4. Технологическая часть

Теоретические основы производства портландцемента

Теоретические основы производства портландцемента

Процесс производства портландцемента состоит из следующих основных операций:

1. Добыча на карьерах карбонатного и глинистого сырья и доставка их на завод.

2. Приготовление сырьевой смеси и её корректирование, усреднение.

3. Получение сырьевой шихты.

4. Обжиг клинкера.

5. Хранение клинкера на складах.

6. Дробление и тонкого измельчение клинкера (совместно с гипсом и добавками).

7. Хранение цемента в силосах.

Добыча на карьерах карбонатного и глинистого сырья и доставка их на завод

Планирование добычи сырья и оперативное управление работой карьера является важным элементом технологии в целом. Месторождение сырья разрабатывают открытым способом непосредственно с земной поверхности. Слой полезной горной массы обычно закрыт пустой породой и в комплекс добычных работ входит удаление слоя пустой породы. Вскрышные породы удаляют прямой экскавацией с перемещением в отвал автотранспортом.

Пласт полезного ископаемого разделяют на несколько горизонтальных слоев – уступов. Высоту уступа определяют физические свойства породы и тип добычного оборудования.

Добычу мягких нескальных пород ведут прямой экскавацией. Здесь эффективно использование роторных экскаваторов, работающих в паре с передвижным промежуточным транспортом на гусеничном ходу.

Скальные породы вначале разрыхляют взрывом, а затем экскаваторами погружают на транспорт. Наиболее производительны пневматические ударные и бурильные станки для взрыва породы.

Также для транспортировки используют железнодорожный транспорт, автотранспорт, канатные дороги, конвейерный транспорт. Эксплуатационные расходы минимальны при применении воздушно-канатных дорог и ленточных конвейеров. Поэтому в качестве основного оборудования транспортировки материала как внутри завода, так и за его пределами логично использование именно ленточных транспортеров ввиду их экономичности и практичности.

Железнодорожный транспорт используется для привозного сырья, а также для отправки готового продукта к потребителю на дальние расстояния. В этом случае использование такого вида транспорта целесообразно.

Автотранспорт рентабельно использовать при отдаленности завода от карьера не более чем на 10 км. А вот на расстоянии до 6 км до карьера экономичнее использовать ленточные конвейеры. Их оборудуют укрытием для защиты от дождя и ветра.

Мягкие высоко влажные породы желательно дробить непосредственно в зоне карьера, так как такой материал налипает на вагонетки, что снижает производительность конвейеров. [Бутт]

Приготовление сырьевой смеси и её корректирование, усреднение

После добычи в карьере сырьевые материалы подвергаются первичному измельчению. Предварительное измельчение – это подготовка материала для помола его в мельницах. Так как энергетические затраты на дробление значительно меньше, чем затраты на помол, желательно дробить материал до возможно мелких фракций. Дробление сырьевых материалов производят для того, чтобы уменьшить расход электроэнергии при помоле и увеличить производительность сырьевых мельниц. [ ]

Технологическая схема дробильной установки определяется размером камня, выдаваемого карьером, и необходимой крупностью сырья после дробления. Чем крупнее выдают карьер камень, тем меньше стоимость добычи. Допустимый размер камня определяется возможностями дробилки первой стадии.

При приготовлении сырьевых смесей важную роль играют энергоемкие операции измельчения – дробление, тонкое измельчение.

Выбор типа дробилки связан со свойствами сырья и особенностями гранулометрии раздробленного материала. Конусные и щековые дробилки для первой стадии имеют степень измельчения 3-4, молотковые же и ударно отражательные дробилки – 20-40. Конусные и щековые дробилки выдают продукт, в котором часть материала имеет размеры большие, чем выходная щель. Это приводит к необходимости введения поверочного грохочения. Однако операции поверочного грохочения усложняют схему и удорожают эксплуатацию.

Молотковые дробилки оборудованы выходными колосниковыми решетками и выдают материал крупностью меньше ширины выходной щели, что позволяет обойтись без поверочного грохочения.

Молотковые дробилки приспосабливаются для переработки влажных и вязких материалов (подвижная плита, обогрев дробящих поверхностей). Для увеличения производительности подобных видов дробилок их выпускают с двумя роторами и двумя питателями (сдвоенные дробилки). Для обеспечения высокой степени дробления дробилки оборудованы колосниковыми решетками, которые для облегчения обслуживания и ремонта устанавливают на передвижную раму. С этой же целью дробилки оборудуют гидравлическими подъемниками. Для увеличения срока службы ударных элементов и молотков на них устанавливают съемные ребра из твердых сплавов. Используют также реверсивное движение ротора. Скорость вращения ротора в молотковых дробилках иногда регулируется, что позволяет менять степень дробления.[Бутт]Молотковые дробилки используют как для одностадийного, так и для вторичного дробления. Их применяют для первичного дробления хрупких неабразивных пород и известняков средней пластичности с влажностью не более 15%.для дробления сырьевых материалов повышенной влажности (мела, глины, трепела, опоки и других материалов, имеющих влажность до 35%) применяют специальные молотковые дробилки с подвижной плитой. Для дробления пород высокой прочности на первой стадии применяют молотковые дробилки ударно-отражательного действия.[Зозуля]

Грубоизмельченные сырьевые материалы подаются на усреднение в усреднительные склады. Усреднение сырья – это комплекс технологических и организационных мер, обеспечивающих в течение длительного времени колебание химического состава сырьевой смеси в узких заданных пределах, близких к оптимальным.

Основной тенденцией в технике обеспечения заданного состава сырьевой смеси является введение усреднительных складов сырья. На складах производится усреднение кусковых материалов. Они позволяют повысить качество приготовления стабильной по составу сырьевой смеси. Применение усреднительных складов снижает также капитальные и эксплуатационные затраты. В зависимости от климата усреднительные склады могут быть открытыми или закрытыми.

Для автоматического управления приготовлением шихты создают несколько штабелей: два для известняка с высоким и низким титрами, и если второй компонент – твердый материал, то еще и штабель глинистого сырья. После дробления в молотковой дробилке отбирают пробы и делают анализ на CaCO₃. По данным анализа, известняк подают в один из двух усреднительных штабелей известняка - с низким или высоким содержанием CaCO₃. Наибольшая степень усреднения обеспечивают вытянутые в длину штабеля. Кладку материала в штабель ведут узкими полосами, тонкими слоями, покрывающими всю площадь штабелирования, длинными наклонными слоями, конусами, сливающимися в штабель [Бутт].

При разгрузке штабеля иногда наблюдается сепарация материала по высоте штабеля, поэтому разгрузку ведут по всей площади торца, что обеспечивает высокую степень усреднения. Для разгрузки с торца созданы специальные машины. Такая машина передвигается вдоль штабеля. Бороны колеблются, разрыхляя материал под углом, равным углу естественного откоса. Материал собирается лопастным питателем и далее подается на ленточный транспортер.

Другой тип колесной разгрузочной машины представляет сочетание разрыхлительных борон, роторного экскаватора и реверсного ленточного транспортера. Применение колесных машин позволяет не только улучшить усреднение, но и увеличить емкость и размер усреднительных складов.

Степень усреднения сырьевых материалов на складах достаточна высока. Так, доставке с карьера известняка с колебанием по CaCO₃ ±10% после усреднения величина колебания содержания CaCO₃ уменьшается и составляет ±1%. Так при помоле шихты происходит усреднение всех компонентов шихты, то после мельницы в этом случае колебания по CaCO₃ не превышают ±0,3%. В том случае возможно использование шихты без дополнительного усреднения и корректирования.

Для завода производительностью 1,5 млн тонн/год усреднительный склад сырья включает два штабеля емкостью по 30 тыс. тонн каждый. Один из штабелей обеспечивает недельную работу завода, формирование же штабеля производится за меньшее время. Установка по формированию штабеля работает периодически. Выдача – непрерывная.

Получение сырьевой шихты

Сухой и тонкий размол сырья возможен, если влажность его составляет не более 1-2%. Поэтому техника измельчения сырья при сухом способе тесно связана с его сушкой. Возможны раздельная сушка и размол и совмещение измельчения с сушкой. Раздельную сушку используют, если сырье имеет влажность более 20%. Для сушки применяют барабанные сушилки, в которых подают дробленое сырье.

Важной тенденцией в развитии техники сушки является исполь­зование в качестве сушильного агента относительно низкотемпе­ратурных отходящих газов печей, а также стремление к интенси­фикации сушки в результате совмещения с измельчением (увеличе­ние тонкости подвергаемого сушке сырья, интенсивное смешение сырья и сушильных газов).

При совмещении сушки и размола используют два варианта схем: совмещение сушки с дроблением и совмещение сушки с размолом. Совмещение сушки с дроблением осуществляют:

1) подсушиванием сырья в дробилках;

2) сушкой сырья в мельницах для тонкого дробления.

При вклю­чении в технологическую схему дробилки-сушилки можно отка­заться от более сложных мельниц для одновременной сушки и из­мельчения. Если в дробилке с одновременной сушкой осуществля­ется подсушка сырья и мельница с одновременной сушкой в схеме сохраняется, то повышается производительность мельниц за счет снижения начальной влажности (с 8—10 до 2,5—3% абсолютных). При использовании молотковых дробилок для подсушки и приме­нении высокотемпературных газов из топки можно снизить влаж­ность сырья на 3%, если же используются отходящие газы печей — на 1%. В специальных дробильно-сушильных установках с ударны­ми дробилками влажность может быть снижена на 10% в первом случае и на 4% при использовании печных газов. При использова­нии современных дробилок-сушилок в измельчительной схеме уста­навливают более короткую мельницу (короче на 20%).

Для вязких, пластичных материалов (мергеля, мела, глины и т. п.) с влажностью до 30% фирма «Смидт» разработала специ­альную ударно-отражательную дробилку без выходной решетки со смесительной камерой, куда для подсушки материал подается специальным пластинчатым питателем. Одной из тенденций в технике тонкого измельчения в цементной промышленности является использование двухстадийного измель­чения, включающего мельницу грубого измельчения (тонкого дроб­ления) и трубную мельницу тонкого измельчения. Такая схема по­зволяет существенно повысить производительность установки в целом. В случае совмещения сушки с тонким дроблением в каче­стве мельницы-дробилки используют или короткие шаровые мель­ницы большого диаметра, или мельницы самоизмельчения типа «Аэрофол». Последние годы в цементной промышленности стали широко использовать мельницы самоизмельчения «Аэрофол», называемые иногда мельницами без мелющих тел, хотя это и неточно. На сырь­евом переделе их используют в двухстадийных схемах на первой стадии совмещенной сушки и грубого помола. Такие мельницы представляют короткий барабан большого диаметра D = 3,6—11 м при D/L = 2_,5 —4, торцовые днища которого имеют концентрические выступы треугольного профиля, причем барабан отфутерован пли­тами с подъемными ребрами извращается с частотой, равной 60— 95% критической. При скоростях менее 80% критической преобла­дает каскадный режим и мельница выдает более тонкий продукт; при частотах 85—90% от критических преобладает водопадный ре­жим и мельница выдает более грубый продукт. В мельницу подают сырьевой материал после первой стадии дробления с крупностью до 300—500 мм, причем мельница выдает продукт с тонкостью, характеризуемой 50—70% остатка на сите № 008, который выносит­ся из мельницы газовоздушным потоком.

При помоле твердого известняка мельница «Аэрофол» выдает продукт, зерновой состав которого характеризуется 8—10% фрак­ции более 500 мкм и 17—20% фракции менее 50 мкм готового про­дукта, поэтому целесообразно при сепарации после мельницы вы­делять крупку и готовый продукт. При работе мельницы «Аэрофол» с сепаратором частицы крупнее 1 мм возвращаются на доизмельчение в мельницу.

Введение в мельницу шаров существенно повышает производи­тельность мельницы, так как в мельнице образуется тонкая фрак­ция, которая уже не измельчается кусками материала. В мельницу добавляют шары размером 75—140 мм. При увеличении доли ша­ров возрастают потребляемая мощность и производительность мельницы, причем потребляемая мощность возрастает в большей степени. При некоторой определенной загрузке имеет место мак­симум производительности при минимуме удельного расхода энер­гии на измельчение. Этому отвечает коэффициент заполнения мель­ницы шарами, равный 4—8%. При оптимальной загрузке шарами в 5% объема мельницы (15—20% от объема общей загрузки) про­изводительность повышается на 70—100%.

В схемах совмещения сушки с помолом возможны варианты:

1) сушка материала в сепараторе, в который подаются горячие газы (совмещение сушки и сепарации); такие схемы применяют, если влажность сырья невысока, причем удается снизить влажность на 7—8% при использовании высокотемпературных газов из тонки и на 3—4% при использовании тепла отходящих газов печей;

2) сушка непосредственно в мельнице; в последнем варианте есть два подварианта:

а) транспорт продукта к проходному сепаратору осуществляется пневмоспособом — сушильным агентом, просасы­ваемым через мельницу;

б) материал к центробежному сепаратору транспортируется элеватором. Схемы с проходным сепаратором более просты и включают мельницы с соотношением L/D = 1,5—2. Через мельницу для осуществления пневмотранспорта необходимо пропускать большие потоки сушильного агента с невысокой темпе­ратурой (573—723 К).

В схемах с проходным сепаратором повышен расход энергии из-за применения пневмотранспорта муки из мельницы 68 — 79 МДж/т (19—22 кВтч/т сырьевой, муки), у мельниц с механи­ческим транспортом муки расход ниже на 14—18 МДж/т (4 —5 кВтч/т). Однако мельницы с проходными сепараторами применяют довольно широко, поскольку позволяют использовать отходящие газы печей. В мельницах с центробежными сепаратора­ми не нужна высокая скорость газового потока, и через них на­правляются небольшие объемы сушильного агента с температурой 873 — 923 К. Такие мельницы имеют две камеры с разгрузкой мате­риала на стыке первой и второй камер. Сырье и горячие газы по­дают в первую камеру. Крупка поступает в элеватор, где смешива­ется с материалом из второй камеры, и подается к сепаратору, который выделяет готовую муку, а крупка подастся через правую цапфу мельницы во вторую камеру. Вторая камера аспирируется, а поток отработанного сушильного агента и аспирационного воз­духа направляется на обеспыливание. На мельницах большой про­изводительности устанавливают два сепаратора, а крупку направ­ляют в первую и во вторую камеры. Установки строят производи­тельностью до 340 т/ч (D = 5,5 м; L = 15,6 м). При использовании высокотемпературных газов в таких мельницах можно перерабаты­вать сырье с влажностью до 14%, при использовании отходящих газов печей — с влажностью до 6—7%.

В мельницах-сушилках питание производят или с помощью виброжелобов (w до 8%), или ленточными питателями со сбрасывателями (w = 8—15%), или ящичными питателями (w до 35%) Важным компонентом установки является шлюзовой затвор, пред отвращающий подсос наружного воздуха. Шлюзовой затвор позволяет питать мельницу кусками материала повышенной влажности Сушильная производительность мельниц-сушилок достигает 5000 кг воды в час, проектируются на 10000 кг/ч.

Для совмещения помола и сушки сырья средней и небольшой твердости с влажностью до 18% используют среднеходные валко­вые мельницы, в которых встроен сепаратор. Сушку производят газами, причем можно использовать большие объемы отходящих газов печей. В этом случае в мельнице можно перерабатывать сырье с влажностью до 8%, при использовании топки — до 15% Крупность питания может достигать 60 мм. Гидравлическое сопротивление установки соответствует 450—600 Па. Выпускают валковые мельницы производительностью до 300—350 т/ч. Недостаток валковых мельниц — износ чаши и валков, выпуск продукта с повышенным содержанием грубых частиц — содержание фракции более 0,2 мм достигает 10% (после шаровых мельниц — 5%). Преимуществом валковых мельниц является их относительная бесшумность в работе, компактность и легкость автоматизации про­веса измельчения.

Валковые мельницы-сушилки более экономичны, обеспечивают снижение расхода энергии на размоле и позволяют перерабатывать более влажное сырье. Усовершенствованная валковая мельница оборудована чашей и валками, вращающимися в разные стороны, причем блок валков состоит из двух спаренных узких валков, установленных рядом со смещением к центру. В результате снижается износ валков и повышается тонкость измельчения, так как наруж­ный валок обеспечивает грубое измельчение, а внутренний — более тонкое. Применение пневматических прижимных устройств для валковых мельниц (сжатый газ в напорном резервуаре действует как пружина) позволяет быстро переналаживать систему на новое прижимное усилие и осуществлять постоянство давления валков независимо от высоты слоя материала.

Применяют также следующие технологические схемы: дробилка-сушилка и короткая мельница для одновременного размола сушки (установка типа «Тандем»). Установка оборудована про­шлым сепаратором, который обслуживает и мельницу, и дробилку. Если влажность сырья невелика, дробилка работает только как сушилка. При повышенной влажности через мельницу просасываются газы.

В связи с тенденцией использования сухого способа и в случае высоковлажного сырья вновь возвращаются к схеме с использования барабанных сушилок. Известна установка сушильного барабана (D = 5,2 м и L = 17 м) для сушки известняка и мергеля с влажностью 15—17% и производительностью 500 т/ч. Кроме того, при повышенной влажности сырья иногда устанавливают параллельно сушильный барабан для предварительной подсушки глины, который подключают во влажное время года. Для сушки сырья используют также сушилки взвешенного слоя непрерывного дейст­вия конусную трубу с колосниковой решеткой в узкой части, ад которую подают горячие газы. Одновременно в сушилке про­водит сепарация по крупности. Конусность снижает в верхней части скорость газов и уменьшает пылеунос. Если влажность сырья выше, чем это допустимо, для переработки в мельнице-сушилке, то подсушку осуществляют в трубе сушилки, устанавливаемой перед мельницей. В ФРГ при влажности сырья до 20% используют бегуны-сушилки производительностью до 250—500 т/ч. Разработана установка из двух дробилок, в которые подается и известняк и глина (дробление и перемешивание). Далее материал поступает в вертикальную распылительную сушилку с рассеивающими дисками. После подсушки материал подается в сепараторную мельницу, где осуществляются грубый помол и сушка в сепараторе. Затем материал поступает в мельницу тонкого помола. Общая производительность установки 340 т/ч.