Разработать материальный баланс и основные проектные технологические решения цеха помола цементного завода

 

Принимаем содержание C3S в клинкере 50%, так как клинкер для сульфатостойкого портландцемента должен содержать пониженное количество трехкальциевого силиката. Исходя из того, что при содержании C3S=0 коэффициент насыщения КН=0,67, а при C2S=0 КН=1, зададимся коэффициентом насыщения 0,86.

Коэффициент  насыщения КН рассчитаем по формуле

 

Поскольку в справочных данных о химсоставе пород Брянского месторождения сумма составляющих не равна 100%, приведем её к 100%, выполнив пересчет состава. Для этого содержание оксидов в первом компоненте умножаем на коэффициент К1=100/104,09=0,9607, во втором – на К2=100/98,95=1,0106. Химический состав исходных сырьевых материалов после пересчета на 100% представлен в таблице 6.

Таблица 6

Химический состав компонентов шихты, приведенный к 100%

Материал	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SО3	n.n.n.	∑
Мел	4,55	0,50	4,57	50,23	0,22	0,25	39,68	100
Глина	62,07	14,80	6,49	3,95	1,82	1,83	9,04	100

 

Обозначим соотношение карбонатного компонента шихты к глинистому через х и выразим его из уравнения для КН, положив значение последнего равным 0,86. Тогда имеем

х = (2,8S2 ∙KH +1,65A2 +0,35F2 –C2) /(C1 -2,8S1 ∙KH -1,65A1 – 0,35∙F1 )=

 =(2,8∙62,07∙0,86+1,65∙14,80+0,35∙6,49-3,95)/(50,23-2,8∙4,55∙0,86-1,65∙0,50-

-0,35∙4,57) =(149,46+24,42+2,27-3,95)/(50,23-10,96-0,83-1,6)=172,2/36,84=

= 4,67.

Следовательно, на одну весовую часть глины потребуется взять 4,67 частей мела, что соответствует следующему процентному составу шихты: мела – 82,36%, глины –17,64%.

Подсчитаем, какое количество оксидов будет внесено в шихту каждым её компонентом при рассчитанном процентном составе шихты, а так же суммарное содержание оксидов в сырьевой смеси. Для этого содержание оксидов в каждом компоненте умножим на его процентную долю в шихте, а затем просуммируем. Результаты расчета в весовых частях сведем в таблицу 7.

Таблица 7

Химический состав компонентов шихты и клинкера

Материал	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SО3	n.n.n.	∑
82,36 в.ч. мела	3,75	0,41	3,76	41,37	0,18	0,21	32,68	82,36
17,64 в.ч. глины	10,95	2,61	1,14	0,70	0,32	0,32	1,60	17,64
100 в.ч. сырьевой смеси	14,70	3,02	4,90	42,07	0,50	0,53	34,28	100,0
Клинкер	22,36	4,60	7,46	64,01	0,76	0,81	-	100,0

 

Для проверки правильности произведенного расчета двухкомпонентной сырьевой смеси убедимся, что величина коэффициента насыщения КН, если ее рассчитать для клинкера, полученного из предлагаемой шихты, окажется равной заданной величине КН=0,86. Для этого вначале рассчитаем химический состав клинкера. Поскольку клинкер получается спеканием сырьевых материалов, то п.п.п в нем отсутствуют. Тогда его химический состав рассчитаем из химического состава сырьевой смеси путем умножения процентного содержания в ней каждого оксида на коэффициент:

К=100/(100-п.п.п.).

В нашем случае К=100/(100-34,28)=1,5216.

Рассчитанный химический состав клинкера показываем в последней строке таблицы 7 и рассчитываем для него величину коэффициета насыщения КН:

КН=(64,01-(1,65∙4,60+0,35∙7,46))/(2,8∙22,36)=0,86.

Величина КН для клинкера оказалась равной заданной, следовательно, расчет выполнен правильно.

 

 Принципиальная технологическая  схема производства и описание  технологического процесса, включая график тепловой обработки

Производство сульфатостойкого портландцемента может быть разделено на два комплекса операций. Первый из них включает изготовление клинкера, второй – получение сульфатостойкого портландцемента измельчением клинкера совместно с природным двуводным гипсом.

Получение клинкера – наиболее сложный и энергоемкий процесс, требующий больших капитальных и эксплуатационных затрат. Удельная стоимость клинкера достигает 70-80% общей стоимости портландцемента.

Производство сульфатостойкого портландцемента состоит из следующих основных операций: добычи мела и глины, подготовки сырьевых материалов и приготовления из них однородной смеси заданного состава, обжига сырьевой смеси материалов до спекания с получением клинкера, помола клинкера в порошок совместно с природным двуводным гипсом. Основной задачей является получение клинкера с заданным минералогическим составом, что зависит от состава и качества сырья, выбранного соотношения между исходными материалами, требуемой дисперсности и однородности сырьевой смеси, правильного режима обжига и охлаждения клинкера.

