Технология производства цемента сухим способом

Естественная влажность глин – 10-30% в зависимости от времени  года и степени уплотнения. Суглинки, лёсс и глинистые сланцы отличаются меньшей влажностью. Объемная масса  глин 1700-2100 кг/м³. У суглинков и лесса она меньше, а у глинистого сланца больше.

Содержание в глинах примесей MgO, SО₃, щелочей и других соединений устанавливают в соответствии с пределами, допускаемыми для портландцемента. Примесь кварцевых зерен затрудняет помол сырья, а включения крупной гальки делают глину практически непригодной для производства без предварительного ее обогащения.

Карбонатное и глинистое (алюмосиликатное) сырье должно быть, возможно, более однородным по составу и структуре, не содержать включений крупных зерен кварца и других обломочных пород, затрудняющих помол сырья и трудно усваиваемых в процессе обжига.

Промышленные отходы. В качестве сырьевых компонентов на некоторых цементных заводах используются отходы различных отраслей промышленности. Наиболее широко применяют доменные шлаки, которые представляют собой силикатные и алюмосиликатные расплавы, получающиеся при выплавке чугуна, а также нефелиновый (белитовый) шлам — отход производства оксида алюминия из нефелинов, сиенита и других горных пород. Нефелиновый шлам на 80% состоит из белита, который полностью заменяет глинистый компонент в сырьевой смеси и примерно на 50% карбонатный. При использовании белитового шлама в сырьевую смесь обычно вводят одновременно две корректирующие добавки – глиноземистую и железистую. Недостаток нефелинового шлама – наличие повышенного содержания щелочей.

Минерализаторы. Минерализаторы – вещества, которые активно участвуют в образовании клинкерных минералов при обжиге и сами частично входят в их состав. В качестве минерализаторов в цементной промышленности используют плавиковый шпат — флюорит CaF₂, фосфогипс, кремнефтористый натрий Na₂SiF₆, апатит Ca₅(PO₄)₃F , гипс и др.

Фосфогипс – продукт, вырабатываемый из отходов производства фосфорной  кислоты, из флотационного апатитового  концентрата или флотационного  фосфорита. Фосфогипс в основном состоит из двуводного сульфата кальция и содержит примеси фосфорной кислоты, неразложенного фосфата кальция, глинистых минералов и др.

В состав шлама вводят фосфогипс  в количестве до 1% в пересчете  на SO₃ от массы загружаемого сырья. В цементной промышленности  фосфогипс применяют как интенсификатор процесса обжига, а также взамен гипса при помоле цемента.

Плавиковый шпат (флюорит) — минерал  состава CaF₂, содержащий 48,8% фтора и 51,2% кальция. Обычно плавиковым шпатом называют как минерал, так и флюоритовую руду и концентрат. В производстве цемента плавиковый шпат используют с содержанием CaF₂ не менее 65% и SiO2 не более 30%. /3,5,12/

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

1

КР 02.00.ПЗ

 

  Разраб.

Степуро

 

 Провер.

Самстыко

 

 Конс.

 

кая

 Н.Контр.

Самстыко

 

 Утв.

Самстыко

 

Характеристика  способов производства цемента

Лит.

Листов

4

БГТУ 72213028, 13

 

У

2 Характеристика способов производства цемента

 

Цемент не является природным материалом. Его изготовление - процесс дорогостоящий  и энергоемкий, однако результат  стоит того - на выходе получают один из самых популярных строительных материалов, который используется как самостоятельно, так и в качестве составляющего  компонента других строительных материалов (например, бетона и железобетона). Цементные  заводы, как правило, находятся сразу  же на месте добычи сырьевых материалов для производства цемента.

