Материал: Производство портландцемента сухим способом в городе Магнитогорск

После обжига клинкер пересыпается в холодильник, а после охлаждения направляется на склад. В ряде случаев клинкер из холодильников направляют непосредственно на помол в цементные мельницы. Перед помолом клинкер дробят. Дробление клинкера производится совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками.

Из мельницы цемент транспортируют на склад силосного типа (цементные силосы). Отгружают цемент потребителю либо в таре (бумажных мешках по 50 кг), либо навалом в автоцементовозах или в специальных железнодорожных вагонах.

Комбинированный способ. При комбинированном способе производства сырьевая смесь в виде шлама, полученного по мокрому способу производства, подвергается обезвоживанию и грануляции, а затем обжигается в печах, работающих по сухому способу.

Основные технологические операции и последовательность их выполнения при комбинированном способе производства портландцемента следующие.

Выходящий из сырьевой мельницы шлам влажностью 35-40% после его корректирования поступает в вакуум-фильтр или пресс-фильтр, где он обезвоживается до влажности 16-20%. Образующийся при этом «сухарь» смешивается затем с пылью, уловленной электрофильтрами из дымовых газов печи; добавка пыли предотвращает слипание кусков «сухаря» и приводит к уменьшению влажности смеси до 12-14%. Приготовленная таким образом смесь поступает на обжиг, который осуществляется во вращающихся печах.

Все остальные операции производства портландцемента по комбинированному способу не отличаются от соответствующих операций при мокром способе производства.

В России и США преобладает производство цемента по мокрому способу. Сухой способ широко используется в Японии, Германии, Италии. В 70-е годы в нашей стране началось интенсивное развитие производства портландцемента по сухому способу.

Обжиг сырьевой смеси как при сухом способе

Обжиг сырьевой смеси как при сухом способе производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Вращающаяся печь представляет собой длинный, расположенный слегка наклонно цилиндр (барабан), сваренный из листовой стали с огнеупорной футеровкой внутри. Длина печей 95-185-230 м, диаметр 5-7 м. В нашей стране стали применять вращающиеся печи, работающие по сухому способу, размером 7x95 м, производительностью 3000 т/сут при расходе теплоты на обжиг 3400 кДж/кг.

Вращающиеся печи работают по принципу противотока. Сырье в виде порошка подается автоматическим питателем в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20-30-метрового факела. Сырье занимает только часть поперечного сечения печи и при ее вращении со скоростью 1-2 об/мин медленно движется к нижнему концу навстречу горячим газам, проходя различные температурные зоны. Вращающуюся печь условно разделена на шесть температурных зон в зависимости от характера протекающих в них процессов. Рассмотрим эти процессы, начиная с поступления сырьевой смеси в печь, т. е. по направлению с верхнего ее конца (холодного) к нижнему (горячему).

В зоне испарения (сушки) происходит высушивание поступившей сырьевой смеси при постепенном повышении температуры с 70 до 200°С (в конце этой зоны), поэтому первую зону называют еще зоной сушки. Подсушенный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на более мелкие гранулы.

В зоне подогрева, которая следует за зоной сушки сырья, при постепенном нагревании сырья с 200 до 700°С сгорают находящиеся в нем органические примеси, из глиняных минералов удаляется кристаллохимическая вода (при 450-500°С) и образуется безводный каолинит Al2О3×2SiО2. Подготовительные зоны (испарения и подогрева) при мокром способе производства занимают 50-60 % длины печи (считая от холодного конца); при сухом же способе подготовка сырья сокращается за счет зоны испарения.

В зоне декарбонизации (ее протяженность 20-23% длины печи) температура обжигаемого материала поднимается с 700 до 1100°С; здесь завершается процесс диссоциации карбонатных солей кальция и магния и появляется значительное количество свободного оксида кальция. 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 происходит распад дегидратированных глинистых минералов на оксиды SiO2, А12Оз, Fе2O3, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО. В результате этих реакций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы ЗСаО-А12О3, СаО-А12О3 и частично 2CaO-SiO2.

В зоне экзотермических реакций (1100-1250°С) проходят твердофазовые реакции образования ЗСаО×А12О3; 4CaO-AI2O3-Fe2O3 и белита. Эти экзотермические реакции на сравнительно коротком участке печи (5-7% ее длины) сопровождаются выделением большого количества теплоты (до 420 кДж на 1 кг клинкера) и интенсивным повышением температуры материала (на 150-200°С).

В зоне спекания (1300-1450-1300°С) температура обжигаемого материала достигает наивысшего значения (1450°С), необходимого для частичного плавления материала и образования главного минерала клинкера - алита. В начале спекания, начиная с 1300°С, образуется расплав в количестве 20-30% объема обжигаемой массы из относительно легкоплавких минералов ЗСаО-А12О3, 4СаО-А12О3-Fе2О3, а также MgO и легкоплавких примесей. При повышении температуры до 1450°С в клинкерной жидкости растворяются 2CaO-SiO2 и СаО и из них в расплаве происходит образование алита ЗСаО-SiO2, проходящее почти до полного связывания оксида кальция (в клинкере СаО свободный не более 0,5-1%). Алит плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из него в виде мелких кристаллов, что влечет дальнейшее растворение в расплаве 2CaO-SiO2 и СаО. Процесс образования алита заканчивается за 15-20 мин пребывания материала в зоне спекания (ее протяженность 10- 15% длины печи). Поскольку при вращении печи частично расплавленный материал непрерывно перекатывается, мелкие частички слипаются в гранулы. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава ЗСаО-А12О3, 4СаО×А12О3-Fе2О3 и MgO (в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения, следующей за спеканием.

