Производство портландцемента

 

Производство портландцемента состоит из следующих технологических операций:

- приготовление сырьевой смеси и подготовка ее к обжигу;

- обжиг смеси заданного состава и получение клинкера;

- охлаждение клинкера и его помол.

В зависимости от вида подготовки сырьевой смеси для ее обжига существует два способа производства портландцементного клинкера: мокрый и сухой.

Выбор способа определяется главным образом качеством сырья. Может быть два случая:

1) сырье неоднородно по химическому составу, имеет повышенную влажность, крупные включения. В этом случае целесообразен мокрый способ производства клинкера.

2) При использовании сырья однородного по составу, с малой влажностью, высокой твердостью – применяют сухой способ.

При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды, и смесь обжигают в виде жидкого шлама во вращающихся печах.

При сухом способе сырье измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде.

Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки. В мокром способе облегчается измельчение материалов, поскольку оно совершается в большом присутствии воды (40...50 %), при этом быстро достигается хорошая однородность смеси.

Мокрый способ целесообразно использовать при применении в качестве сырья мела, сырой глины, что снижает расход электроэнергии на измельчение сырьевой смеси. При этом способе облегчается транспортирование сырьевой смеси, но расход топлива на обжиг в 1,5...2 раза выше, чем при сухом способе.

Производство портландцемента мокрым способом. Процесс осуществляется по следующей технологической схеме (рис. 4.5).

Сырьевые материалы, доставляемые из карьера на завод в кусках, предварительно измельчают до крупности не более 5 мм. Мягкие породы (глина, мел) измельчают путем перемешивания с водой в глиноболтушках, а твердые породы дробят в дробилках.

Болтушка – круглый железобетонный резервуар (диаметр 5...10 и высота 2,5...3,5 м). В болтушке вокруг вертикальной оси вращается крестовина с подвешенными к ней на цепях стальными граблями для измельчения кусков глины (рис. 4.6).

Получаемый в глиноболтушке шлам с влажностью около 50 % выпускается через отверстие с сеткой и перекачивается в трубную мельницу, куда непрерывно подается известняк.

Трубная мельница – это стальной цилиндр длиной до 15 м и диаметром до 3,2 м, который вращается на полых цапфах, через которые мельницу загружают и выгружают (рис. 4.7).

Внутри мельница разделена перегородками с отверстиями на три камеры: в первой и второй помещены стальные или чугунные шары, а в третьей – небольшие цилиндрики. Через полую цапфу шлам поступает в первую камеру трубной мельницы, а затем в другие отсеки. Трубные мельницы являются непрерывно действующими агрегатами. Из трубной мельницы тонкоизмельченный материал в виде сметанообразной массы (шлама) подается насосом в шлам-бассейны (рис. 4.8), которые представляют собой железобетонные или стальные резервуары цилиндрической формы. В них окончательно корректируется химический состав шлама и создается определенный запас для бесперебойной работы печей. Во избежание застывания шлама в бассейне, его периодически перемешивают струей сжатого воздуха или механическими мешалками.

Из шлам-бассейнов шлам поступает в баки, а оттуда подается во вращающуюся печь для обжига (рис. 4.9).

Вращающаяся печь представляет собой длинный цилиндр из листовой стали, облицованный внутри огнеупорным материалом. Барабан печи установлен с наклоном 3...4 º и вращается вокруг своей оси со скоростью 0,5...1,4 об/мин. Шлам загружается в верхней стороне печи и передвигается к нижнему ее концу (навстречу факелу сжигаемого топлива). Топливо в виде газа, мазута или пыли каменного угля вдувается вместе с воздухом с противоположного нижнего конца печи и сгорает, создавая внутри печи температуру обжига до 1450...1500 ºС.

Температурные зоны и процессы, совершающиеся в печи, показаны на рис. 4.10. Дымовые газы удаляются со стороны приподнятого конца печи.

Шлам перемещается вдоль барабана и, встречаясь со встречными горячими газами, постепенно нагревается и в нем совершаются различные физико-химические процессы.

