Роторно-винтовые системы в области производства цемента

При обжиге шлама для приготовления цементного клинкера используют мощные вращающиеся печи. Только за последние 20 лет в цементной промышленности мощность единичного обжигаемого агрегата выросла в 5 раз. Хорошо зарекомендовали себя в промышленности печи 4,5×170, 5×185, 5,6×185, одна из которых показана на рисунке 1. Полученный в печи раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом [1].

печь шлам цементный клинкер

Рисунок 1 — Вращающаяся печь с цилиндрическим корпусом размером 5×185 м для обжига шлама при приготовлении цементного клинкера: (1 — устройство для отвода дыма; 2 -устройство для загрузки гранул шлама; 3 — корпус; 4 — устройство для придания вращения корпусу со скоростью 0.5−1.4 об/мин; 5 -устройство для подачи внутрь корпуса топлива и воздуха; 6 — устройство для охлаждения клинкера)

Недостатком таких вращающихся печей для обжига шлама при приготовлении цементного клинкера является необходимость создания уклона корпусу для транспортировки шлама во время его обжига от загрузки к выгрузке и, в связи с этим, недостаточная интенсивность теплообмена, ограниченные технологические возможности, а также сложность ее эксплуатации, большие габариты по длине[1,2].

Поэтому эти недостатки возможно устранить реализацией следующих предложений:

• — обеспечить горизонтальное расположение оси вращения корпуса, что позволит увеличить скорость его вращения и упростит эксплуатацию печи в связи с отсутствием уклона корпуса;
• — корпус выполнить по периметру многозаходным с переменным увеличивающимся шагом от загрузки к выгрузке, что позволит интенсифицировать процесс смешивания гранул шлама и обеспечить не только их перемещение вдоль горизонтальной оси корпуса, что исключает необходимость монтажа корпуса под углом к горизонту и приобретает горизонтальное осевое перемещение гранул шлама, но и повысит скорость и интенсивность теплообменных процессов [2].

За последние десять лет в КубГАУ не только предложены конструкторские решения, позволяющие решить эти задачи [5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19], но и обеспечить возможность внедрения их производства [2,3,4].

Рисунок 2 — Вращающаяся печь для приготовления цементного клинкера с использованием роторно-винтовых систем: (1 — устройство для отвода дыма; 2 -устройство для загрузки гранул шлама; 3 — корпус; 4 — устройство для придания вращения корпусу со скоростью 5−15 об/мин; 5 -устройство для подачи внутрь корпуса топлива и воздуха; 6 — устройство для охлаждения клинкера)

При этом использован опыт создания роторно-винтовых систем и в других отраслях промышленности аналогичных известным: в сельском хозяйстве «Семяочистительная машина"-патент № 2 007 226, «Сушилка для куриного помёта» — патент РФ № 2 027 130 и в технике различных отраслей, в том числе: общее машиностроение «Устройство для абразивной обработки» — патент № 2 113 337, сельскохозяйственное машиностроение «Машина для сепарации сыпучих сред» — патент РФ № 2 121 890, в производстве строительных материалов «Барабанный грохот" — патент РФ № 2 139 150, «Вибрационный бетоносмеситель» — патент РФ 2 398 678, в производстве строительных конструкций «Винтовая свая» — патент РФ № 2 228 402, «Винтовая свая — патент РФ № 2 172 373 [20,21,22,23,24,25,26,27].

На рисунке 2 изображен общий вид одной из вращающихся печей для приготовления цементного клинкера с использованием роторно-винтовых систем.

Вращающаяся печь для приготовления цементного клинкера с использованием роторно-винтовых систем вместе с корпусом 3 смонтирована горизонтально и снабжена устройством 1 для отвода дыма, устройством 2 для загрузки гранул шлама, устройством 4 для придания вращения корпусу 3 со скоростью 5−15 об/мин, устройством 5 для подачи внутрь корпуса 3 топлива и воздуха и устройством 6 для охлаждения клинкера [10].

