Гидратная известь

В шахтных печах наиболее целесообразно  обжигать известняк раздельно по фракциям 40-80, 80-120мм в поперечнике, а во вращающихся печах - 5-20 и 20-40мм.

Так как размеры глыб добытой  горной породы нередко достигают 500-800мм и более, то возникает необходимость  дробления их и сортировки всей полученной после дробления массы на нужные фракции. Это осуществляется на дробильно-сортировочных установках, работающих по открытому или замкнутому циклу с использованием щековых, конусных и другого типа дробилок. Дробить и сортировать известняк целесообразно непосредственно на карьере и доставлять на завод лишь рабочие фракции.

Обжиг – основная технологическая  операция в производстве воздушной  извести. При этом протекает ряд  сложных физико-химических процессов, определяющих качество продукта. Цель обжига - возможно более полное разложение СаСО3 и MgCO3 * CaCO3 на СаО, MgO и СО2 и получение высококачественного продукта с оптимальной микроструктурой частичек и их пор.

Реакция разложения (декарбонизация) основного компонента известняка –  углекислого кальция идёт по схеме: СаСО3 →← СаО + СО2. Теоретически на разложение 1 моля СаСО3 (100 г) расходуется 179 кДж или 1790 кДж на 1 кг СаСО3. В пересчёте на 1 кг получаемого при этом СаО затраты равны 3190 кДж.

Процесс диссоциации углекислого  кальция – обратимая реакция. Её направление зависит от температуры  и парциального давления углекислого газа СО2 в среде с диссоциирующимся карбонатом кальция.

Диссоциация углекислого кальция  возможна лишь при условии, если давление диссоциации будет больше парциального давления СО2 в окружающей среде. При  обычной температуре разложение СаСО3 невозможно, поскольку давление диссоциации ничтожно. Установлено, что лишь при 600оС в среде, лишённой углекислого газа, начинается диссоциация углекислого кальция, причём она протекает очень медленно. При дальнейшем повышении температуры диссоциация СаСО3 ускоряется.

Разложение СаСО3 происходит не сразу  во всей массе куска, а начинается с его поверхности и постепенно проникает к внутренним его частям. Скорость передвижения зоны диссоциации  внутрь куска увеличивается с  повышением температуры обжига.

Качество строительной воздушной извести зависит не только от содержания в ней свободных оксидов кальция и магния, но и от микроструктуры продукта, определяемой величиной и формой кристаллов СаО и MgO, а также величиной пор и распределением их в массе вещества.

При истинной плотности кальцита, основного компонента известняка, 2,72 г/см3 1 г вещества занимает абсолютный объём 1:2,27 = 0,36 см3. Из 1 г кальцита при обжиге образуется 0,56 г оксида кальция, который при плотности 3,4 г/см3 занимает объём 0,56:3,4 = 0,16 см3, т. е. в 2,25 раза меньше, чем исходный кальцит. Естестественно, что уменьшение объёма сопровождается уменьшением общей пористости кусков и увеличением их средней плотности.

Декарбонизация известняков при  низких температурах (800-850оС) приводит к образованию оксида кальция в виде массы губчатой структуры, сложенной из кристаллитов размером около 0,2-0,3 мкм и пронизанной тончайшими капиллярами диаметром около 8 * 10-3 мкм.

Повышение температуры обжига до 900о  и особенно до 1000оС обуславливает  рост кристаллов оксида кальция до 0,5-2 мкм и значительное уменьшение удельной поверхности до 4-5 м2/г, что должно бы отрицательно отражаться на реакционной способности продукта. Но одновременное возникновение крупных пор в массе материала создаёт предпосылки к быстрому прониканию в него воды и энергичному их взаимодействию. Наиболее энергичным взаимодействием характеризуется известь, полученная обжигом известняка при температурах около 900оС. Обжиг при более высоких температурах приводит к дальнейшему росту кристаллов оксида кальция (до 3,5-10 мкм), уменьшению удельной поверхности, усадке материала и понижению скорости взаимодействия его с водой.

Обжиг при 1400оС и выше вызывает увеличение средней плотности, резкое уменьшение пористости и образование кристаллов оксида кальция и их конгломератов значительных размеров – 10-20 мкм и больше, что предопределяет замедленное их взаимодействие с водой, характерное для пережжённой извести.

