Технология производства цемента сухим способом

Чтобы получить высококачественный портландцемент, необходимо, чтобы химический состав сырьевой смеси был однородным и  соответствовал заданному расчетом. Различные слои добываемого в карьере сырья могут в отдельных местах иметь колеблющийся состав, который не удается учесть при расчете сырьевой смеси. Поэтому состав смеси необходимо тщательно контролировать, при отклонении от расчетного, вносить соответствующие поправки.

При сухом способе производства сырьевая мука после помола подается в смесительные силосы, представляющие собой цилиндрические железобетонные или металлические резервуары, в  которых сырьевая мука тщательно  перемешивается, состав ее усредняется  и корректируется. Тщательно прокорректировать  и перемешать сухую сырьевую муку в силосах труднее, чем шлам в  бассейнах. Колебания титра готовой  сырьевой смеси не должны превышать 2%. Процесс гомогенизации (придания однородности) облегчается при насыщении  находящегося в силосе сухого порошка, сжатым воздухом (аэрирование), проходящим через специально уложенные на дне силоса микропористые керамические или металлические плитки. Плитки можно заменить прочной пористой тканью. Воздух равномерно поступает по всему сечению силоса в массу порошка и разрыхляет его. Аэрированный порошок отличается большой подвижностью, близкой к подвижности жидкости, и легко перемешивается. Общий полезный объем силосов должен обеспечивать четырехсуточный запас сырьевой смеси.

Силосы для корректирования  оборудуются усиленными аэрирующими  устройствами, позволяющими не только поддерживать сырьевую муку в, текучем  состоянии в период выпуска из силоса, но и усреднять ее. Процесс  усреднения сырьевой смеси и доведения  ее состава до заданных параметров осуществляется следующим образом: силосы для корректирования поочередно заполняют сырьевой смесью, поступающей из мельниц примерно на 80%, после чего сырьевая мука усредняется и определяется ее состав (титр, а в ряде случаев и кремнеземистый и глиноземистый модули). В случае отклонения состава смеси от заданного из емкостей, расположенных над силосами, добавляют определенное количество известняковой муки или специально приготовленной смеси известняковой муки с железосодержащей добавкой, после чего сырьевую смесь вновь усредняют и направляют в запасные силосы на хранение. В запасном силосе в течение всего периода его заполнения и хранения происходит аэрирование сырьевой смеси сжатым воздухом. После заполнения силоса и проверки химического состава шихта может подаваться в печь.

Сырьевую муку заданного химического  состава готовят путем порционного  корректирования или корректирования  в потоке. При порционном корректировании  сооружают два вида силосов: корректировочные и запасные. Диаметр корректировочных силосов 5-6 м, а высота до 12 м; диаметр  запасных силосов 10-12 м, а высота до 28 м. Над корректировочными силосами помещаются две емкости диаметром  по 5,5 м для корректирующих смесей. Дозируют корректирующие смеси специальными весами, а транспортируют аэрожелобами и пневматическими насосами. При  корректировании сухих сырьевых смесей в потоке происходит усреднение сырьевых материалов перед помолом  и обеспечивается точная весовая  дозировка поступающих в мельницу компонентов шихты. При этом усреднение сырьевой шихты осуществляется одностадийно в смесительных силосах большой вместимости, которые также оборудуют усиленными аэрирующими устройствами.

На рисунке 4.2.11 представлены двухъярусные смесительные силосы, которые применяют для заводов большой мощности. При этом сырьевая смесь поступает самотеком из верхних силосов в нижние, и транспортные пути сокращаются. Силосы верхнего и нижнего яруса имеют одинаковый диаметр.

1 – силос  верхнего яруса, 2 – силос нижнего  ярусы, 3 – донный пневморазгружатель, 4 – аэрожелоба, 5 – дисковый питатель,  6 – пневмовинтовой насос, 7 – ленточный весоизмеритель, 8 – фильтр сжатого воздуха, 9 – затворы, 10 – рукавный фильтр

Рис. 4.2.11 Двухъярусные смесительные силоса

Известны три способа аэрирования днища силосов: квадрантный, полосовой и гейзерный (рисунок 4.2.12). При квадрантном способе днище силоса, выложенное пористыми плитками, делят на четыре секции-квадранта с индивидуальным подводом сжатого воздуха. В распределительные коробки одного из квадрантов (активного) подается значительно больше воздуха, чем в остальные. Через определенные промежутки времени становится активным другой квадрант, затем третий и т.д. Сырьевая мука над активным квадрантом поднимается и отбрасывается на три других квадранта, а ее место занимает мука других квадрантов. Таким образом, вся мука интенсивно перемешивается. При полосовом способе днище силоса делится на пять полос, в которые поочередно или же одновременно в две или три подается больше воздуха, чем в остальные, за счет чего осуществляется перемешивание смеси. При гейзерном способе днище силоса делится на кольцевые секции, в которые поочередно подается больше или меньше воздуха. При этом (происходит гейзерное или круговое перемещение сырьевой муки и ее перемешивание. Поступающий на аэрирование сжатый воздух должен быть сухим и его давление не должно быть более 0,2-0,3 МПа. Процесс усреднения длится 1-2 ч.

а – квадратный, б – полосовый, в - гейзерный

Рис. 4.2.12 Способы аэрирования днища смесительных силосов

Теплообменники печей  сухого способа производства. Для интенсификации теплообмена к печам сухого способа устанавливаются запечные теплообменники. Поиски интенсивных способов передачи тепла материалу в печах сухого способа производства привели к разработке методов организации теплообмена во взвешенном состоянии материала и вынесении процесса декарбонизации из вращающейся печи в отдельный аппарат – декарбонизатор.

Запечные теплообменники циклонного типа. Схема печи с таким теплообменником показана на рис. 4.2.13. Установка состоит из четырех ступеней циклонов, соединенных между собой газоходами. Может быть и пять ступеней. Сухую сырьевую муку подают в газоход между третьей и четвертой ступенями циклонов, и поток газов выносит ее в циклон четвертой ступени. Осевшая в циклоне четвертой ступени сырьевая мука поступает в газоход между второй и третьей ступенями циклонов, а газы с неосевшей мелкой пылью направляются в систему пылеочистки или поступают в сырьевую мельницу для сушки влажной сырьевой смеси. Далее мука таким же образом поступает в циклоны третьей, второй и первой ступеней, а затем во вращающуюся печь.

1 – вращающаяся печь; 2–5 – циклоны 1, 2, 3 и 4-й ступеней; 6 – пылеосадительные циклоны; 7 – дымосос; 8 – дымовая труба; 9 – бункер сырьевой муки; 10 – элеватор сырьевой муки; 11 – транспортер; 12 – питающий шнек; 13 – течка для материала; 14 – соединительная головка

Рис. 4.2.13 Схема циклонных теплообменников вращающейся печи

Запечные теплообменники с выносным декарбонизатором. Декарбонизатор встроен между циклонами второй и первой ступеней. Он состоит из трех частей – вихревой топки (форкамеры), вихревого кальцинатора и смесительной камеры. Сырьевая мука из циклонов второй ступени попадает в патрубок форкамеры, подхватывается горячим воздухом и выносится в рабочий объем декарбонизатора, где происходит теплообмен между продуктами сгорания топлива и сырьевым материалом. Воздух на горение подается по отдельному трубопроводу от холодильника в тангенциально расположенные патрубки форкамеры и декарбонизатора. Степень декарбонизации собственно в декарбонизаторе достигает примерно 45 %. Пылегазовый поток с температурой около 900 ⁰С по нисходящему газоходу попадает в смесительную камеру, в которой он интенсивно перемешивается с газовым потоком, выходящим из печи. Из смесительной камеры пылегазовый поток выносится в циклоны первой ступени. Поскольку в выносных декарбонизаторах процесс сжигания топлива регулируется автономно, то в нем сжигается до 60 % топлива, расходуемого на обжиг. Этого количества топлива достаточно для того, чтобы степень декарбонизации материала на входе в печь составляла 85–95 % при температуре материала до 900 С. Более глубокую подготовку материала в печах с декарбонизаторами не производят, т. к. незначительное повышение количества тепла, переданного в полностью декарбонизированный материал, вызывает резкое повышение его температуры, и это приводит к образованию настылей в нижней ступени циклонного теплообменника. При сжигании топлива в запечном декарбонизаторе можно либо уменьшить тепловую нагрузку зоны горения вращающейся печи и сохранить ее производительность, либо сохранить прежний уровень тепловой нагрузки. Первое решение позволяет повысить стойкость футеровки и снизить расход огнеупоров. Второе решение приводит к увеличению производительности печи в два и более раз. Обычно на практике используется второе решение. Следует отметить, что в выносных декарбонизаторах можно применять низкосортные сорта топлива (вплоть до отходов) и, благодаря более низкой температуре горения топлива, уменьшить выбросы токсичных газов (оксидов азота).

Технологические линии производства цемента сухим способом оснащены короткими вращающимися печами и запечными теплообменниками. Схема печного агрегата с декарбонизатором для обжига клинкера сухим способом представлена на рисунке 4.2.14. Разработаны системы с применением декарбонизатора, который устанавливают в циклонном теплообменнике. В декарбонизатор подается большая часть топлива, расходуемого в целом на обжиг материала, и сырьевая мука, предварительно нагретая в расположенных выше ступенях циклонного теплообменника. При сжигании топлива в декарбонизаторе сырьевая мука интенсивно нагревается, степень ее декарбонизации достигает 80…90%.

1 — концевой  дымосос; 2 — запечный электрофильтр; 3 — газоход для подачи газов  из агрегата для помола и  сушки сырья; 4 — установка для  охлаждения и увлажнения отходящих  печных газов; 5 — газоход для  подачи запечных газов в агрегат  для помола и сушки сырья; 6 — подача сырьевой муки в  цикленный теплообменник; 7 — циклонный теплообменник с реактором-декарбонизатором; 8 — трубопровод для подачи топлива в декарбонизатор; 9 — воздуховод для подачи нагретого воздуха из охладителя клинкера в реактор-декарбонизатор; 10 — горелочное устройство; 11 — воздуховод для отвода избыточного воздуха из охладителя; 12 — клинкерный конвейер; 13 — охладитель клинкера; 14 — устройство для автоматического замера температуры корпуса печи; 15 — ограждение; 16 — вращающаяся печь; 17 — клапан присадки холодного воздуха; 18 — запечный дымосос

Рис. 4.2.14 Схема печного агрегата с декарбонизатором для обжига клинкера сухим способом

Более высокая степень термической  обработки сырья в запечной тепловой системе, включающей циклонные теплообменники и декарбонизатор, приводит к сокращению более чем в 2 раза удельного расхода теплоты на обжиг в собственно вращающейся печи. Поэтому при сохранении прежней производительности можно в такой же пропорции уменьшить объем печи, существенно сократить ее размеры, вследствие чего снизить металлоемкость, расход огнеупоров, повысить стойкость футеровки печи, уменьшить трудоемкость изготовления и ремонтов, эксплуатационные затраты.

Тепловыми агрегатами в производстве клинкера являются вращающиеся печи. Они представляют собой стальной барабан, который состоит из обечаек (открытый цилиндрический или конический элемент конструкции), соединенных сваркой или клепками, и имеет внутреннюю футеровку из огнеупорного материала. Профиль печей может быть как строго цилиндрическим, так и сложным с расширенными зонами. Расширение определенной зоны производят для увеличения продолжительности пребывания в ней обжигаемого материала. Печь, установленная под углом 3 - 4⁰ к горизонту, вращается с частотой 0,5 – 1,5 мин^-1. Вращающиеся печи в основном работают по принципу противотока. Сырье поступает в печь с верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливно-воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20 - 30 м длины печи. Горячие газы, перемещаясь со скоростью 2 - 13 м/с навстречу материалу, нагревают последний до требуемой температуры. Длительность пребывания материала в печи зависит от ее частоты вращения и угла наклона, составляя, например, в печи размером 5× 185 м, 2 - 4 часа. Занятое материалом сечение во вращающихся печах составляет лишь 7 - 15 % объема, что является следствием высокого термического сопротивления движущегося слоя и объясняется как малой теплопроводностью частиц обжигаемого материала, так и слабым перемешиванием их в слое. /3,4,8,9/

4.3 Анализ использования сырья и материалов

Получать цемент высокого качества на современных заводах можно, только строго соблюдая все технологические  требования и правила и осуществляя  производственный цикл при установленных  оптимальных режимах работы всех механизмов и установок. Большое  значение при этом имеют контроль производства, в процессе которого определяют качество исходных материалов и соответствие их свойств требованиям норм и технических условий; выявляют свойства материалов и полуфабрикатов на всех стадиях производства и устанавливают их соответствие тем показателям, которые обеспечивают получение продукции требуемого качества; наблюдают за работой приборов, механизмов и установок в заданных оптимальных режимах, обеспечивающих качественную переработку материалов при наилучших технико-экономических показателях; определяют свойства получаемого цемента и их соответствие требованиям стандарта.

Контролировать производство нужно  систематически на всех стадиях с  помощью современных методов  и приборов, обеспечивающих точность и возможность автоматизации  контрольных операций. Быстрое вмешательство  в ход производственных процессов  позволяет устранять отклонения от заданных режимов и параметров и оптимизировать их.

Действенность производственного  контроля зависит от правильного  выбора мест отбора проб и определения  технологических параметров (температура, влажность, подвижность смесей и  т. д.); соответствия свойств пробы свойствам материала, а также от периодичности отбора проб и их величины.

При производстве цементов проверяют  состав смесей, тонкость их измельчения, влажность, текучесть и однородность СаСО₃ (титр), а также содержание в сырьевых смесях СаО, SiО₂, A1₂О₃, Fe₂О₃.

Расчет состава сырьевой смеси  проводят для определения количественных соотношений входящих в смесь  компонентов, что позволяет получить клинкер необходимого химического  и минералогического состава. Применяют  различные методы расчета – от самых простых до очень сложных. Основой служит химический состав сырья. Результаты анализа, как правило, должны содержать два десятичных знака после запятой. Если результаты анализа превышают в сумме 100%, необходимо привести их к 100%; для этого пропорционально уменьшают содержание каждого компонента. Если же сумма компонентов меньше 100%, то пропорциональное приведение к 100% не производится; в этом случае разность между полученной суммой и 100% относят к прочим компонентам, и тогда сумма всех составных частей становится равной 100%.