Сочетание мокрого способа производства цемента и сухого. Мокрый способ производства портландцемента. Изготовление цемента мокрым способом

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

Традиционно на всех цементных заводах существуют несколько методов производства, к ним относятся сухой, мокрый, полусухой и комбинированный.

В принципе, именно от выбранного способа производства напрямую зависят особенности производства сырьевых смесей. Основными способами являются мокрый и сухой; именно они приняты многими цементными заводами и именно такими способами производится основное количество всего качественного цемента в мире.

Различаются самые распространённые виды производства характером переработки сырьевого материала и физическими свойствами получаемой в производстве сырьевой смеси, которая в последующих производственных операциях поступает на обжиг.

В общем виде производства цемента складывается из следующих операций: добычи сырьевых материалов; приготовления сырьевой смеси, состоящей из дробления, помола в усреднения ее состава; обжиг сырьевой смеси (получение клинкера); помола клинкера в тонкий порошок.

В цементной промышленности применяют различные схемы измельчения сырьевых материалов, предусматривающие использование помольного оборудования различных типоразмеров. Существуют два основных способа помола - мокрый и сухой, в зависимости от вида подготовки сырья к обжигу, которые могут осуществляться по открытому и замкнутому циклам.

При мокром способе производстве измельчение сырьевых материалов, их перемешивание, усреднение и корректирование сырьевой смеси осуществляется в присутствии определенного количества воды, а при сухом все операции выполняются с сухим материалом.

В случае, когда сухую сырьевую муку гранулируют, добавляя при гранулировании необходимое для образования прочных гранул количество воды (до влажности 10-14%), такой способ называют полусухим.

При комбинированном способе подготовки сырья, размол его и перемешивание производится мокрым способом, после чего шлам механически или термически обезвоживается и поступает в печь для обжига.

Химический состав цемента определяется всем ходом его производства, но важнейшее значение имеет его завершающая стадия - процесс измельчения и смешивания клинкера с добавками.

Установлено, что качественный состав цементного клинкера получается при обжиге во вращающихся печах сырьевой смеси, не содержащей частиц крупнее 0,1 мм и с небольшим содержанием очень мелких фракций. Этого и добиваются, совершенствуя схемы и способы помола исходных сырьевых материалов.

Способ производства цемента выбирают в зависимости от технологических и технико-экономических факторов: свойств сырья, его однородности и влажности, наличия достаточной топливной базы и т.д. При сухом способе производства цемента выбор схемы зависит от физических и химических свойств сырья и складывается из следующих операции.

После выхода из дробилки известняк и глину высушивают до влажности примерно 1 %. после чего измельчают в сырьевую муку. Помол и сушку ведут в одном аппарате - сепараторной мельнице. Этот способ более эффективен и применяется на большинстве заводов, работающих по сухому способу.

Сырьевую муку заданного химического состава получают путем дозирования сырьевых компонентов в мельницу с последующим усреднением и корректированием сырьевой шихты в специальных смесительных силосах, куда дополнительно подается сырьевая мука с заведомо высоким или низким титром.

Затем подготовленная сырьевая смесь поступает в систему циклонных теплообменников, состоящую из нескольких ступеней циклонов. Время пребывания смеси в циклонных теплообменниках не превышает 25-30с. Из циклонов материал подается в печь, откуда клинкер пересыпается в холодильник. После охлаждения отправляется на склад.

Другие технологические операции при сухом способе производства- подготовка добавок и гипса, помол цемента его хранение и отправка потребителю - такие, как и при мокром способе. Схема производства цемента по сухому способу представлена на рисунке 4.

Сухой способ производства цемента.

Рисунок 4 - Схема сухого способа производства цемента

Описание процесса обжига в производстве цемента по сухому способу

технологический цементный обжиг

Данный способ считается наиболее экономически выгодным. Особенность его в том, что на всех стадиях используются материалы только в сухом состоянии. Выбор схемы производства цемента определяется химическими и физическими характеристиками сырья. Наиболее востребованным признано изготовление материалов во вращающихся печах, в котором используются глина и известняк.