Некоторые примеси в известняках, особенно железистые, способствуют быстрому росту кристаллов оксида кальция и образованию «пережога» и при температурах около 1300оС. Это вызывает необходимость обжигать сырьё с такими примесями при более низких температурах.

Пережог в извести вредно сказывается  на качестве изготовляемых на ней  растворов и изделий. Запоздалое гашение такой извести, протекающее обычно в уже схватившемся растворе или бетоне, вызывает механические напряжения и в ряде случаев разрушение материала. Поэтому наилучшей будет известь, обожжённая при минимальной температуре, обеспечивающей полное разложение углекислого кальция и экономию топлива.

Выбор температуры обжига известняка зависит и от наличия в нём  примесей углекислого магния. В отличие  от углекислого кальция MgCO3 при нагревании разлагается при более низкой температуре: начало около 400оС и полная диссоциация при 600-650оС. Реакционная же способность образующегося при этом MgO, как и СаО, с повышением температуры обжига значительно уменьшается. Уже при 1200-1300оС получается намертво обожжённый оксид магния – периклаз, который практически не обладает вяжущими свойствами и только при очень тонком измельчении начинает медленно взаимодействовать с водой. Достаточно активный оксид магния получается при обжиге доломитов и доломитизированных известняков при 850-950оС.

Известково-обжигательные печи.

Для обжига извести применяют печи различных типов: шахтные, вращающиеся  и др. Используют также установки  для обжига извести во взвешенном состоянии, в кипящем слое, на специальных  решётках и т. д.

Наибольшее распространение получили шахтные печи. Эти печи характеризуются непрерывностью действия, пониженным расходом топлива и электроэнергии, а также простотой в эксплуатации. Строительство их требует относительно небольших капиталовложений.

В зависимости от вида применяемого топлива и способа его сжигания различают шахтные печи, работающие на короткопламенном твёрдом топливе, вводимом обычно в печь вместе с обжигаемым материалом; так как известняк и кусковое топливо при этом загружают в шахту перемежающимися слоями, то иногда такой способ обжига называют пересыпным, а сами печи пересыпными; на любом твёрдом топливе, газифицируемом или сжигаемом в выносных топках, размещаемых непосредственно у печи; на жидком топливе; на газовом топливе, натуральном или искусственном.

Кроме того, применяют печи, в которых известняк обжигается за счёт сжигания короткопламенного топлива, вводимого в шахту вместе с сырьём, и одновременно длиннопламенного топлива, сжигаемого в выносных топках.

По степени обжига различают  извести мягкообожжённые, среднеобожжённые и сильнообожжённые. Первые характеризуются отсутствием пережога и быстрой гасимостью. В сильнообожженных известях может присутствовать пережог, для них характерно замедленное гашение.

По характеру процессов, протекающих  в шахтной печи, в ней различают  три зоны по высоте: подогрева, обжига и охлаждения.

В зоне подогрева, к которой относят  верхнюю часть печи с температурой печного пространства не выше 850оС, материал подсушивается и подогревается  поднимающимися раскалёнными дымовыми газами. Здесь выгорают также органические примеси. Поднимающиеся газы, в свою очередь, благодаря теплообмену между ними и загруженным материалом охлаждаются и далее отводятся в верх печи.

Зона обжига размещается в средней  части печи, где температура обжигаемого  материала изменяется от 850 до 1200оС и затем до 900оС; здесь известняк разлагается, из него удаляется углекислый газ.

Зона охлаждения – нижняя часть  печи. В этой зоне известь охлаждается  от 900 до 50-100оС поступающим снизу  воздухом, который далее поднимается  в зону обжига.

Движение воздуха и газов в шахтных печах обеспечивается работой вентиляторов, нагнетающих в печь воздух и отсасывающих из неё дымовые газы. Противоточное движение обжигаемого материала и горячих газов в шахтной печи позволяет хорошо использовать теплоту отходящих газов на подогрев сырья, а теплоту обожжённого материала – на подогрев воздуха, идущего в зону обжига. Расход условного топлива в этих печах составляет примерно 13-16% массы обожжённой извести, или 3800-4700 кДж на 1 кг.

В шахтных пересыпных печах известь загрязняется золой и остатками несгоревшего топлива. Возможно также образование значительного количества пережога вследствие соприкосновения раскалённых кусков антрацита или кокса с обжигаемым известняком. Это особенно заметно при нарушении теплового режима и черезмерном форсировании печей за счёт высоких температур обжига.

