13.2.1.2. Шламово-солевые кольца, причины образования и способы предотвращения

Шламово-солевое кольцо иногда возникает в цепной завесе в области вязкого шлама. Протяженностью до 6 м и высотою до 1 м, кольцо имеет плотное слоистое строение, с трудом удаляется отбойным молотком (рис. 13.14). Кольцо, значительно уменьшая свободное сечение печи, увеличивает газодинамическое сопротивление, что, как правило, приводит к недостаточной тяге дымососа, вызывает недожог топлива, вследствие чего снижается производительность печи, и может возникнуть клинкерное пыление. Кроме того, кольцо препятствует прохождению шлама и вызывает перелив его в пылеуловительную камеру, что сопряжено с длительными простоями печи на его выломку.

Рис. 13.14. Шламово-солевое кольцо и технологические нарушения, им вызываемые

Материал кольца в основном отличается повышенным содержанием водорастворимых щелочных сульфатов и хлоридов, количество которых может составлять 15...50%, и содержит около 5% сложных силикатов и гидросиликатов кальция. Приведенные факты позволяют утверждать, что кольцеобразование в цепной завесе обусловлено кристаллизацией щелочных солей из водного раствора шлама.

Ниже приводится вероятный механизм образования кольца. Шлам, подаваемый в печь при возврате пыли, содержит в пересчете на сухое вещество в среднем около 2% растворимых щелочных солей. Растворимость сульфата калия, который преобладает в составе солей, при температуре подаваемого в печь шлама составляет 3...3,5%, а при 100°С - 23%. Следовательно, при нагреве шлама в печи и испарении воды увеличивается концентрация K₂SO₄ в растворе, которая достигает 23% при влажности материала порядка 20%. В этих условиях при большой скорости испарения воды, обусловленной развитой цепной завесой и высокой температурой газов, происходит массовая кристаллизация щелочных сульфатов, которые, вовлекая в свой состав частицы сырьевой смеси, образуют на корпусе печи плотные наросты в виде кольца. Процессы перекристаллизации растворимых соединений и гидратации силикатных фаз в гидротермальных условиях быстро упрочняют и цементируют кольцо.

Следовательно, кольцо образуется при следующих неблагоприятных условиях: наличии растворимых солей, интенсивном испарении воды с массовой кристаллизацией солей и нерациональной навеске цепей. Поэтому решить практическую задачу по предотвращению кольца следует путем:

1. Снижения водорастворимых солей в зоне сушки;

2. Навески рациональной цепной завесы.

Уменьшение водорастворимых щелочных солей в зоне сушки достигается снижением внутренней и внешней циркуляции щелочных соединений в печной системе. Внутренняя циркуляция в печи может быть снижена путем уменьшения степени возгонки щелочных соединений, что достигается, как было показано в разделе 13.1.2.2 (рис. 13.3), недопущением восстановительной среды в печи. Справедливость этого утверждения подтверждается наличием в кольце темных прослоек материала, свидетельствующих о присадке углерода вследствие недожога топлива. Уменьшение внешней циркуляции обеспечивается частичным или полным прекращением возврата пыли в печь. В таких случаях пыль из электрофильтров может быть использована для других нужд или обжигаться с получением клинкера в отдельном агрегате.

Более распространенным способом предотвращения образования кольца является подбор рациональной цепной завесы, которая должна обеспечивать:

1. низкую скорость испарения воды;

2. интенсивное продвижение вязкого материала по печи;

3. физическое очищение корпуса от наростов;

4. очистку звеньев цепей от наростов.

Такими функциями обладает многозаходная винтовая свободновисящая завеса пониженной плотности, состоящая из тяжелых круглозвенных цепей диаметром ~ 150 мм с диаметром прутка 27..30 мм (рис. 13.15).