После того, как глина и известняк прошли измельчение в дробилке, их сушат до требуемого состояния (влажность - не более 1%). Просушка и измельчение производиться в сепараторной машине, после чего смесь отправляется в циклонные теплообменники, где находиться не более 30 секунд.

Рисунок 5 - Технологическая схема производства цемента сухим способом: 1 - циклоны, 2 - декарбонизатор, 3 - вращающаяся печь, 4 - клинкерный холодильник

Портландцемент и его разновидности являются основным вяжущим материалом в современном строительстве. В СССР его производство составляет около 65 % от выпуска всех цементов.

Портландцемент - продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания, т. е. частичного плавления сырьевой смеси, обеспечивающей преобладание в нем высокоосновных силикатов кальция (70...80 %). Для регулирования схватывания и некоторых других свойств при помоле клинкера в цемент добавляют небольшое количество гипса (1,5...3,5 %). В соответствии с ГОСТ 10178-85 за таким бездобавочным цементом сохранено название портландцемент (ПЦ-ДО). Ш Сырье и производство.

Для получения доброкачественного портландцемента химический состав клинкера, а следовательно, и состав сырьевой смеси должны быть устойчивы.

Многочисленные исследования и практический опыт показывают, что элементарный химический состав клинкера должен находиться в следующих пределах (% по массе): СаО - 63...66; SiO2 - 21...24; А12О3 - 4...8; Ре2Оз - 2...4, их суммарное количество составляет 95... ...97 %. Следовательно, для производства портландцемента следует применять такие сырьевые материалы, которые содержат много карбоната кальция и алюмосиликатов (известняки, глины, известковые мергели). Чаще используют искусственные сырьевые смеси из известняка или мела и глинистых пород при соотношении между ними в сырьевой шихте примерно 3:1 (% по массе): СаСО3 - 75...78 и глинистого вещества - 22...25. Вместо глины или для частичной ее замены используют также отходы различных производств (доменные шлаки, нефелиновый шлам и т. п.). Нефелиновый шлам, получающийся при производстве глинозема, уже содержит 25...30 % SiOЈ и 50...55 % СаО; достаточно к нему добавить 15...20 % известняка, чтобы получить сырьевую смесь. При этом производительность печей повысится примерно на 20 %, а расход топлива снизится на 20...25 %. Для обеспечения нужного химического состава сырьевой смеси применяют корректирующие добавки, содержащие недостающие оксиды. Например, количество S1O2 повышают, добавляя в сырьевую смесь трепел, опоку. Добавление колчеданных огарков увеличивает содержание Fe2O3.

В качестве топлива используют природный газ, реже мазут и твердое топливо в виде угольной пыли. Стоимость топлива составляет до 26 % себестоимости готового цемента, поэтому на цементных заводах много внимания уделяется его экономии.

Технология портландцемента в основном сводится к приготовлению сырьевой смеси надлежащего состава, ее обжигу до спекания (получают клинкер) и помолу в тонкий порошок.

Сырьевую смесь приготовляют сухим или мокрым способом (см. 5.2). В соответствии с этим различают и способы производства цемента - сухой и мокрый. В СССР преобладает мокрый способ производства цемента, но все шире внедряется сухой. Важнейшим преимуществом сухого способа производства является не только снижение расхода теплоты на обжиг в 1,5...2 раза, чем при мокром, но и более высокие удельные съемы в печах сухого способа.

Обжиг сырьевой смеси чаще осуществляют во вращающихся печах, но иногда (при сухом способе) в шахтных.

Вращающаяся печь (5.2) представляет собой сварной стальной барабан длиной до 185 м и более, диаметром до 5...7 м, футерованный изнутри огнеупорными материалами. Барабан уложен на роликах под углом 3...4° к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. Благодаря этому сырьевая смесь, загруженная в верхнюю часть печи, постепенно перемещается к нижнему концу, куда вдувают топливо, продукты горения которого просасываются навстречу сырьевой смеси и обжигают ее. Характер процессов, протекающих при обжиге сырьевой смеси, приготовленной по сухому и мокрому способам, по существу, одинаков и определяется температурой и временем нагревания материала в печи. Рассмотрим эти процессы.