Добыча мела и глины.

Площадку для строительства цементного завода выбирают, как правило, вблизи месторождений (или размещения) основных исходных материалов - карбонатного и глинистого компонентов. Это делается с целью уменьшить расходы на транспорт и довести до минимума запасы, а, следовательно, и емкости складов сырья на площадке завода.

Добычу глины и мела ведут в карьерах одноковшовыми или многоковшовыми экскаваторами, а затем при помощи ленточных конвейеров или автомобильным транспортом транспортируют на цементный завод и складируют на складе.

Измельчение сырьевых материалов.

При переработке мягкого сырья (мел, глина) применяют одностадийное дробление в мельнице самоизмельчения «Гидрофол», которая представляет собой

   

объема. Измельчение мягких пород в мельнице «Гидрофол» осуществляется в результате удара, раздавливания и трения, при этом не исключается и размучивание. Таким образом в мельнице «Гидрофол» происходит одновременный процесс дробления и помола. Время пребывания размалываемого материала в мельнице составляет 3-5 мин.

Наиболее распространенная технологическая схема совместного измельчения мягкого сырья по открытому циклу:

Приготовление из сырьевых материалов однородной смеси заданного состава.

При смешивании мела с глиной не всегда удается получить шлам требуемого химического состава вследствие разнородности сырья, несовершенства дозирующих устройств и других факторов. Тогда сырьевую смесь корректируют по заданному содержанию в ней углекислого кальция (по титру), а также по требуемому коэффициенту насыщения и одному из модулей.

Корректируют и усредняют шламы в вертикальных или горизонтальных резервуарах (шламбассейнах).

Для этого в одной или нескольких мельницах приготовляют шлам с заведомо низким или высоким содержанием CаCO3 и этот шлам в определенной пропорции добавляют в корректирующий шламовый бассейн.

Приготовленный таким образом шлам, представляющий собой сметанообразную массу с содержанием воды до 36-42%, насосами подают в расходный бачок, откуда равномерно сливают в печь.

Обжиг сырьевой смеси.

Для обжига сырьевой смеси при мокром способе производства применяют вращающиеся печи длиной 150-185 м и диаметром 4-5 м.

 

Вращающаяся печь 5×185 м: 1 – течка; 2 – фильтр- подогреватель; 3 - цепная завеса; 4 – теплообменники; 5- бандажи; 6 – подбандажные обечайки; 7 – привод печи; 8 – орошающее устройство; 9 – головка печи; 10 – холодильник.

 

В настоящее время основную массу клинкера обжигают в печах размерами 4,5×170 и 5×185 м. Они рассчитаны на суточную производительность по клинкеру 1200 и 1800 т. Удельный расход теплоты 6100-7600 кДж/кг, удельный расход электроэнергии по печной установке 25-26 кВт·ч/т клинкера.

Корпус печи - барабан длиной 185 м, сваренный из стальных обечаек, устанавливается на фундаменте с уклоном по длине 3-40, На нем закреплены бандажи, опирающиеся на роликовые опоры, а также венцовая шестерня, через которую печь приводится во вращение электродвигателем. Частота вращения обычно 0,5-1,2 об/мин, но она может изменяться. Приподнятая часть печи является холодным концом, входящим в пылеосадительную камеру через уплотняющее устройство, которое препятствует подсосу наружного воздуха. Для защиты от воздействия горячих газов и уменьшения теплопотерь корпус печи изнутри футеруют. Огнеупорные материалы для этой цели выбирают с учетом температуры газов в разных зонах печи, а также основности обжигаемого материала. Широко применяют шамотный и многошамотный кирпич, а также высокоглиноземистые и талькомагнезитовые огнеупоры. Для зоны спекания преимущественно используют хромомагнезитовый, периклазошпинелидный и магнезитохромитовый кирпич.

Печной агрегат включает в себя:

