Составление материального баланса и расчет расхода сырьевых материалов на выпуск продукции

        Измельченный в мельнице материал выгружают потоком азов 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 теплообменниками вращающей печи (рис. 2) [1].

        На рис. 2а представлена схема двухветвевого четырехступенчатого циклонного теплообменника с реактором-декарбонизатором. Теплообменники смонтированы на металлических или железобетонных конструкциях («этажерках»). Все циклоны, газоходы и перепускные течки выполнены сварными из листовой стали. Внутренняя облицовка – огнеупорный кирпич, жаропрочный бетон или сочетание кирпича и бетона. Сырьевая мука подается в циклонный теплообменник через патрубок.

        Циклоны, а также газоходы имеют ремонтные люки, люки для очистки стенок от возможного налипания, а также для установки контрольно-измерительных приборов.

        Конусы циклонов и входных частей течек циклонных теплообменников очищают от отложенного материала с помощью сжатого воздуха, подаваемого системой комплектов с соплами к поверхности футеровки.

        Циклонные теплообменники предназначены обеспечивать предварительную тепловую обработку сырьевой муки тепловой дымовых газов, образующихся в печи при сжигании топлива. Тепловая обработка сырьевой муки происходит по следующей схеме. Сырьевая мука, приготовленная в помольном агрегате, подается в газоход (по стрелке А) (рис.2-б), соединяющий циклон III с циклом IV, и увлекается горячим газовым потоком. Материал при этом нагревается, а газы несколько охлаждается. Нагретая сырьевая мука в циклоне IV из пылегазовоздушного потока выделяется и по перепускным печкам ссыпается в газоход, соединяющий циклон II с циклоном III. Далее процесс осаждения сырьевой муки в циклонах и подачи ее в газоходы повторяется.

 

Рис.1 – Технологическая схема производства цемента по сухому способу:

 

Пройдя все четыре циклона (четыре ступени), сырьевая мука нагревается до 1100К и поступает  в загрузочный узел вращающейся  печи.

 Горячие дымовые  газы, образовавшиеся вследствие сгорания топлива у разгрузочного узла печи, пройдя всю длину печи с взвешенной в них сырьевой муки, захваченной при движении, поступают в циклон I, где горячее газы отделяются от муки и просасываются по газоходу в циклон II. На этот участок газы обогащаются сырьевой муки, поступающей из циклона III. Далее процесс отделения газов муки в циклонах и распыления в газах муки в газоходах повторяется по остальным циклонам (ступеням). По выходе из циклона IV (четвертой ступени) дымовые газы имеют температуру около 600К. Из газоходов четвертой ступени газы по газоходу поступают в сырьевую мельницу предварительного измельчения или в электрофильтр, предварительно пройдя через кондиционер для охлаждения и увлажнения [9].                       В теплообменниках сырьевая смесь нагревается и частично декабонизируется, после чего поступает в печь на обжиг.

 

 

Рис. 2 а – Циклонные  теплообменники вращающейся печи:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 б – Циклонные  теплообменники вращающейся печи:

 

       Обжиг осуществляется во вращающихся печах [1].

        Вращающаяся печь состоит из сварного корпуса, бандажей, роликоопор, зубчатого венца, привода, гидравлических упоров, загрузочного и разгрузочного узлов (концов), горелочных устройств, устройств контроля температуры корпуса и его охлаждение воздухом, уплотнительных устройств мест контакта вращающегося корпуса печи с неподвижными загрузочными и разгрузочными узлами.

        Корпус печи представляет собой цилиндрическую трубу, которая своими бандажами опирается на роликоопоры. Корпус сваривают на месте монтажа из отдельных обечаек различной толщины в зависимости от местных нагрузок. Толщина пролетных обечаек корпуса зависит от диаметра и длины печи, длины пролетов, температуры нагрева, распределенных нагрузок и обычно находятся в пределах 20-40 мм. Для обеспечения необходимой жесткости корпуса в опорных узлах побандажные обечайки имеют толщину 40-100 мм.

        Материал корпусов вращающихся печей – листовой прокат из низколегированной высокопрочной стали 09Г2С, обладающей достаточно высокой ударной вязкостью и сравнительно высокой прочностью при отрицательных температурах (до233 К).

