2. Технологическая часть
2.1 Характеристика сырья
В данном курсовом проекте в качестве исходного сырья для производства портландцементного клинкера используется глина, известняк и огарки, а для производства сульфатостойкого портландцемента - портландцементный клинкер, природный двуводный гипс и трепел.
Глины представляют собой тонкодисперсные осадочные горные породы и легко дают суспензии, когда их разбалтывают с водой. Глины сильно различаются по минералогическому и гранулометрическому составу часто в пределах даже одного месторождения. Нередко они содержат значительное количество включений в виде песка и гравия, что вызывает необходимость их предварительного обогащения. По минералогическому составу глины характеризуются преимущественным содержанием водных алюмосиликатов и кварцевого песка. Легкоплавкие глины состоят в основном из кремнезема (70-80%), глинозема (3-10%), окиси железа (3-6%) и небольшого количества карбонатов кальция и магния. В отдельных случаях содержание окиси кальция может достигать 10-25%, а окиси магния - 3-5%. Иногда в глинах присутствуют соединения, содержащие SO3, Na2O и K2O. Включения веществ, содержащих эти окислы, а также MgO нежелательны и их количество должно быть минимальным. Влажность глин колеблется в пределах 15-25%. Плотность комовой глины составляет 1800-2000 кг/м3 (1,8-2,0 г/см3). Для производства сульфатостойких цементов используют низкоалюминатные глины.
Известняки и мел представляют собой карбонатные породы осадочного происхождения. Плотность плотных известняков составляет 2400-2700 кг/м3 (2,4-2,7 г/см3), а меловых пород - 1500-2000 кг/м3 (1,5-2,0 г/см3). Влажность этих материалов колеблется соответственно в пределах 2-6 и 15-30%. Известняки и мел содержат до 90% и более углекислого кальция и небольшие количества кварцевого песка, глинистых минералов и др. По химическому составу эти материалы характеризуются преимущественным содержанием окиси кальция (до 50% и более) и СО2 (до 40% и более). Они содержат также небольшие количества кремнезема, глинозема и др. Содержание окиси магния более 3-3,5% и серного ангидрида более 1-1,3% недопустимо. Свойства карбонатных пород для производства цемента регламентируются ТУ 21-13-6.
Поскольку не всегда удается получить клинкер требуемого химического и минералогического состава, изменяя только соотношение между двумя исходными компонентами - известняком и глиной, то применяют корректирующие добавки, содержащие значительное количество какого-либо из недостающих окислов клинкера. Недостаточное количество в сырьевой смеси окиси железа компенсируется добавкой колчеданных или пиритных огарков, железной руды и др.
Пиритные огарки - дисперсные отходы, образующиеся при переработке серного колчедана в серную кислоту. Состав, %: Fe2O3 - 56…77; SiO2 - 9…22; Al2O3 - 1…18; CaO - 0,8…5.
В качестве добавок, вводимых на стадии помола портландцементного клинкера при изготовлении сульфатостойкого портландцемента, используются природный двуводный гипс и трепел.
Природный двуводный гипс - горная порода осадочного происхождения, сложенная в основном из крупных или мелких кристаллов двуводного сернистого кальция CaSO4 ·2H2O. Плотные образования гипса называют гипсовым камнем. По внешнему виду и строению горной породы различают кристаллический прозрачный гипс, гипсовый шпат, тонковолокнистый гипс с шелковистым отливом (селенит) и зернистый гипс. Наиболее чистую разновидность зернистого гипса, напоминающую по внешнему виду мрамор, называют алебастром. Гипсовые породы содержат обычно некоторое количество примесей глины, песка, известняка и др. Чистый гипс - белого цвета, примеси придают ему различные оттенки: окислы железа окрашивают его в желто-бурые цвета, органические примеси - в серые и т.д. Небольшое количество примесей, равномерно распределенных в гипсе, заметно не ухудшает его качество. Вредное влияние оказывают крупные включения. В гипсовых породах лучших месторождений обычно содержится до 2-5% примесей, но часто их количество достигает 10-15% и более. Плотность гипсового камня зависит от количества и вида примесей и составляет 2,2-2,4 г/см3. Насыпная плотность гипсовой щебенки составляет 1200-1400 кг/м3, влажность колеблется в значительных пределах (3-5% и более).