В зоне сушки поступающая в верхний конец печи сырьевая смесь встречается с горячими газами и постепенно при повышении температуры с 70 до 200 °С (зона сушки) подсушивается, превращаясь в комья, которые при перекатывании распадаются на более мелкие гранулы. По мере перемещения сырьевой смеси вдоль печи происходит дальнейшее постепенное ее нагревание, сопровождаемое химическими реакциями.

В зоне подогрева при 200...700 °С сгорают находящиеся в сырье органические примеси, удаляется химически связанная вода из глинистых минералов и образуется безводный каолинит Al2O3-2SiO2. Подготовительные зоны (сушки и подогрева) при мокром способе производства занимают 50...60 % длины печи, при сухом же способе подготовки сырья длина печи сокращается за счет зоны сушки.

В зоне декарбонизации при температуре 700... s..l 100 °С происходит процесс диссоциации карбонатов кальция и магния на CaO, MgO и СО2, алюмосиликаты глины распадаются на отдельные оксиды SiO2, A12O3 и Fe2O3 с сильно разрыхленной структурой. Термическая диссоциация СаСО3 - это эндотермический процесс, идущий с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг СаСО3), поэтому потребление теплоты в третьей зоне печи наибольшее. В этой же зоне оксид кальция в твердом состоянии вступает в реакцию с продуктами распада глины с образованием низкоосновных силикатов, алюминатов и ферритов кальция (2CaO-SiO2, СаО-АШ3, 2CaO-Fe2O3).

В зоне экзотермических реакций обжигаемая масса, передвигаясь, быстро нагревается от 1100 до 1300°С, при этом образуются более основные соединения: трех-кальциевый алюминат ЗСаО-А12О3(С3А), четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO-Al2O3-Fe2O3(C4AF), но часть оксида кальция еще остается в свободном виде. Обжигаемый материал агрегируется в гранулы.

В зоне спекания при 1300...1450 °С обжигаемая смесь частично расплавляется. В расплав переходят С3А, C4AF, MgO и все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. По мере появления расплава в нем растворяются C2S и СаО и, вступая во взаимодействие друг с другом, образуют основной минерал клинкера - трехкальциевый силикат 3CaO-SiO2(C3S), который плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из расплава в виде мелких кристаллов, а обжигаемый материал спекается в кусочки размером 4...25 мм, называемые клинкером.

В зоне охлаждения (заключительная стадия обжига) температура клинкера понижается с 1300 до 1000 °С, происходит окончательная фиксация его структуры и состава, включающего C3S, C2S, C3A, C4AF, стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

По выходе из печи клинкер необходимо быстро охладить в специальных холодильниках, чтобы предотвратить образование в нем крупных кристаллов и сохранить в не-закристаллизованном виде стекловидную фазу. Без быстрого охлаждения клинкера получится цемент с пониженной реакционной способностью по отношению к воде.

После выдержки на складе (1...2 недели) клинкер превращают в цемент путем помола его в тонкий порошок, добавляя небольшое количество двуводного гипса. Готовый портландцемент направляют для хранения в силосы и далее на строительные объекты.

Сухой способ производства цемента значительно усовершенствован. Наиболее энергоемкий процесс - декарбонизация сырья - вынесен из вращающейся печи в специальное устройство - декарбонизатор, в котором он протекает быстрее и с использованием теплоты отходящих газов (5.3). По этой технологии сырьевая мука сначала поступает не в печь, а в систему циклонных теплообменников, где нагревается отходящими газами и уже горячей подается в декарбонизатор. В декарбонизаторе сжигают примерно 50 % топлива, что позволяет почти полностью завершить разложение СаСО3. Подготовленная таким образом сырьевая мука подается в печь, где сжигается остальная часть топлива и происходит образование клинкера. Это позволяет повысить производительность технологических линий, снизить топливно-энергетические ресурсы, примерно вдвое сократить длину вращающейся печи, соответственно улучшить компоновку завода и занимаемой им земельной территории.