Рис. 13.15. Рациональная цепная завеса, препятствующая образованию кольца

Особенность схемы навески заключается в том, что цепи навешиваются по винтовой линии таким образом, чтобы они продвигали материал по длине печи. Число заходов может быть от 4 до 6. Длина цепи l должна соответствовать окружному расстоянию между винтами, чтобы, ложась на корпус печи, свободным концом доходило до крепежного элемента следующей цепи. Шаг навески подбирается таким, чтобы цепи, укладываясь рядом одна около другой, покрывали внизу ковром весь корпус, препятствуя налипанию материала. Для предотвращения возникновения наростов возле узла крепления цепи следует обеспечить свободу движения первого звена по корпусу, что достигается, как показано на фрагменте рис. 13.15, минимальной высотой крепежного элемента, выполненного в виде скобы, приваренной к корпусу. Угол наклона винтовой линии к образующей цилиндра печи должен составлять 45...60°, чем меньше угол, тем выше транспортирующаяся способность навески. Направление винта подбирается таким образом, чтобы при вращении печи под материал сначала входила та часть винта, которая находится ближе к холодному концу, и при выходе из материала цепи как лопасть шнека продвигали материал в сторону горячего конца.

Для снижения интенсивности испарения водыи, следовательно, массовой кристаллизации щелочных солей следует на этом участке навешивать завесу заниженной плотности с коэффициентом k_F ≈ 2,5 м²/м².

Описать малоклинкерные механохимически активированные цементы (вяжущие) низкой водопотребности.

Обычно механохимическую активацию цемента связывают с более тонким измельчением материала, а также с дефектностью минералов, якобы возрастающей с измельчением.

Структурные дефекты в полиминеральных системах, подобным цементным, весьма сложны для исследований. М.Я.Бикбау были впервые экспериментально обнаружены и описаны дефекты в основных минералах портландцемента, а также показано, что интенсивность воздействия минералов с водой определяется ионностью-ковалентностью связей атомов (как основных, так и примесных) в кристаллических решетках минералов. В процессе измельчения цементного клинкера разрушение кристалликов минералов идет сначала по более слабым, хрупким стекловидным прослойкам, соединяющих микрокристаллы, затем зонам сопряжения, срастания кристаллов, плоскостям спайности, до выделения более мелких монокристаллов клинкерных минералов таким образом, что, по Ребиндеру, сохраняются наиболее прочные, бездефектные кристаллики минералов.

По Ю.М. Бутту и В.В. Тимашеву при измельчении разрушение частиц происходит по участкам кристаллов со скоплением дефектов, возникающие при разрушении кристаллов новые поверхности покрыты электрическими зарядами с большой поверхностной плотностью. В местах разлома частиц кристаллов наблюдается мощная эмиссия электронов. В этом плане большее значение, чем собственная (внутренняя) дефектность кристаллов, имеет наведенная дефектность поверхности кристаллов, образовавшаяся в результате разрыва межатомных связей при деструкции кристаллов в процессе измельчения, тесно связанная с суммарной поверхностью и высокой химической активностью частиц цемента.

Реализация технологии цементов (вяжущих) низкой водопотребности может осуществляться по двум направлениям: для производства высокоактивных цементов и для производства достаточно активных малоклинкерных цементов с минеральными добавками (рис. 20.1).

Производство высокоактивных цементов становится востребованным в связи с наблюдающимся во всем мире переходом в строительстве на более высокие марки бетонов, а также необходимостью придания бетонам различных специальных свойств с общим требованием повышения долговечности изделий и конструкций из бетона. Новые бетоны получили в мировой практике строительства название High Performance Concrete (НРС).