Рисунок 3 — Часть корпуса вращающейся печи для приготовления цементного клинкера с тремя винтовыми ребрами (17, 18 и 19- трапециевидные листы, 20−21- одно из трех винтовых ребер) Например, корпус (рисунок 3) выполнен из свернутых в винт трех трапециевидных листов 17, 18 и 19, которые затем соединяют боковыми кромками в корпус 1 с образованием винтовых ребер и внутренних винтовых канавок, с переменным, увеличивающимся по длине корпуса 1 шагом S1 одна из которых 20−21 показана на рисунке 3 утолщенной линией.

Рисунок 4 — Часть корпуса вращающейся печи для приготовления цементного клинкера с четырьмя винтовыми ребрами (22, 23, 24,25- трапециевидные листы, 26−27- одно из четырех винтовых ребер).

Корпус (рисунок 4) может быть выполнен из свернутых в винт четырех трапециевидных листов 22−25, которые затем соединяют боковыми кромками в корпус 1 и образованием винтовых ребер и внутренних винтовых канавок, с переменным, увеличивающимся по длине корпуса 1 шагом S2 одна из которых 26−27 показана на рисунке 4 утолщенной линией.

Рисунок 5 — Часть корпуса вращающейся печи для приготовления цементного клинкера с пятью винтовыми ребрами (28,29,30,31,32- трапециевидные листы, 33−34- одно из пяти винтовых ребер).

Корпус (рисунок 5) может быть выполнен из свернутых в винт пяти трапециевидных листов 28−32, которые затем соединяют боковыми кромками в корпус с образованием винтовых ребер и внутренних винтовых канавок, с переменным, увеличивающимся по длине корпуса 1 шагом S3 одна из которых 33−34 показана на рисунке 5 утолщенной линией.

Рисунок 6 — Сечение Б-Б корпуса 1 Рисунок 7 — Сечение Б-Б корпуса 1 на рисунке 5 с центрами кривизны на рисунке 5 с центрами кривизны расположенными снаружи корпуса расположенными внутри корпуса.

Корпус 1 может быть выполнен с внутренними криволинейными поверхностями вогнутой формы с центрами кривизны расположенными снаружи корпуса 1 (рисунок 6) или выполнен с внутренними криволинейными поверхностями выпуклой формы с центрами кривизны расположенными внутри корпуса 1 (рисунок 7).

Трапециевидные листы 17, 18, 19 или 22, 23, 24, 25 или 28, 29, 30, 31, 32 свернуты относительно собственной оси симметрии, например, как трапециевидный лист 17 на рисунке 8.

Рисунок 8 — Один из трапециевидных листов после скручивания в продольном направлении Затем эти листы размещают на конической оправке 35 (рисунок 9) и сворачивают вокруг нее с образованием винтовых поверхностей.

В результате такой обработки каждого из трапециевидных листов 17, 18, 19 или 22, 23, 24, 25 или 28, 29, 30, 31, 32 обеспечивается дополнительное искривление поверхностей корпуса 1, благодаря чему интенсифицируется процесс взаимодействия гранул шлама и теплообменные процессы.

Рисунок 9 -Трапециевидный лист после сгиба на конической оправке (17- трапециевидный лист, 35- коническая оправка) Известно, что производительность П вращающейся печи приготовления цементного клинкера зависит от объема V внутренней полости корпуса печи, при этом объем V корпуса печи пропорционален площади проходного (поперечного) сечения корпуса и пропорционален радиусу его проходного сечения [1].

Поэтому для обоснования выбора одного из двух вариантов изготовления корпуса печи представленных на рисунке 6 или рисунке 7 рассмотрим при одних радиусах кривизны R сечение Б-Б корпуса 1 на рисунке 5:

• 1) корпус печи с тремя винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой и выпуклой формы (рисунок 10);
• 2) корпус печи с четырьмя винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой и выпуклой формы (рисунок 11);

Рисунок 10 — Сечение Б-Б на рисунке 3 Рисунок 11 — Сечение Б-Б на рисунке корпуса печи с тремя винтовыми 4 корпуса печи с четырьмя винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой и выпуклой формы вогнутой и выпуклой формы

Рисунок 12 — Сечение Б-Б на рисунке 5 Рисунок 13 — Сечение Б-Б на рисунке корпуса печи с пятью винтовыми 5 корпуса печи с шестью винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой и выпуклой формы вогнутой и выпуклой формы

• 3) корпус печи с пятью винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой и выпуклой формы (рисунок 12);
• 4) корпус печи с шестью винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой и выпуклой формы (рисунок 13).