Производство цемента включает ряд технологических операций, которые  можно разделить на две основные группы. Первая – это операции по производству клинкера, вторая – измельчение  клинкера совместно с гипсом, а  в ряде случаев и с другими  добавками, т. е. приготовление портландцемента. Получение клинкера – наиболее сложный  и энергоемкий процесс, требующий  больших капитальных и эксплуатационных затрат. Доля клинкера в стоимости  портландцемента достигает 70-80%. Производство клинкера состоит из добычи сырьевых материалов, дробления, помола и смешивания их в определенном соотношении, обжига сырьевой смеси и магазинирования  клинкера. Комплекс операций по получению  из клинкера портландцемента включает следующие технологические процессы: дробление клинкера, сушку минеральных  добавок, дробление гипсового камня, тонкое измельчение клинкера совместно  с активными минеральными добавками  и гипсом, складирование, упаковку и отправку цемента потребителю. Даже в пределах одного месторождения химико-минералогический состав сырья меняется в широких пределах. Поэтому получение сырьевой смеси постоянного состава – сложная задача. С другой стороны, перерабатываемое цементной промышленностью сырье отличается не только составом, но и физико-техническими свойствами (влажностью, прочностью и т. д.). Для каждого вида сырья должен быть выбран такой способ подготовки, который обеспечивал бы тонкое измельчение и равномерное перемешивание компонентов шихты с минимальными энергетическими затратами. Это послужило причиной появления в цементной промышленности трех способов производства, отличающихся технологическими приемами подготовки сырьевых смесей: мокрого, сухого и комбинированного.

Мокрый способ производства используют при изготовлении цемента из мела (карбонатный компонент), глины (силикатный компонент) и железосодержащих добавок (конверторный шлам, железистый продукт, пиритные огарки). Влажность глины  при  этом не должна превышать    20%, а влажность мела - 29%. Мокрым этот способ назван потому, что измельчение сырьевой смеси

 

производится  в водной среде, на выходе получается шихта в виде водной   суспензии - шлама влажностью 30 - 50%. Далее шлам поступает в печь для обжига. При обжиге из сырья выделяются углекислоты. После этого шарики-клинкеры, которые образуются на выходе из печи, растирают в тонкий порошок, который и является цементом.

Комбинированный способ предполагает использование и сухого и мокрого способа. Комбинированный способ имеет две разновидности. Первая предполагает, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу в виде шлама, потом её обезвоживают на фильтрах до влажности 16 – 18 % и отправляют в печи для обжига в виде полусухой массы. Второй вариант приготовления является прямо противоположным первому: сначала используют сухой способ для изготовления сырьевой смеси, а затем, добавляя 10 – 14 % воды, гранулируют, размер гранул составляет 10 – 15 мм и подают на обжиг.

Сухой способ производства. Последовательность технологических операций производства портландцемента сухим способом указана в принципиальной технологической схеме (рис. 2.1).

 

Железосодержащие  добавки

Бункер

Склад добавок

Расходный склад

Бункер

Самоходный дробильный агрегат

Карьер мела

Бункер

Мельница самоизмельчения «Аэрофол»

Отхо-дящие газы враща-ющейся печи

Промежуточные силосы

Трубная мельница домола

Смесительные силосы

Вращающаяся печь с циклонными теплообменниками

Холодильник

Дробилка для клинкера

Силосный склад

Мельница для помола клинкера

Цементные силоса

Отгрузка потребителю

Склад или резер-вуар топлива (уголь, мазут, газ)

Гипс

Склад

Гранулированный доменный шлак или  активные минеральные добавки

Склад добавок

Дробилка

Дробилка

Сушилка

Карьер глины

 Рис. 2.1 Принципиальная технологическая схема получения портландцемента сухим способом 

Высокая твердость измельчаемых материалов требует предварительного их дробления. Тонкое измельчение материалов может  производиться при влажности  не более 1 %. В природе такое сырье  практически не встречается, поэтому  обязательная операция сухого способа  производства — сушка. Желательно совмещать  ее с размолом сырьевых компонентов. На большинстве новых предприятий, работающих по сухому способу производства, в шаровой трубной мельнице совмещаются  процессы сушки, тонкого измельчения и перемешивания всех компонентов сырьевой смеси. Из мельницы сырьевая смесь выходит в виде тонкодисперсного порошка – сырьевой муки. В железобетонных силосах производятся корректировка ее состава до заданных параметров и гомогенизация перемешиванием сжатым воздухом. Готовая сырьевая смесь поступает на обжиг. Вращающиеся печи сухого способа производства оборудованы запечными теплообменными устройствами (циклонными теплообменниками). В них за несколько десятков секунд сырьевая смесь нагревается до 700-800°С, дегидратируется и частично декарбонизируется.

