15.1. Применение минерального техногенного сырья

Для определения эффективности использования минеральных материалов необходимо рассмотреть отдельные составляющие теплоты клинкерообразования при использовании традиционного сырья (табл.15.1).

Таблица 15.1

Ориентировочная теплота клинкерообразования

Наименование тепловых процессов	Значения для 1 кг клинкера
	ккал	кДж	кут*	%
Эндотермические реакции
Дегидратация глины	20	84	2,85	3,9
Декарбонизация СаСО3 и МgСО3	490	2054	70,0	96
СаО + C2S = C3S	0,4	2	0,05	0,1
Итого расход тепла	510,4	2140	72,9	100
Экзотермические реакции
2СаО + SiО2 = C2S	96	401	13,7	95
ЗСаО + AI2O3= С3А	0,6	3	0,1	1
4СаО + AI2O3+Fe2О3 = C4AF	3,8	16	0,5	4
Итого приход тепла	100,4	420	14,3	100
Итого теплота клинкерообразования	410	1720	58,6

Приведенные данные свидетельствуют, что снижение теплоты клинкерообразования можно достигнуть в основном путем замены СаСO₃ на другие некарбонатные материалы, содержащие СаО, или получения клинкера пониженной основности, что приводит не только к снижению теплоты декарбонизации, но и к дополнительному выделению тепла вследствие увеличения экзотермической реакции образования избыточного C₂S. При использовании стеклообразных гранулированных доменных шлаков возникает дополнительный экзотермический эффект от их кристаллизации, величина которого может достигать 400 кДж/кг шлака (рис. 15.1).

Рис. 15.1. Рентгенограмма и термограмма гранулированного шлака

Исходя из представленных положений, в табл. 15.2 приведена эффективность применения отдельных минеральных техногенных материалов, которая зависит от содержания в них СаО. Ограничения по максимальному вводу определяются их химическим составом - допустимым содержанием SiО₂, А1₂О₃ и Fe₂О₃ в клинкере.

В связи с загустеванием и схватыванием шлама при совместном помоле шлака с остальными сырьевыми компонентами, рекомендуется подавать его непосредственно в печь в сухом немолотом виде с размером частиц до 20 мм. При этом достигаются два положительных эффекта: снижаются теплоты клинкерообразования и на испарение воды.

В этом случае уменьшается объем отходящих газов вследствие снижения выделения водяного пара и СО₂ из шлама и продуктов горения топлива, что приводит к уменьшению теплопотерь с отходящими газами и скорости газового потока в печи и, следовательно, снижению пылеуноса. Дополнительные меры, предотвращающие вынос шлака из печи, сводятся к предварительному перемешиванию его со шламом непосредственно перед подачей в печь. Следует отметить, что, несмотря на подачу в печь немолотого шлака размером частиц до 20 мм, в результате его плавления при ~1250°С он полностью успевает прореагировать в зоне спекания.

Таблица 15.2

Эффективность использования техногенных материалов

Материал	Содержание, %					Возможный ввод, % к клинкеру	Ограни­чение по	Экономия топлива, кут/т кл.
	СаО	SiO2	AI2O3	Fe2О3	ГВ**
Белитовый шлам	56	30	3	3	-	75 (в шлам)	SiO2	80
Шлак доменный 1	47	36	8	0,4	-	60 (в печь)	SiO2	100
Шлак доменный 2	37	37	15	0,4	-	40 (в печь)	AI2O3	80
Шлак ОЭМК*	39	21	5	14	-	30 (в печь)	Fe2О3	66
Зола	5	61	23	7	3...5	35 (в шлам)	SiO2	25
Углеотходы	4	45	16	7	-22	20 (в шлам)	ГВ	45

*ОЭМК - Оскольский электрометаллургический комбинат

**ГВ - горючее вещество

Результаты промышленных испытаний, проведенных на «Уралцементе» и «Осколцементе» свидетельствуют о большой эффективности использовании доменных и сталеплавильных шлаков в качестве сырьевого компонента. В табл. 15.3 приведены результаты промышленных испытаний печи 5x185 м мокрого способа, которые показали, что каждый процент, по отношению к клинкеру, введенного в печь сухого шлака, обеспечивает экономию ~1% топлива (~2 кут/т клинкера). При этом производительность печи увеличивается пропорционально снижению расхода топлива. Снижение расхода тепла происходит по ниже­приведенным статьям теплового баланса по следующим причинам: теплота клинкерообразования из-за замены карбонатного СаО на некарбонатную известь шлака; испарение воды вследствие подачи сухого шлака в печь и, следовательно, уменьшения количества испаряемой воды; с отходящими газами из за уменьшения их объема; в окружающую среду вследствие повышения производительности печи.