        Разгрузочный узел корпуса печи имеет защитные торцовые плиты из жаропрочной стали. Для предохранения разгрузочного узла от перегрева в полость между внутренней поверхностью кожуха печи и защитной обечайкой подается вентилятором охлаждающий воздух. Герметизацию узла обеспечивают лабиринтное и лепестковое уплотнения.

        Бандажи представляют собой жесткие стальные литые кольца большого сечения. Внутренний диаметр бандажей несколько больше наружного диаметра посадочной поверхности обечаек печи.

        При нагреве корпуса печи вследствие теплового расширения в радиальном направлении зазор становится минимальным, и бандаж плотно соединяется с корпусом печи. Для предохранения от осевого смещения бандажа предусмотрены упорные башмаки, закрепленные на корпусе печи.

        Привод печи в зависимости от общей потребляемой мощности может быть односторонним или двусторонним и иметь два или три режима работы.

        Роликоопоры через бандажи воспринимают нагрузку от массы корпуса печи с огнеупорной футеровкой и обжигаемого материала. Их устанавливают на железобетонных фундаментах.

        Вращающуюся печь обычно устанавливают с уклоном в сторону разгрузки. При этом возникает составляющая массы печи, направленная вдоль ее наклонной оси. Под действием этой составляющей печь при вращении стремится сместиться в нижнее положение.

        Для восприятия осевых усилий, передающихся от печи на опоры, а так же для ее периодических осевых перемещений с целью обеспечения равномерного изнашивания рабочих поверхностей роликов и бандажей по всей их длине предусмотрена система гидравлических упоров. Та система состоит из собственно гидравлических упоров, общей насосной станции, пульта управления и системы трубопроводов. Число гидроупоров в печном агрегате зависит от числа роликоопор печи.

        Печь сухого способа производства присоединена к циклонному теплообменнику через патрубок загрузочного узла.

        Загрузочная часть печи имеет конусную обечайку, приваренную к обечайке корпуса печи, плиту из жаропрочной стали, торцовую шайбу, элеватор (кольцевой), закрепленный на торцовой шайбе, и уплотнение. Для поджатия элементов уплотнения имеется специальное устройство.

        Разгрузочные узлы печи предназначены для сочленения вращающегося корпуса печи с неподвижной разгрузочной головкой и шахтой охладителя клинкера.

        Разгрузочная головка печи представляет собой стационарно установленную камеру, сваренную из листовой стали. В месте соединения с корпусом печи головка имеет расширенную часть с отверстием для входа разгрузочного конца печи. На противоположной торцовой стенке головки расположена откатная дверь с отверстием для ввода в печь форсунки или газовой горелки, а также смотровыми и ремонтными люками. В нижней части головки имеется прямоугольное отверстие, которым головка примыкает к загрузочной шахте охладителя. Головка печи и откатная дверь с внутренней стороны имеют футеровку.

        Чтобы предохранить печь от подсоса наружного холодного воздуха, смонтировано уплотнение двух типов: лабиринтное и лепестковое.

        Для охлаждения воздухом горловины печи, т.е. разгрузочного узла, имеется установка, состоящая из коллектора, вентилятора и соединяющего их воздухопровода. Охлаждающий воздух забирается из атмосферы и через сопло подается в пространство между корпусом печи и защитной обечайкой.

        В качестве внутренних теплообменных устройств применяют металлические цепные завесы, а также ячейковые теплообменники различных конфигураций. Цепные завесы обычно устанавливают в загрузочной части печи, где температура газов не превышает 1070 К.

        Цепная завеса положительно влияет не только на теплообмен материала с горячими газами, но и на улавливание образовавшейся пыли.

        Цепные завесы собирают из цепей с овальными звеньями из прутка толщиной 22 и 25 мм. Материал цепей, подвешиваемых в горячей зоне с температурой газового потока 770-1070 К, - жаропрочная сталь 12Х18Н10Т, а в «холодной» зоне с температурой ниже 770 К - углеродистая сталь. Цепи в завесах со свободно висящими концами длиной 0,6-0,7 внутреннего диаметра печи подвешивают в шахматном порядке за один конец. Гирляндные цепные завесы подвешиваются к корпусу печи за оба конца с провисанием в средней части [9].

        Во вращающуюся печи навстречу газам сверху вниз через циклоны поступает сухая измельченная сырьевая шихта; за 25-30 секунд она нагревается до 750-800⁰С и декарбонизируется на 30-40%.

        В реакторе-декарбонизаторе происходит на 85-90% разложение карбоната кальция, а остальные 10-15% процесса диссоциации приходится на долю вращающейся печи. Таким образом, наиболее теплонапряженная стадия процесса обжига цементного клинкера – декарбонизация – выносится за пределы печи, в которой происходит только спекание клинкера, и она оказывается термически не нагруженной. Это дает возможность существенно повысить производительность печей при том же удельном расходе тепла на обжиг. Клинкер охлаждается до 60-80⁰С в колосниковом холодильнике и далее подается на измельчение в сепараторную мельницу [1].

        При помоле материалов наблюдается значительное выделение тепла, вызывающее нагревания мелющих тел в трубной мельнице, и материала до 120-150⁰С и более, что резко отрицательно сказывается на производительности помольных установок.

        Для снижения температуры принимают вентиляцию мельниц. Она достигается просасыванием через барабан воздуха со скоростью 0,5-0,7 м/сек с помощью аспирационной установки, в состав которой входят вентилятор, циклоны, а также электрофильтр. В последнем улавливаются тонкие частички, присоединяемые обычно к общей массе продукта.

        Измельченный материал из мельницы в сепаратор подают элеватором. Здесь применяют сепараторы с поточной вентиляцией воздуха. В них воздух вместе с измельченным материалом просасывается вентилятором из мельницы в сепаратор, где из потока выделяются крупные частицы, направляемые на дополнительный помол в мельницу. Мелкие же фракции выносятся воздушным потоком из сепаратора и осаждаются в циклонах и фильтрах в виде готового продукта [5].

        Цемент транспортируют в силосы, из которых он идет на отгрузку навалом или через упаковочную машину в таре потребителю [1].

        Главным качеством готового цемента является обжиг сырьевой смеси и получение клинкера. Это сопровождается сложными физическими и физико-химическими процессами, в результате которых из исходных материалов образуются спекшиеся зерна размером до 2-3 см, состоящие в основном из минералов С₃S, -С₂S, С₃A, С₄AF и стекловидной фазы. Характер процессов, протекающих в сырьевой смеси, определяются температурой обжига [4]. Рассмотрим эти процессы.

        В зоне сушки поступающая в верхний конец печи сырьевая смесь встречается с горячими газами и постоянно при повышении температуры с 70⁰ до200⁰С (зоны сушки) подсушивается, превращаясь в комья, которые при перекатывании раскалываются на более мелкие гранулы. По мере перемешивания сырьевой смеси вдоль печи происходит дальнейшее постепенное ее нагревание, сопровождаемое химическими реакциями.

        В зоне подогрева при температуре 200-700⁰С сгорают находящиеся в сырье органические примеси, удаляется химически связанная вода.

        В зоне декарбонизации при температуре 700-1100⁰С происходит процесс диссоциации карбонатов кальция и магния на СаО, MgO и СО₂ алюмосиликаты сланцев распадаются на оксиды SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ с сильной рыхлой структурой. Термическая диссоциация CaCO₃ – это эндотермический процесс, идущий с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг CaCO₃), поэтому потребление теплоты в третьей зоне печи наибольшее. В этой же зоне оксид кальция в твердом состоянии вступает в реакцию с продуктами распада глинистых сланцев с образованием низкоосновных силикатов, алюминатов и ферритов кальция (2СаО* SiO₂; СаО* Al₂O₃; 2СаО* Fe₂O₃).

        В зоне экзотермических реакций обжигаемая масса, передвигаясь, быстро нагревается от 1100⁰ до 1300⁰С, при этом образуется более основные соединения: C₃A; C₄AF, но часть оксида кальция еще остается в свободном виде. Обжигаемый материал агрегируется в гранулы.

        В зоне спекания при 1300-1450⁰С обжигаемая смесь частично расплавляется. В расплав переходят C₃A, 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 (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 1300⁰ до1000⁰С, 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 колосниковых холодильниках, чтобы предотвратить образование в нем крупных кристаллов и сохранить в некристаллизированном виде стекловидную фазу [6]. 

 

 

3.4 Методы контроля  сырья, технологического процесса  и качества вяжущего