Влияние содержания влаги на прочность слоя материала и энергопотребление 

Влияние влажности сырья на прочность слоев упаковочного материала и энергопотребление при прокаливании можно резюмировать следующим образом: вредны как чрезмерно высокие, так и чрезмерно низкие уровни влажности, и существует “оптимальный диапазон”, который уравновешивает воздухопроницаемость и энергопотребление. Этот эффект в первую очередь проявляется в воздействии влаги на два аспекта: микроструктуру слоя материала и теплопотребление.

Влияние на сопротивление уплотненного слоя: “V-образная” тенденция к первоначальному снижению, за которой следует увеличение
Влияние содержания влаги на сопротивление слоя (т.е. на легкость прохождения воздушного потока) проявляется в виде “V-образной” тенденции. Это происходит главным образом потому, что влага изменяет физическое состояние и структуру упаковки между частицами:

При слишком низком содержании влаги сопротивление увеличивается

При недостаточной влажности мелкие частицы не могут эффективно связываться в гранулы или более крупные агломераты. Это приводит к тому, что большое количество мелкого порошка заполняет пустоты между крупными частицами, уменьшая пористость, сужая каналы воздушного потока и повышая сопротивление.

Возьмем в качестве примера процесс гранулирования в цементных шахтных печах: при традиционных методах гранулирования неравномерное распределение влаги в материале приводит к широкому диапазону размеров гранул и низкой пористости слоя (обычно не превышающей 35%). В таких условиях сопротивление вентиляции на метр слоя может достигать 2000-2500 Па и более, что значительно увеличивает энергопотребление при продувке воздухом.

При умеренном содержании влаги сопротивление снижается

Достаточное количество влаги действует как “связующее вещество”. Между частицами образуется “мостик” из жидкости, в результате чего мелкие частицы прилипают к более крупным частицам и образуется более однородная и крупнозернистая масса. Это увеличивает пористость слоя, создает более гладкие пути прохождения воздуха и, таким образом, снижает сопротивление.

Это подтверждается исследованием пневмотранспорта влажных материалов, которое показало, что с увеличением содержания влаги перепад давления в трубопроводе сначала уменьшается, а затем увеличивается, что позволяет определить оптимальное содержание влаги примерно в 10% для обеспечения баланса между эффективностью транспортировки и энергопотреблением.

При слишком высоком содержании влаги сопротивление возрастает

Избыток влаги образует толстую водяную пленку на поверхности частиц или даже заполняет поры, что резко повышает их липкость. Частицы имеют тенденцию прилипать, деформироваться и разрушать первоначальную структуру пор. В тяжелых случаях происходит “просачивание” или “продавливание”, что приводит к крайне неравномерному распределению воздушного потока и резким колебаниям сопротивления.

При производстве гранул из цементного сырья избыточная влажность при попадании в печь и нагревании приводит к мгновенному увеличению объема водяного пара почти в тысячу раз, что приводит к измельчению гранул в мелкий порошок. Эти мелкие частицы сильно засоряют слой материала, вызывая резкое повышение сопротивления вентиляции и ухудшение условий эксплуатации.

Влияние на энергопотребление при обжиге: Прямое увеличение как видимых, так и скрытых потерь тепла
Влияние содержания влаги на энергопотребление является более прямым и проявляется несколькими способами:

Прямое увеличение потребления скрытой теплоты при испарении

Физически связанная вода в сырье должна поглощать значительное количество тепла во время обжига, чтобы преобразоваться в пар и удаляться. Это является существенным источником потребления тепла.

Для испарения 1 кг обычной воды требуется приблизительно 2254 кДж скрытой теплоты испарения. Для производства окатышей в шахтных печах с содержанием влаги от 11% до 13% расход тепла только на испарение влаги является значительным. Соответствующие данные свидетельствуют о том, что снижение влажности известняка с 5% до 1% может сократить потребление тепловой энергии примерно на 8%.

Косвенное ухудшение теплообмена и эффективности сгорания

Как упоминалось ранее, повышенное сопротивление слоя и неравномерный поток воздуха, вызванные высоким содержанием влаги, приводят к недостаточной подаче кислорода, препятствуя полному сгоранию топлива и, как следствие, к потере тепла при “химическом неполном сгорании”.

Между тем, образующийся при взрыве порошок и забитый слой материала серьезно снижают эффективность теплообмена газ-твердое вещество. Тепло не может эффективно передаваться материалу, что приводит к большим потерям топлива.

Краткое описание и компромиссы
Главное – найти баланс между “снижением сопротивления” и “минимизацией потребления тепла”.

Чрезмерно низкая влажность: хотя это исключает расход тепла на испарение, это приводит к высокой прочности слоя и плохому воздушному потоку, снижая эффективность сгорания. Парадоксальным образом это может привести к увеличению общего энергопотребления и ухудшению качества продукта (например, из-за высокого содержания свободной извести в цементном клинкере).

Чрезмерно высокая влажность: хотя это может временно снизить сопротивление слоя (на нисходящей части кривой “V”), это приводит к значительным потерям тепла при испарении и может серьезно ухудшить проницаемость слоя из-за разрыва и засорения, что приводит к резкому увеличению потребления энергии.

Оптимальная влажность: Существует диапазон “оптимального содержания влаги”, в пределах которого могут быть достигнуты хорошие результаты гранулирования и низкая стойкость слоя (например, подходящее содержание влаги в агломерационной смеси находится в диапазоне 6,5-7,3%), при этом потребление тепла на испарение влаги остается в разумных пределах.

При реальном производстве оптимальная температура контроля влажности должна быть определена экспериментальным путем с учетом конкретных характеристик сырья (таких как водопоглощение и форма частиц) и технологического оборудования (такого как диски для гранулирования и агломерационные машины).