Виробництво цементу сухим способом

Виробництво цементу сухим способом

Сучасне виробництво цементу складається з декількох технологічних операцій. В першу чергу необхідно добути сировину, приготувати сировинну суміш, обпалити її, отримавши цементний клінкер, змолоти клінкер і необхідні добавки до порошкоподібного стану.

Процес підготовки сировини може проводитися різними методами виробництва клінкеру сухим, комбінованим або мокрим способом. Спосіб вибирають виходячи з технологічних, технічних та економічних факторів.

Сухий метод (найбільш економічний з усіх) передбачає, що всі роботи (подрібнення, змішування, усереднення та коригування суміші) будуть проводитися з сухими матеріалами, без застосування води. Вибір схеми для виробництва цементу сухим способом проводиться в залежності від хімічних і фізичних властивостей сировини. Однією з найбільш широко поширених схем є схема виробництва в обертових печах з використанням глини і вапняку.

Вийшли з дробарки глину і вапняк сушать до рівня вологості близько 1% і подрібнюють. Зазвичай процес помелу і сушіння проводять в одному апараті (з попереднім підсушуванням глиняного компонента) – сепараторной млині. Це найбільш ефективний спосіб, який застосовує більшість сучасних цементних заводів, які застосовують сухий метод виробництва цементу.

Сировинна борошно певного хімічного складу виходить в результаті дозування сировини у млинах з наступним усередненням сировинної шихти в змішувальних силосах, в які подаються сировинні компоненти з заданими високими або низькими титрами.

Далі підготовлену сировинну суміш направляють в циклонні апарати, система яких складається з декількох ступенів. Суміш знаходиться в системі не більше 30 секунд, після чого подається в піч для випалу і надходить у холодильник для обробки холодним повітрям. Охолоджений клінкер відправляється на склад для подальшої перемелювання або відвантаження кінцевим споживачам (виробникам цементу).

Процеси підготовки гіпсу і добавок, помелу цементу, а також умови зберігання та способи доставки споживачам не відрізняються від способів і технологій, які застосовуються при мокрому способі виробництва.

Комбінований спосіб виробництва цементу.

При комбінованому методі виробництва отриманий мокрим способом шлам піддають максимального зневоднення на спеціальних установках і грануляції, а отриману в результаті масу обпалюють в печах сухим методом. Послідовність виконання технологічних операцій в комбінованому способі використовується наступна.

На виході з млина шлам має вологість 35-40%. Він проходить коригування і подається в прес-фільтр або вакуум-фільтр, який зневоднює шлам до вологості 16-20%. Вийшло в результаті сировину перемішують з пилом з димових газів печей: така добавка не дозволяє частинах злипатися і зменшує вологість суміші до 12-14%. Отримана в результаті суміш подається на випал під обертові печі.

Всі інші етапи технологічного процесу аналогічні виробництва цементу мокрим способом.

В виду того, що переважна більшість цементних заводів в Росії було побудовано на початку-середині ХХ століття, майже весь російський цемент виробляється по мокрому методу. Лише сучасні заводи, спроектовані та збудовані у останнє десятиліття повністю орієнтовані на виробництво цементного в'яжучого сухим способом. Сухий метод виробництва цементу - майбутнє цементної промисловості.

Виробництво цементу сухим способом.

Слово "цемент" відноситься до збірним поняттям -- він об'єднує різні види в'яжучих матеріалів, отриманих шляхом випалу деяких гірських порід і підданих подрібненню. В'яжучими їх назвали за здатність з'єднувати (пов'язувати) в єдине ціле як окремі частки дрібних наповнювачів, так і більші фрагменти.

У розпорядженні стародавніх виконробів пірамід, мавзолеїв і інших циклопічних споруд були тільки будівельний гіпс та повітряна вапно, одержувані в результаті випалювання гіпсового каменю та вапняків. Протягом кількох тисячоліть бетони та розчини на їх основі були єдино відомими в'яжучими матеріалами (не рахуючи глини), а кізяк та пташині яйця -- першими модифікуючими добавками. Величезний купол «Всім-богам-храму» (стародавнього римського Пантеону: 43 метра в прольоті); розтягнулася на 5000 км найбільша огорожа в світі -- Велика Китайська стіна; бетонна галерея легендарного лабіринту в стародавньому Єгипті; масивні культові споруди індусів -- всі ці будівельні шедеври створювалися шляхом використання «прабабусь» і «прадідусів» сучасних цементів. Минав час, і вже інші в'яжучі матеріали, отримані штучним шляхом і здатні при замішуванні (замішуванні водою перетворюватися в пластичну масу, отвердевая при цьому не тільки на повітрі, але й у водній стихії, були створені допитливими умами людства.

Цемент не є природним матеріалом. Його виготовлення - процес дорогий і енергоємний, проте результат вартий того - на виході отримують один з найпопулярніших будівельних матеріалів, який використовується як самостійно, так і в якості компонента інших будівельних матеріалів (наприклад, бетону і залізобетону). Цементні заводи, як правило, перебувають відразу ж на місці видобутку сировинних матеріалів для виробництва цементу.

У Росії ж виробництво портландцементу було розширено лише наприкінці XIX ст. Над його створенням і вдосконаленням багато працював А. Р. Шуляченко, якого називають "батьком російського цементного виробництва". Його заслуга полягає в тому, що високоякісні вітчизняні портландцементи витіснили цементи іноземного виробництва. У Росії перший завод з виробництва портландцементу був побудований в 1856 р., а до початку 1-ї Світової війни вже працювало 60 цементних заводів загальною продуктивністю близько 1,6 млн. т цементу в рік.