Вначале испаряется физически связанная вода, масса высыхает и образуются комья. Затем выгорают органические вещества и начинается дегидратация – удаление химически связанной воды. При температуре 800...950 ºС карбонат кальция разлагается по реакции:

СаСО₃ → СаО + СО₂.

Углекислый газ удаляется вместе с продуктами сгорания топлива, а СаО в диапазоне температур 1000...1450 ºС вступает в химическую реакцию с оксидами глины (SiO₂, Aℓ₂O₃, Fe₂O₃) и образует так называемый портландцементный клинкер – пористые гранулы серого цвета. Составные части клинкера представляют известные минералы (см. п. 4.4.1): алит, белит, алюминат и целит. При этом главнейшим из них является трехкальциевый силикат – 3СаО·SiO₂ (алит).

Охлаждение клинкера.

Получившийся раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается движущимся навстречу холодным воздухом. Такое быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы аморфизированные минералы сразу не кристаллизовались. Клинкер, выходящий из печи, охлаждается от температуры 1200-1000 ºС до 100-200 ºС в барабанах рекуператорах и других холодильниках воздухом, идущим навстречу клинкеру, или просасыванием воздуха через слой клинкера. Холодный воздух, подаваемый через холодильники, охлаждает клинкер и в подогретом состоянии поступает в печь.

В охлажденном виде клинкер поступает на склад для окончательного охлаждения и вылеживания в течение 15...20 суток.

Вылеживание необходимо, чтобы влагой воздуха гасился оксид кальция (СаО), если известь содержится в клинкере в свободном состоянии. Это приводит к уменьшению твердости клинкера, что сокращает расход энергии при его помоле, а также уменьшает время помола.

На современных высокомеханизированных заводах качество клинкера оказывается настолько высоким, что необходимость вылеживания отпадает.

Качество цементного клинкера характеризуют не только химическим и минеральным составом, но и численными значениями модулей, выражающих соотношения между количествами главнейших оксидов, взятыми в процентах.

Характеристика клинкера по численным значениям модулей дается на основании сведений о процентном содержании главных оксидов в составе клинкера.

Гидравлический, или основной, модуль (ОМ) выражает отношение количества связанного оксида кальция к количеству кислотных оксидов:

Силикатный, или кремнеземистый, модуль (СМ) показывает соотношение между количеством кремнезема, вступившего в реакцию с другими оксидами, и суммарным содержанием в клинкере глинозема и оксида железа:

СМ определяет в цементе соотношение между минералами-силикатами и минералами-плавнями (алюмоферритной и алюминатной составляющими клинкера).

Для обычного портландцемента СМ = 1,7...3,5, для сульфатостойкого повышается до 4 и более.

Глиноземный, или алюминатный, модуль (ГМ) представляет собой отношение содержания глинозема к содержанию оксида железа:

ГМ определяет в клинкере соотношение между трехкальциевым алюминатом и железосодержащими соединениями.

 

Сухой способ. Наиболее распространен сухой способ производства цемента. Он применяется в том случае, когда сырьем являются мергели или смеси твердых известняков и глин небольшой влажности. Тонкоизмельченная сухая сырьевая смесь перед обжигом гранулируется в виде зерен 20...40 мм и подается на обжиг.

Схема производства цемента сухим способом (в шахтных печах) приведена на рис. 4.11, а технологическая структурная схема – на рис. 4.12.

В республике построен (введена первая очередь) крупнейший в Европе Белорусский цементный завод (БЦЗ), работающий на местных мело-мергелистых породах по сухому способу.

Технология включает двухстадийный помол и сушку сырьевой шихты в комплексном агрегате, включающем: мельницу сухого самоизмельчения (МСС) «Аэрофол» и молотковую тангенциальную мельницу (ММТ). Для сушки используется тепло отходящих газов вращающейся печи и газов от автономной топки.