Природный двуводный гипс добавляют в клинкер на стадии помола с целью регуляции сроков схватывания портландцемента. Качество природного двуводного гипса должно соответствовать требованиям ГОСТ 4013-82.
Трепел - активная минеральная добавка осадочного происхождения. Это легкая пористая малопрочная порода светло-серого или желтовато-серого цвета, окрашенная иногда в темные тона органическими примесями. Трепелы часто перемешаны с песком, глинами, карбонатными породами и т.п. Насыпная плотность в зависимости от степени уплотнения и содержания указанных примесей обычно колеблется в пределах 400-1000 кг/м3. Плотность колеблется в пределах 1,8-2,4 г/см3. Природная влажность трепелов значительно колеблется в зависимости от различных факторов и может достигать от 15-25 до 30-40%. Более плотные разновидности характеризуются меньшей влажностью. Трепелы состоят в основном из скоплений мельчайших шариков вторичного водного кремнезема (опала) размером 2-5 мкм. Как правило, трепелы содержат 70-90% кремнезема, 3-10% глинозема, 1-3% окиси кальция, 1-3% щелочей. Потери при прокаливании составляют 2-8%.
Трепел является активной минеральной добавкой пуццоланового типа, способствующей повышению сульфатостойкости и морозостойкости портландцемента. Качество добавок пуццоланового типа должно соответствовать требованиям ТУ 21-26-11.
2.2 Выбор способа производства и разработка технологической схемы
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 и трепелом.
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 известняка, глины и корректирующих добавок (огарков), 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 и активной минеральной добавкой (трепелом). 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.
В настоящее время применяют два основных способа подготовки сырьевой смеси из исходных материалов: "мокрый", при котором помол и смешение сырья осуществляются в водной среде, и "сухой", когда материалы измельчаются и смешиваются в сухом виде. Каждый из этих способов имеет свои положительные и отрицательные стороны. В водной среде облегчается измельчение материалов, при их совместном помоле быстро достигается высокая однородность смеси, но расход топлива на обжиг сырьевой смеси при мокром способе в 1,5-2 раза больше, чем при сухом. Кроме того, значительно возрастают размеры обычных вращающихся печей при обжиге в них мокрой сырьевой смеси, так как эти тепловые агрегаты в значительной мере выполняют функции испарителей воды.
Сухой способ, несмотря на его технико-экономические преимущества по сравнению с мокрым способом, длительное время находил ограниченное применение вследствие пониженного качества выпускаемого клинкера. Однако современные достижения в технике тонкого измельчения и гомогенизации сухих смесей обеспечили возможности получения высококачественных портландцементов и по сухому способу.
Применение находит и третий, так называемый комбинированный способ. Сущность его заключается в том, что подготовка сырьевой смеси осуществляется по мокрому способу, затем шлам обезвоживается на специальных установках и направляется в печь. Комбинированный способ почти на 20-30% снижает расход топлива по сравнению с мокрым способом, но при этом возрастают трудоемкость производства и расход электроэнергии.
В данном курсовом проекте принимается мокрый способ производства сульфатостойкого портландцемента.
Технологическая схема изготовления сульфатостойкого портландцемента по мокрому способу представлена на рис. 1.
Рис. 1. Технологическая схема изготовления сульфатостойкого портландцемента по мокрому способу
Добыча, транспортирование и складирование сырья
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.
В данном случае цементный завод расположен вблизи месторождения глины, а остальные сырьевые компоненты доставляют на завод железнодорожным и автомобильным транспортом.
Добыча, транспортирование и складирование известняка.