Завершается обжиг клинкера во вращающейся  печи. Необходимость экономии расхода  топлива вынуждает перерабатывать по сухому способу материалы со все более высокой влажностью. Технологическая схема производства портландцемента из такого сырья выглядит следующим образом. Предварительное измельчение материалов повышенной влажности при сухом способе целесообразно осуществлять в мельницах самоизмельчения типа «Аэрофол», позволяющих перерабатывать сырье с влажностью до 25%. Однако полностью высушиться сырье при этом не успевает и в шаровой мельнице одновременно с доизмельчением крупных частиц и получением однородной сырьевой смеси производится ее досушка. Приготовление сырьевой смеси в виде порошка усложняет технологическую схему. Увеличивается число энергоемкого оборудования. Сложнее при сухом способе обеспечить санитарные условия и охрану окружающей среды. Но решающим его преимуществом является снижение расхода теплоты на обжиг клинкера до 3,4-4,2 МДж/кг. Кроме того, на 35-40 % уменьшается объем печных газов, что соответственно снижает стоимость обеспыливания и дает больше возможностей по использованию теплоты отходящих газов для сушки сырья. Важнейшее преимущество сухого способа - более высокий съем клинкера с 1 м³ печного агрегата. Это позволяет проектировать и строить печи по сухому способу в 2-3 раза более мощные, чем по мокрому. В целом по технико-экономическим показателям сухой способ превосходит мокрый. При использовании мощных печей он обеспечивает снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера примерно вдвое, рост годовой выработки на одного рабочего примерно на 40%, уменьшение себестоимости продукции на 10 % и сокращение капиталовложений при строительстве предприятий на 50%. Это обусловило интенсивное его распространение в мировой цементной промышленности. Однако надо учитывать, что возможности применения сухого способа ограничены влажностью перерабатываемого сырья. Переработка сырья с влажностью более 20-25 % по сухому способу связана с высокими расходами теплоты на сушку, и этот способ становится неэкономичным. /2,3,4/

  

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

1

КР 03.00. ПЗ

 

  Разраб.

Степуро

 

 Провер.

Самстыко

 

 Конс.

 

кая

 Н.Контр.

Самстыко

 Утв.

Самстыко

Физико-химические основы производства цемента сухим  способом

Лит.

Листов

3

БГТУ 72213028, 13

 

У

3 Физико-химические основы производства цемента сухим способом

 

Образованию цементного клинкера предшествует ряд физико-химических процессов, в результате которых клинкер приобретает сложные минералогический состав и микрокристаллическую структуру. Эти процессы протекают в определенных температурных границах — технологических зонах печи. В основном обжиговом агрегате — вращающейся печи — при сухом способе производства цемента по ходу движения материала выделяют зоны: I - сушки, II—подогрева, III— декарбонизации, IV— экзотермических реакций, V— спекания, VI— охлаждения. Подготовительные зоны I – II занимают 50 - 60 % длины печи, зона декарбонизации — 20 – 25 %, зона экзотермических реакций — 7 – 10 %, зона спекания — 10 – 15 % и зона охлаждения — 2 - 4 % длины печи.

В зоне сушки поступающая  в верхний конец печи сырьевая смесь встречается с горячими газами и постепенно, при повышении температуры с 70 до 200°С подсушивается, превращаясь в комья, которые при перекатывании распадаются на более мелкие гранулы. По мере перемещения сырьевой смеси вдоль печи происходит дальнейшее постепенное ее нагревание.

В зоне подогрева в интервале температур 200 - 700°С сгорают находящиеся в сырье органические примеси, удаляется химически связанная вода из глинистых минералов и образуется безводный каолинит Al₂O₃·2SiO₂.

Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O → Al₂O₃·2SiO₂+2H₂O

Большая часть кристаллизационной воды удаляется в интервале температур 400-700°С, остатки ее (2-3 %) удаляются только при нагревании до 900-1000°С.

В зоне декарбонизации в интервале температур от 700 до 1100°С происходит процесс разложения карбонатов кальция и магния, алюмосиликаты глины распадаются на отдельные оксиды SiO₂, A1₂O₃ и Fe₂O₃ с сильно разрыхленной структурой.

Термическое разложение карбонатов магния и кальция происходит по схемам:

MgCO₃ → MgO+CO₂↑

СаСО₃ → СаО+СO₂↑

Разложение глинистого минерала: