Технология производства портландцемента

Рис. 7. Схема  циклонных теплообменников к  вращающейся печи:

1 – дымовая труба; 2 – циклонные теплообменники; 3 – винтовой питатель; 4 – скребковый конвейер; 5 – расходный бункер сырьевой муки; 6 – ковшовый элеватор; 7 – течка; 8 – переходная головка; 9 – вращающаяся печь; 10 – пылеуловители; 11 – дымосос.

     Уменьшение  размера частиц обжигаемого материала, значительное увеличение его поверхности  и максимальное использование этой поверхности для контакта с теплоносителем интенсифицируют теплообмен. Сырьевая мука в системе циклонных теплообменников  движется навстречу отходящих из вращающейся печи газов температурой 900 – 1100⁰С. Средняя скорость движения газов в газоходах составляет 15 – 20 м/с, что значительно выше скорости движения частиц сырьевой муки. Поэтому поступающая в газоход между верхними I  и II ступенями циклонов сырьевая мука увлекается потоком газов в циклонный теплообменник I ступени. Поскольку диаметр циклона намного больше диаметра газохода, скорость газового потока резко снижается, и частицы выпадают из него. Осевший в циклоне материал через затвор – мигалку поступает в газоход, соединяющий II и III ступени, а из него выносится газами в циклон II ступени. В дальнейшем материал движется в газоходах и циклонах III и IV ступеней. Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, начиная относительно холодной (I) и кончая горячей (IV). При этом процесс теплообмена на 80 % осуществляется в газоходах и только 20 % приходится на долю циклонов.

     Время пребывания сырьевой муки в циклонных  теплообменниках не превышает 25...30 с. Несмотря на это, сырьевая мука не только успевает нагреться до температуры 700...800 °С, но полностью дегидратируется и на 25...35 % декарбонизируется.

        Недостатки печей этого  типа — высокий расход электроэнергии и относительно низкая стойкость футеровки. Кроме того, они чувствительны к изменению режима работы печи и колебаниям состава сырья. После прохождения циклонных теплообменников сырьевая мука температурой 720 - 750 °С поступает в декарбонизатор - аппарат для удаления из воды свободной угольной кислоты путём продувания этой воды воздухом (рис. 8). Частицы сырьевой муки и растленное топливо диспергируются и перемешиваются. Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, передается частицам сырьевой муки, которые нагреваются до 920 - 970 °С. Материал в системе циклонный теплообменник — декарбонизатор находится лишь 70 - 75 с и за это время декарбонизируется на 85 - 95 %. Установка декарбонизатора позволяет повысить съем клинкера с 1 м³ внутреннего объема печи в 2,5 - 3 раза. Кроме того, в декарбонизаторе  можно сжигать низкокачественное топливо и бытовые отходы. Размеры установки невелики, и она может использоваться не только при строительстве новых заводов, но и при модернизации действующих печей. Эксплуатируемые в России печи с циклонными теплообменниками и декарбонизаторами размером 4,5 х 80 м имеют производительность 3000 т/сутки при удельном расходе теплоты 3,46 МДж/кг клинкера.

Рис. 8. Вращающаяся  печь с циклонным теплообменником  и декарбонизатолром:

1 – дымосос; 2 – электрофильтр; 3 – циклонный теплообменник; 4 – декарбонизатор;5 – вращающаяся печь 4,5 × 80 м; 6 – установка контроля температуры корпуса; 7 – колосниковый холодильник; 8 – установка для олаждения и увлажнения отходящих печных газов. 

Футеровка печи. Для защиты корпуса от воздействия высокой температуры печи изнутри футеруют огнеупорными материалами, выполняющими одновременно роль изоляции, предотвращающей чрезмерные потери теплоты в окружающую среду. Футеровка должна иметь определенные свойства: химическую устойчивость к обжигаемому материалу, огнеупорность, термостойкость, теплопроводность, механическую прочность, сопротивление истиранию, упругость. Так как футеровки различных зон печи работают а неодинаковых температурных условиях, то их выкладывают из различных огнеупоров. В особо тяжелых условиях находится футеровка зоны спекания – наиболее высокотемпературной зоны вращающейся печи. Наиболее совершенный вид огнеупора для такой зоны является периклазохромитовые кирпичи с пониженным содержанием хромита. Средняя стойкость в цементной промышленности данной футеровки составляет около 230 суток.

      Срок  службы футеровки увеличивают рядом  технологических приемов: строгое  соблюдение режима обжига клинкера; равномерное  питание сыреем и топливом; постоянство  химического состава, тонкости помола и влажности сырья; постоянство  состава, влажности и тонкости помола твердого топлива. Эти  факторы обеспечивают стабильность режима работы печи, уменьшают  колебания температуры в футеровке  и деформации корпуса.

      Главное условие надежной эксплуатации футеровки  – создание и сохранение защитного  слоя обмазки на её рабочей поверхности. Клинкерный расплав взаимодействует  с материалом футеровки, налипает на неё, образуя слой обмазки толщиной до 200 мм. Процесс образования обмазки  и её свойства зависят от температуры  плавления, количества и состава  жидкой фазы и режима работы печи. Обмазка  предохраняет футеровку от разрушения, снижая температуру поверхности  кирпича и уменьшая возникающие  в нем  напряжения, защищает кирпич от колебаний температуры внутри печи, а также от химического и  механического воздействия обжигаемого  материала.