Известняковые породы обычно залегают под слоем пустой породы (вскрыши), толщина которого может достигать 3-5 м и более. Для ее удаления применяют экскаваторы разных типов, бульдозеры. При гидромеханическом способе грунт размывают струей воды, подаваемой гидромонитором под давлением 1,5-2 МПа. Высокоэффективны разработка вскрышных пород с помощью роторных экскаваторов и их удаление в отработанные части карьеров ленточными конвейерами. Взорванную породу кусками размером до 1 м, а иногда до 1,5-2 м в поперечнике грузят на транспортные средства и отправляют на завод. Более крупные глыбы дробят пневматическими перфораторами. Известняк доставляют на цементный завод железнодорожным транспортом и складируют на штабельных складах открытого типа.
Добыча, транспортирование и складирование глины.
Добычу глины ведут в карьерах одноковшовыми или многоковшовыми экскаваторами, а затем при помощи ленточных конвейеров или автомобильным транспортом транспортируют на цементный завод и складируют на складе.
Получение, транспортирование и складирование огарков.
Пиритные огарки - дисперсные отходы, образующиеся при переработке серного колчедана в серную кислоту. Пиритные огарки с территории химического комбината доставляются на цементный завод автомобильным или железнодорожным транспортом и складируются на закрытых складах бункерного типа.
Добыча, транспортирование и складирование природного двуводного гипса.
Добычу гипсового камня производят по аналогии с известняком. Гипсовый камень доставляют на цементный завод железнодорожным транспортом и складируют на штабельных складах открытого типа.
Добыча, транспортирование и складирование трепела.
Добычу плотных разновидностей трепела производят по аналогии с известняком. Добычу рыхлых разновидностей трепела производят по аналогии с глиной. Трепел доставляют на цементный завод железнодорожным транспортом и складируют на штабельных складах открытого типа.
Приготовление сырьевой смеси для получения портландцементного клинкера
Сырьевыми материалами для получения портландцементного клинкера являются известняк, глина и огарки.
Приготовление сырьевой смеси включает: дробление известняка и глины, получение водной суспензии глины, дозирование известняка, водной суспензии глины и огарков, совместный тонкий помол и смешение компонентов, корректирование состава полученной смеси (шлама) и ее хранение.
Известняк с влажностью 4,5% со склада подается в бункер питателя, а затем ленточным конвейером транспортируется на первичное дробление. Для первичного дробления известняков используют щековые и конусные дробилки. В данной технологии используются щековые дробилки, т.к. они более экономичны при производительности 300-500 т/ч. В щековой дробилке известняк измельчается на куски крупностью до 200-300 мм. Затем известняк ленточным конвейером транспортируется на вторичное дробление. На второй стадии дробления могут быть использованы как молотковые, так и конусные дробилки, однако предпочтение отдают молотковым, так как они могут давать материал в кусках, размер которых меньше в два раза и более размера выпускной щели. В молотковой дробилке известняк измельчается на куски крупностью до 20-25 мм. Для обеспечения бесперебойной работы дробилки загружают из расходных бункеров, снабженных питателями, обеспечивающими непрерывную подачу материалов в количестве, соответствующем производительности дробилок. Вместимость расходных бункеров рассчитывают обычно так, чтобы обеспечить работу дробилок в течение 2-4 ч. Дробленый известняк ленточным конвейером транспортируется на промежуточный склад открытого или бункерного типа.
Глина с влажностью 20,3% со склада подается в бункер пластинчатого питателя, а затем ленточным конвейером транспортируется на дробление. Переработка мягких, пластичных, часто весьма влажных пород (мергелей, глин и др.) в щековых и молотковых дробилках вызывает значительные осложнения, поэтому глину измельчают в валковых дробилках. При измельчении относительно твердых непластичных материалов используют дробилки с рифлеными валками, вязких - зубчатые со скребками, очищающими углубления между зубьями. Измельченная глина ленточным конвейером направляется в глиноболтушку, где смешивается с водой. Глиноболтушка - это круглый или многогранный бассейн, дно и стенки которого футеруют чугунными плитами. В центре бассейна на фундаменте устанавливают вертикальный вал с крестовинами, на которые подвешивают стальные грабли. Вал приводится во вращение электродвигателем. Глину после предварительного измельчения в дробилках до кусков размером не более 20 см разбалтывают с водой, образуется суспензия с частицами до 3-5 мм. Крупные куски и примеси (песок, галька и т. п.), оседающие на дно, периодически удаляют. Полученный шлам насосами перекачивают в запасные бассейны, откуда он поступает на тонкое измельчение в мельницы совместно с другими компонентами сырьевой смеси. В цементном производстве применяют болтушки диаметром 12 м, производительностью до 30-50 м3/ч.