Розділ 1. Технологічні операції по підготовці сировини

1.1 Сировинні матеріали для виробництва цементу

1.1.1 Карбонатні породи

Вони широко поширені в природі, що сприяє розвитку на їх основі виробництва цементу. З карбонатних порід використовують вапняк, крейда, вапняк-черепашник, мармур, вапняний туф, мергелі та ін Всі ці породи містять в основному вуглекислий кальцит CaCO3 . Вапняки складаються з кристалів кальциту різних розмірів. Крейда являє собою пухку, слабо зцементовану породу з землистим мулом. Якість карбонатної сировини залежить від його структури, кількості домішок, рівномірності їх розподілу в масі сировини. Для виробництва цементу придатні карбонатні породи при вмісті 40-43,5 % СаО і 3,2-3,7 % MgO. Бажано, щоб вміст Na2O і ДО 2О в сумі не перевищувала 1 %, а SO3 - 1,5-1,7 %. Більш сприятливі породи з постійним хімічним складом і однорідної дрібнокристалічної структурою. корисні домішки тонкодисперсних глин і аморфного кремнезему при рівномірному їх розподілі в карбонатної породи. Особливим видом карбонатної сировини є мергель - перехідна гірська порода від вапняків до глинам. Мергель являє собою природну тонкодисперсную суміш осадового походження глинисто-піщаних порід(20-50%) і вуглекислий кальцію (50-80 %). Залежно від змісту CaCO3 мергелі поділяються на піщані, глинисті і вапняні. Найбільш цінна сировина - вапняний мергель, що містить 75-80 % CaCO3 і 20-25 % глини. За хімічним складом він близький до портландцементной сировинної суміші. Такий склад сировини істотно спрощує технологію виробництва. Мергелі, в яких вміст CaCO3 відповідає складу портландцементной сировинної суміші, називають натуральної. Від якості сировини залежать температура випалу, продуктивність печей і властивості кінцевого продукту. Чим вище щільність вапняків, тим важче йде процес випалу. Властивості сировини впливають на вибір обпалювальне агрегату.

1.1.2 Глинисті породи

Глиниста сировина (глини, глинистий мергель, глинистий сланець, лес і ін) необхідно для виробництва портландцементу. Глини мають різний мінералогічний і гранулометричний склад навіть в межах одного родовища. Мінералогічний склад глин представлений переважно водними алюмосиликатами і кварцом, хімічний склад глин характеризується наявністю трьох оксидів, %: SiO2 -60-80, Al2O3 -5-20, Fe2O3 - 3-15.

1.1.3 Коригувальні добавки

При особливо сприятливому хімічний склад сировинних матеріалів портландцементная суміш необхідного складу може бути виготовлена тільки з двох компонентів - карбонатного та глинистого. Але в більшості слуае6в отримати задану сировинну суміш з двох компонентів майже не вдається, тому застосовують третій і навіть четвертий компоненти - коригуючі добавки , що містять значну кількість одного з оксидів, відсутніх в сировинній суміші. Як железосодержащей добавки зазвичай використовують піритні недогарки з сірчанокислотних заводів, рідше - колошниковий пил доменних печей. Як глиноземистой добавки застосовують багаті глиноземом маложелезистые глини, боксити. Кремнеземистого добавкою служать кварцові піски, опоки, трепел. Вміст оксидів у коригувальних добавок повинно бути, % : для залізистих Fe2O3 - не менше 40 ; для кремнеземистих SiO2 - не менше 70; для глиноземистых Al2O3 - не менше 30. Найбільш широко використовуються залізисті добавки. Боксити є також коректує добавкою при отриманні портландцементного клінкеру. Боксит являє собою гідроксид алюмінію з домішками Fe2O3, SiO2, СаО, MgO і TiO2.

1.1.4 Активні мінеральні добавки

До них відносяться природні або штучні мінеральні речовини, які самі по собі в'яжучими властивостями не володіють, але, будучи змішаними в тонкомолотом вигляді з вапном, утворюють при заутворі водою тісто, здатне після твердіння на повітрі продовжувати тверднути і під водою, а при змішуванні з портландцементом підвищують його водостійкість і антикорозійні властивості. Введення активних мінеральних добавок дещо знижує собівартість цементу.

1.1.5 Техногенні продукти інших галузей промисловості

Найбільш широке застосування цементної промисловості знайшли доменні і электротермофосфорные шлаки, паливні шлаки й золи, сієніт (белитовый ) шлам, гіпсовмісткі відходи. Використання шлаків на цементних заводах сприяє вирішенню проблеми забезпечення їх сировиною на амортизаційний термін. Сієніт (белитовый) шлам - відхід комплексної переробки апатито-нефелиновых порід в глинозем, соду, поташ. Оскільки шлам пройшов часткову термічну обробку, він складається в основному з двухкальциевого силікату - мінералу, що входить до складу портландцементного клінкеру і здатного до гідравлічного твердінню. Гранульовані шлаки і нефеліновий шлам близькі за складом портландцементной сировинної шихти, тому можуть використовуватися не тільки як активні мінеральні добавки, але і як компоненти портландцементной сировинної суміші. Так як ці матеріали вже пройшли теплову обробку, не містять СаСО3 і включають ряд мінералів, близьких за складом мінералів цементного клінкеру, то випал шихт з наявністю в їх складі нефелінового шламу і шлаку вимагає меншої витрати палива. Наприклад, при використанні нефелінового шламу продуктивність обертових печей підвищується приблизно на 25 %, знижуються питомі витрати палива на випал клінкеру, електроенергії і тіл, що мелють (приблизно на 20 %). Але мелені шлаки і нефеліновий шлам викликають загустіння сировинних цементних шламів.

Рис.1. Сировина для виробництва портландцементу

1.2 Основні технологічні процеси отримання сировини

1.2.1 Видобуток і транспортування сировини

Операції по видобутку і транспортування сировини - найважливіші технологічні переділи виробництва. При виробництві портландцементу частка витрат на видобуток сировини становить близько 10 % загальних витрат. У кожному окремому випадку спосіб видобутку сировини повинен бути ретельно обґрунтовано, так як від цього залежать витрати і на наступні технологічні операції. Вибору способу видобутку передує аналіз хімічного складу сировини. Видобуток сировини проводиться відкритим способом безпосередньо з поверхні землі. Шар гірської породи зазвичай закритий шаром порожньої породи, тому в комплекс гірничодобувних робіт входить видалення - розкривні роботи. Кінцева вартість сировини значною мірою залежить від витрат на розкривні роботи. Їх здійснюють бульдозерами, екскаваторами і тд. Тверді та щільні гірські породи (вапняк) розробляють, як правило, вибухом. Буровибухові роботи забезпечують як відділення породи від масиву, так і дроблення негабаритних шматків. Особливість таких робіт на кар'єрах заводів цементу - відносно невеликі обсяги щоденного видобутку і обмежений допустимий розмір шматків підірваної породи. Частіше застосовують бурові машини ударно-канатного або обертального буріння. Пухкі та м'які породи (крейда, глина та ін) добувають без попередньої підготовки прямий екскавації одно - або многоковшовыми (роторними) екскаваторами, які виконують відразу дві операції: відділення породи від пласту і навантаження готової сировини.