Принимаем, что радиус кривизны выпуклой винтовой поверхности R для максимального проходного сечения S для всех четырех случаев (рисунки 10,11,12,13) одинаков.

Обозначим:

R1 — радиус проходного сечения S1 корпуса печи с тремя винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой формы (рисунок 10);

R2 — радиус проходного сечения S2 корпуса печи с четырьмя винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой формы (рисунок 11).

R3 — радиус проходного сечения S3 корпуса печи с пятью винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой формы (рисунок 12);

R4 — радиус проходного сечения S4 корпуса печи с шестью винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой и (рисунок 13).

Тогда, отношение площади проходного сечения выпуклой винтовой поверхности к площади вогнутой винтовой поверхности i можно зависать в виде:

? для корпуса печи с тремя винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой и выпуклой формы (рисунок 10):

(1).

? для корпуса печи с четырьмя винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой и выпуклой формы (рисунок 11):

(2).

? для корпуса печи с пятью винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой и выпуклой формы (рисунок 12):

(3).

? для корпуса печи с шестью винтовыми ребрами и винтовыми поверхностями вогнутой и выпуклой формы (рисунок 13):

(4).

Как видно из рисунков 10, 11, 12, 13:

. (5).

На рисунке 14 показана графическая зависимость количество винтовых ребер корпуса n к i — отношению проходного сечения выпуклой винтовой поверхности к площади вогнутой винтовой поверхности.

Рисунок 14 — Графическая зависимость количество винтовых ребер корпуса n к iотношению проходного сечения выпуклой винтовой поверхности к площади вогнутой винтовой поверхности Анализ (рисунок 14) показывает, что оптимальным количества винтовых криволинейных поверхностей вращающейся печи должно быть больше 6 (n>6). Как показывает опыт и из конструктивных соображении ширина листов из которых собраны печи должно быть не менее 400 мм.

Предлагаемая вращающаяся печь для приготовления цементного клинкера работает следующим образом. Корпус 1, смонтированный горизонтально, вращается со скоростью 5−15 об/мин с помощью устройства для придания вращения корпуса 3. Шлам для обжига цементного клинкера подается в корпус 3 с помощью устройства 2 для загрузки гранул шлама. Со стороны выгрузки с помощью устройства 5 подается внутрь корпуса 3 топливо и воздух.

Гранулы шлама, находясь внутри вращающегося корпуса 3, увлекаясь его винтовыми поверхностями, поднимаются вверх и скатываются по ним в сторону выгрузки, в том числе и под влиянием конусности корпуса 1.

После обжига гранулы цементного клинкера охлаждаются в устройстве для охлаждения клинкера 6.

Технико-экономические преимущества возникают за счет обеспечения продольного перемещения гранул шлама в печи для приготовления цементного клинкера при горизонтальном расположении корпуса во вращающейся печи и создания их встречных потоков, за счет того, что внутри по всей длине корпуса образованы так же винтовые поверхности и винтовые канавки, которые обеспечивают не только перемещение гранул шлама, но и способствуют интенсификации осуществления взаимодействия гранул шлама для приготовления цементного клинкера друг с другом и со стенками корпуса, что позволяет не только влиять на характер движения гранул шлама для приготовления цементного клинкера и расширяет технологические возможности, повышает интенсивность теплообмена, упрощает эксплуатацию вращающейся печи при ее горизонтальном расположении, расширяет технологические возможности.

Выводы

• 1. Показаны пути оптимизации вращающихся печей для обжига шлама для приготовления цементного клинкера.
• 2. Использование предлагаемых инновационных технологий, позволяет повысить скорость вращения корпуса печей в 5−10 раз за счет применения роторно-винтовых систем, увеличить производительность и сократить габариты печей.
• 3. Предварительный анализ технологических решений позволяет предположить, что корпус вращающейся печи целесообразно изготовлять с винтовыми поверхностями, центры кривизны которых расположены внутри корпуса.

• 1. Комар А. Г. / Строительные материалы и изделия // А. Г. Комар. учебник. Высшая школа, 1988. — С. 147−148.
• 2. Таратута В. Д. Инновационные технологии в области производства цемента / В. Д. Таратута, Г. В. Серга. — Краснодар: КубГАУ, 2013. — 110.
• 3. Серга Г. В. Инновационная технология получения клинкера для производства цемента с использованием технологии и оборудования ударно — волновых процессов/ Г. В. Серга, В. Д. Таратута // Вопросы вибрационной технологии: межвуз. сборник научных статей. ДГТУ. — Ростов на Дону, 2012. — С.134−211.
• 4. Таратута В. Д Разработка теории придания частицам сыпучих строительных материалов движения с большой амплитудой / В. Д. Таратута, Г. В. Серга. — Краснодар: КубГАУ, 2013. — 88.
• 5. Пат. 2 421 669 Российская Федерация, МПК F 27 B 7/14. Вращающаяся печь для обжига цементного клинкера / Г. В. Серга, К. А. Белокур; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 009 132 730/02; заявл. 31.08.2009; опубл. 20.06.2011, Бюл. № 17. — 12.
• 6. Пат. 2 421 670 Российская Федерация, МПК F 27 B 7/14. Вращающаяся печь для обжига сыпучего материала для получения цементного клинкера / Г. В. Серга, К. А. Белокур; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 009 133 068/02; заявл. 02.09.2009; опубл. 20.06.2011, Бюл. № 17. — 11.
• 7. Пат. 2 421 671 Российская Федерация, МПК F 27 B 7/14. Печь для обжига цемента / Г. В. Серга, К. А. Белокур; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 009 140 639/02; заявл. 02.11.2009; опубл. 20.06.2011, Бюл. № 17. — 8.
• 8. Пат. 2 424 482 Российская Федерация, МПК В 27 С 7/14. Вращающаяся печь для приготовления цементного клинкера (варианты) / Г. В. Серга, К. А. Белокур; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 009 133 021/02; заявл. 02.09.2009; опубл. 20.07.2011, Бюл. № 20. — 14.
• 9. Пат. 2 456 520 Российская Федерация, МПК F 27 B 7/16. Вращающаяся печь для приготовления цементного клинкера (варианты)/ Г. В. Серга, В. Д. Таратута, К. А. Белокур; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 009 126 872/03; заявл. 13.07.2009; опубл. 20.07.12., Бюл. № 20. — 10.
• 10. Пат. 2 469 250 Российская Федерация, МПК F 27 В7/16. Вращающаяся печь для приготовления цементного клинкера / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 011 117 939/02; заявл. 04.05.2011; опубл. 10.12.2012, Бюл. № 34. — 15.
• 11. Пат. 2 476 793 Российская Федерация, МПК F27B 7/14. Печь вращающаяся для приготовления цементного клинкера / Г. В. Серга, В. Д. Таратута, К. А. Белокур; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 011 106 741/02; заявл. 22.02.2011; опубл. 27.02. 2013, Бюл. № 6. — 15.
• 12. Пат. 2 476 794 Российская Федерация, МПК F27B 7/14. Вращающаяся печь для обжига шлама для приготовления цементного клинкера / Г. В. Серга, В. Д. Таратута, К. А. Белокур; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 011 107 328/02; заявл. 25.02.2011; опубл. 27.02. 2013, Бюл. № 6. — 14.
• 13. Пат. 2 476 795 Российская Федерация, МПК F27B 7/14. Вращающаяся печь для обжига шлама для приготовления цементного клинкера / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 011 117 928/02; заявл. 04.05.2011; опубл. 27.02. 2013, Бюл. № 6. — 14.
• 14. Пат. 2 476 796 Российская Федерация, МПК F27B 7/14. Вращающаяся печь для обжига шлама для приготовления цементного клинкера / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 011 117 941/02; заявл. 04.05.2011; опубл. 27.02. 2013, Бюл. № 6. 13.
• 15. Пат. 2 479 810 Российская Федерация, МПК F27B 7/16. Вращающаяся печь для обжига клинкера / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 011 123 070/02; заявл. 07.06.2011; опубл. 20.04.2013, Бюл. № 11. — 12.
• 16. Пат. 2 483 260 Российская Федерация, МПК F27B 7/14. Печь для обжига цемента (варианты)/ Г. В. Серга, К. А. Белокур; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 009 143 193/03; заявл. 23.11.2009; опубл. 27.05.2013, Бюл. № 15. 19.
• 17. Пат. 2 533 292 Российская Федерация, МПК F27B 7/16. Печь для приготовления цементного клинкера/ Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 013 120 415/02; заявл. 30.04.2013; опубл. 20.11.2014, Бюл. № 32. 13
• 18. Пат. 2 536 318 Российская Федерация, МПК F27B 7/16. Печь вращающаяся для приготовления цементного клинкера/ Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 013 120 422/02; заявл. 30.04.2013; опубл. 20.12.2014, Бюл. № 35. — 13.
• 19. Пат. 2 561 571 Российская Федерация, МПК F27B 7/14. Вращающаяся печь для обжига шлама для приготовления цементного клинкера / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 014 114 567/02; заявл. 11.04.2014; опубл. 27.08.2015, Бюл. № 24. — 17.
• 20. Пат. 2 007 226 Российская Федерация, МПК 5В07 В 1/22 А. Семяочистительная машина / Г. В. Серга, К. В. Филин; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 4 926 616/03; заявл. 08.11.1993; опубл. 20.08.1994.
• 21. Пат. 2 113 337 Российская Федерация, МПК 6В24 В 31/02. Устройство для абразивной обработки деталей / Г. В. Серга, Л. Н. Луговая, И. И. Табачук; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 96 121 168/02; заявл. 08.11.1998; опубл. 20.08.1998.
• 22. Пат.2 121 890 Российская Федерация, МПК 6В07 В 1/22 А. Машина для сепарации сыпучих сред / Серга Г. В., Луговая Л. Н., Табачук И. И., Кравченко Э. В., Ляу А. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 97 113 113/03; заявл. 09.10.1997; опубл. 25.09.1998.
• 23. Пат.2 139 150 Российская Федерация, МПК 6В07 В 1/22 А. Барабанный грохот / Серга Г. В., Ляу А. В. Иванов А.Н.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 97 113 113/03; заявл. 28.07.1998; опубл. 25.09.1999.
• 24. Пат.2 228 402 Российская Федерация, МПК 7Е02D 5/56. Винтовая свая / Серга Г. В., Резниченко С. М., Довжикова Н. Н., Кремянский Ф. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 002 115 673/03; заявл. 11.06.2002; опубл. 18.09.2004.
• 25. Пат.2 398 678 Российская Федерация, МПК В28С 5/20 А. Вибрационный бетоносмеситель / Серга Г. В., Таратута В. Д., Цыбулевский В. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 009 111 958/03; заявл. 31.03.2009; опубл. 01.01.2010.
• 26. Пат.2 027 130 Российская Федерация, МПК 6F26 В 11/04. Сушилка для куриного помета / Серга Г. В., Филин К. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 5 005 024/06; заявл. 0.03.1994; опубл. 01.07.1995.
• 27. Пат.2 172 373 Российская Федерация, МПК 7Е02D 5/56. Винтовая свая / Серга Г. В., Иванов А. Н., Сидоренко Л. И., Ляу А. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». — № 99 105 148/03; заявл. 15.03.1999; опубл. 15.04.2001.