Лабораторная работа № 2 изучение свойств шлама цементных заводов

Цель работы: освоить методы контроля качества сырьевого шлама цементных заводов. Оценить качество шлама по текучести, влажности, тонкости помола и титру.

Теоретические сведения

На большинстве цементных заводов для производства клинкера в качестве сырьевых материалов применяют карбонатные и глинистые породы, а также корректирующие добавки.

Карбонатные породы: известняк, мел, известняковый туф, известняк-ракушечник, мергелистый известняк, мергель и т. п. Во всех этих породах наряду с углекислым кальцием CaCO₃ могут содержаться примеси глинистых минералов, доломита, кремнезема, гипса и ряда других.

Глинистые породы: глина, суглинок, глинистый сланец, мергелистая глина, лесс, лессовидный суглинок. Глинистые породы содержат кислотные оксиды SiO₂ (50…70%), Al₂O₃ (11…17%), Fe₂O₃ (3…6%), небольшое количество карбонатов кальция и магния, SO₃ и щелочей.

Корректирующие добавки. В качестве добавок, корректирующих величину силикатного и глиноземного модулей, применяют различные материалы. Чтобы увеличить содержание в сырьевой смеси Fe₂O₃, используют колчеданные огарки, колошниковую пыль, конверторный шлам, феррошлак, железную руду. Колчеданные (железные, пиритные) огарки являются отходом производства серной кислоты, а колошниковая пыль – доменного. Для повышения содержания SiO₂ употребляют трепел, диатомит, опоку, кварцевый песок, маршалит, кремнегель, отработанные формовочные массы. Для повышения содержания Al₂O₃ – бокситы, золы, алюминатные глины. В качестве комбинированных добавок используют базальт, золы, шлаки. Чаще всего применяют железосодержащие корректирующие добавки.

На цементных заводах, работающих по мокрому способу, сырьевые материалы измельчают совместно с водой. Получается водная суспензия – шлам (от нем. Schlamm, буквально грязь). Сырьевые шламы дают возможность получить однородную смесь тонкоизмельченных трудно растворимых сырьевых материалов и этим обеспечивают наиболее полное их спекание, обусловливающее высокое качество клинкера. При продолжительном пребывании в покое шлам способен расслаиваться.

Шлам должен обладать достаточной текучестью (подвижностью), которая допускала бы транспортирование его самотеком или насосами и позволила бы придать смеси необходимую однородность. Будучи водной суспензией сырьевой смеси, шлам обладает определенной вязкостью, от величины которой зависит расход энергии на помол сырьевых материалов, перемешивание шлама и перекачивание его в шламбассейны, а затем на обжиг. Между вязкостью шлама и его влажностью существует определенная функциональная зависимость, что делает необходимым выбор и сохранение определенного оптимального значения вязкости шлама. Так, например, чтобы снизить расход топлива на испарение влаги во время обжига, необходимо снизить влажность шлама и тем самым увеличить его вязкость, что в свою очередь затруднит его перекачивание, и наоборот.

В оперативном технологическом контроле производства цемента измерение вязкости шлама представляет собой некоторые трудности, поэтому вместо вязкости определяют обратную характеристику – текучесть.

Текучесть шлама характеризует подвижность и транспортабельность шлама. При недостаточном количестве воды сырьевой шлам малоподвижен, увеличивается расход воздуха и энергии на усреднение, ухудшается режим работы шламовых насосов, возможно забивание трубопроводов, транспортных и дозирующих устройств, подающих шлам в шламбассейны и из бассейнов на обжиг во вращающиеся печи. Введение в шлам избыточного количества воды придает подвижность шламу, но повышает расход топлива, так как эту воду потом приходится испарять, и уменьшает производительность вращающейся печи. Так, повышение влажности шлама на 1% снижает производительность печи на 1,5% и увеличивает расход топлива на 1%. Кроме того, увеличивается объем шлама, а, следовательно, и размеры шламовых бассейнов, мощность насосов и расход воздуха на перемешивание. Нормальная текучесть у сырьевых шламов выражается диаметром расплыва конуса на текучестемере МХТИ ТН-2 и составляет 45 ± 2 мм. На большинстве цементных заводов, согласно требованиям технологической карты, текучесть шлама устанавливается в пределах 54 ± 2 мм.

Влажность шлама (процентное содержание воды от массы влажного шлама) на разных заводах колеблется от 32 до 45%.

Влажность (или водопотребность) шлама, т.е. необходимое для гидротранспорта и эффективного перемешивания содержание воды, зависит от свойств сырья, применяемого на заводе. Чем плотнее карбонатный компонент, тем меньше водопотребность шламов. Влияет на нее и минералогический состав используемых глин, и степень дисперсности сырьевых материалов, в особенности их удельная поверхность, включая поверхность внутренних пор. Шламы на основе мелов характеризуются максимальной водопотребностью, так как мел имеет развитую поверхность внутренних пор. Повышение температуры шлама уменьшает вязкость, а это позволяет снизить его влажность при сохранении подвижности.

Для снижения влажности (при сохранении текучести) в шлам с водой при помоле вводят ограниченное количество разжижителей шлама 0,2…0,5% в пересчете на сухое вещество, в качестве которых применяют лигносульфонат технический (ЛСТ), сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), сульфитно-спиртовую барду (ССБ), углещелочной реагент, торфяную вытяжку, соду, триполифосфат натрия, адипинат натрия. Выгодно применять разжижители, если влажность шлама более 38%. На отдельных заводах использование разжижителей позволяет повысить производительность печей на 5…8% и снизить расход топлива на 3…4%.

Тонкость помола шлама определяют как остаток на сите с сеткой № 02 (при необходимости на сите с сеткой № 008), выраженный в процентах от массы сухого шлама. Номер сетки сита по ГОСТ 6613-86 (см. прил.) обозначает размер ячеек в свету, мм. Так, размер ячеек в свету для сита с сеткой № 02 составляет 0,2 мм, для сита с сеткой № 008 – 0,08 мм. Тонкость помола сырьевой смеси оказывает большое влияние на процесс обжига, на усреднение сырьевого шлама, его транспортирование и хранение перед обжигом. При очень тонком помоле увеличивается удельный расход электроэнергии на помол, снижается производительность мельниц, уменьшается текучесть шлама, возникает необходимость увеличивать его влажность, что уменьшает производительность вращающихся печей и увеличивает расход топлива. При грубом помоле может возникнуть расслоение шлама, ухудшается его усреднение, увеличивается износ трубопроводов, шламовых насосов, усредняющих и питающих аппаратов, усложняется работа вращающихся печей. Поэтому необходимо поддерживать оптимальную для данного завода тонкость помола сырьевой смеси. На большинстве цементных заводов, согласно требованиям технологической карты, тонкость помола шлама по остатку на сите с сеткой № 02 устанавливается в пределах 4 ± 2 %, по остатку на сите с сеткой № 008 – 10 ± 2 %.

Для эффективной эксплуатации вращающихся печей необходимо подавать на обжиг сырьевую смесь оптимального химического состава. От стабильности состава сырьевой смеси зависят во многом качество клинкера, а, следовательно, и портландцемента, производительность печи, удельный расход тепла на обжиг, срок службы футеровки.

В процессе приготовления сырьевой смеси возникают неизбежные колебания ее химического состава из-за неоднородности компонентов, а также погрешностей в их дозировании, поэтому перед обжигом необходимо откорректировать (исправить) химический состав смеси.

Большинство цементных заводов работает, используя надежный метод опережающего контроля химического состава шлама по коэффициенту насыщения (КН) и одному из модулей (глиноземному – p или силикатному – n), корректируя шлам в потоке. Вместе с тем в практике работы цеховых лабораторий цементных заводов сохраняется один из ускоренных методов определения содержания оксида кальция в смеси по титру.

Титр шлама – это условная величина, характеризующая процентное содержание карбонатов в сухой сырьевой смеси в пересчете на CaCO₃. Нормальный титр шлама на разных заводах изменяется в пределах 75…79%.

Метод корректирования состава шлама по титру позволяет:

– с достаточной точностью оперативно анализировать шлам, поступающий в вертикальные и горизонтальные шламбассейны;

– смешивать в определенной пропорции «низкий» и «высокий» шламы (с низким и высоким содержанием СаСО₃), подавая его в определенном соотношении в горизонтальный шламбассейн для окончательного усреднения и перекачки в шламовый питатель печи.

Корректирование состава шлама по одному титру очень просто, но удовлетворительные результаты получают только при использовании химически однородных сырьевых материалов. В других случаях шлам корректируют, пользуясь КН и модулями.

Результаты определения титра оказываются сильно искаженными в следующих случаях:

1. В сырье содержится много MgCO₃, который будет вести себя в реакции как CaCO₃ и давать завышенные значения титра.

2. В качестве сырьевых компонентов используются побочные продукты смежных производств: белитовый (нефелиновый) шлам, шлаки, золы и т.п. Такие материалы с трудом и не полностью разлагаются в соляной кислоте.

Точный контроль химического состава таких сырьевых смесей следует осуществлять экспресс-методами анализа на четыре–пять основных компонентов.

При определении титра сырьевой смеси навеску образца обрабатывают соляной кислотой, при этом помимо карбонатов, частично растворяются оксиды железа и алюминия из огарков и глины. При добавлении щелочи к солям данных металлов она связывает израсходованную кислоту, а в раствор выделяются гидраты полуторных оксидов. Схематично это можно представить следующими уравнениями:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂

Fe₂O₃ + 6HCl = 2FeCl₃ + 3H₂O

2 FeCl₃ + 6NaOH = 2Fe(OH)₃ + 6NaCl

CaCO₃+Fe₂O₃+8HCl+6NaOH=2Fe(OH)₃ + CaCl₂+6NaCl+4H₂O+ CO₂

В итоге расход кислоты можно считать связанным лишь с наличием карбонатов. Избыток кислоты оттитровывается щелочью известной концентрации по фенолфталеину.