Для доставки сировини на завод зазвичай використовують залізничний і автомобільний транспорт, повітряно-канатні дороги, стрічкові конвеєри, гидротранспорт. Залізничний транспорт найбільш ефективно використовувати у неглибоких кар'єрах з обсягом перевезень сировини понад 2 млн. т/рік при дальності транспортування більше 8 км. Переваги даного виду транспорту: висока продуктивність, надійність роботи в будь-яких умовах, низький витрата електроенергії, великий термін служби рухомого складу; недоліки: високі капітальні витрати на влаштування залізничної колії та експлуатаційні витрати на його утримання і ремонт. Автомобільний транспорт доцільно застосовувати для транспортування матеріалів при складному рельєфі поверхні, малих обсягах перевезень і дальності транспортування до 8 км. М'які, пухкі і дрібношматкові породи доставляють на завод при відстані 1-6 км в сприятливих кліматичних умовах стрічковими конвеєрами. На цементних заводах з невисокою продуктивністю, розташованих в сильно пересіченій місцевості, а також на рівнині при перетині технологічних шляхів від гірничих цехів автомобільними дорогами, залізничними коліями та ін. використовують повітряно-канатні дороги. До їх переваг відносять незалежність від рельєфу місцевості, можливість повної автоматизації виробничих процесів, малу трудомісткість обслуговування; до недоліків - невисоку продуктивність і великі капітальні витрати.

1.2.2 Дроблення

Дроблення - це процес механічного подрібнення твердих тел. Мета дроблення - зменшення розміру шматків сировини до такого ступеня, при якій подальший помел здійснюється з найменшими витратами електроенергії. Подрібнення матеріалів виробляють наступними способами: роздавлюванням, розколюванням, ударом, зламом, стиранням. Для дроблення матеріалів застосовують щокові, конусні, валкові та молоткові дробарки.

Вибір схеми дроблення і типу дробильного обладнання залежить від властивостей вихідної сировини, м'які породи (крейда, глина) дроблять за одноступеневою схемою у валкових дробарках до розмірів шматків 200 мм. В них матеріал подрібнюють способом роздавлювання між валками, що обертаються назустріч один одному. При різних швидкостях обертання валків має місце і стирання матеріалу. В залежності від властивостей вихідного матеріалу застосовують гладкі, рифлені та зубчасті валки. Тверді породи (вапняк, мармур) дроблять за двоступеневою схемою (рис.2):

1. На щокових дробарках до шматків розміром 75 - 200 мм. В таких дробарках використовують способи роздавлювання, розколювання і часткового стирання матеріалу. Переваги дробарки даного типу є простота, надійність, а також можливість переробки достатньо вологих матеріалів.

2. На молоткових дробарках до шматків розміром 8 - 10 мм. На цій дробарці подрібнення виробляють ударом і частково стиранням.

1.2.3 Тонке подрібнення матеріалів (помел)

Основним агрегатом для тонкого подрібнення і помелу портландцементних сировинних сумішей є кульова трубна млин, відрізняється простотою конструкції, надійністю і зручністю експлуатації, забезпечує високу ступінь подрібнення. Щоб оберегти барабан і днище млини від передчасного зносу, футерують поздовжніми і торцевими сталевими або чавунними плитами. Подрібнення матеріалу в кульової млині здійснюється ударами вільно падаючих молольних тел.

Істотний недолік кульових млинів - низька інтенсивність руху молольних тел. Так само при сухому помелі подрібнюваний матеріал нагрівається до температури 100 - 2000С, що веде до підвищення зносу бронефутеровку, молольних тіл, а також може викликати термічне розкладання подрібнюваних матеріалів. Для успішної роботи млинів сухого помелу необхідно здійснювати вентиляцію млинового простору (аспірацію). Швидкість повітряного потоку забезпечується вентилятором, просасывающим повітря через млин та наступні очисні пристрої. Холодне повітря, надходячи до млина, охолоджує футеровку корпусу, що мелють тіла і подрібнюваний матеріал. Проходячи через млин, він захоплює найдрібніші частинки, запобігаючи їх налипання на молольні тіла. Завдяки аспірації продуктивність млина підвищується на 20-25%, зменшується пиловиділення, покращуються санітарно-гігієнічні умови праці. Диспергування (зниження міцності на початкових стадіях) цементного клінкеру здійснюється за рахунок застосування інтенсифікаторів помелу.

1.2.4 Млини самоподрібнення

Перспективний напрямок у розвитку техніки подрібнення сировини -- застосування каскадних млинів, в яких помел матеріалів здійснюється без використання молольних тіл -- за принципом самоподрібнення. Млин (рис. 3) являє собою короткий порожнистий обертовий барабан великого діаметру, закритий з двох сторін торцевими стінками з порожніми цапфами. Внутрішня порожнину барабана футерована бронеплитами з лопатями-підйомниками. Матеріал надходить у млин через цапфу 1, відкидається при обертанні барабана до периферії на лопаті, піднімається останніми і знову падає вниз, вдаряючись по дорозі про шматки надходить в млин матеріалу та повторно про лопаті. Оптимальна ступінь заповнення таких млинів матеріалом складає 20...25 %. Помел у млині відбувається за рахунок ударів матеріалу про лопаті і зіткнення размалываемых шматків. Для посилення размалывающего дії в млин може бути завантажене невелику кількість сталевих куль (5...6 % від внутрішнього обсягу млини).

Рис. 3. Млин сухого самоподрібнення « Аэрофол »: 1 - завантажувальна цапфа; 2 - поперечні била; 3 - зубчасті виступи; 4 - розвантажувальний патрубок

Ефективність процесу самоподрібнення визначається максимальною крупністю кусків вихідного матеріалу, а також співвідношення великих і дрібних фракцій. Оптимальна крупність подається в млин матеріалу залежить від її діаметра і частоти обертання. Шматки вапняку, що подається в млин діаметром 7 м, повинні мати розмір 350 - 450, крейди - 500 - 800мм. Основні переваги млинів самоподрібнення полягають у простоті конструкції і обслуговування, низькій швидкості обертання робочих органів, малих питомих витратах електроенергії на подрібнення, відсутність тіл, що мелють, суміщення процесів дроблення і помелу в одному апараті, високої продуктивності (до 500 т/год). Млини самоподрібнення призначені для сухого помелу (млин «Аэрофол»). Створення такого агрегату дозволило переробляти сировину вологістю 20 - 22 % сухим способом. Великий діаметр завантажувальних цапф дозволяє пропускати значний обсяг гарячих газів, тому можна використати гази щодо невисокої температури (гази обертових печей).