Строительно-технические свойства таких бетонов характеризуются прочностью на сжатие в двое суток твердения 30-50 МПа, в 28 суток от 60 до 150 МПа, водонепроницаемостью W12 и выше, водопоглощением не более 1-2 % масс., истираемостью не более 0,3-0,4 г/см² и морозостойкостью F600 и выше. НРС должны обеспечивать срок службы изделий и конструкций не менее 200 лет, а в перспективе и 500 лет. В настоящее время такие бетоны с высокими характеристиками свойств производятся с применением тщательно подобранных компонентов исходных бетонных смесей, минимальным их загрязнением глинистыми, ограничениями по гранулометрии и морфологии мелких и крупных заполнителей, использованием достаточно дорогих химических добавок и микрокремнезема. Высококачественные бетоны радикально увеличили возможности строительства для возведения небоскребов, мостов, тоннелей, плотин, шахт и подводных сооружений.

1 вариант - выпуск высоко- и сверхпрочного быстротвердеющих портландцементов;

2 вариант - выпуск портландцементов с минеральными добавками по действующему ГОСТ 31108-2003

Рис. 20.1. Два направления производства цементов (вяжущих) низкой

водопотребности (Бикбау М.Я.)

Механохимическая активация цемента - новое направление регулирования строительно-технических свойств и получения высококачественных бетонов с вышеуказанными свойствами – наиболее конкурентоспособное с обычным модифицированием бетонных смесей, упрощающее требования к крупному и мелкому заполнителям, не требующее применения микрокремнезема, позволяющее существенно снизить стоимость бетона, отказаться от его тепловой обработки.

Рассматриваемый второй вариант производства механоактивированного цемента с минеральными добавками дает возможность радикального сбережения удельных энергозатрат на тонну цемента за счет снижения содержания портландцементного клинкера в цементах до 50-75 %, с сохранением высоких строительно-технических свойств.

Введение до 50-75 % минеральных кремнеземистых добавок в цементы с сохранением их высокой активности может позволить снизить (с учетом затрат топлива на сушку добавок) реальные удельные затраты топлива на тонну цемента на 80-100 кг условного топлива, что весьма актуально для России с подавляющим объемом цементных заводов, работающих по мокрому способу и затрачивающих сегодня 220-240 кг условного топлива на тонну клинкера.

Весьма важным является возможность эффективного использования при этом в качестве клинкерных добавок не только различных природных пуццолановых пород, мелких кварцевых песков, отходов вскрыши и т.п., но и техногенных отходов - зол и шлаков различных производств, переработка которых превратилась в значительную экологическую проблему.

Минеральные добавки предварительно высушивают. Поэтому в технологическую схему для производства механоактивированных цементов с добавками обычно включают участок сушки. Снижение содержания клинкерной части в цементах с минеральными добавками позволяет, кроме энергосбережения, значительно уменьшить выбросы СО₂ в атмосферу, сопровождающие производство цементного клинкера и ставшего во всем мире проблемой отрасли.

Оптимальная схема получения механоактивированных цементов - вяжущих низкой водопотребности с сохранением производительности шаровых трубных мельниц и соответственно приемлемых удельных энергозатрат на тонну готового продукта реализована М.Я.Бикбау на цементном заводе Шин-хуа в г. Цзин-хуа, провинции Джедзян, КНР. Технологическая линия включает в качестве вспомогательного дробильно-помольного оборудования мощную пресс-валковую дробилку - измельчитель типа VSTM-2003 производительностью до 150 т/ч. Основным помольным агрегатом является трубная трехкамерная шаровая мельница Ø2,9x11 м производительностью 50 т/ч по выпускаемому цементу с минеральными добавками марки 32,5 по стандарту КНР ASTM-2003. В предизмельчитель - прессвальцы подаются все компоненты смеси, включая портландцементный клинкер и минеральные добавки в кусковом виде без предварительной сушки. Зазор между валками составляет около 40 мм.

Схема компоновки оборудования линии завода Шин-хуа показана на рис. 20.2. В мельнице создается разряжение до 1100 Ра для увеличения производительности за счет уноса мелкодисперсных частиц смеси. Для исключения уноса частиц модификатора был установлен уровень разряжения на входе в мельницу - 75 Па, на выходе - 560 Па.