      Интенсификация  процессов обжига.

Печные агрегаты – самое энергоемкое оборудование. В производстве цемента на их долю приходится около 80 % затрат тепловой и  электрической энергии. Добиваясь  снижения этих затрат, конструкции  печей непрерывно совершенствуют, изыскиваю  пути интенсификации процессов обжига. Проблема интенсификации работы вращающихся  печей включает в основном две  задачи: изыскание наиболее рациональных приемов снижения удельного расхода  теплоты на обжиг клинкера и повышение  тепловой мощности печи. На производительность печи влияет целый ряд факторов. Во- первых, факторы, которые приводят к изменению удельного расхода  теплоты на обжиг клинкера: состав и структура сырья , его влажность  и реакционная способность и  др. Во-вторых, производительность печи повышается, если увеличивается поверхность  соприкосновения  газов с материалом, возрастает скорость движения газового потока, сжигание топлива производится с минимальным избытком воздуха. Все мероприятия, способствующие увеличению полезно используемой теплоты сгорания топлива, ускоряет процесс клинкерообразования.  К ним относятся установка внутрипечных и запечных теплообменных устройств, снижение влажности шлама за счет обезвоживания в концентраторах или путем введения разжижителей шлама и др.

      Тепловая  мощность печи – важнейшая конструктивная характеристика, определяющая её производительность. Увеличение количества сжигаемого топлива  в том же объеме топочного пространства – один из путей повышения производительности печи. Эффективным средством интенсификации процесса и производительности печи является повышение температуры нагреваемого материала.

      Эффективное средство интенсификации процесса обжига – сжигание части топлива в  зоне декарбонизации непосредственно  в слое материала. Снизить удельный расход теплоты на обжиг клинкера можно введением в сырьевую смесь минерализаторов. Они позволяют ускорить твердофазовые реакции, снизить температуру появления жидкой фазы и улучшить ее свойства, повысить качество продукции. Важный резерв интенсификации процесса обжига – утилизация пыли, улавлиемой  из отходящих газов. Тонкодисперсная, частично прокаленная пыль близка по составу сырьевой смеси. Возврат пыли в печь способствует росту производительности агрегата, сокращению расхода сырья, топлива, электроэнергии. Расход топлива можно снизить путем совершенствования технологической схемы, конструктивных решений декарбонизаторов, холодильников и вспомогательного оборудования.

      Охлаждение  обожженных материалов.

     Выходящий из вращающейся печи материал имеет  температуру около 1000⁰С. Возвращение в печь теплоты материала может существенно снизить расход топлива. Это достигается охлаждением материала воздухом, подаваемым затем в печь для горения топлива. Режим охлаждения влияет как на дальнейший технологический процесс, так и на свойства готового продукта. Размол горячих материалов приводит к снижению производительности мельниц и росту удельного расхода энергии. Особенно чувствителен к охлаждению портландцементный клинкер.  Быстроохлажденные клинкера  легче размалываются и в определенной мере повышают качество цемента.  Поэтому необходимо, чтобы процесс охлаждения клинкера был наиболее полным и протекал быстро, особенно в начальной стадии.  Чем полнее охлаждение клинкера, тем меньше потери теплоты.

      Широко  распространены три типа охладителей: барабанные, рекуператорные и колосниковые. При производстве портландцементного клинкера в современных вращающихся печах используют колосниковые переталкивающие охладители( Рис. 9). Горизонтальная решетка с подвижными колосниками приводится в действие от кривошипного механизма. Форма колосников такова, что при движении вперед клинкер ссыпается на следующий ряд колосников; при движении в обратном направлении он скользит по колосникам. Ввиду того что одни колосники движутся, а другие нет, осуществляется постоянное перемешивание клинкера. Камера охладителя разделена на две части. Клинкер с обреза вращающейся печи в горловине охладителя подвергают воздействию «острого дутья» (10...12 кПа), которое обеспечивает равномерное распределение клинкера по ширине колосников и быстрое начальное его охлаждение.  Этот горячий воздух температурой 450 ⁰ С засасывается в печь, где используется для горения топлива в качестве вторичного воздуха. Во вторую часть подрешеточного пространства охладителя также поступает холодный воздух, который подвергается за счет частичного уже охлажденного клинкера и может быть использован для сушки сырья. На разгрузочном конце охладителя устанавливают молотковую дробилку, предназначенную для дробления крупных кусков клинкера ( «свара» ).

Рис. 9. Схема  колосникового охладителя клинкера типа « Волга»:

1 – вращающаяся печь; 2 – приемная шахта; 3 – колосниковая решетка; 4 – привод; 5 – окно для сброса избытка отработанного воздуха в атмосферу; 6 – грохот; 7 – молотковая дробилка; 8 – скребковый конвейер; 9 – окна для общего дутья; 10 – вентилятор общего дутья; 11 – вентилятор острого дутья.

Поскольку в  колосниковом охладителе воздух просасывается  через слой материала, значительно  увеличивается поверхность теплообмена  и интенсифицируется процесс  охлаждения. Скорость охлаждения регулируют изменением скорости движения решетки, толщины слоя материала и количества воздуха.

      Преимущества  колосниковых охладителей – высокие  скорость и степень охлаждения (до 40 – 60 ⁰ С), хороший КПД, малый удельный расход электроэнергии ( 9 – 11 МДж/т клинкера ). Основной недостаток – невыгодный с точки зрения рекуперации принцип теплообмена, так как воздух движется не противотоком к материалу, а перпендикулярно ему. Большое количество теплоты теряется при выбросе избыточного воздуха в атмосферу. К недостаткам колосниковых охладителей также относятся сложность эксплуатации и ремонт, меньшая надежность работы, большие капиталовложения.

Глава 2. Технология производства портландцемента.

2.1.  Вещественный состав портландцемента.

Портландцементом  ГОСТ 10178 - 76 называется гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе и представляющее собой продукт тонкого помола клинкера, получаемого в результате обжига до спекания искусственной сырьевой смеси, состав которой обеспечивает преобладающее содержание в клинкере силикатов кальция (70 - 80 %). Обычный силикатный цемент, или портландцемент, получаемый совместным тонким измельчением клинкера и гипса, представляет собой зеленовато-серый порошок, который при смешивании с водой затвердевает на воздухе (или в воде) в камнеподобную массу. Гипс вводят в состав портландцемента для регулирования сроков схватывания. Он замедляет начало схватывания и повышает прочность цементного камня в ранние сроки.    Наряду с обычным портландцементом (без добавок), обозначаемым индексом ПЦ Д0, выпускают два вида портландцемента с минеральными добавками, обозначаемые индексами ПЦ Д5 и ПЦ Д20. В первый допускается вводить дополнительно до 5 % активных минеральных добавок, а во второй свыше 5, но не более 10 % добавок осадочного происхождения (трепел, опока), или до 20 % добавок вулканического происхождения, глиежей, гранулированных доменных и электротермофосфорных шлаков. Соотношение клинкера, гипса и добавок характеризует вещественный состав портландцемента.  Качество клинкера зависит от химического и минералогического состава. Химический состав характеризуется содержанием различных оксидов, а минералогический – количественным соотношением минералов, образующихся в процессе обжига. Портландцементный клинкер состоит в основном из, % по массе: СаО-64...67; SiO₂- 21...25; А1₂0₃ - 4...8; Fе₂0₃ — 2...4. Кроме того, в составе клинкера могут присутствовать MgO, ТiO₂, щелочи и др.

   Важнейшие оксиды, входящие в состав клинкера (СаО, SiO₂ , А1₂0₃ и Fе₂0₃),      взаимодействуют в процессе обжига, образуя клинкерные минералы. Портландцементный клинкер состоит из ряда кристаллических фаз, отличающихся друг от друга химическим составом. Основные минералы клинкера: алит  -  3СаО • SiO₂ (сокращенная запись С₃S); белит — 2СаО • SiO₂ (С₂S); трехкальциевый алюминат 3 СаО • А1₂0₃ (C₃А) ; алюмоферриты кальция переменного состава от 8 СаО • 3 А1₂0₃ • Fе₂О₃ до 2СаО • Fе₂0₃(С₈A₃F...C2F).

       Минералогический  состав клинкера влияет на технологию производства портландцемента и его свойства. Знание минералогического состава клинкера позволяет прогнозировать свойства портландцемента: скорость набора прочности при различных условиях твердения, стойкость в пресных и минерализованных водах, тепловыделение при твердении и др. Это дает в соответствии с видом сооружения и условиями его эксплуатации подбирать нужный цемент.

       Алит  – важнейший материал клинкера, основной носитель его вяжущих свойств. Он обусловливает возможность быстрого твердения цемента и достижения им высокой прочности.

       Белит взаимодействует с водой значительно  медленнее алита и в начальные  сроки твердения обладает низкой прочностью. Но со временем белит набирает прочность и не уступает алиту  по прочностным показателям.

       Трехкальциевый  алюминат быстро гидратируется, активно  участвует в процессах схватывания, но вклад егов конечную прочность  цементного камня сравнительно невелик. При увеличении содержания  алюмоферритов  кальция  цементы твердеют медленно, но достигают высокой прочности. Регулирование минералогического состава обеспечивает получение цементов с заданными свойствами.

  2.2. Технологическая схема производства портландцемента сухим способом.

     Цементное производство в укрупненном виде состоит из следующих основных переделов:

• Добыча, первичное    измельчение сырья в карьерах и доставка его на

          площадку цементного завода, складирование;

• измельчение и усреднение (гомогенизация) измельченной смеси, подготовка её к обжигу;
• теплохимическая обработка сырья с получением клинкера   — исходного материала для переработки в цемент, охлаждение клинкера;
• помол клинкера  с  добавками   на цемент (количество и состав добавок зависят от химического и минералогического состава  исходного сырья и клинкера, требуемого сорта цемента);
• подача цемента на склад, хранение, упаковка и отгрузка.