1.2.5 Переробка, транспортування і зберігання порошків

Властивості порошкоподібних матеріалів

Порошкоподібні матеріали - енергонасичені системи, здатні до саморегулювання своїх властивостей і взаємодії з зовнішнім середовищем. Їх активність проявляється в аутогезії і адгезії. Аутогезія - це зв'язок між дотичними частинками, яка перешкоджає їх роз'єднання; адгезія характеризує взаємодія часток з поверхнею твердих макроскопічних тіл (стінок трубопроводів, силосів - ємності з нержавіючої сталі для зберігання і перевантаження сипучих матеріалів тощо). Аутогезионные властивості в значній мірі обумовлює поведінку порошкоподібних матеріалів при їх переробці. Аутогезійна взаємодія порошків тягне за собою ряд ускладнень у ході технологічних процесів. Ускладнюється вивантаження силосів (цементу, сировинних сумішей і ін) внаслідок сводообразованія і зависання матеріалу на стінках. Пилеуловлювальне обладнання забивається пилом, тому доводиться ускладнювати його конструкцію, підвищувати витрата енергії на очищення. Утворення агломератів ускладнює отримання однорідної суміші при перемішуванні порошків.

Транспортування порошків

Для переміщення сухих сипучих матеріалів застосовують різні типи транспортних систем: механічний - гвинтові конвеєри та елеватори і пневматичний - пневмокамерные і пневмовинтовые насоси, аерожолоби. Механічні транспортні системи доцільно використовувати для переміщення невеликого обсягу матеріалів на незначні відстані. Але складність конструкції і велика кількість рухомих агрегатів ускладнюють роботу механічних транспортних систем, знижують коефіцієнт їх використання.

В даний час транспортування порошків в межах заводу здійснюють в основному пневматичним способом за допомогою гвинтових і камерних насосів. Основні переваги цього способу - можливість переміщення на великі відстані, відсутність пилу, простота і надійність експлуатації. Аераційний жолоб (рис. 4) розділений по висоті на дві частини спеціальної повітронепроникної перегородкою. Нижній лоток служить воздуховодом, куди нагнітається стиснене повітря, а у верхній оток (транспортний) надходить порошок, насичений повітрям. Аерожолоби прості по конструкції, монтажу і експлуатації; зносостійкі; виключають втрати від розпилення і забезпечують нормальні умови роботи обслуговуючого персоналу. Але вони застосовні лише для дальності транспортування до 40 м.

Рис. 4. Аераційний жолоб:

1 - вентилятор; 2 - завантажувальний бункер; 3 - матерчатий фільтр; 4 - верхній лоток; 5 - пориста перегородка; 6 - нижній лоток

Гомогенізація та зберігання порошкоподібних матеріалів. Для отримання однорідних порошків з високою рухливістю необхідно перешкоджати утворенню аутогезионных контактів і руйнувати їх у разі виникнення. Гомогенізація портландцементних сировинних сумішей здійснюється перемішуванням. Чим вище інтенсивність перемішування, тим менше його тривалість, менші розміри агрегатів і більше їх продуктивність. Перемішування сухої шихти організовано в силосах з пневматичним перемішуванням. Кращі силоси з пласкою основою, так як в них повітря розподіляється більш рівномірно. Розміри силосу залежать від способу гомогенізації, потужності цеху, а також особливостей технологічного процесу.

Стиснене повітря, що подається в силоси через повітропроникне днище, насичує матеріал і переводить його в псевдотекучее стані. Дно викладають спеціальними коробами, що складаються з металевого корпусу і пористої аэроплитки. Аэроплитки виготовляють з кераміки, металокерамічних сплавів, текстилю та ін Проходячи тонкими струменями через пори в плитках, повітря потрапляє всередину силосу, при русі вгору захоплює за собою частинки борошна. Місце піднятого струменем повітря матеріалу займає неарированная шихта, що знаходиться поруч з цією зоною. Таким чином, весь порошок, що знаходиться в силосі, приходить в рух і перемішується. При перемішуванні порошків в силосі витрачається багато стисненого повітря і, отже, електроенергії. Недолік силосів такого типу - недостатня ступінь гомогенізації при великих кількостях суміші, значна потреба в обсягах стисненого повітря.

Більш ефективним і економічним є застосування двоярусних силосів. Вихідні сировинні суміші різного складу надходять в кілька силосів верхнього ярусу, а потім після уточнення складу перемішуються в заданому співвідношенні в більш великих силосах нижнього ярусу. Двох'ярусне розташування силосів дозволяє не тільки скоротити виробничі площі і витрати на будівництво, але і використовувати ефект гравітаційного перемішування. Коли матеріал вивантажують з силосу верхнього ярусу в силос нижнього ярусу, швидкість його переміщення вище в центрі силосу і поступово зменшується у напрямку до периферії, що змушує горизонтальні шари матеріалу різного рівня переміщатися до центру, де вони одночасно вилучаються.

Аутогезионные властивості порошків особливо наочно проявляються при зберіганні в силосах. Цьому сприяє тиск верхніх шарів матеріалу на нижні і наявність у повітрі парів води. Для ослаблення аутогезионного взаємодії порошків рекомендується повітря, що подається для їх перемішування, попередньо підігрівати до температури, що перевищує температуру порошку на 15-20 0С. Це дозволяє запобігти адсорбцію вологи матеріалом.

Розвантажують силоси пневматичним способом за допомогою розвантажувальних пристроїв, розташованих збоку або під днищем силосу, 15-20 %якого викладають аэроплитками. Під них подають зневоднений повітря під тиском. Проходячи через пори в аэроплитках, повітря розпушує порошок і дає йому можливість стікати під ухил до розвантажувальних механізмів.