В СССР создана низкотемпературная солевая технология производства цемента, базирующаяся на открытии советских ученых. Сущность открытия заключается в установлении нового явления - образования высокоосновного силиката кальция - алинита, близкого по составу к алиту в области температур 9ОО...11ОО°С, т. е. значительно ниже температур кристаллизации трехкальциевых силикатов - алитов. Алинит, являющийся основной вяжущей фазой портландцементных клинкеров нового типа, обусловливает их высокую гидравлическую активность. Вхождение анионов хлора в структуру является обязательным условием образования алинита и клинкеров нового типа. Введение в шихту, например, 10... 12 % СаС12 сопровождается образованием хлоркальциевого расплава при чрезвычайно низких температурах (600...800 С), что смещает все основные реакции образования минералов в область температур 1000... 1100 "С и позволяет получать клинкер при пониженных температурах.

Внедрение новой технологии позволит сократить удельные расходы топлива, резко повысить производительность печей и помольного оборудования.

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!

Цемент пользуется огромной популярностью в строительстве. Его применяют как самостоятельно, так в качестве компонента многих строительных составов (к примеру, в производстве железобетона и бетона). Изготовление цемента – дорогостоящий и энергоемкий процесс. Заводы размещают в непосредственной близости к месту добычи сырья, из которого в дальнейшем будет создаваться продукт.

Производство цемента включат 2 этапа:

• получение клинкера,
• измельчение клинкера и введение добавок.

На получение клинкера приходится приблизительно 70% себестоимости стройматериала.

Начинается все с добычи сырьевых материалов. Как правило, добыча известняка осуществляется путем сноса части горы, после которого открывается слой желто-зеленого известняка. Глубина залегания известнякового слоя – приблизительно 10 м, толщина – в среднем 0,7 м. После того, как сырье доставлено на завод, производится обжиг в специальной печи при температуре +1450°С, в результате которого получают клинкер.

На второй стадии производства цемента осуществляют дробление клинкера, гипсового камня, сушка добавок. Затем производится помол клинкера вместе с добавками и гипсом. Гипс добавляют в размере 5% от общей массы, добавки вводят в зависимости от типа смеси.

Однако, учитывая тот факт, что технические и физические характеристики сырьевого материала могут отличаться, для каждого типы сырья предусмотрен свой способ подготовки.

Способы производства цемента:

• мокрый,
• сухой,
• комбинированный.

Изготовление цемента мокрым способом

Мокрый способ предусматривает изготовление цемента с применением карбонатного компонента (мела) и силикатного компонента (глины). Также используются железосодержащие добавки (пиритные огарки, конверторный шлам и пр.). Влажность мела не должна быть более 29%, а влажность глины – не выше 20%. Называется этот способ производства цемента тому, потому что измельчение сырья осуществляется в воде, на выходе образуется шихта в виде суспензии на водной основе. Влажность шихты – 30-50%. Далее производится обжиг шлама в печи, в результате которого выделяется углекислота. Образовавшиеся шарики-клинкеры перемалывают в тонкий порошок под названием цемент.

Данный способ по праву считается наиболее экономически выгодным. Особенность его в том, что на всех стадиях используются материалы только в сухом состоянии. Выбор схемы производства цемента определяется химическими и физическими характеристиками сырья. Наиболее востребованным признано изготовление материалов во вращающихся печах, в котором используются глина и известняк.

После того, как глина и известняк прошли измельчение в дробилке, их сушат до требуемого состояния (влажность - не более 1%). Просушка и измельчение производиться в сепараторной машине, после чего смесь отправляется в циклонные теплообменники, где находится не боле 30 секунд. Далее идет стадия, на которой производиться обжиг сырья с дальнейшим перемещением в холодильник. Затем клинкер направляется на склад, где происходит его перемалывание и фасовка. Подготовка гипса и добавок, а также хранение и транспортировка цемента идентичны тем, которые производятся при мокром способе.

Комбинированный вариант производства цемента

Шлам получают «мокрым» способом, после чего смесь обезвоживается в специальных фильтрах до того момента, пока уровень влажности не достигнет 16-18%. Далее сырье отправляют на обжиг. Второй вариант комбинированного способа производства цемента предусматривает сухое изготовление сырьевой массы, в которую затем вводят 10-14% воды и гранулируют. Размер гранул не должен превышать 15 мм. Далее производится обжиг.

Для каждого способа производства используют свое оборудование и определенную последовательность операций.

Современные производства ориентируют деятельность на получение материала сухим методом. Его по праву считают будущим цементной промышленности.