книги / Строительные материалы

Рис. 5.4. Технологическая схема с>шки и помола материален (сухой способ) в мельницах с центробежными сепараторами

1 — дозаторы; 2 — ленточный конвейер; 3 — рукавные фильтры; 4 — шлюзовой затвор; 5 — аэрожелоба; 6 — сепараторы; 7 — элева­ тор; 8 — циклоны; ^ — вентиляторы; 10 — шнеки; / / — мельница; 12 — топка

став клинкера. Стоимость топлива составляет до 26 % себестоимости готового цемента, поэтому на цементных заводах много внимания уделяется его экономии.

Подготовка сырья. Производство портландцемента — сложный технологический и энергоемкий процесс, вклю­ чающий: а) добычу в карьере и доставку на завод сырь­ евых материалов, известняка и глины; б) приготовление сырьевой смеси; в) обжиг сырьевой смеси до спекания— получение клинкера; г) помол клинкера с добавкой гип­ са — получение портландцемента; д) магазинирование готового продукта. Обеспечению заданного состава и ка­ чества клинкера подчинены все технологические опера­ ции.

Приготовление сырьевой смеси состоит в тонком из­ мельчении и смешении взятых в установленном соотно­ шении компонентов, что обеспечивает полноту прохож­ дения химических реакций между ними и однородность клинкера. Сырьевую смесь приготовляют сухим, мокрым и комбинированным способами.

Сухой способ заключается в измельчении и тесном смешении сухих (или предварительно высушенных) сырьевых материалов, поэтому сырьевая смесь получа­ ется в виде минерального порошка, называемого сырье­ вой мукой. Тонкое совместное измельчение известняка и глины осуществляют в мельницах, в которых совмеща­ ются помол и сушка сырьевых материалов до остаточ­ ной влажности 1— 2 %. Совмещение сушки с дроблени­ ем и тонким измельчением осуществляют подсушивани­ ем сырья в дробилках и сушкой сырья в мельницах тонкого измельчения. Сушку производят отходящими газами печей, при этом в мельнице можно перерабаты­ вать сырье с влажностью до 5 %, а при использовании топки до 15 %. В последние годы в цементной промыш­ ленности используют мощные валковые мельнйцы-су- шилки и мельницы самоизмельчеиия «Аэрофол».

На крупных предприятиях сырьевые мельницы рабо­ тают по замкнутому циклу (рис. 5.4): установка произ­ водительностью до 100 т/ч включает сепараторы, отделя­ ющие крупную фракцию сырьевой муки и возвращающую ее в мельницу для помола. Таким образом повышается тонкость помола сырьевой смеси и качества обжигаемо­ го из нее клинкера. Сырьевую муку направляют в силосы, в них корректируют состав сырья и создают запас, необходимый для бесперебойной работы печей. При су-

rtoM способе производства затраты теплоты на обжиг клинкера в 1,5—2 раза меньше, чем при мокром. Ввиду технико-экономических преимуществ сухой способ про­ изводства цемента быстро раззмвается. Сухой способ наиболее выгоден при использовании известняка и гли­ ны с невысокой влажностью (10—15%), однородного состава и физической структуры, когда можно получить гомогенную сырьевую муку при сухом помоле.

Мокрый способ приготовления сырьевой смеси при­ меняют, если мягкое сырье имеет значительную влаж­ ность (мел, глины). Тонкое измельчение и смешение ис­ ходных материалов осуществляют в водной среде, поэто­ му сырьевая смесь получается в виде жидкотекучей массы — шлама с большим содержанием воды (35— 45%). Используется способность мягких горных пород

лением, что позволяет выдерживать точное соотношение между компонентами сырьевой смеси (рис. 5.5). Совмест­ ное измельчение известняка, глины и корректирующих добавок (например, пиритных огарков, содержащих Fe20 3) обеспечивает тщательное смешение исходных ма­ териалов и получение однородной сырьевой смеси. Помол сырья производят до остатка на сите № 008 не более 8— 10 %, следовательно, более 90 % частиц смеси имеет раз­ мер менее 80 мкм.

После мельниц известково-глиняный шлам перекачи­ вают насосами в вертикальные и горизонтальные резер­ вуары (шлам-бассейны); в них корректируют и усредня­ ют химический состав шлама. Состав сырьевой смеси контролируют теперь с помощью автоматического рентгеноспектрометра, обеспечивающего ежечасное опреде­ ление содержания CaO, Si02, Fe20 3 и А120з. По данным анализа электронно-вычислительная машина рассчиты­ вает дозировку сырьевых компонентов, исходя из полу­ чения сырьевой смеси заданного состава, а также соот­ ветствующий режим работы автоматических дозирующих устройств, что позволяет отказаться от корректирования при достаточном постоянстве состава смеси. Применение разжижителей шлама (добавок СДБ и др.) позволяет снизить влажность шлама, но не устраняет основной не­ достаток мокрого способа производства цемента — высо­ кую энергоемкость процесса получения клинкера.