1.2.6 Теплова обробка сировини у виробництві портландцементу

Фізико-хімічні основи випалу портландцементного клінкеру. Утворення портландцементного клінкеру передує ряд фізико-хімічних процесів, в результаті яких клінкер набуває складні мінералогічний склад і микрокристаллическую структуру. Ці процеси протікають в певних температурних межах -- технологічних зонах печі. В основному обжиговом агрегаті -- обертової печі -- при мокрому способі виробництва цементу по ходу руху матеріалу виділяють зони: I - випаровування,II--підігріву і дегідратації, III-- декарбонізації, IV-- екзотермічних реакцій, V-- спікання, VI-- охолодження. При сухому способі виробництва - ця зона відсутня. Підготовчі зони I - II займають 50...60 % довжини печі, зона декарбонізації -- 20...25, зона екзотермічних реакцій -- 7...10, зона спікання -- 10...15 і зона охолодження -- 2...4 % довжини печі. На рис. 5 показано розподіл температур матеріалу і газового потоку по зонам обертової печі.

Рис. 5. Розподіл температури матеріалу і газового потоку по зонам обертової печі: 1 - матеріал; 2 - газовий потік; I-VI - зони печі

У зоні підігріву при температурі 200...650 °С вигорають органічні домішки і починаються процеси дегідратації і розкладання глинистого компонента. Зневоднення і розпад на оксиди водних алюмосилікатів кальцію призводить до утворення ряду проміжних сполук, помітно впливають в подальшому на швидкість зв'язування СаО.

В зоні декарбонізації при температурі 900... 12000 С відбувається дисоціація карбонатів кальцію і магнію з утворенням вільних СаО і МдО. Одночасно продовжується розпад глинистих мінералів.В зоні екзотермічних реакцій при температурі 1200 - 13000 Із завершується процес твердофазового спікання матеріалу. В результаті утворюються мінерали 3CaO*Al2O3 ; 4CaO*Al2O3*Fe2O3 і 2CaO*SiO2. Проте у суміші залишається деяка кількість вільної вапна, необхідний для насичення двухкальциевого силікату до трьохкальцієвого (аліта).

В зоні спікання при температурі 1300 - 14500 С відбувається часткове плавлення матеріалу, що починається в поверхневих шарах зерен, а потім поступово розповсюджується до їх центру. Час повного засвоєння оксиду кальцію і освіти аліта в зоні спікання становить 20 - 30 хвилин.

В зоні охолодження температура клінкеру знижується з 1300 до 1100 - 10000С. Частина рідкої фази при цьому кристалізується з виділенням кристалів клінкерних мінералів, а частина твердне у вигляді скла. Межі зон в обертовій печі достатні умовні і нестабільні. Змінюючи режим роботи печі, можна зміщувати кордону і протяжність зон і тим самим регулювати процес випалу.

Апарати для теплової обробки. Вони працюють за принципом як протитоку, так і прямотоку. З точки зору витрати теплоти прямоток вигідніше, ніж протитечія, так як в останньому випадку вище температура відпрацьованого матеріалу і більше втрати теплоти. Тим не менш, частіше застосовують протитечія, що пов'язано з більшою різницею температури теплоносія і матеріалу в таких апаратах і відповідно більшою швидкістю теплообміну, що дозволяє скоротити тривалість випалу. Тепловими агрегатами у виробництві клінкеру є обертові печі. Вони являють собою сталевий барабан, який складається з обичайок (відкритий циліндричний або конічний елемент конструкції), з'єднаних зварюванням або клепками і має внутрішню футеровку з вогнетривкого матеріалу (рис. 6).

Профіль печей може бути як строго циліндричним, так і складним з розширеними зонами. Розширення певної зони виробляють для збільшення тривалості перебування в ній обжигаемого матеріалу. Піч, встановлена під кутом 3 - 40 до горизонту, обертається з частотою 0,5 - 1,5 хв-1. Обертові печі в основному працюють за принципом протитечії. Сировина надходить в піч з верхнього (холодного) кінця, а з боку нижнього (гарячого) кінця вдувається паливно-повітряна суміш, згорає протягом 20 - 30 м довжини печі. Гарячі гази, переміщаючись зі швидкістю 2 - 13 м/с назустріч матеріалу, нагрівають останній до необхідної температури. Тривалість перебування матеріалу в печі залежить від її частоти обертання і кута нахилу, складаючи, наприклад, в печі розміром 5ГОД 185 м, 2 - 4 години. Зайняте матеріалом переріз в обертових печах становить лише 7 - 15 % обсягу, що є наслідком високого термічного опору рухомого шару і пояснюється малою теплопровідністю частинок обжигаемого матеріалу, так і слабким перемішуванням їх в шарі.

Рис. 6. Обертова піч розміром 5Ч185 м:

1 - димосос; 2 - живильник для подачі шламу; 3 - барабан; 4 - привід; 5 - вентилятор з форсункою для вдування палива; 6 - колосниковый охолоджувач.

сухий портландцемент сировину добавка

Факел полум'я і гарячі гази нагрівають як поверхневий шар матеріалу, так і футеровку печі. Футеровка, в свою чергу, віддає теплоту, одержувану матеріалу випромінюванням, а також шляхом безпосереднього контакту. При кожному обороті печі в процесі зіткнення з газовим потоком температура поверхні футеровки підвищується, а при контакті з матеріалом знижується. Таким чином, матеріал сприймає теплоту лише у двох випадках: або коли стикається з нагрітою поверхнею футеровки, або коли знаходиться на поверхні шару. Продуктивність обертової печі залежить від обсягу внутрішньої частини, надає перевагу нахилу печі до горизонту і частоти обертання, температури і швидкості руху газів, якості сировини та ряду інших факторів.

Важлива перевага обертових печей -- їх технологічна універсальність, обумовлена можливістю використовувати сировинні матеріали різних видів.

Теплообмінні пристрої

Ефективне використання теплоти в обертових печах можливо тільки при установці системи внутрипечных і запечных теплообмінних пристроїв. Внутрипечные теплообмінні пристрої мають розвинену поверхню, яка або весь час вкрита матеріалом, що безпосередньо стикаються з газами, або працює як регенератор, сприймаю теплоту від газів і передаючи її матеріалу. Ці пристрої збільшують поверхню теплообміну між газами і матеріалами також тому, що, зменшуючи швидкість руху матеріалу, підвищують коефіцієнт заповнення печі. В результаті установки внутрипечных теплообмінних пристроїв крім основного завдання - зниження витрат теплоти - можна вирішити і ряд інших завдань: інтенсифікувати процес перемішування, знизити пылевынос. Це дозволяє поліпшити роботу печі і підвищити її продуктивність.