1 - бункер угольного шлака; 2 - бункерная батарея гипса и вулканического камня; 3 - бункер сланца; 4 - бункер клинкера; 5 - весовые дозаторы (тензометрические); 6, 8- ленточные конвейеры; 7, 11, 18 — цепные элеваторы; 9 - расходный бункер; 10 - пресс-валовая дробилка -измельчитель; 12 - расходный бункер с мешалкой для гомогенизации смеси; 13 - расходный бункер модификатора; 14 - ленточный дозатор; 15 - шаровая мельница; 16 - рукавный фильтр; 17 - шнек

Pucунок 20.2. Технологическая линия пo помолу цемента завода Шин-хуа, пров. Джедзян, КНР (Бикбау М.Я.)

Добавку китайского производства серии FDN-05 в сухом виде вводили в исходную смесь после предварительного измельчения компонентов в пресс-вальцах до размера 10-25 мм и гомогенизации смеси в смесителе с принудительным перемешиванием. Заводской обычный состав смеси: клинкер - 63%; вулканический камень - 6%; сланец - 16%; угольный шлак - 6%; известняк – 7 %; гипс - 5%; Смесь угольного шлака и известняка вводилась в весовом соотношении 3:2.

Перед началом каждых испытаний трубную мельницу разгружали за счет ее работы на холостом ходу до момента прекращения выхода из нее продукта.

В первом эксперименте вводили при помоле цемента 1 % масс, модификатора, во втором 0,8 % масс., в третьем 0,6 % масс, от количества смеси (табл.20.1). Добавку в каждом случае вводили равномерно в течение 1 ч. 40 мин. В каждой серии отобрано 11 проб. Первая проба - через 20 мин. после начала подачи материала, последующие - через 15 мин.

Как показали результаты фракционирования отдельных проб полученных цементов при проведении первой серии испытаний с 1% масс, добавки, появление модификатора в мельнице приводит к смещению гранулометрического диапазона частиц цемента в область более дисперсных значений, т.е. наблюдается увеличение мелющей способности мельницы (табл. 20.2).

Таблица 20.1

Концентрации компонентов в исходных смесях для помола цементов

№ п/п	Компонент	Содержание в смеси, %
		Эксперимент №1	Эксперимент №2	Эксперимент №3
1	Клинкер	63,0	40,0	33,0
2	Вулканический камень	6,0	18,0	28,0
3	Смесь угольного шлака и известняка	10,0*	15,2*	21,4**
4	Сланец	15,0	21,0	12,0
5	Гипс	5,0	5,0	5,0
6	Добавка-модификатор	1,0	0,8	0,6

* Соотношение шлак/известняк - 3:2

** Соотношение шлак/известняк -5:2

Таблица 20.2

Дисперсность и гранулометрический состав* промышленных партий образцов механохимически активированных цементов, произведенных на заводе Шин-хуа, пров. Джедзян, КНР (апрель 2008 года, Бикбау М.Я.)

