Разработка материального баланса и основных проектных технологических решений цеха обжига цементного завода

2. Технологическая  часть

1. Требования  к сырьевым материалам и расчет состава сырьевой смеси.

1.1 Сырье для  производства белого портландцемента

Основными компонентами сырьевой смеси для получения  белого портландцемента являются:

·  известняковые породы (известняк, мел, мергель, мрамор)

·  глины

В сырье должно содержаться минимальное количество красящих окислов:

·  железа

·  марганца

·  титана

·  хрома и др.

Окиси железа в  клинкере для получения белого портландцемента  должно быть не больше 0,45%.

В соответствии с этим были разработаны требования к карбонатному сырью для белого портландцемента. По данным исследований, проведенных как у нас в стране, так и за рубежом, окислов железа должно быть не более 0,15—0,25%, а марганца — не более 0,15%. В Российской Федерации имеются месторождения маложелезистого карбонатного сырья, пригодного для производства белого портландцемента.

Все прочие требования, предъявляемые к карбонатным  породам при производстве белого портландцемента, сводятся к следующему. В них не должно быть:

·  неравномерно распределенных грубых кварцевых зерен

·  вредных примесей сернокислых соединений

·  магнийсодержащих включений

·  щелочей

В качестве глинистого компонента при получении белого портландцемента используются главным  образом первичные каолины, а  также шликеры, получаемые в результате обогащения каолина.

Шликер представляет собой смесь мельчайших кварцевых  зерен с частичками слюды и  некоторым количеством каолинита.

Содержание  окислов железа в каолинах не должно превышать 1%. Не рекомендуется применять  каолины включениями крупных  зерен песка, так как они осаждаются в болтушках и вызывают неудобства как при транспортировке, так и при подготовке сырьевой смеси заданного химического состава. НИИЦементом была изучена возможность замены таких каолинов. С этой целью были исследованы огнеупорные глины Латненского и Чаров-Ярского месторождений.

Эти глины были с успехом применены на Щуровском  цементном заводе вместо каолинов и  их отходов, что свидетельствует  о целесообразности такой замены.

Для повышения  силикатного модуля сырьевой смеси  при производстве белого портландцемента используют кварцевые пески с малым содержанием окислов железа. Этим требованиям удовлетворяют пески Авдеевского месторождения (Донбасс), а также Люберецкого (Московская обл.).

Наряду с  природными сырьевыми материалами  для получения белого портландцемента можно применять и искусственные — отходы других производств.

Так, в качестве известнякового компонента может быть использован белый шлам, являющийся отходом алюминиевого производства и представляющий собой тонкий порошок  белого цвета с коэффициентом отражения не менее 75%.

Приводя характеристику сырьевых материалов, используемых для  производства белого портландцемента, следует отметить, что ряд зарубежных заводов имеет более благоприятные  по сырьевым ресурсам условия. Так, фирма "Капнева Портланд Компани" в США использует кальцит и каолин, почти не содержащие окислов железа.

1.2 расчет состава  сырьевой смеси

Вычислим состав двукомпонентной шихты,состоящей  из известняка и глины Щуровского месторождения.

 

Химическая  характеристика сырьевых компонентов для производства портландцементного клинкера

Материал	SiO2	AL2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	п.п.п	∑
Известняк	3.23	0.66	0.28	51.85	1.79	0.9	41.74	100.45
Глина	55.88	12.79	6.49	8.45	1.79	2.9	13.05	101.35

Выполним пересчет состава, приведя сумму его составляющих равной 100%.

К₁ = 100 / 100.45 = 0.9955

К₂ = 100 / 101.35 = 0.9867

Материал	SiO2	AL2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	п.п.п	∑
Известняк	3.22	0.66	0.28	51.62	1.78	0.89	41.55	100
Глина	55.13	12.62	6.40	8.34	1.77	2.86	12.88	100

Вычислим соотношение карбонатного и глинистого компонентов шихты, при котором будет обеспечиваться заданное значение коэффициента насыщения КН. КН=0.86

Х=(2.8*S2*KH + 1.65*A2 + 0.35*F2 – C2) / (C1 – 2.8*S1*KH – 1.65*A1 – 0.35*F1) = (2.8*55.13*0.86 + 1.65*12.62 + 0.35*6.4 – 8.34) / (51.62 – 2.8*3.22*0.86 – 1.65*0.86 – 0.35*0.28) = 147.47 / 42.68 = 3.46