В Україні для випалювання сухих сировинних сумішей в основному використовують печі з циклонними теплообмінниками. В основу їх конструкції покладено принцип теплообміну між відхідними газами і сировинної борошном у зваженому стані (рис. 7).

Схема циклонних теплообмінників до обертової печі:

1 - димова труба; 2 - циклонні теплообмінники; 3 - гвинтовий живильник; 4 - скребковий конвеєр; 5 - витратний бункер сировинної муки; 6 - ковшовий елеватор; 7 - тічка; 8 - перехідна головка; 9 - обертова піч; 10 - пиловловлювачі; 11 - димосос.

Зменшення розміру частинок обжигаемого матеріалу, значне збільшення його поверхні і максимальне використання цієї поверхні для контакту з теплоносієм інтенсифікують теплообмін. Сировинна борошно в системі циклонних теплообмінників рухається назустріч відходять з обертової печі газів температурою 900 - 11000С. Середня швидкість руху газів в газоходах становить 15 - 20 м/с, що значно вище швидкості руху частинок сировинної муки. Тому надходить в газохід між верхніми I і II ступенями циклонів сировинна борошно захоплюється потоком газів в циклонний теплообмінник I ступеня. Оскільки діаметр циклону набагато більше діаметру газоходу, швидкість газового потоку різко знижується, і частинки випадають з нього. Осів у циклоні матеріал через затвор - мигалку надходить в газохід, що з'єднує II і III ступеня, а з нього виноситься газами в циклон II ступеня. Надалі матеріал рухається в газоходах і циклонах III та IV ступенів. Таким чином, сировинна борошно опускається вниз, проходячи послідовно циклони і газоходи всіх ступенів, починаючи відносно холодною (I) і кінчаючи гарячої (IV). При цьому процес теплообміну на 80 % здійснюється у газоходах і лише 20 % припадає на частку циклонів.

Час перебування сировинної муки в циклонних теплообмінниках не перевищує 25...30 с. Незважаючи на це, сировинна мука не тільки встигає нагрітися до температури 700...800°С, але повністю дегидратируется і на 25...35 % декарбонізіруется.

Недоліки печей цього типу -- високий витрата електроенергії і відносно низька стійкість футеровки. Крім того, вони чутливі до зміни режиму роботи печі і коливань складу сировини. Після проходження циклонних теплообмінників сировинна борошно температурою 720 - 750°С надходить у декарбонизатор - апарат для видалення з води вільної вугільної кислоти шляхом продування цієї води повітрям (рис. 8). Частки сировинної муки і розтлінний паливо диспергуються і перемішуються. Теплота, що виділяється при згорянні палива, передається часткам сировинної муки, які нагріваються до 920 - 970°С. Матеріал у системі циклонний теплообмінник -- декарбонизатор знаходиться 70 - 75 с і за цей час декарбонізіруется на 85 - 95%. Установка декарбонизатора дозволяє підвищити з'їм клінкеру з 1 м3 внутрішнього об'єму печі в 2,5 - 3 рази. Крім того, в декарбонизаторе можна спалювати низькоякісне паливо і побутові відходи. Розміри установки невеликі, і вона може використовуватися не тільки при будівництві нових заводів, але і при модернізації діючих печей. Експлуатуються в Росії печі з циклонними теплообмінниками і декарбонизаторами розміром 4,5 х 80 м мають продуктивність 3000 т/добу при питомій витраті теплоти 3,46 МДж/кг клінкеру.

Рис. 8. Обертова піч з циклонним теплообмінником і декарбонизатором:

1 - димосос; 2 - електрофільтр; 3 - циклонний теплообмінник; 4 - декарбонизатор;5 - обертова піч 4,5 Год 80 м; 6 - встановлення контролю температури корпусу; 7 - колосниковый холодильник; 8 - установка для олаждения і зволоження пічних газів, що відходять.

Футеровка печі

Для захисту корпусу від впливу високої температури печі зсередини футерують вогнетривкими матеріалами, які виконують одночасно роль ізоляції, що запобігає надмірні втрати теплоти в навколишнє середовище. Футеровка повинна мати певні властивості: хімічну стійкість до обжигаемому матеріалу, вогнестійкість, термостійкість, теплопровідність, механічну міцність, опір стиранню, пружність. Так як футерування різних зон печі працюють а неоднакових температурних умовах, то їх викладають з різних вогнетривів. В особливо важких умовах знаходиться футеровка зони спікання - найбільш високотемпературної зони обертової печі. Найбільш досконалий вид вогнетриву для такої зони є періклазохромітовие цеглини з пониженим вмістом хроміту. Середня стійкість в цементній промисловості даної футеровки становить близько 230 діб.

Термін служби футеровки збільшують рядом технологічних прийомів: суворе дотримання режиму випалу клінкеру; рівномірне живлення сирі і паливом; постійність хімічного складу, тонкості помелу і вологості сировини; сталість складу, вологості і тонкості помелу твердого палива. Ці фактори забезпечують стабільність режиму роботи печі, зменшують коливання температури в футеровці і деформації корпусу.

Головна умова надійної експлуатації футеровки - створення і збереження захисного шару обмазки на її робочої поверхні. Клінкерна розплав взаємодіє з матеріалом футеровки, налипає на неї, утворюючи шар обмазки товщиною до 200 мм. Процес утворення обмазки та її властивості залежать від температури плавлення, кількості і складу рідкої фази і режиму роботи печі. Обмазка оберігає футеровку від руйнування, знижуючи температуру поверхні цегли і зменшуючи виникають в ньому напруги, захищає цегла від коливань температури усередині печі, а також від хімічного і механічного впливу обжигаемого матеріалу.

Інтенсифікація процесів випалу

Пічні агрегати - саме енергоємне обладнання. У виробництві цементу на їх частку доводиться близько 80 % витрат теплової та електричної енергії. Домагаючись зниження цих витрат, конструкції печей безперервно вдосконалюють, вишукують шляхи інтенсифікації процесів випалу. Проблема інтенсифікації роботи обертових печей включає в основному два завдання: пошук найбільш раціональних прийомів зниження питомої витрати теплоти на випал клінкеру та підвищення теплової потужності печі. На продуктивність печі впливає цілий ряд факторів. По - перше, фактори, які призводять до зміни питомої витрати теплоти на випал клінкеру: склад і структура сировини , його вологість і реакційна здатність та ін По-друге, продуктивність печі підвищується, якщо збільшується поверхня дотику газів з матеріалом, зростає швидкість руху газового потоку, спалювання палива виробляється з мінімальним надлишком повітря. Всі заходи, які сприяють збільшенню корисно використаної теплоти згоряння палива, прискорює процес клинкерообразования. До них відносяться установка внутрипечных і запечных теплообмінних пристроїв, зниження вологості шламу за рахунок зневоднення в концентраторах або шляхом введення разжижителей шламу та ін.

Теплова потужність печі - найважливіша конструктивна характеристика, що визначає її продуктивність. Збільшення кількості спалюваного палива в тому ж обсязі топкового простору - один із шляхів підвищення продуктивності печі. Ефективним засобом інтенсифікації процесу і продуктивності печі є підвищення температури нагрівається матеріалу.

Ефективний засіб інтенсифікації процесу випалу - спалювання частини палива в зоні декарбонізації безпосередньо в шарі матеріалу. Знизити питому витрату теплоти на випал клінкеру можна введенням в сировинну суміш минерализаторов. Вони дозволяють прискорити твердофазовые реакції, знизити температуру появи рідкої фази і поліпшити її властивості, підвищити якість продукції. Важливий резерв інтенсифікації процесу випалу - утилізація пилу, улавлиемой з відхідних газів. Тонкодисперсні, частково прокаленная пил близька за складом сировинної суміші. Повернення пилу в піч сприяє зростанню продуктивності агрегату, скорочення витрат сировини, палива, електроенергії. Витрата палива можна знизити шляхом вдосконалення технологічної схеми, конструктивних рішень декарбонизаторов, холодильників і допоміжного обладнання.

Охолодження обпалених матеріалів

Виходить з обертової печі матеріал має температуру близько 10000С. Повернення в піч теплоти матеріалу може суттєво знизити витрату палива. Це досягається охолодженням матеріалу повітрям, подаваним потім в піч для горіння палива. Режим охолодження впливає як на подальший технологічний процес, так і на властивості готового продукту. Розмел гарячих матеріалів призводить до зниження продуктивності млинів і зростанню питомої витрати енергії. Особливо чутливий до охолодження портландцементний клінкер. Быстроохлажденные клінкеру легше розмелюють і в певній мірі підвищують якість цементу. Тому необхідно, щоб процес охолодження клінкеру був найбільш повним і протікав швидко, особливо в початковій стадії. Чим повніше охолодження клінкеру, тим менше втрати теплоти.

Широко поширені три типи охолоджувачів: барабанні, рекуператорные та колосникові. При виробництві портландцементного клінкеру в сучасних обертових печах використовують колосникові переталкивающие охолоджувачі(Рис. 9). Горизонтальна решітка з рухомими колосниками приводиться в дію від кривошипного механізму. Форма колосників така, що при русі вперед клінкер зсипається на наступний ряд колосників; при русі в зворотному напрямку він ковзає по колосникам. Зважаючи на те, що одні колосники рухаються, а інші ні, здійснюється постійне перемішування клінкеру. Камера охолоджувача розділена на дві частини. Клінкер з обріза обертової печі в горловині охолоджувача піддають впливу «гострого дуття» (10...12 кПа), що забезпечує рівномірний розподіл клінкеру по ширині колосників та швидке початкове його охолодження. Цей гарячий повітря температурою 450 0 С засмоктується в піч, де використовується для горіння палива в якості вторинного повітря. У другу частину подрешеточного простору охолоджувача також надходить холодне повітря, який підлягає за рахунок часткового вже охолодженого клінкеру і може бути використаний для сушіння сировини. На розвантажувальному кінці охолоджувача встановлюють молоткову дробарку, призначену для подрібнення великих шматків клінкеру («сварка»).

Рис. 9. Схема колосникового охолоджувача клінкеру типу « Волга»:

1 - обертова піч; 2 - приймальна шахта; 3 - колосникові грати; 4 - привід; 5 - вікно для скидання надлишку відпрацьованого повітря в атмосферу; 6 - гуркіт; 7 - молоткова дробарка; 8 - скребковий конвеєр; 9 - вікна для загального дуття; 10 - вентилятор загального дуття; 11 - вентилятор гострого дуття.

Оскільки в колосниковом охолоджувачі повітря просасывается через шар матеріалу, значно збільшується поверхня теплообміну та інтенсифікується процес охолодження. Швидкість охолодження регулюють зміною швидкості руху решітки, товщини шару матеріалу і кількості повітря.

Переваги колосникових охолоджувачів - високі швидкість і ступінь охолодження (до 40 - 600С), хороший ККД, мала питома витрата електроенергії (9 - 11 МДж/т клінкеру). Основний недолік - невигідний з точки зору рекуперації принцип теплообміну, так як повітря не рухається протитоком до матеріалу, а перпендикулярно йому. Велика кількість теплоти втрачається при викиді надлишкового повітря в атмосферу. До недоліків колосникових охолоджувачів також відносяться складність експлуатації і ремонт, менша надійність роботи, великі капіталовкладення.

Розділ 2. Технологія виробництва портландцементу

2.1 Речовинний склад цементу

Портландцементом ГОСТ 10178-76 називається гідравлічна в'яжуча речовина, що твердне у воді і на повітрі і представляє собою продукт тонкого помелу клінкеру, одержаного в результаті випалення до спікання штучної сировинної суміші, склад якої забезпечує переважний вміст в клінкері силікатів кальцію (70-80 %).