Гранулометрический состав диапазон, мкм		Содержание фракции, %
		Проба №3		Проба №6		Проба №9
		Абсолютное содержание частиц диапазона	Общее содержание частиц	Абсолютное содержание частиц диапазона	Общее содержание частиц	Абсолютное содержание частиц диапазона	Общее содержание частиц
Эксперимент №1
0-1,0	-		25,023	16,084	16,084	-	14,627
1,0-5,0	10,61		35,632	17,44	33,523	18,22	32,846
5,0-10,0	8,62		44,247	8,44	41,965	7,35	40,198
10,0-20,0	21,21		65,458	19,88	61,842	18,58	58,782
20,0-30,0	18,36		83,814	19,22	81,064	19,28	78,066
30,0-40,0	7,91		91,723	9,36	90,328	9,91	87,98
40,0-60,0	5,95		97,675	7,20	97,528	8,48	96,457
60,0-70,0	1,57		99,243	2,47	100,0	1,94	98,4
70,0-80,0	0,39		99,633			0,41	98,806
Эксперимент №2
0-1,0	-		41,084	-	37,694	-	33,936
1,0-5,0	11,0		52,084	12,05	49,744	11,34	45,275
5,0-10,0	8,13		60,213	8,86	58,601	8,90	54,176
10,0-20,0	16,84		77,056	18,234	76,835	19,02	73,194
20,0-30,0	13,49		90,543	14,37	91,201	15,74	88,932
30,0-40,0	5,26		95,801	5,35	96,555	6,39	95,323
40,0-60,0	3,35		99,155	2,99	99,540	3,93	99,256
60,0-70,0	0,48		99,630	0,306	99,843	0,42	99,677
70,0-80,0	0,70		99,852	0,16	100,00	0,22	99,897
Эксперимент №3
0-1,0	-		33,498	-	42,47	-	25,860
1,0-5,0	11,55		45,043	10,98	53,454	13,04	38,901
5,0-10,0	9,85		54,892	12,35	65,802	9,42	48,318
10,0-20,0	20,675		75,567	18,93	84,733	19,85	68,171
20,0-30,0	15,5		91,066	11,37	96,107	16,43	84,609
30,0-40,0	5,49		96,556	2,83	98,94	7,24	91,842
40,0-60,0	2,98		99,531	1,06	100,0	5,73	97,458
60,0-70,0	0,307		99,838			0,97	98,536
70,0-80,0	0,16		100,00			0,65	99,182

Производительность мельницы задавалась подачей компонентов цемента и составила обычную регламентную заводскую норму - 50 т/час. Аналогичные по габаритам мельницы в России имеют существенно отличную шаровую загрузку, ввиду отсутствия предизмельчения материалов перед подачей в мельницу.

На Российских цементных заводах гранулы клинкера и щебень добавок подаются обычно в первую камеру мельницы, где дробятся в крупку и начинают измельчаться только во второй камере. Это объясняет низкую тонину цементов (около 300 м²/кг) и значительно меньшую производительность мельниц по помолу цемента, например, на заводах ОАО «Воскресенский цементный завод», «Липецкий цементный завод» - для мельниц 3,0x14 м производительность составляет около 35 т/час, на ОАО «Михайловский цементный завод» для мельницы 3,0x14 м производительность составляет около 40 т/час.

Мельницы габаритами 2,6x13 м, более близкие по конструктивным характеристикам к мельнице 2,9x11 м завода Шин-Хуа, имеют на цементных заводах России производительность около 25 т/час, т.е. в два раза меньше китайской. Отсюда и достаточно большие удельные энергозатраты на помол цемента, составляющие 50-60 кВт·ч/т. После предизмельчителя, в частности, пресс-вальцев на цементном заводе Шин-Хуа - материал на 60-70 %, уже порошок, на 15-20 %, он представлен в виде крупки до 5-7 мм, а небольшая часть материала (10-15 %) попадает в мельницу в виде частиц размером 15-25 мм.

Такой материал интенсивно измельчается уже в первой камере мельницы, а суммарные удельные энергозатраты на цементном заводе Шин-Хуа (с учетом пресс-вальцев и шаровой мельницы) находятся в пределах 30-35 кВт·ч/т цемента.

В ходе испытаний обнаружено значительное влияние модификатора FDN-05 на интенсивность помола цемента с минеральными добавками, так при фиксированной производительности помольной линии 50 т/час тонина цементов значительно возросла с вводом модификатора в количестве 0,6-1 %, цемента и увеличением количества подаваемого вулканического камня (табл. 20.1, 20.2). Это говорит о возможности повышения производительности линии на заводе Шин-хуа на 10-20 % при снижении тонины помола цементов до 400-500 м²/кг, достаточной для механохимической активации материалов и производства малоклинкерных качественных цементов с низкой водопотребностью.

Таблица 20.3