• корпус вращающейся печи (барабан) со встроенными теплообменными устройствами, в котором происходят физико-химические процессы превращения сырьевых материалов в клинкер;
• питатель шлама, с помощью которого непрерывно подается смесь в печь;
• дутьевой вентилятор и топлевную форсунку, по которой углевоздушная смесь непрерывно поступает в горячий конец печи; при использовании для обжига угля в комплект печного агрегата входит винтовой углепитатель, а также сепараторная мельница для одновременной сушки и помола угля, подаваемого в печь;
• холодильник, в котором охлаждается раскаленный клинкер при выходе из печи и подогревается воздух для горения топлива;
• дымосос, преодолевающий аэродинамическое сопротивление всего газового тракта и обеспечивающий надежную скорость газов в печи (тягу), при которой процессы испарения, подогрева и обжига материала протекают с необходимой интенсивностью;
• пылеулавливающие устройства - пылеосадительную камеру и электрофильтр, которые обеспечивают требуемую степень обеспылевания газов перед выбросом в атмосферу;
• устройство для возврата в печь пыли, уловленной в пылеуловителях;
• устройство для водяного охлаждения корпуса печи в зоне спекания;
• уплотнительные устройства;
• контрольно-измерительные и регулирующие приборы и аппаратуру, которые позволяют с одного пункта контролировать процессы, протекающие в отдельных механизмах, устройствах, частях и зонах печи, а также регулировать интенсивность этих процессов и управлять всей установкой из указанного пункта.

Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера сопровождается сложными физическими и физико-химическими процессами, в результате которых из исходных компонентов образуются спекшиеся зерна, состоящии в основном из минералов С3S, β-C2S, C3A, C4AF и стекловидной фазы. Характер процессов, протекающих в сырьевой смеси, определяется температурой обжига.

По характеру процессов температурные зоны в печи называют:

1. до 200°С  – испарения (сушка шлама);
2. 200-800°С — подогрева (дегидратации);
3. 800-1000°С — декарбонации (кальцинирования); 
4. 1000-1300°С — экзотермических реакций;
5. 1300-1450-1300°С — спекания;
6. 1300-1000°С — охлаждения.

В зоне испарения I, находящейся в холодной части печи, поступающий шлам подвергается действию нагретых до высокой температуры отходящих дымовых газов. В результате шлам нагревается. Температура отходящих газов при этом снижается примерно от 800-1000 до 150-250°С.

Температура материала и газового потока

по длине барабана вращающейся печи

1- материал, 2- газовый поток

 

В зоне подогрева II высушенный материал нагревается горячими газами примерно до 600°С. Наряду с подогревом выгорают органические примеси и теряется вода из минералов глинистого компонента. Дегидратация приводит к потере глинистым компонентом связующих свойств, при этом происходит частичное или полное разложение глинистых минералов на свободные окислы  SiO2 и Al2O3, а также декорбонизация углекислого магния. Полученный порошок поступает в зону декарбонизации.

В зоне  III происходит процесс разложения углекислого кальция при температуре 900°С: CaCo3àCaO+CO2.  CaO в свою очередь вступает в соединения с элементами глинистого компонента CaO∙Fe2O3; CaО∙SiO2; CaO∙Al2O3.

В зоне экзотермических реакций IV при температуре 1200°С и выше происходит насыщение образовавшихся ранее низкоосновных соединений до соответствующих клинкерных минералов.

В зоне спекания V материал частично плавится, в твердом состоянии остается двухкальциевый силикат, который соединяясь с окисью кальция образует трехкальциевый силикат 3CaO∙SiO2.

В зоне охлаждения расплав кристаллизуется и из него выделяются минералы C3A, C4AF, C2S, MgO и в небольшом количестве C3S, а часть жидкой фазы затвердевает в виде стекла. Охлаждение клинкера ниже 1000°С производится в холодильниках.

Обычно из медленно охлажденного клинкера получается цемент с пониженной активностью, что объясняется пониженным содержанием стекловидной фазы. Цемент с высоким содержанием стекла часто обладает повышенной сульфатостойкостью вследствие того, что содержание трехкальциевого алюмината (в виде кристаллов) в нем снижается. Это следует учитывать при выборе клинкеров для изготовления сульфатостойких цементов и не ограничиваться данными о количестве С3А, получаемом расчетом по химическому составу. Цементы с повышенным содержанием стекла в клинкере характеризуются повышенной экзотермией.

Клинкер после охлаждения на промежуточном складе подается в расходный бункер, дозируется и направляется на помол.

Помол клинкера с добавками.

Перед помолом клинкер дробят до зерен размером 8-10 мм, чтобы облегчить работу мельниц. Измельчение клинкера производится совместно с гипсом и другими добавками. Гипс только дробят, так как его вводят в незначительном количестве и содержащаяся в нем влага легко испаряется за счет тепла, выделяющегося в мельнице в результате соударений и истирания мелющих тел друг с другом и с размалываемым материалом. Тонкая фракция от мельницы через циклоны, пневмокамерный насос направляется в силосный склад, грубая — через аэрожелобы, элеватор и центробежный сепаратор — на домол в мельницу. Помольный агрегат оборудован аспирационными устройствами; холодильник— электрофильтром; печь — скруббером, электрофильтром  и дымососами, через которые обеспыленные газы или воздух направляются в атмосферу. Совместный помол обеспечивает тщательное перемешивание всех материалов, а высокая однородность цемента является одной из важных гарантий его качества.