На БЦЗ отмечена высокая активность получаемого клинкера, при которой прочностные показатели при 28 суточном твердении превышают 50 МПа. Такое качество клинкера является пока недостижимым для большинства цементных заводов сухого способа производства.

Одним из эффективных новшеств, примененных на БЦЗ, является изменение энергоснабжения, заключающееся в использовании газотурбинных установок (ГТУ). При сухом способе производства цемента работа ГТУ, кроме снижения стоимости потребляемой электроэнергии (ГТУ дополнительно дает часть этой энергии), обеспечивается сокращение расхода топлива на обжиг клинкера за счет использования тепла отходящих газов ГТУ с температурой до 500 ºС на сушку сырьевой смеси.

Перспективным оказалось использование на БЦЗ по предложению «НИИСМ» щелочного стока производства капролактама (ЩСПК) Гродненского ПРУП «Азот» в качестве интенсификатора помола цемента. Ввод отхода в количестве 0,05-0,1 % в цементные мельницы обеспечил повышение их производительности при работе как в открытом, так и в замкнутом циклах минимум на 10 %. При этом отмечено повышение подвижности получаемого цемента, что улучшило работу упаковочного отделения завода. Учитывая, что известные ПАВ, применяемые в качестве интенсификаторов помола, являются дорогостоящим продуктом (например, стоимость триэтаноламина (ТЭА) составляет порядка 1000 долларов USA за одну тонну), использование ЩСПК стоимостью 20 долларов за одну тонну обеспечивает их широкое использование при помоле минеральных вяжущих материалов.

Помол клинкера

Помол клинкера является последней и в то же время важной операцией в технологическом процессе производства цемента, так как от удельной площади поверхности и зернового состава цемента зависит процесс его твердения и прочность продуктов твердения. В цементе должны преобладать зерна размером от 3 до 30 мкм (55...65 %).

Из холодильника вращающейся печи клинкер подается на клинкерный склад, расположенный вблизи цементно-помольного цеха. После предварительного дробления в дробилке клинкер через дозаторы поступает для тонкого измельчения в трубные мельницы, работающие по открытому или замкнутому циклу. При помоле в замкнутом цикле крупная фракция материала проходит мельницу несколько раз. Мелкая фракция после отделения в сепараторе становится готовым продуктом и больше не возвращается в мельницу.

Трубная мельница – стальной барабан, облицованный внутри стальными броневыми плитами и разделенный дырчатыми перегородками на 2...4 камеры. Материал в трубных мельницах измельчается под действием мелющих тел – стальных шаров (в камерах грубого помола) и цилиндров (в камерах тонкого помола). Для замедления схватывания цемента при помоле клинкера добавляют природный гипс в количестве до 3,5 % по массе в расчете на SO₃. Для интенсификации помола в мельницу вводят вещества, способствующие процессу измельчения, которые предохраняют мелющие тела от налипания частиц (лигносульфонат технический – ЛСТ, мылонафт, триэтаноламин, петролатум, уголь и др.).

При помоле клинкера применяют также сепараторные мельницы, работающие по замкнутому циклу. Схематически устройство сепараторной двухкамерной мельницы показано на рис. 4.13.

Клинкер с добавками из бункера поступает в первую камеру мельницы, а из нее элеватором подается в бункер. Крупка из сепараторов направляется на домол во вторую камеру. Отсюда материал элеватором передается в те же сепараторы, из которых крупка снова возвращается во вторую камеру.

Готовый портландцемент при выходе из мельницы имеет высокую температуру (80...120 ºС) и направляется пневматическим транспортом для хранения в силосы (рис. 4.14) – железобетонные цилиндры – банки диаметром 8...15 м и высотой 25...30 м. Цемент выдерживают в силосах до его охлаждения. Из силосов, оборудованных пневматическими устройствами, цемент через гибкие рукава-шланги подается в транспортные средства (вагоны, автомобили-цементовозы и др.). Часть цемента упаковывается в многослойные бумажные мешки, по 50 кг в каждом.

В паспорте на отправляемый цемент указывают наименование цемента, марку, номер партии, дату изготовления, название завода.