Звичайний силікатний цемент, або портландцемент, одержуваний спільним тонким подрібненням клінкеру і гіпсу, являє собою зеленувато-сірий порошок, який при змішуванні з водою твердне на повітрі або у воді) в камнеподобную масу. Гіпс вводять до складу портландцементу для регулювання термінів схоплювання. Він уповільнює початок схоплювання і підвищує міцність цементного каменю в ранні терміни. Поряд зі звичайним портландцементом (без добавок), позначуваних індексом ПЦ Д0, випускають два види портландцементу з мінеральними добавками, що позначаються індексами ПЦ Д5 і ПЦ Д20. У перший допускається вводити додатково до 5 % активних мінеральних добавок, а в другій понад 5, але не більше 10 % добавок осадового походження (трепел, опока), або до 20 % добавок вулканічного походження, глиежей, гранульованих доменних і электротермофосфорных шлаків. Співвідношення клінкеру, гіпсу і добавок характеризує речовинний склад портландцементу. Якість клінкеру залежить від хімічного і мінералогічного складу. Хімічний склад характеризується вмістом різних оксидів, а мінералогічний - кількісним співвідношенням мінералів, що утворюються в процесі випалу. Портландцементний клінкер складається в основному з, % по масі: СаО-64...67; SiO2 - 21...25; А1203 - 4...8; Fе203 -- 2...4. Крім того, у складі клінкеру можуть бути присутніми MgO, Tio2, луги та ін

Найважливіші оксиди, що входять до складу клінкеру (СаО, SiO2 , А1203 і Fе203), взаємодіють у процесі випалу, утворюючи клінкерні мінерали. Портландцементний клінкер складається з ряду кристалічних фаз, які відрізняються один від одного за хімічним складом. Основні мінерали клінкеру:

аліт - 3СаО * SiO2 (скорочена запис С3Ѕ);

білить -- 2СаО * SiO2 (С2Ѕ);

трехкальциевого алюмінат 3 СаО * А1203 (С3А);

алюмоферриты кальцію змінного складу від 8 СаО

* 3 А1203 * Fе2О3 до 2СаО * Fе203(С8A3F...C2F).

Мінералогічний склад клінкеру впливає на технологію виробництва портландцементу та його властивості. Знання мінералогічного складу клінкеру дозволяє прогнозувати властивості портландцементу: швидкість набору міцності при різних умовах тверднення, стійкість у прісних і мінералізованих водах, тепловиділення при твердненні та ін. Це дає відповідно з виглядом споруди та умовами його експлуатації підбирати потрібний цемент.

Аліт - найважливіший матеріал клінкеру, основний носій його в'яжучих властивостей. Він обумовлює можливість швидкого твердіння цементу і досягнення високої міцності.

Білить взаємодіє з водою значно повільніше аліта і в початкові терміни тверднення володіє низькою міцністю. Але з часом білить набирає міцність і не поступається алиту за показниками міцності.

Трехкальциевого алюмінат швидко гідратіруется, активно бере участь в процесах схоплювання, але внесок йогоу кінцеву міцність цементного каменю порівняно невеликий. При збільшенні вмісту алюмоферритов кальцію цементи твердіють повільно, але досягають високої міцності. Регулювання мінералогічного складу забезпечує отримання цементу з заданими властивостями.

2.2 Технологічна схема виробництва портландцементу сухим способом

Цементне виробництво в укрупненому вигляді складається з наступних основних стадій:

· Видобуток, первинне подрібнення сировини в кар'єрах і доставка його на майданчик цементного заводу, складування;

· подрібнення й усереднення (гомогенізація) подрібненої суміші, підготовка її до випалу;

· теплохимическая обробка сировини з отриманням клінкеру -- вихідного матеріалу для переробки цемент, охолодження клінкеру;

· помел клінкеру з добавками на цемент (кількість і склад добавок залежать від хімічного і мінералогічного складу вихідної сировини та клінкеру, необхідного сорту цементу);

· подача цементу на склад, зберігання, упакування і відвантаження.

Для виробництва цементу застосовують мокрий, сухий і комбінований способи.

Сухий спосіб виробництва. Принципова технологічна схема отримання портландцементу сухим способом показана на рис. 10.

Рис. 10. Принципова технологічна схема отримання портландцементу сухим способом

Подрібнення матеріалів у млинах може проводитися при вологості сировини не більше 1 %. У природі сировини з такою вологістю практично немає, тому обов'язкова операція сухого способу виробництва -- сушіння. Бажано поєднувати процес сушіння з помелом сировинних компонентів. Це ефективне рішення знайшло застосування на більшості нових заводів, що працюють з сухого способу виробництва. В кульовий (трубної) млині суміщені процеси сушіння, тонкого подрібнення і перемішування компонентів сировинної суміші. З млина сировинна суміш виходить у вигляді тонкодисперсного порошку -- сировинної муки.

Зростаючі вимоги до економії витрат палива змушують переробляти по сухому способу матеріали з більш високою вологістю. З іншого боку такі матеріали характеризуються зниженою щільністю і відповідно міцністю. Попереднє подрібнення таких матеріалів доцільно здійснювати в млинах самоподрібнення «Аэрофол», що дозволяють переробляти сировину вологістю до 25%. Однак повністю висушитися сировину при цьому не встигає, і в кульової млині одночасно з доизмельчением великих частинок і отриманням однорідної сировинної маси повинна проводитися її досушка.

Сировинна борошно подається в залізобетонні силоси, де проводиться коригування її складу до заданих параметрів і гомогенізація шляхом перемішування за допомогою стисненого повітря. Далі готова шихта надходить на випал під обертові печі з запечными теплообмінниками. Отриманий клінкер охолоджують в охолоджувачі і подають на склад, де створюється його запас, що забезпечує безперебійну роботу заводу. Разом з тим витримування клінкеру на складі підвищує якість цементу. На складі також зберігають гіпс і активні мінеральні добавки. Ці компоненти попередньо повинні бути підготовлені до помелу. Активні мінеральні добавки висушують до вологості не більше 1%, гіпс піддають дробленню. Спільний тонкий помел клінкеру, гіпсу та активних мінеральних добавок у кульових (трубних) млинах забезпечує отримання цементу високої якості.

Статті pp-budpostach.com.ua Все про лазні

Статті по пїноблоку,пінобетону,пінобетонним блокам

Статті pp-budpostach.com.ua Статті по бетону

Статті Все про парканах

Статті pp-budpostach.com.ua Все про дахах ( види, матеріал, як краще вибрати)

Статті Все про Фундаменті

Статті по газобетону ( газоблокам ), газобетонних блоків, блоків газосиликатнных

Новини, статті, чутки, факти, різне і по чу-чуть

Статті по цеглині ( рядовому, особового,облицювальної,клинкерному, шамотною, силікатній,)