Следовательно, весовую часть глины потребуется  взять 3.46 частей известняка, сто соответствует  следующему процентному составу  шихты:

·  известняка – 77.58 %

·  глины – 22.42%

 

Химический  состав компонентов шихты и клинкера

Компоненты	SiO2	AL2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	п.п.п	∑
77.58 в.ч. известняка	2.5	0.51	0.22	40.05	1.38	0.69	32.23	77.58
22.42 в.ч. глины	12.36	2.83	1.43	1.87	0.4	0.64	2.89	22.42
100 в.ч. сырьевой  смеси	14.86	3.34	1.65	41.92	1.78	1.33	35.12	100
клинкер	22.91	5.16	2.55	64.57	2.75	2.06	—	100

Поскольку клинкер  получается спеканием сырьевых материалов, то п.п.п в нем отсутствуют. Тогда  его химический состав рассчитаем из химического состава сырьевой смеси  путем умножения процентного содержания в ней каждого оксида на коэффициент:

К = 100 / (100 – п.п.п.) = 100 / (100 – 35.12) = 1.54

Рассчитанный химический состав клинкера показываем в последней  строке предыдущей таблицы и рассчитываем для него величину КН.

КН = (СаО – (1.65* AL₂O₃ + 0.35* Fe₂O₃) / 2.8* SiO₂ = (64.57 - (1.65*5.16 + 0.35*2.55)) / 2.8*22.91 = 0.86

Величина КН для клинкера оказалась равной заданной, следовательно, расчет выполнен правильно.

Принципиальная  технологическая схема получения  белого портландцемента

Известняк Белая  глина Вода Газ Гипс Белый диатомит

Дробление 1 ст. Получение глин. шлама Дробление  Сушка диатомита

( ○ < 100 мм , (○ 12 ÷30мм, глиноболтушки ) (○ 5 ÷ 25мм , ( сушильный барабан, щековая  дробилка) молотковая дробилка ) t=600°C; W=1 %)

Дробление 2 ст. Дозирование Дозирование Дозирование Дозирование

( ○ 20 ÷30мм, молотковая  дробилка)

Дозирование Совместный помол ( ○ 12 ÷30мм , шаровая мельница )

Корректировка шлама по хим. составу и текучести(влажности) ( влажность ≈ 40%, по хим. составу ( титр Т ) шламбассейны (не < 3) )

Обжиг сырьевой смеси с получением клинкера ( Т = 1550 – 1600⁰ С, вращающиеся печи )

Отбеливание клинкера охлаждением ( Т < 270⁰ С, водяные бассейны с омагниченной водой)

Магазинирование клинкера Совместный помол клинкера, гипса, АМД ( 2 – 3 суток, силосы) (трубная шаровая мельница Sуд.=3200 )

Охлаждение  портландцемента ( цементный холодильник )

Хранение цемента ( цементные силосы )

Упаковка цемента ( упаковка в 5 – 6 слойные бумажные мешки  из крафт-бумаги емкостью 50 кг и полипропиленовые мешки )

Отгрузка потребителю

Описание технологического процесса.

Производство  белого портландцемента может быть разделено на два комплекса мероприятий. Первый из них включает изготовление клинкера, а второй – получение  портландцемента измельчением клинкера совместно с белым гипсом и

Производство  портландцемента состоит из следующих  основных операций:

- добычи известняка  и глины;

- подготовки  сырьевых материалов и приготовления  из них однородной смеси заданного  состава;

- обжига сырьевой  смеси до спекания с получения клинкера;

- помола клинкера  в порошок с небольшим количеством  гипса и активной минеральной  добавки;

В качестве известняка при производстве портландцемента  используется известняк Щуровского месторождения, а в качестве глинистого сырья – глина Латненского или Часов – Ярского месторождения. В качестве добавки, вводимой при помоле клинкера, применяется белый диатомит.

Твердые породы известняка дробятся в две стадии. На первой стадии дробления известняк  подается в щековую дробилку, где  он измельчается до кусков размером 100 мм. На второй стадии дробления известняк подвергаются более тонкому измельчению в молотковой дробилке до кусков размером 30 мм. После дробления известняк дозируется весовыми дозаторами и подается в шаровую мельницу с уралитовыми для совместного помола с глинистым материалом.

Следует заметить, что на заводах, выпускающих белый  портландцемент, следовало бы ввести в технологический цикл обогащение известняков, как это предусматривается  на ряде зарубежных предприятий. Дело в том, что содержание окислов железа враз-личных фракциях дробленого известняка сильно разнится .

