 0,5 ати. Оказалось, что на магистральном газопроводе “сидит” много потребителей со случайными моментами времени подключения (пример влияния макросистемы на ХТС). Каждое такое подключение, особенно ТЭЦ, крупных котельных, довольно сильно изменяют давление в газопроводе и, в конце концов, давление перед соплами горелок в зоне обжига. Так как теплотворная способность природного газа велика, то малые колебания его расхода в зону обжига оказались вредоносными для ХТС и влияли на основной технологический параметр – температуру обжига.

Здесь мы воспользовались термодинамикой истечения: совсем немного подняли давление природного газа перед соплами, чуть уменьшив их диаметр, так, чтобы истечение газа стало постоянным, то есть звуковым (для идеальных газов скорость звука зависит только от температуры потока). Сам магистральный трубопровод зарыт в траншее на глубине 2,5 м, и потому газовый поток в трубе “не знает”, какая погода на улице. Так удалось стабилизировать расход природного газа в зону обжига опять-таки на основании законов природы, а не специальной системы автоматического управления.

4. Массовый расход воздуха на псевдоожижение в холодильник, в зону обжига, на разбавление дымовых газов перед зоной термоподготовки и на пневмотранспорт предлагаем стабилизировать категорическим приемом: каждый потребитель воздуха должен иметь свой индивидуальный нагнетатель. Здесь отказываемся от параллельной запитки разных потребителей от одного вентилятора. Тем самым, полностью ликвидируем взаимную зависимость потребителей друг от друга. Иными словами, просто пошли на ликвидацию обратной положительной связи, т.е. на изменение технологической схемы.

Конечно, за такую рекомендацию придется платить увеличением числа вентиляторов и двигателей, мощные вентиляторы придется ставить на солидные фундаменты на нулевом уровне застройки, придется удлинить газоходы, а значит увеличить гидравлическое сопротивление и затраты на электроэнергию. Но примем догму: бесплатной надежности не бывает!

5. Чтобы исключить влияние колебаний влажности исходной глиняной крошки пришлось серьезно заняться цехом подготовки сырья и барабанной сушилкой в нем. Здесь просто потребовали от персонала выполнения своих служебных обязанностей, одновременно на центральный пульт управления установкой заводская лаборатория сообщала каждые 3 часа величину влажности сырцовой крошки, и это позволяло корректировать температуру в зоне термоподготовки.

Колебания влажности исходной глины, приходящей из сырьевого цеха, оказывали большое влияние на работоспособность молотковой дробилки. Суть дела в том, что глиняная крошка приходит из сырьевого цеха с неконтролируемым фракционным составом, а вся гидродинамика псевдоожиженного слоя крайне чувствительна к нему. Поэтому технологи предусмотрели грохочение зернистого материала, приходящего из сырьевого цеха, причем крупные фракции направляются в молотковую дробилку и далее снова на грохочение, затем в бункер сырцовой крошки перед печью.

Практика эксплуатации молотковой дробилки в производстве керамзитового песка показала, что при избыточной влажности кусков глины колосники дробилки замазываются, и весь процесс приходится останавливать для прочистки колосников. Если же глина пересушена, то дробилка переводит частицы глины в мельчайшую пыль, которая, в конце концов, окажется в бункере циклона за зоной термоподготовки. Ценное сырье просто переводится в отходы, в отвалы пыли, которую никто не знает, куда девать.

Кстати, в худшие времена в пыль переводилось до 30% от исходного потока сырья, одна треть самосвалов, которые возили глину из карьера, «бегали» впустую.

6. Изменение фракционного состава исходной глиняной крошки крайне нежелательно для гидродинамики псевдоожиженного слоя и, особенно, влияет на струйное истечение в псевдоожиженный слой.

Здесь мы поступили следующим образом. Рабочая документация на подовую горелку зоны обжига уже разработана, завод-изготовитель уже имеет отлаженную технологию изготовления, все приспособления и оснастку. Поэтому мы приняли, что шаг между горелками нам известен заранее. Одновременно, есть рабочая документация на промышленную печь, следовательно, известна высота псевдоожиженного слоя в обеих зонах.

