Производство портландцемента

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.

Читай также что такое портландцемент

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.