Комбинированный способ дает возможность на 20— 30 % снизить расход топлива по сравнению с мокрым способом. Сущность этого способа заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезво­ живается на специальных установках. Однако при этом возрастает расход электроэнергии, т. е. энергоемкость производства в целом остается высокой.

Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мок­ ром способе производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Шахтные печи применяют иногда только при сухом способе. Вращающаяся печь представ­ ляет собой длинный, расположенный слегка наклонно цилиндр (барабан), сваренный из листовой стали с огне­ упорной футеровкой внутри (рис. 5.6). Длина печей 95— 185—230 м, диаметр 5—7 м. В СССР стали применять вращающиеся печи, работающие по сухому способу, раз­ мером 7x95 м, производительностью 3000 т/сут при рас­ ходе теплоты на обжиг 3400 кДж/кг. На предприятиях,

работающих по мокрому способу производства, применя­ ют печи 7X230 м, производительностью 3000 т/сут при расходе теплоты 5600 кДж/кг. Для улучшения теплооб­ мена внутри печей ближе к верхнему (холодному) концу устраивают цепные завесы, устанавливают теплообмен­ ники различной конструкции.

Вращающиеся печи работают по принципу противото­ ка. Сырье в виде порошка (сухой способ) или шлама (мокрый способ) подается автоматическим питателем в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со сто­ роны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (при­ родный газ, мазут, воздушно-угольная смесь),сгорающее в виде 20—30-метрового факела. Сырье занимает только часть поперечного сечения печи и при ее вращении со ско­ ростью 1— 2 об/мин медленно движется к нижнему концу навстречу горячим газам, проходя различные темпера­ турные зоны. Выдающийся советский ученый В. Н. Юнг, разработавший основы теории обжига клинкера, услов­ но разделил вращающуюся печь на шесть температур­ ных зон в зависимости от характера протекающих в них процессов. Рассмотрим эти процессы, начиная с поступ­ ления сырьевой смеси в печь, т. е. по направлению с верхнего ее конца (холодного) к нижнему (горячему).

В з оне и с п а р е н и я происходит высушивание по­ ступившей сырьевой смеси при постепенном повышении температуры с 70 до 200С'С (в конце этой зоны), поэтому первую зону называют еще зоной сушки. Подсушенный материал комкуется, при перекатывании комья распада­ ются на более мелкие гранулы.

В з оне п о д о г р е в а , которая следует за зоной сушки сырья, при постепенном нагревании сырья с 200 до 700 °С сгорают находящиеся в нем органические приме­ си, из глиняных минералов удаляется кристаллохимиче­ ская вода (при 450—500 °С) и образуется безводный као­ линит Al203-2Si0 2. Подготовительные зоны (испарения и подогрева) при мокром способе производства занима­ ют 50—60 % длины печи (считая от холодного конца); при сухом же способе подготовка сырья сокращается за счет зоны испарения.

риала поднимается с 700 до 1100 °С; здесь завершается процесс диссоциации карбонатных солей кальция и маг­

ния и появляется значительное количество свободного оксида кальция. Термическая диссоциация СаС03— это эндотермический процесс, идущий с большим поглоще­

глинистых минералов на оксиды Si02, А120 3, F2O3, кото­ рые вступают в химическое взаимодействие с СаО. В ре­ зультате этих реакций, происходящих в твердом состоя­

печи (5—7 % ее длины) сопровождаются выделением большого количества теплоты (до 420 кДж на 1 кг клин­ кера) и интенсивным повышением температуры материа­ ла (на 150—200 °С).

В з оне с п е к а н и я (1300—1450—1300СС) темпера­ тура обжигаемого материала достигает наивысшего зна­ чения (1450°С), необходимого для частичного плавления материала и образования главного минерала клинкера— алита. В начале спекания, начиная с 1300 °С, образуется расплав в количестве 20—30 % объема обжигаемой мас­ сы из относительно легкоплавких минералов ЗСаО-А120 3, 4Ca0 *AI203-Fe20 3, а также MgO и легкоплавких приме­ сей. При повышении температуры до 1450 °С в клинкер­ ной жидкости растворяются 2Ca0-Si02 и СаО и из них в расплаве происходит образование алита 3Ca0«Si02, проходящее почти до полного связывания оксида каль­ ция (в клинкере СаОСвоб не более 0,5— 1 %). В расплаве сначала образуются тетраэдры SiO^“ , которые потом со­

единяются с ионами Са2+, образуя кристаллическую ре­ шетку трехкальциевого силиката. Алит плохо растворяет­ ся в расплаве и вследствие этого выделяется из него в ви­ де мелких кристаллов, что влечет дальнейшее растворе­ ние в расплаве 2Ca0*Si02 и СаО. Процесс образования алита заканчивается за 15—20 мин пребывания матери­ ала в зоне спекания (ее протяженность 10—15% длины печи). Поскольку при вращении печи частично расплав­ ленный материал непрерывно перекатывается, мелкие частички слипаются в гранулы. Понижение температуры с 1450 до 1300 СС вызывает кристаллизацию из расплава

Рис. 5.7. Схема печного агрегата для обжига клинкера с циклонным тепло­ обменником и кальцинатором (декарбонизатором)

ЗСаО-А120 3, 4СаО-А120з-Ре20з и MgO (в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения, следую­

фазу и второстепенные составляющие.

Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких камнеподобных зерен — гранул темно-серого или зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается с 1000 до 100—200 °С в колосни­ ковых, рекуператорных и других холодильниках возду­ хом, идущим навстречу клинкеру или просасываемым через слой горячего клинкера. После этого клинкер вы­ держивается на складе одну-две недели.

Сухой способ производства цемента в последние годы значительно усовершенствован. Наиболее энергоем­ кий процесс — декарбонизация сырья — вынесен из вра­

щающейся печи в специальное устройство — декарбони- затор, в котором он протекает быстрее и с использовани­ ем теплоты отходящих газов (рис. 5.7).

Из расходных силосов сырьевая мука сначала посту­ пает в систему циклонных теплообменников, где, нахо­ дясь во взвешенном состоянии, нагревается движущими­ ся навстречу (снизу-вверх) отходящими газами и уже горячей подается в декарбонизатор. Непосредственно в декарбонизаторе сжигают около 50 % топлива, что поз­ воляет быстро и почти полностью (на 90 %) завершить разложение СаСОз. Остальная часть топлива сжигается, как обычно, в горячем конце вращающейся печи, в кото­ рой получают клинкер из уже подготовленной к обжигу, т. е. декарбонизированной, сырьевой муки. Теплообмен­ ное устройство с декарбонизатором устанавливают около печи.

Повсеместное распространение сухого способа произ­ водства с применением декарбонизатора обусловлено возможностью ускорить технологический процесс, повы­ сить суточную производительность технологических ли­ ний до 3000 т клинкера, использовать теплоту газов, от­ ходящих из печи и холодильника, и тем самым снизить затраты топливно-энергетических ресурсов. При системе декарбонизатор — печь сокращается примерно вдвое длина вращающейся печи, компоновка цементного заво­ да получается более компактной, соответственно умень­ шается потребность в земельных площадях.

В СССР открыт новый способ производства портланд­ цемента— путем обжига клинкера в солевом растворе хлоридов. При этом способе основная реакционная среда в печи (силикатный расплав) заменена солевым распла­ вом на основе хлорида кальция. В солевом расплаве ус­ коряется растворение основных клинкерообразующих ок­ сидов (CaO, SiC>2, АЬОз, Fe203) и образование минера­ лов (алита, белита и др.) завершается при 1100—1150 °С вместо обычных 1400—1500°С, чго существенно снижает энергоемкость получения цементного клинкера. Получен­ ный клинкер, наряду с алитом, содержит минерал, на­ званный алинитом.

Алинит — это высокоосновный А1—С1— силикат каль­ ция, содержащий около 2,5 % хлорида. Клинкер, синте­ зированный в солевом расплаве, размалывается в 3—4 раза легче, чем обычный. Это позволяет снизить электро­ затраты на помол и увеличить производительность це­

ментных мельниц. При этом сокращается число помоль­ ных агрегатов. Алинитовый цемент быстрее гидратируется в начальные сроки. Технология нового цемента осва­ ивается на цементных заводах. Сейчас глубоко изучают­ ся коррозионная стойкость бетона на этом цементе и по­ ведение стальной арматуры в бетоне с учетом наличия в нем хлора. Все это позволит определить рациональные области применения алиинтового цемента.

Общий расход энергии на 1 т цемента 325—550 МДж, причем минимальные энергетические затраты достигают­ ся при сухом способе с применением декарбонизатора*

преимущественно в сепараторных установках, работаю­ щих по открытому или замкнутому циклу. Грубная мель­ ница представляет собой барабан, облицованный внутри стальными броневыми плитами и разделенный дырчаты­ ми перегородками на две — четыре камеры (рис. 5.8). Крупнейшими помольными агрегатами являются мельни­ цы размером 3,95x11 м, производительностью 100 т/ч и размером 4,6x16,4 м, производительностью 135 т/ч. Ма­ териал в трубных мельницах измельчается под действи­ ем загруженных в барабан мелющих тел — стальных ша­ ров (в камерах грубого помола) и цилиндров (в камерах тонкого помола). При вращении мельницы мелющие тела поднимаются на некоторую высоту и падают, дробя и ис­ тирая зерна материала.

При работе по открытому циклу мельница работает «на проход», т. е. материал (клинкер и добавки) непре­ рывно поступает со стороны камер грубого помола че­ рез полую ось, а измельченный материал выходит из ка­ меры тонкого помола и далее транспортируется в силосы. Замкнутый цикл помола включает помольный агре­ гат и центробежный сепаратор, отделяющий крупные зерна, возвращаемые на домол (рис. 5.9), в результате чего достигается высокая тонкость помола. Помольные установки, работающие по замкнутому циклу, дают воз­ можность тонко измельчить клинкер (до удельной по­ верхности 4000—5000 см2/г) и регулировать в цементе содержание частиц различного размера, что необходимо для получения быстротвердеющего и.других специальных портландцементов. При помоле к клинкеру добавляют, гипс (так, чтобы общее содержание SO3 в цементе было'