Содержание  окислов железа в различных фракциях дробленого известняка

Размер отверстий  сит в мм.	Остатки на ситах  в %	Содержание  окислов железа во фракциях известняка в %
30 20 10 7 5 3 1 < 1 мм	10,07 12,18 24,57 10,24 6,33 7,58 8,84 20,18	0,10 0,12 0,13 0,20 0,34 0,40 0,65 0,60

Из приведенных  данных видно, что удаление самой  мелкой фракции (5 мм и менее) могло  бы существенно понизить содержание Fе₂0₃ в сырьевой смеси.

Глина, в свою очередь, дробится в валковой дробилке и после перерабатывается глиняный шлам в глиноболтушках. При этом получается шлам с размером частиц до 12- 30 мм. После предварительной  подготовки глина дозируется и подается в шаровую мельницу. При производстве белого портландцемента к сырью предъявляются специальные нормативы, которые регулируют содержание красящих веществ в сырье. В частности для глинистых пород:

Требования  к глинисто - песчанистому сырью

материал	Допустимое  содержание, %, красящих оксидов, менее
	Fe2O3	TiO2	MnO	SiO2	AL2O3
Каолин-сырец	1.0	0.8	—	72	—
Каолин обогащенный	1.5	1.0	—	—	—
Песчано-глинистые  отходы-шликер	1.0	0.8	—	60-72	—
Полукислые  глины	1.2	1.0	—	65-80	25
Кварцевый песок	0.2	—	Следы не менее 96		—

При смешивании известняка с глиной не всегда удается поюлучить шлам требуемого химического состава из-за разнородности сырья, несовершенства дозирующих устройств и других факторов. В связи с этим возникает необходимость в систематическом контроле содержания компонентов в сырьевой смеси и, в случае отклонения от принятых величин, в корректировании состава шлама. Для этого в него вводят недостающий компонент в соответствующем количестве.

После корректирования  шлам подается на обжиг. Обжиг тонкоизмельченной  сырьевой смеси – важнейшая стадия технологии производства цемента. Для обжига сырьевой смеси применяются вращающиеся печи. Температура обжига смеси во вращающихся печах составляет порядка 1550 – 1600 °С. Обжиг белого цемента затруднителен и происходит при более высокой температуре (примерно на 100 C выше температуры обжига обычного портландцемента) вследствие отсутствия в материале окиси железа, снижающей температуру спекания. Поэтому в сырьевую смесь для интенсификации процесса обжига целесообразно вводить кремнефтористый натрий или другие минерализаторы, не содержащие окрашивающих примесей. Печи, применяемые для обжига белого клинкера, футеруют талькомагнезитовым кирпичом, а обжиг ведут на беззольном топливе - жидком или газообразном. Твердое топливо не применяется, так как образующаяся при его сгорании зола может окрашивать цемент.

Обжиг сырьевой смеси для получения портландцемента  осуществляется обычно в печах в  окислительной атмосфере. В зависимости  от характера газовой среды в  печи (окислительной или восстановительной) протекают обратимые окислительно-восстановительные процессы, изменяющие конечный фазовый состав клинкера. Ярким примером этого может служить белизна клинкера на выходе.

Показатели  белизны клинкеров, обожженных в  различных газовых средах

Характер газовой среды при обжиге	Белизна в % по МС-20
Окислительная	77,9
Нейтральная	80,0
Восстановительная	82,7

Как видно из приведенных данных (таблица), белизна  клинкера при обжиге в нейтральной  и восстановительной газовых  средах соответственно на 3,1 и 5,3% выше, чем у клинкера, обожженного в обычной окислительной среде. Образцы клинкеров, обожженные в неокислительных средах, имеют светло-голубой оттенок, а не темно-зеленый цвет, характерный для обжига в окислительной среде. Повышение белизны клинкера при обжиге в неокислительных газовых средах обусловлено главным образом изменениями фазового состава и структуры окрашенных соединений — твердых растворов алюмоферритов кальция.

Для получения  клинкера повышенной белизны после  обжига предусматривается отбеливание. Было предложено несколько методов. В одних случаях они сводятся к фиксации путем охлаждения состава и структуры наиболее белого клинкера, образующегося при высоких температурах, а в других—к обработке клинкера в процессе охлаждения различными веществами.

В цементной промышленности, а также на ряде зарубежных заводов наибольшее распространение получил способ отбеливания клинкера резким охлаждением в воде. Он прост в применении и позволяет получать стабильные хорошие результаты, что подтверждают следующие данные.