Таблица 15.3

Эффективность использования шлака ОЭМК на печи 5х 185 м

Наименование	Размерность	Значения
Содержание шлака в клинкере	%	0	9,5	19
Отходящие газы: - объем -уменьшение объема -объем СО2 -уменьшение объема СО2	нм3/кг кл. % кг/т кл. %	3,51 - 860 -	3,16 10 780 9,5	2,63 25 670 20
Пылевынос из печи	%	23	17	18
Расход тепла: - всего - теплота клинкерообразования -на испарение воды -с отходящими газами -в окружающую среду -при охлаждении клинкера	кДж/кгкл.	6300 1740 2500 1260 630 170	5650 1650 2150 1110 570 170	5000 1460 1950 920 500 170
Топливо:-расход газа -теплота от сгорания топлива -экономия тепла	тыс.ст.м3/ч кДж/кг кл. кут/т кл. кДж/кгкл. кут/т кл. %	13,3 6150 210 - - -	13,1 5500 188 650 22 10,5	12,6 4850 166 1300 44 21
Производительность печи	т/ч	71,5	78,4	85,1
Увеличение производительности	т/ч %	- -	6,9 9,5	13,6 19

Неожиданным фактом явилось то, что при неизменном расходе шлама с подачей шлака в печь и, следовательно, пропорциональным увеличением ее производительности с 71,5 до 85,1 т/ч абсолютный расход газа снизился с 13,3 до 12,6 тыс. ст.м³/ч. Это связано с дополнительным выделением тепла вследствие экзотермических реакций клинкерообразования. Кроме того, в результате использования шлака снижается выброс в атмосферу парниковых газов и СО₂, что имеет особо важное значение в связи с Киотским соглашением.

Описать карбонатный и алюмосиликатный компоненты, железосодержащие добавки.

Карбонатные породы. К ним относятся известняк, мел, мрамор, известняк-ракушечник, известковый туф. Примесями в них являются глинистые вещества, доломит, кварц, гипс. Примеси глины не являются вредными. Повышенное содержание доломита и гипса нежелательно, т.к. содержание МgO в клинкере не должно превышать 5 %.

Процентное содержание карбонатной породы в составе сырьевой смеси составляет 70…80 %.

Известняки – осадочные породы. Углекислый кальций СаСО₃ представлен в них минералом кальцитом, реже – арагонитом. По происхождению различают известняки органогенные - продукты деятельности микроорганизмов, химические - полученные осаждением из растворов и обломочные – продукты переотложения разрушенных известковых пород. Примесями в известняках являются алюмосиликатные минералы глин, кварц, опал, халцедон, оксиды железа, гипс, пирит (Fe₂S), фосфорит (апатит), барит (ВаSO₄), карбонат магния (доломит). При содержании глинистых минералов до 30 % известняк называют глинистым, выше, 30 % - мергелем, с примесью доломита-доломитизированным.

По физическим свойствам различают кристаллический известняк (мрамор), плотные известняки, землисто – рыхлые известняки – мелы. Плотность известняков составляет 2200…2600 кг/м³, прочность 8…200 МПа, влажность 1…6 %.

Мел - осадочная мягкая порода. Объёмная масса 1600…2000 кг/м³, прочность 1…15 МПа, влажность 15…30 %. Представляет собой слабосцементированные частицы кальцита размером менее 0,1 мкм. Мел легко размучивается в воде.

Мрамор – плотная порода (продукт перекристаллизации известняков). Объёмная масса 2650…2900 кг/м³, прочность 50…200 МПа.

Алюмосиликатный компонент.

Наличие крупнокристаллического кварца, оксидов магния, серы, щелочей

В качестве алюмосиликатного компонента при производстве цемента используются материалы с преимущественным содержанием кварца и глинистого вещества (каолинита Al₂O₃·4SiO₂·2Н₂О), монтмориллонита Al₂O₃·4SiO₂·nН₂О, галлуазита Al₂O₃·2SiO₂·4Н₂О, иллита К₂О·2Al₂O₃·2SiO₂·nН₂О и др.).

Технологическая оценка пригодности алюмосиликатного компонента для получения качественного цемента определяется тремя основными показателями: