В природе эта порошкообразная масса, использующаяся в основном в качестве вяжущего в процессе изготовления различных сухих смесей и растворов, не встречается. Цемент – продукт искусственный. Технологии его производства, их особенности, чем отличаются различные способы (например, сухой от мокрого) – тема этой статьи.
В стоимость любой продукции всегда закладываются транспортные расходы на доставку сырья. Именно поэтому большинство цементных заводов функционирует в регионах, где оно добывается. В качестве исходных компонентов используются определенная разновидность известняка (основной) и добавки (гипс и другие измельченные минералы). Их подбор зависит от марки цемента, которую требуется получить.
Основные этапы
1. Получение клинкера.
Самый дорогостоящий технологический этап, на который приходится до 65 – 75 % всех затрат на изготовление цемента. Клинкер – это смесь на основе извести и глины, являющаяся исходным сырьем для производства вяжущего. В общем виде схема выглядит так: подготовленную смесь заливают водой и дают отстояться в течение определенного периода, после чего она подвергается термической обработке в специальных печах (режим в пределах 1400 – 1500 °C), в результате которой отдельные фракции спекаются, и получается гранулированная масса.
2. Цемент.
Далее зерна клинкера подвергаются измельчению (помолу). На этом этапе изготовления промежуточного цементного продукта в сырьевую массу вводятся добавки, которые определяют конечные характеристики вяжущего. В зависимости от процентного содержания минералов он классифицируется по маркам.
Специфика производства портландцемента в том, что в сырье должны преобладать материалы с повышенным содержанием алюмосиликатов и оксида кальция. На практике этого можно достичь, если исходную массу готовить в пропорции 1 к 3 (глина/известняк).
Существует несколько технологий производства вяжущего. При выборе того или иного способа каждый завод по выпуску цемента ориентируется прежде всего на доступность конкретного типа сырья в данном регионе, возможности оборудования, энергетические мощности и ряд других факторов. А с учетом того, что при изготовлении продукта можно комбинировать с разновидностями добавок, их процентным содержанием – нюансов даже при однотипной технологии достаточно.
Способы заводского производства
1. «Мокрый».
Данная технология считается наиболее сложной и затратной. Схема мокрого способа в том, что первичная обработка основных компонентов в начале цикла производится раздельно. Измельченные фракции загружаются в оборудование, предназначенное для кратковременного хранения материалов в водной среде. После отмачивания продукты поступают в специальные мельницы, где все еще мокрые фракции превращаются в порошкообразную массу с одновременным перемешиванием всех ингредиентов.
Подготовленный шлам перемещается в шлюмбассейны (вертикальный + горизонтальный), в которых осуществляется процесс корректировки долевого соотношения составляющих цемента. По сути, определяется химическая формула конечного продукта. Далее – обжиг мокрого шлама в печи и охлаждение в холодильных установках. О цементе как таковом можно говорить только после окончательного измельчения его шлама, в результате чего и получается порошок в том виде, в котором он поступает на склад. После контроля качества вяжущее фасуется. В последнее время мокрый способ изготовления применяется все реже, так как существуют более простые и менее затратные технологии производства цемента.
2. Сухой способ.
Принципиальное отличие от мокрого – в измененной технологической схеме. Основное оборудование то же самое, но при сухом способе после предварительного измельчения сырья для цемента компоненты поступают в сушильные барабаны (каждый в свой). После этого они перемешиваются и дополнительно измельчаются в общей мельнице. Особенность сухого способа еще и в том, что на этом этапе вводятся добавки.
Дальнейший нюанс производства определяется видом и влажностью глины. Все сухие составляющие шлама по этому параметру необходимо «выровнять». С этой целью масса увлажняется, после чего отправляется на обжиг. Так как влажность промежуточного цементного продукта относительно невысокая (порядка 13 %), то для его осушения и получения гранул не требуется мощных печей и большого эн/потребления. Это позволяет определить сухую технологию как наиболее экономичный способ производства.
Есть и еще одна методика, которая считается очень рентабельной. Речь идет о производстве бесклинкерного цемента сухим способом. В чем разница? Сырьем для получения портландцемента являются не горные породы, а зольная пыль, по сути, отходы производства. Такая технология еще больше снижает затраты на эл/энергию (не требуется многоступенчатое дробление компонентов для портландцемента), доставку сырья и увеличивает выбор разновидностей сухого шлама. Данный способ привлекателен для тех, кто решил организовать собственное производство.
3. Полусухой.
Такое производство портландцемента несколько отличается от вышеописанного. Во-первых, размерами гранул шлама, во-вторых, его влажностью (она несколько больше), в-третьих, принципом обжига. Он производится в печах Леполь, конструкция которых при таком способе получения цемента обеспечивает уменьшение примерно на 22 – 22 % уровня карбонизации продукта. Далее то же самое – мелкий помол сухого материала и отправка в бункер для хранения.
4. Комбинированный способ.
В нем сочетается несколько технологий. Схема зависит от того, какой из способов получения портландцемента (сухой или мокрый) выбран в качестве базового. Хотя есть и другие варианты. Соответственно, подбирается и оборудование, необходимое для той или иной технологии изготовления.
Цемент собственного изготовления
Учитывая огромный спрос на данный стройматериал, многих интересует вопрос организации производства вяжущего в домашних условиях. Разовое производство, для себя, в каких-то определенных целях (заливка фундамента, капитальный ремонт и тому подобное) – нерентабельно. Во-первых, процесс изготовления материала связан с большим потреблением эл/энергии. А конечные затраты – это не только оплата счетов, но и необходимость прокладки новой силовой линии. Во-вторых, придется закупить соответствующее оборудование – печь и мельницу для помола. Если к этому добавить и стоимость всех компонентов, то производство цемента на дому – бесперспективно и убыточно.
Другое дело – предпринимательство. Сейчас на рынке много различного оборудования, из которого выйдет смонтировать поточную линию для изготовления вяжущего. Несмотря на то, что в основном все агрегаты «made in Китай», судя по отзывам на тематических форумах, существенных претензий к их работе по получению цемента нет. Затраты на мини-завод по производству стройматериала довольно быстро окупаются. К сожалению, данных о полной стоимости (в комплекте) в открытом доступе нет (везде указывается «уточняйте»), но можно сделать некоторые выводы, если ознакомиться с ценами на аналогичные образцы. Например, измельчитель твердых пород из Китая обойдется около 145 000 – 155 000 рублей.
Рентабельность несложно оценить самостоятельно, если ориентироваться и на цены вяжущего. 1 т цемента в среднем (с доставкой) обходится примерно в 3 450 рублей. Себестоимость его изготовления на своем небольшом заводе специалистами оценивается (в зависимости от технологии и схемы) в пределах 780 – 960 руб/т. Рыночная стоимость портландцемента еще выше – порядка 4 050 руб/т. Преимущества производства на своем оборудовании очевидны. Недаром собственный завод считается не просто выгодным, а высокоприбыльным бизнесом.
Сухой способ производства цемента
Производство портландцемента по сухому способу отличается от мокрого способа методом получения клинкера, которое складывается из следующих последовательно выполняемых операций(рис.2.3):
Рис. 2.3.
Известняк и глину предварительно дробят, затем высушивают до влажности примерно 1% и измельчают в сырьевую муку. Сушат известняк и глину либо раздельно (используя для этой цели сушильные барабаны или другие тепловые аппараты), либо совместно в сырьевых сепараторных мельницах, в которых одновременно осуществляются помол и сушка материалов. Последний способ более эффективен и применяется на большинстве новых заводов, работающих по сухому способу.
Для получения сырьевой муки определенного химического состава из мельниц ее направляют корректирующие силосы, куда дополнительно подается сырьевая мука с заведомо низким или высоким титром. В силосах мука тщательно перемешивается сжатым воздухом.
Обжиг сырьевой муки производится в виде гранул (зерен) размером до 25 мм. Грануляция смеси осуществляется в грануляторах барабанного или тарельчатого типа. Для обжига клинкера при сухом способе применяют вращающиеся печи, а также автоматические шахтные печи или другие более эффективные обжигательные аппараты -- вращающиеся печи с конвейерным кальцинатором, аппараты для обжига клинкера во взвешенном состоянии (последние находятся еще в стадии практического освоения).
При обжиге в шахтных печах топливо в виде раздробленного угля запрессовывается в гранулы; для этого в сырьевую смесь при ее измельчении в определенном количестве добавляют уголь, и он измельчается совместно с сырьевыми материалами (способ «черной муки») или сырьевая мука и уголь измельчаются раздельно, а затем смешиваются при формовании гранул (способ «белой муки»). Первый способ -- «черной муки» обеспечивает более разномерное распределение топлива в смеси и этим улучшаются процессы обжига; он является основным на отечественных заводах.
Шахтная печь представляет собой шахту, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Сырьевые материалы в виде гранул непрерывно загружаются в печь, а снизу шахты также непрерывно в виде клинкера выходят из шахты. В средней части печи происходит горение топлива (зона обжига); воздух для горения поступает снизу шахты.
Проходя через слой обожженного раскаленного клинкера, холодный воздух охлаждает его, а сам подогревается и в подогретом виде поступает в зону обжига. Образующиеся в зоне обжига дымовые газы удаляются через верхнюю часть шахты, проходя, таким образом, через слой свежезагруженного холодного материала, подогревая и высушивая его.
Противоточное движение газов и обжигаемого материала создает наилучшие условия использования тепла от сгорания топлива и отличает шахтные печи от вращающихся печей как высокоэффективные тепловые аппараты. Однако по качеству клинкера, производительности и трудоемкости они все же уступают вращающимся печам. Шахтные печи применяют на заводах относительно небольшой мощности -- до 200--400 тыс. г. цемента в год.
Рис. 2.4.
Рис. 2.4.
Несколько худшие условия обжига клинкера в шахтных печах по сравнению с обжигом во вращающихся приводят к повышенному содержанию в клинкере свободной СаО. Чтобы предупредить неравномерность изменения объема такого цемента, клинкер шахтных печей обязательно магазинируют, выдерживая на складе до четырех недель. Иногда применяют даже обрызгивание клинкера водой.
Дальнейшие технологические операции при сухом способе производства портландцемента -- подготовка гидравлических добавок и гипса, помол цемента, его хранение и отправка потребителю -- остаются аналогичными рассмотренным при мокром способе.
На рис. 2.4. представлена технологическая схема производства цемента по сухому способу.
Комбинированный способ производства портландцемента
Комбинированный способ производства портландцемента заключается, как отмечалось ранее, в подготовке сырьевых материалов по мокрому способу, а обжиге -- по схеме сухого способа. Основные технологические операции и последовательность их выполнения при комбинированном способе получения клинкера следующие(рис.2.5.):
Приготовленный в сырьевой мельнице шлам после его корректировки поступает в вакуум-фильтры, где он обезвоживается с влажности 35--40% до влажности 16--18%. Образующийся при этом «сухарь» (или «кекс») смешивается затем с печной пылью, уловленной фильтрами из дымовых газов; добавка пыли предотвращает слипание «сухаря», разрыхляет его и снижает остаточную влажность в нем до 12--14%.
Приготовленная таким образом сырьевая смесь поступает на обжиг, который может осуществляться по схеме сухого способа. Чаще при этом способе применяют вращающуюся печь с конвейерным кальцинатором.
Рис. 2.5. Схема комбинированного способа получения клинкера
На цементных заводах, работающих по мокрому способу, в качестве сырьевых материалов для производства портландцементного клинкера обычно используют мягкий глинистый и твердый известняковый компоненты. Технологическая схема производства цемента мокрым способом представлена на схеме 1.
Начальной технологической операцией получения клинкера является измельчение сырьевых материалов. Необходимость тонкого измельчения сырьевых материалов определяется тем, что однородный по составу клинкер можно получить лишь из хорошо перемешанной сырьевой смеси, состоящей из мельчайших частичек ее компонентов.
Куски исходных сырьевых материалов нередко имеют размеры до 1200 мм. Получить из таких кусков материал в виде мельчайших зерен можно только за несколько приемов. Вначале куски подвергаются грубому измельчению - дроблению, а затем тонкому помолу. Для грубого измельчения материалов применяют различные дробилки, а тонкое измельчение в зависимости от свойств исходных материалов производят в мельницах или в болтушках в присутствии большого количества воды.
При использовании в качестве известкового компонента мела, его измельчают в болтушках. Если применяют твердый глинистый компонент, то после дробления его направляют в мельницу.
Из болтушки глиняный шлам перекачивают в мельницу, где измельчается известняк. Совместное измельчение двух компонентов позволяет получать более однородный по составу сырьевой шлам.
В сырьевую мельницу известняк и глиняный шлам подают в определенном соотношении, соответствующем требуемому химическому составу клинкера. Однако даже при самой тщательной дозировке исходных материалов не удается получить из мельницы шлам необходимого химического состава из-за колебаний химического состава сырья одного и того же месторождения. Чтобы получить шлам заданного химического состава, его корректируют в бассейнах.
Схема 1. Мокрый способ производства портландцемента
Для этого в одной или нескольких мельницах приготовляют шлам с заведомо низким или высоким содержанием CаCO 3 (называемым титром) и этот шлам в определенной пропорции добавляют в корректирующий шламовый бассейн.
Приготовленный таким образом шлам, представляющий собой сметанообразную массу с содержанием воды до 35-45%, насосами подают в расходный бачок, откуда равномерно сливают в печь.
Для обжига клинкера при мокром способе производства используют вращающиеся печи (рис. 3). Они представляют собой стальной барабан длиной до 150-230 м и диаметром до 7 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом; производительность таких печей достигает 1000-3000 т клинкера в сутки.
Рис.3 Вращающаяся печь
а - размером 5х185 м; 1 - течка для подачи шлама, 2 - фильтр-подогреватель, 3 - цепная завеса, 4 - теплообменники, 5 - бандажи, 6 -подбандажная обечайка, 7 - венцовая шестерня привода барабана печи, 8 - привод печи, 9 - опорные ролики, 10 - орошающая установка, 11 - головка печи, 12 - холодильник;б - размером 3,6х3,3х3,6х150 м; 1 - течка, 2 - цепная завеса, 3 - бандажи, 4 - привод, 5 - венцовая шестерня, 6 - опорный ролик, 7 - орошающая установка, 8 - холодильник, 9 - головка печи.
Барабан печи устанавливают с уклоном 3-4 градуса. Шлам подают с поднятой стороны печи холодного конца, а топливо в виде газа, угольный пыли или мазута вдувают в печь с противоположной стороны (горячего конца). В результате вращения наклонного барабана находящиеся в нем материалы продвигаются по печи в сторону ее горячего конца. В области горения топлива развивается наиболее высокая температура: материала - до 1500 0 С, газов - до 1700 0 С, и завершаются химические реакции, приводящие к образованию клинкера.
Дымовые газы движутся вдоль барабана печи навстречу обжигаемому материалу. Встречая на пути холодные материалы, дымовые газы подогревают их, а сами охлаждаются. В результате, начиная от зоны обжига, температура газа вдоль печи снижается с 1700 до 150-200 0 С.
Из печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом.
Охлажденный клинкер отправляют на склад. В ряде случаев клинкер из холодильника направляют непосредственно на помол в цементные мельницы.
Перед помолом клинкер дробят до зерен размером 8-10 мм, чтобы облегчить работу мельниц. Измельчение клинкера производится совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками. Совместный помол обеспечивает тщательное перемешивание всех материалов, а высокая однородность цемента является одной из важных гарантий его качества.
Гидравлические добавки, будучи материалами сильно пористыми, имеют, как правило, высокую влажность (до 20-30% и более). Поэтому перед помолом их высушивают до влажности примерно 1%, предварительно раздробив до зерен крупностью 8-10 мм. Гипс только дробят, так как его вводят в незначительном количестве и содержащаяся в нем влага легко испаряется за счет тепла, выделяющегося в мельнице в результате соударений и истирания мелющих тел друг с другом и с размалываемым материалом.
Из мельницы цемент транспортируют на склад силосного типа, оборудованный механическим (элеваторы, винтовые конвейеры), пневматическим (пневматические насосы, аэрожелоба) или пневмомеханическим транспортом.
Отгружают цемент потребителю либо в таре - в многослойных бумажных мешках по 50 кг, либо навалом в контейнерах, автомобильных или железнодорожных цементовозах, в специально оборудованных судах. Каждая партия цемента снабжается паспортом.
Производство портландцемента осуществляется преимущественно мокрым или сухим способами в зависимости от приготовления сырьевой смеси.
Сырье для производства портландцемента должно содержать 75…78% СaCO3 и 22…25% глинистого вещества. В качестве сырья для производства портландцемента применяют известняки с высоким содержанием углекислого кальция (мел, мергели, плотный известняк) и глинистые породы (глины, глинистые сланцы), содержащие SiO2, Al2O3 и Fe2O3. В среднем на 1 т цемента расходуется около 1,5 т минерального сырья; примерное соотношение между карбонатным и глинистым составляющими сырьевой смеси 3:1 (то есть берется около 75% известняка и 25% глины).
Горные породы, удовлетворяющие указанным требованиям, в природе встречаются редко. Поэтому для производства портландцемента кроме известняков и глин применяют так называемые корректирующие добавки, содержащие значительное количество одного из оксидов, недостающих в сырьевой смеси.
Так, недостаточное количество SiO2 компенсируется введением высококремнеземистых веществ (опоки, диатомита, трепела). Увеличить содержание оксидов железа(Fe2O3) можно путем введения колчеданных огарков или руды. Повышение содержания глинозема Аl2О3 достигается добавлением высокоглиноземистых глин. Введенные в сырьевую смесь добавки корректируют химический состав сырьевой массы, регулируют температуру спекания смеси и кристаллизацию минералов клинкера.
Для производства портландцемента все шире используют побочные продукты промышленности. Весьма ценным сырьем являются доменные шлаки, содержащие необходимые для получения клинкера составные части (СаО, Si02, Аl2Оз, Fе2Oз). Нефелиновый шлам, получающийся при производстве глинозема, содержит 25 - 30% Si02 и 50 - 55% СаО; достаточно к нему добавить 15 - 20% известняка, чтобы получить сырьевую смесь. Использование нефелинового шлама повышает производительность печей примерно на 20% и снижает расход топлива на 20 - 25%.
Основной и наиболее эффективный вид топлива - природный газ, отличающийся высокой теплотворной способностью. Сокращается применение мазута и твердого топлива, приготовляемого в специальных установках для сушки и помола угля (антрацита, каменного угля). Теплотворная способность твердого топлива ниже, чем газообразного; углевоздушные смеси подвержены взрывам; зольность углей 10 - 20%, и зола, попадая в обжигаемую сырьевую смесь, искажает расчетный минеральный состав клинкера. Стоимость топлива составляет до 25% себестоимости готового цемента, поэтому на цементных заводах много внимания уделяется его экономии.
Подготовка сырья.
Производство портландцемента - сложный технологический и энергоемкий процесс, включающий:
1) добычу в карьере и доставку на завод сырьевых материалов, известняка и глины;
2) приготовление сырьевой смеси;
3) обжиг сырьевой смеси до спекания - получение клинкера;
4) помол клинкера с добавкой гипса - получение портландцемента;
5) магазинирование готового продукта.
Обеспечению заданного состава и качества клинкера подчинены все технологические операции. Приготовление сырьевой смеси состоит в тонком измельчании и смешении взятых в установленном соотношении компонентов, что обеспечивает полноту прохождения химических реакций между ними и однородность клинкера. Приготовление сырьевой смеси осуществляется сухим, мокрым и комбинированным способами.
При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды и смесь в виде жидкого шлама обжигают во вращающихся печах; при сухом способе материалы измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде. В последнее время все шире начинает применяться комбинированный способ приготовления сырьевой смеси, по которому сырьевую смесь подготовляют по мокрому способу, затем шлам обезвоживают и из него приготовляют гранулы, которые обжигают по сухому способу.
Каждый из способов имеет свои положительные и отрицательные стороны. В водной среде облегчается измельчение материалов и быстро достигается однородность смеси, но расход топлива на обжиг смеси в 1,5…2 раза больше, чем при сухом способе. Развитие сухого способа длительное время ограничивалось вследствие низкого качества получаемого клинкера. Однако успехи в технике помола и гомогенизации сухих смесей обеспечили качество портландцемента.
В настоящее время получает всемирное развитие сухой способ производства цемента с печами, оборудованными циклонными теплообменниками и реакторами-декарбонизаторами (рисунок-1). Производительность технологической линии с печью 4,5×80 м, циклонными теплообменниками и реактором-декарбонизатором составляет 3000 т клинкера в сутки.
При этом способе производства цемента расход топлива снижается на 30…40% по сравнению с мокрым, а металлоемкость печных агрегатов - в 2,5…3 раза. Намечается также освоение технологии и строительство цементных заводов с реактором-декарбонизатором с печами 5× ×100 м производительностью 5000 т клинкера в сутки.
◊ Сухой способ
Производство цемента по сухому способу экономичнее, чем по мокрому: отсутствует процесс образования шлама; можно совместить отдельные звенья технологической схемы в одном агрегате - мельницы самоизмельчения «Аэрофол», усреднительные склады, мельницы помола сырьевых материалов с подсушкой и др.
При сухом способе (рисунок-1) поступающие на завод сырьевые материалы в виде мергеля, известняка и глины подвергают дроблению в дробилках типа С-776 до зерен крупностью 2,5 мм (глинистый материал дробят в агрегатах с одновременной его сушкой). Приготовленный дробленый сырьевой материал ленточными транспортерами подают на склад сырья, где сырьевые компоненты усредняют (с помощью усреднительных машин) до установленного норматива по химическому составу и подают далее в бункера мельниц.
Рисунок-1. Технологическая схема производства цемента по сухому способу:
1-экскаватор; 2-самоходная дробилка; 3-роторная машина; 4-кран-перегружатель; 5-вагоно-опрокидыватель;6-приемные бункера сырья;7-дозирующее и транспортирующее устройство; 8-мельница предварительного измельчения «Аэрофол»;9-сепаратор;10-трубная мельница;11-топка; 12-циклон; 13-мельничный вентилятор; 14-кондиционер; 15-электрофильтр;16-аспирационный вентилятор; 17-дымовая труба; 18-механизм уборки пыли; 19-пневмокамерные насосы;20-корректирующие силосы; 21-расходные силосы; 22-расходный бункер постоянного уровня; 23-дозатор по массе; 24-пневмоподъемник; 25-рукавный фильтр; 26-циклонные теплообменники; 27-вращающаяся печь; 28-колосниковый холодильник; 29-вентилятор острого дутья; 30-вентилятор двойного подсоса;31-вентилятор общего дутья; 32-дробилка клинкера; 33-конвейер клинкера; 34-силосы; 35-регулировочный шибер; 36-дымосос; 37-вентилятор; 38-дозатор по массе; 39-конвейер; 40-трубная мельница; 41-элеватор; 42-сепаратор; 43-рукавный фильтр; 44-вагон -цементовоз;45-автоцементовоз; 46-весы; 47-цементный силос
Из последних сырьевые компоненты вместе с добавками через дозаторы по массе поступают в приемные устройства помольных агрегатов, где их измельчают до требуемой тонины, подсушивают за счет тепла отходящих газов из вращающихся печей и подвергают сепарации.
Измельченный в мельнице материал выгружают потоком газов через циклоны-разгружатели с помощью мельничного вентилятора. Далее мука поступает в коррекционные силосы, где она гомогенизируется и перегружается в расходные силосы.
Из силосов сырьевую смесь подают пневмоподъемниками в загрузочное устройство, оснащенное дозаторами по массе, и далее в циклонные теплообменники вращающейся печи. В теплообменниках сырьевая смесь нагревается встречными горячими газами вращающейся печи до температуры 750…800°С и частично декарбонизуется, после чего поступает в печь на обжиг.
Обжиг клинкера при сухом способе производства осуществляется во вращающихся печах с циклонными теплообменниками, состоящими обычно из четырех последовательно соединенных циклонов, через которые направляются отходящие из печи газы; навстречу газам сверху вниз через циклоны поступает сухая измельченная сырьевая шихта; за 25…30 с она нагревается до 750…800°С и декарбонизуется на 30…40%. Такая современная печь имеет производительность 3000 т/с при удельном расходе тепла 3,2…3,4 МДж/кг клинкера.
Техническим прогрессом является введение в систему циклонных теплообменников дополнительной диссоциационной ступени реактора-декарбонизатора (рис. 2), в котором сжигается до 60% топлива, предназначенного для обжига клинкера. В реакторе-декарбонизаторе происходит на 85…90% разложение карбоната кальция, а остальные 10…15% процесса диссоциации приходятся на долю вращающейся печи.
Рисунок-2. Новое в технологии цементного производства:
а)-печь с циклонными теплообменниками; б)-печь с циклонными теплообменниками и реактором -декарбонизатором; 1-печь; 2-циклонные теплообменники;3-реактор-декарбонизатор; 4-холодильник.
Установка декарбонизатора позволяет повысить съем клинкера с 1 м3 внутреннего объема печи в 2,5…3 раза, повысить производительность печей до 6000… 10000 т/сут, снизить удельный расход теплоты до 3,0…3,1 МДж/кг клинкера. Размеры установки невелики, и она может использоваться не только при строительстве новых заводов, но и при модернизации действующих печей с циклонными теплообменниками.
Таким образом, наиболее теплонапряженная стадия процесса обжига цементного клинкера - декарбонизация - выносится за пределы печи, в которой происходит только спекание клинкера, и она оказывается термически ненагруженной. Это дает возможность существенно повысить производительность печей при том же удельном расходе тепла на обжиг. Клинкер охлаждается до 60…80°С в колосниковом холодильнике и далее подается на измельчение в сепараторную мельницу.
Цемент транспортируют в силосы, из которых он идет на отгрузку навалом или через упаковочную машину в таре потребителю.
Известны вращающиеся печи полусухого способа производства, в них печь соединена с конвейерной решеткой, на которой через слой гранулированной сырьевой шихты дважды просасываются горячие печные газы; в результате в загрузочный конец печи поступает подогретая и частично декарбонизированная сырьевая шихта.
Расход тепла в этой печи размерами 4×60 м - около 3,5 МДж при производительности 42 т/ч. При комбинированном способе сырьевые материалы, подготовленные по мокрому способу, и шлам, имеющий влажность около 40%, обезвоживаются на фильтрах до влажности 16…18%. Из полученного «сухаря» приготовляют гранулы и обжигают их по схеме сухого способа.
Мокрый способ производства портландцемента
◊ Мокрый способ
По мокрому способу (рис. 3) сырьевые материалы, доставляемые из карьера на завод в кусках, подвергают предварительному измельчению (до крупности не более 5 мм). Твердые породы дробят в дробилках, а более мягкие (глина, мел) измельчают перемешиванием с водой в глиноболтушках. Болтушка представляет собой круглый железобетонный резервуар диаметром 5…10 м и высотой 2,5…3,5 м, футерованный чугунными плитами.
Рисунок-3. Технологическая схема производства портландцемента по мокрому способу:
1 - подача известняка из карьера; 2 - дробилка для известняка;3 - подача глины из карьера;4 - подача воды; 5 - бассейн для размешивания глины;6 - сырьевая мельница; 7-шлам-бассейны;8 - вращающаяся печь;9 - холодильник;10 - подача топлива; 11 - склад гипса;12 - элеватор для подачи гипса из дробилки в бункер;13 - склад клинкера;14 - шаровая мельница;15 - силосы для цемента;16 - упаковка цемента
Вокруг вертикальной оси в болтушке вращается крестовина с подвешенными в ней на цепях стальными граблями для измельчения кусков глины. Полученный в глиноболтушке шлам с влажностью около 45% выпускается через отверстие с сеткой и переначинается в трубную (шаровую) мельницу, куда непрерывно подается дробленый известняк.
Рисунок-4. Шаровая многокамерная мельница:
1,10-торцовое днище; 2-подшипник; 3-загрузочная воронка; 4-пустотелая цапфа; 5-межкамерные перегородки; 6-корпус; 7-крышка; 8-диафрагменная перегородка; 9-корпус; 11-лопасти, 12-разгрузочный конус; 13-кожух; 14-сито; 15-разгрузочный патрубок; 16-разгрузочные отверстия.
Трубная мельница (рис. 4) представляет собой стальной цилиндр длиной до 15 м, диаметром до 3,2 м, вращающийся на полых цапфах, через которые мельницу с одной стороны загружают, а с другой стороны - разгружают. Внутри мельница разделена перегородками с отверстиями на три камеры. В первой и второй камерах имеются стальные или чугунные шары, а в третьей - небольшие цилиндрики. Через полую цапфу шлам поступает в первую камеру трубной мельницы.
При вращении мельницы шары под действием центробежной силы и силы трения прижимаются к стенкам, поднимаются на некоторую высоту и падают, разбивая и растирая зерна материала. Трубные мельницы являются непрерывнодействующим оборудованием. Тонкоизмельченный материал в виде сметанообразной массы - шлама - подается насосом в шлам-бассейны,представляющие собой железобетонные или стальные резервуары цилиндрической формы.
В них окончательно корректируется химический состав шлама и создается некоторый запас для бесперебойной работы печей. Из бассейнов шлам поступает в баки, а затем равномерно подается во вращающуюся печь для обжига. Вращающаяся печь (рис. 5) представляет собой длинный цилиндр из листовой стали, облицованный внутри огнеупорным материалом.
Рисунок-5. Вращающаяся печь
1-сырьевая шихта; 2-горячие газы; 3-вращающаяся печь; 4-цепные завесы,улучшающие теплообмен; 5- привод; 6-водяное охлаждение зоны спекания печи; 7-факел; 8-подача топлива через форсунку; 9-клинкер; 10-холодильник; 11-опоры.
Длина печей 150…185…230 м, диаметр 4…5…7 м. Барабан печи установлен с наклоном 3,5…4° и вращается вокруг своей оси с частотой 0,5…1,4 мин -1 .Вращающиеся печи работают по принципу противотока.Шлам загружается с верхней стороны печи и передвигается к нижнему концу.Топливо в виде пыли каменного угля или газа вдувается вместе с воздухом с противоположного конца печи и сгорает, создавая температуру 1500°С.
Дымовые газы удаляются со стороны поднятого конца печи.Шлам перемещаясь вдоль барабана, соприкасается с горячими газами идущими ему на встречу и постепенно нагревается. Образованию портландцементного клинкера предшествует ряд физико-химических процессов,протекающих в определенных температурных границах-технологических зонах печного агрегата -вращающейся печи.
При мокром способе производства цемента по ходу движения обжигаемого материала условно выделяют следующие зоны: I-испарения, II-подогрева и дегидратации, III-декарбонизации, IV-экзотермических реакций, V-спекания, VI-охлаждения. Рассмотрим эти процессы начиная с поступления сырьевой смеси с печь, то есть по направлению с верхнего ее конца (холодного) к нижнему (горячему).
В зоне испарения при постепенном повышении температуры с 70 до 200 °С испаряется влага а сырьевая смесь подсушивается. Подсушенный материал комкуется.Перемещаясь комья распадается на более мелкие гранулы. В печах сухого способа зона испарения отсутствует.
В зоне подогрева при постепенном нагревании сырья с 200 до 700 °С выгорают органические примеси, из глиняных минералов удаляется кристаллохимическая вода (при 450 …500°С) и образуется безводный каолинит Аl2Оз· Si02.Зоны испарения и подогрева при мокром способе занимают 50…60% длины печи.
В зоне декарбонизации температура обжигаемого материала повышается с 700 до 1100°С.Происходит диссоциация карбонатов кальция и магния с образованием свободных (СаО, MgO).Одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды SiO2,Al2O3,Fe2O3, которые вступают в химическое взаимодействие с CaO. В результате этих реакций происходящих в твердом образуются минералы 3CaO·Al2O3,CaO·Al2O3 и частично 2CaO·SiO2.
В зоне экзотермических реакций при температуре 1200…1300°С завершается процесс твердофазового спекания материала, образуются 3CaO·Al2O3, 4CaO·Al2O3·Fe2O3, и белит, резко уменьшается количество свободной извести, но достаточное для насыщения двухкальциевого силиката до трехкальциевого.
В зоне спекания при температурах 1300… 1450… 1300°С происходит частичное плавление материала (20…30% обжигаемой смеси). В расплав переходят все клинкерные минералы, кроме 2CaO·SiO2, все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. Алит кристаллизуется из расплава в результате растворения в нем оксида кальция и двухкальциевого силиката.
Это соединение плохо растворимо в расплаве, вследствие чего выделяется в виде мелких кристаллов, которые в дальнейшем растут. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава 3СаО·Аl2О3, 4СаО·Аl2О3·Fе2О3 и MgO (в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения.
В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С, здесь полностью формируются его структура и состав, включающий алит C3S, белит C2S, С3А, C4AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие.
Границы зон во вращающейся печи достаточно условны и не являются стабильными. Меняя режим работы печи, можно смещать зоны и регулировать тем самым процесс обжига.
Образовавшийся таким образом раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом. Клинкер, выходящий из холодильника вращающихся печей с температурой около 100°С и более, поступает на склад для окончательного охлаждения и вылеживания (магазинирования), где он находится до 15 дней. Если известь содержится в клинкере в свободном виде, то в течение вылеживания она гасится влагой воздуха.
На высокомеханизированных заводах с четко организованным технологическим процессом качество клинкера оказывается настолько высоким, что отпадает необходимость его вылеживания. Помол клинкера совместно с добавками производят в трубных многокамерных мельницах.
Тонкое измельчение клинкера с гипсом и активными минеральными добавками в тонкий порошок производится преимущественно в сепараторных установках, работающих по открытому или замкнутому циклу.
Эффективная работа трубной мельницы обеспечивается охлаждением мельничного пространства путем его аспирации (вентилирования). Благодаря аспирации производительность мельниц растет на 20…25%, уменьшается пылевыделение, улучшаются условия труда. Для интенсификации помола вводят добавку - сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), при этом производительность мельниц увеличивается на 20…30%.
На современных цементных заводах помол портландцемента в открытом цикле проходит по следующей технологической схеме. Клинкер, гипс и активные минеральные добавки со склада подаются в бункера и дозируются тарельчатыми питателями. После измельчения цемент поступает через цапфу мельницы в аспирационную шахту, а из нее в бункер цемента и далее на склад.
Мельничное пространство аспирируется, запыленный воздух частично очищается в аспирационной шахте, а затем в циклонах и электрофильтре, далее собирается шнеком и направляется в расходный бункер цемента. Недостатком помола в открытом цикле является трудность получения цемента с высокой удельной поверхностью (до 400…500 м2/кг).
Мельницы, работающие в замкнутом цикле, дают более однородный по размеру зерен продукт большей удельной поверхности (4000…5000 см2/г); замкнутый цикл помола включает помольный агрегат и центробежный сепаратор, определяющий крупные зерна, возвращаемые на домол в первую камеру, а тонкая фракция домалывается в третьей камере, из которой выгружается готовый цемент. В полностью замкнутом цикле материал проходит через сепаратор дважды.
В последнее время получает распространение короткая трубная мельница, обычно двухкамерная, работающая в замкнутом цикле с сепаратором.
Готовый портландцемент (с температурой 100°С и более) пневматическим транспортом направляется в силосы для охлаждения. После этого его расфасовывают по 50 кг в многослойные бумажные мешки или загружают в специально оборудованный автомобильный, железнодорожный или водный транспорт.
Новый способ производства портландцемента
Новый способ производства портландцемента состоит в том что клинкер обжигают в солевом растворе хлоридов.При этом способе основная реакционная среда в печи (силикатный расплав) заменена солевым расплавом на основе хлорида кальция. В солевом расплаве ускоряется растворение основных клинкерообразующих оксидов (CaO, SiO2, Al2O3, Fе2О3) и образование минералов (алита, белита и др.) завершается при 1100…1150°С вместо обычных 1400…1500°С, что существенно снижает энергоемкость получения цементного клинкера. Полученный клинкер наряду с алитом содержит минерал, названный алинитом.
Алинит - это высокоосновный Аl-Сl-силикат кальция, содержащий около 2,5% хлорида. Клинкер, синтезированный в солевом расплаве, размалывается в 3…4 раза легче, чем обычный. Это позволяет снизить электрозатраты на помол и увеличить производительность цементных мельниц. При этом сокращается число помольных агрегатов.
Алинитовый цемент быстрее гидратируется в начальные сроки. Технология нового цемента осваивается на цементных заводах. Сейчас глубоко изучаются коррозионная стойкость бетона на этом цементе и поведение стальной арматуры в бетоне с учетом наличия в нем хлора. Все это позволит определить рациональные области применения алинитового цемента.
Общий расход энергии на 1 т цемента 325…550 МДж, причем минимальные энергетические затраты достигаются при сухом способе с применением декарбонизатора: на помол клинкера с добавками затрачивается 125… 180 МДж.
РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!Мокрый способ производства
На цементных заводах, работающих по мокрому способу , в качестве сырьевых материалов для производства портландцементного клинкера обычно используют мягкий глинистый и твердый известняковый компоненты. В этом случае технологическая схема производства цемента выглядит следующим образом:
Начальной технологической операцией получения клинкера является измельчение сырьевых материалов. Необходимость тонкого измельчения сырьевых материалов определяется тем, что однородный по составу клинкер можно получить лишь из хорошо перемешанной сырьевой смеси, состоящей из мельчайших частичек ее компонентов.
Куски исходных сырьевых материалов нередко имеют размеры до 1200 мм. Получить из таких кусков материал в виде мельчайших зерен можно только за несколько приемов. Вначале куски подвергаются грубому измельчению. дроблению, а затем тонкому. помолу. Для грубого измельчения материалов применяют различные дробилки, а тонкое измельчение в зависимости от свойств исходных материалов производят в мельницах или в болтушках в присутствии большого количества воды.
При использовании в качестве известкового компонента мела, его измельчают в болтушках. Если применяют твердый глинистый компонент, то после дробления его направляют в мельницу.
Из болтушки глиняный шлам перекачивают в мельницу, где измельчается известняк. Совместное измельчение двух компонентов позволяет получать более однородный по составу сырьевой шлам.
В сырьевую мельницу известняк и глиняный шлам подают в определенном соотношении, соответствующем требуемому химическому составу клинкера. Однако даже при самой тщательной дозировке исходных материалов не удается получить из мельницы шлам необходимого химического состава из-за колебаний химического состава сырья одного и того же месторождения. Чтобы получить шлам заданного химического состава, его корректируют в бассейнах.
Для этого в одной или нескольких мельницах приготовляют шлам с заведомо низким или высоким содержанием CаCO3 (называемым титром) и этот шлам в определенной пропорции добавляют в корректирующий шламовый бассейн.
Приготовленный таким образом шлам, представляющий собой сметанообразную массу с содержанием воды до 35-45%, насосами подают в расходный бачок, откуда равномерно сливают в печь.
Для обжига клинкера при мокром способе производства используют вращающиеся печи. Они представляют собой стальной барабан длиной до 150-230 м и диаметром до 7 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом; производительность таких печей достигает 1000-3000 т клинкера в сутки.
Барабан печи устанавливают с уклоном 3-40 гр. шлам подают с поднятой стороны печи. холодного конца, а топливо в виде газа, угольный пыли или мазута вдувают в печь с противоположной стороны (горячего конца). В результате вращения наклонного барабана находящиеся в нем материалы продвигаются по печи в сторону ее горячего конца. В области горения топлива развивается наиболее высокая температура: материала - до 15000 С, газов - до 17000 С, и завершаются химические реакции, приводящие к образованию клинкера.
Дымовые газы движутся вдоль барабана печи навстречу обжигаемому материалу. Встречая на пути холодные материалы, дымовые газы подогревают их, асами охлаждаются. В результате, начиная от зоны обжига, температура газа вдоль печи снижается с 1700 до 150-2000 С.
Из печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом.
Охлажденный клинкер отправляют на склад. В ряде случаев клинкер из холодильника направляют непосредственно на помол в цементные мельницы.
Перед помолом клинкер дробят до зерен размером 8-10 мм, чтобы облегчить работу мельниц. Измельчение клинкера производится совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками. Совместный помол обеспечивает тщательное перемешивание всех материалов, а высокая однородность цемента является одной из важных гарантий его качества.
Гидравлические добавки, будучи материалами сильно пористыми, имеют, как правило, высокую влажность (до 20-30% и более). Поэтому перед помолом их высушивают до влажности примерно 1%, предварительно раздробив до зерен крупностью 8-10 мм. Гипс только дробят, так как его вводят в незначительном количестве и содержащаяся в нем влага легко испаряется за счет тепла, выделяющегося в мельнице в результате соударений и истирания мелющих тел друг с другом и с размалываемым материалом.
Из мельницы цемент транспортируют на склад силосного типа, оборудованный механическим (элеваторы, винтовые конвейеры), пневматическим (пневматические насосы, аэрожелоба) или пневмомеханическим транспортом.
Отгружают цемент потребителю либо в таре - в многослойных бумажных мешках по 50 кг, либо навалом в контейнерах, автомобильных или железнодорожных цементовозах, в специально оборудованных судах. Каждая партия цемента снабжается паспортом.
Для выполнения всех технологических операций производства портландцемента применяется разнообразное оборудование - дробилки, мельницы, печи и т.д., которое объединяется в поточную линию. Схема расположения агрегатов представлена на генеральном плане цементного завода, работающего на пластичных сырьевых материалах и газообразном топливе.
Загрузка...