Воспользуемся теорией струйного истечения в псевдоожиженный слой и найдем средние параметры зернистого материала (размер частицы считаем случайной величиной с какой-то функцией плотности распределения вероятностей f(d)). Здесь потребуем, чтобы диаметр факела струи равнялся шагу между горелками, а высота струи равнялась 0,5 высоты слоя в зоне обжига. Установлено, что этого можно достичь, если строго контролировать долю максимальных по размеру частиц в общей массе зернистого материала.

Замечание. Если написать соответствующие уравнения для монодисперсного слоя, то в этих уравнениях размер частиц d фигурирует в 3-ей и 2-ой степени. Чтобы получить эти уравнения для полидисперсного слоя, т.е. считать размер частицы случайным, необходимо во имя корректности модели умножить обе части уравнений на f(d) и усреднить по всем размерам. Отсюда, даже не решая уравнений, видно, что на гидродинамику струйного истечения в псевдоожиженный слой влияет средний куб или средний квадрат размера частицы, а не куб среднего или квадрат среднего.

Отсюда же следует, что на гидродинамику струйного истечения в слой влияет преимущественно доля крупных частиц, следовательно, именно ее надо контролировать.

Обратившись к цеху подготовки сырья для промышленной установки, обнаружили крайнюю запущенность отделения грохочения. Оказалось, что верхняя сетка грохота сильно повреждена коррозией и износом, в сетке есть крупные дыры. Иными словами, именно максимальный размер частиц в слоях был брошен на произвол судьбы. Просто замена верхней сетки на новую с ячейкой 5 мм кардинально изменил работу всей установки.

Изменение фракционного состава в слоях возможно еще и из-за избыточного уноса мелочи из зоны термоподготовки, тогда зернистый материал укрупняется во всех слоях, изменяя гидродинамику. Главная рекомендация здесь: все аппараты и зоны в печи следует изготавливать в виде усеченного конуса с расширением к верху, а диаметр конуса наверху выбирать так, чтобы скорость дымовых газов равнялась скорости витания тех частиц, которые мы не хотим выпускать из технологии. По существу мы требуем изменить рабочую документацию на печной агрегат.

Вторая рекомендация: контролировать и изменять расход дымовых газов через зону термоподготовки с помощью байпаса вокруг этой зоны (см. рис.4.1), как и было предусмотрено ранее.

7. Технологи провели исследование минералогического и химического состава пыли, уносимой из зоны термоподготовки, и частиц глины, которые далее, то есть после уноса, идут в технологию. Выяснилось, что пыль содержит много больше окислов и солей щелочных металлов, чем глина, идущая на переработку.

Установлено, что окислы и соли щелочных металлов образуют низкотемпературную эвтектику с окислами кремния и алюминия. Следовательно, обеднение глины солями и окислами щелочных металлов приводит к необходимости увеличения температуры в зоне обжига.

Увеличение температуры в печи крайне нежелательно с точки зрения эксплуатации и с точки зрения перерасхода природного газа. Суть рекомендации: пыль надо возвращать в технологию. Для этого придется расположить циклоны за термоподготовкой НАД смесителем-гомогенизатором в цехе подготовки сырья. Это позволит возвращать пыль в поток исходного сырья. Иными словами, необходимо перепланировать всю установку, изменить ее генплан. И конечно, озаботиться о минимизации длин газоходов для сокращения затрат электроэнергии. В принципе это вполне решаемая задача для проектировщиков.

8. Операторы промышленной печи жаловались, что при запуске установки после «холостого» режима длительностью в 2-3 часа установка все время меняет режим своей работы и ее приходится долго отлаживать, пока она приходит в номинальное состояние. Оказалось, что при краткой остановке печного агрегата (холостой режим, т.е. без подачи сырья) сырьевой цех не останавливали, и он работал на бункер запаса готовой глиняной крошки. При этом по закону Паркинсона и Мерфи грохот и бункер находились в соседних помещениях. Следовательно, за время остановки печи в условиях вибрации происходила сепарация частиц по размеру по высоте бункера: вверху крупняк, внизу - мелочь. Переменность фракционного состава зернистой массы по высоте бункера вызывала нестационарность работы обеих зон печи, пока фракционный состав не станет стабильным.

Суть рекомендации: бункер для сырцовой крошки необходимо устанавливать на этажерке со своим фундаментом, а под опорные лапы бункера следует поставить резиновые, упругие прокладки для изоляции от вибраций. Шлюзовой питатель на выходе из бункера должен быть виброизолирован от бункера.