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С; здесь полностью формируются его структура и состав, включающий алит С3S, белит C2S, трехкальциевый аллюмиат C3A, целит C4AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

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

         Расчет состава сырьевой смеси для производства портландцементного клинкера

Клинкер - главный компонент цемента, получаемый в результате обжига до спекания сырьевой смеси, состоящей из природных горных пород - карбонатных (70-85%) и глинистых (20-25%) - и обеспечивающий преобладание высокоосновных силикатов кальция. Состав портландцемента характеризуется химическим и химико-минералогическим составом клинкера. Химический состав клинкера характеризуется содержанием оксидов кальция, кремния, алюминия, железа, магния и серы. В составе клинкера содержатся так же примеси щелочных металлов - оксиды калия, натрия, титана, и иногда фосфора. Химико-минералогический состав характеризуется содержанием оксидов и минералов его составляющих в процентах и выражается значениями коэффициента насыщения кремнезема оксидом кальция СаO и модулями.

Таблица 1 - Показатели коэффициента насыщения и модулей

КН - показатель, характеризующий неполную насыщенность кремнезема оксидом кальция в процессе клинкерообразования.

Силикатный модуль - представляет собой отношение процентного содержании в клинкере оксида кремния к сумме процентного содержания оксидов алюминия и железа

Глиноземный модуль - показывает процентное отношение содержания глинозема к содержанию оксида железа

Минералогический состав клинкера характеризуется следующими основными соединениями, измеряемыми в процентах: трехкальциевый силикат (алит) 40-75%, двухкальциевый силикат (белит) 5-25%, трехкальциевый алюмиат 2-15%, четырехкальциевый алюмоферрит 5-20%

Наиболее распространен способ расчета сырьевой смеси по значениям КН и модулей.

Число сырьевых компонентов должно быть на единицу больше числа заданных характеристик. Поэтому если задаются только величиной КН, то сырьевая смесь составляется из двух компонентов; если кроме КН задаются еще величиной одного из модулей, то сырьевая должна состоять из трех компонентов и т.д. Из задания следует, что сырьевая смесь будет состоять из 2-х компонентов (т. к. задан только коэффициент насыщения КН=0,95).

Рассчитаем химический состав сырьевой смеси и клинкера в городе Магнитогорске.

Таблица 2 - Исходный химический состав сырьевых компонентов

Для удобства расчетов и возможности контроля правильности вычислений химический состав сырьевых материалов, указанный в задание на курсовое проектирование в соответствии с районом проектирования завода, приводят к сумме, равной 100 %. Для этого умножают содержание каждого окисла на коэффициент k, определяемый путем деления 100 на сумму всех окислов.

Таблица 3 - Пересчет смеси на 100%

Расчет можно производить по КН или гидравлическому модулю. Оба они характеризуют основность сырьевой смеси, однако пользование КН более целесообразно, так как в его формуле учитывается, что окись кальция соединяется с кремнеземом, глиноземом и окисью железа не в одинаковых весовых соотношениях, а также, что при обжиге клинкера насыщение глинозема и окиси железа окисью кальция происходит практически всегда нацело и при недостатке СаО не полностью ею насыщается только кремнезем.

Произведем расчет двухкомпонентной сырьевой смеси по КН, т. е. Принимая, что в сырьевой смеси на 1 в. ч. второго компонента приходится х в. ч. первого, можно написать следующие равенства:

; ;

; .

Подставляя указанные значения С0, F0, А0 и S0 в упрощенную формулу КН, принятую для расчета сырьевой смеси

и решая полученное уравнение относительно X, получим расчетную формулу для определения соотношения между первым и вторым компонентами:

Таким образом на 1 весовую часть глины приходится 3,52363 весовых частей известяка. Сырьевая смесь будет состоять из 4,52363 весовых частей, при этом известняка будет 77, 89 %

, а глины - 22, 11 %

(y2 = 100%-77,89% = 22,11%).

Рассчитываем химический состав сырьевой смеси и клинкера. Для пересчета химического состава клинкера необходимо учесть происходящее при обжиге выгорание органических примесей (п.п.п.). Состав клинкера определяем путем пересчета состава сырьевой смеси на прокаленное вещество. Для удобства вычисления состава клинкера рекомендуется умножить количество каждого окисла на коэффициент z:

Таблица 4 - Пересчет смеси на процентное содержание компонентов

Для подтверждения правильности выполненных расчетов определяем величину КН, n и р модулей:

Выполним расчет минералогического состава клинкера

С3S = 4,07*67,23522 - 7,6*20,96898 - 6,72*6,30420 - 1,42*3,05337 = 273,64734- 159,36424 - 42,364224 - 4,3357854 = 67,583095