Огарки с влажностью 3% со склада направляются в расходный бункер.
Подготовленные компоненты сырьевой смеси - дробленый известняк, водная суспензия глины и огарки дозируются в автоматических весовых дозаторах и направляются на совместный тонкий помол в шаровую мельницу. Совместное измельчение известняка и глины в присутствии воды обеспечивает тщательное перемешивание исходных материалов. С этой же целью вместе с ними измельчают и корректирующие добавки - огарки, если заведомо известно, что химический состав двух исходных компонентов не позволяет получить клинкер заданного минерального состава.
В производстве портландцемента по мокрому способу сырье размалывают в шаровых мельницах со значительным количеством воды - мокрый помол (обычно при содержании воды до 36-42 % массы сухого вещества, в данном курсовом проекте - 39,7%).
Измельчение подаваемого в мельницу материала в один рабочий цикл до требуемой дисперсности называется одноступенчатым. При измельчении "на проход" получают материал в готовом виде (измельчение по открытому циклу). Применяют также измельчение по замкнутому циклу: материал, выходящий из мельницы, разделяется (классифицируется) на готовый продукт и "возврат", идущий в ту же мельницу на дальнейшее измельчение до требуемой дисперсности. При двух- или трехступенчатом измельчении исходный материал подвергают дроблению или помолу последовательно в двух или трех машинах. При этом из измельчаемого материала после каждой ступени соответствующими аппаратами (грохотами, сепараторами, гидроциклонами и др.) может быть извлечен продукт с необходимой степенью дисперсности.
Помол сырьевых материалов в шаровых мельницах осуществляют по открытому и замкнутому циклам. При помоле по открытому циклу материалы должны достаточное время находиться в мельнице. Обычно применяют трубные мельницы длиной 13 и 15 м и диаметром 2,6 и 3,2 м с двумя камерами. Их часовая производительность при мокром помоле сырья средней твердости до 8-10% остатка на сите № 008 соответственно достигает 35-40 и 70-80 т (сухого материала). Средний расход электроэнергии в этих мельницах - около 20 кВт·ч/т. К мельницам, работающим по замкнутому циклу совместно с грохотами или циклонами разных типов, относится мельница размером 3,2×8,5 м производительностью по мягким материалам до 150-230 т/ч. Замкнутая схема помола позволяет увеличить производительность мельниц на 20-30 % и снизить удельный расход электроэнергии на 15-20%.
При мягких материалах применяют наиболее простую схему помола в замкнутом цикле: материал после прохода через обе камеры подают с помощью ковшового элеватора в грохот того или иного типа, из которого продукт с требуемой дисперсностью направляется в сборные бассейны, а крупка поступает в первую камеру на измельчение.
При твердых материалах, предназначаемых для тонкого измельчения в водной среде, иногда используют более сложные схемы замкнутого помола. Например, глиноизвестняковый шлам после первой камеры направляют ковшовым элеватором в классификатор, из которого тонкая фракция подается во вторую камеру, а грубая - на доизмельчение в первую.
В качестве классификаторов шлама служат грохоты разных типов (виброгрохоты и дуговые), а также гидроциклоны. Выбор того или иного типа классификатора в большой мере определяется свойствами перерабатываемых материалов, а также надежностью и простотой обслуживания. Хорошо зарекомендовал себя дуговой грохот, характеризующийся высокой удельной производительностью; в нем отсутствуют движущиеся элементы.
При суточной производительности дробильно-помольных установок 500 т оптимальная крупность подаваемого в мельницу материала достигает 10-14 мм, а при производительности 2500-4000 т - 6-10 мм.
Сырье измельчают до степени, характеризуемой обычно остатком на сите №008 не более 5-10 %.
Выходящая из мельницы сырьевая смесь (шлам) имеет влажность 39,7%.