Шахтные печи с выносными топками  отличаются от пересыпных тем, что топливо  в них не загружают непосредственно  в шахту вместе с известняком, а сжигают в выносных топках, из которых раскалённые продукты горения поступают в печь и обжигают известняк. Выносные топки позволяют использовать для обжига извести любые виды твёрдого топлива, в том числе и длиннопламенные с большим содержанием летучих, а также получать известь, не засорённую зольными остатками, что является большим достоинством этих печей. Кроме того, для них характерен повышенный расход топлива на обжиг извести, достигающий в печах с топками полного сгорания 25%, а в печах с полугазовыми топками 18-20% массы продукта.

Печи, работающие на нефти, характеризуются тепловым коэффициентом полезного действия около 0,65 и уступают пересыпным печам, КПД которых достигает 0,85-0,88.

Применяются и газовые шахтные  печи, в которых теплоноситель  движется поперёк хода обжигаемого  материала в вертикальной шахте. При этом шахта в плане имеет сильно вытянутое прямоугольное сечение с расстоянием между удлинёнными стенками 25-40 см. Через эти стенки на трёх-четырёх уровнях зоны обжига подаётся газообразное в смеси с воздухом. При обжиге мелкокускового известняка (3-5 см) суточный съём с 1 м3 полезного объёма печи может достигать 15-20 т.

Вращающиеся печи для обжига извести  позволяют получать мягкообожжённую  известь высокого качества из известняка и мягких карбонатных пород в  виде мелких кусков. Вращающиеся печи допускают возможность полной механизации и автоматизации процесса обжига. В них можно применять все виды топлива – пылевидное, твёрдое, жидкое и газообразное.

Расход условного топлива во вращающихся печах значителен и  достигает 25-30% массы извести, или 6700-8400 кДж на 1 кг. Недостатки вращающихся печей - большой расход металла на 1 т мощности, повышенные капиталовложения и значительный расход электроэнергии.

Для обжига извести применяют вращающиеся  печи длиной 30-100 м, диаметром 2-4 м, с  углом наклона 3-4о и частотой вращения 0,5-1,2 об/мин. Удельная суточная производительность их достигает 500-700 кг/м3 в расчёте на полный объём обжигательного барабана. С увеличением длины печей производительность их возрастает, а расход топлива снижается.

Для уменьшения расхода топлива на обжиг извести во вращающихся печах и для утилизации теплоты газов, выходящих из печей с температурой 750-800оС, применяют разные способы. В частности, за печами ставят нагреватели, в которые направляют предназначенный для обжига кусковой материал. Отсюда с температурой 500-800оС он поступает во вращающуюся печь, а из неё в холодильник. При таком способе работы печи расход теплоты на обжиг снижается до 4600-5030 кДж/кг извести.

Обжиг известняка в кипящем слое по технико-экономическим показателям характеризуется высоким съёмом и повышенным расходом топлива – 4600-5480 кДж на 1 кг извести. Расход топлива достигает 175 кг/т извести (5733 кДж/кг). Обжиг материала в условиях кипящего слоя высотой до 1-1,2 м длится 10-15 минут. Работа этих печей легко поддаётся полной автоматизации.

Применение в известковой промышленности установок для обжига карбонатных  пород в кипящем слое позволяет  рационально использовать большие  количества мелких фракций сырья, образующихся обычно на карьерах, а также на заводах, оборудованных шахтными и даже вращающимися печами. Недостатком этих установок является повышенный расход топлива и электроэнергии.

Обжиг измельчённого известняка во взвешенном состоянии в опытном  порядке осуществляют в циклонных  топках. В них тонкоизмельчённые частички карбонатного сырья увлекаются потоком раскалённых газов и обжигаются. Осаждается обожжённая известь из газового потока в пылеосадительных устройствах.

Выбор типа печи для обжига извести  определяется производительностью  завода, физико-механическими свойствами и химическим составом известняка, видом топлива и требуемым качеством извести.

Складирование и транспортирование  комовой извести.

Выгружаемую из печей комовую известь  транспортируют на склад в вагонетках либо пластинчатыми или ленточными конвейерами со стальной лентой, для которой не опасна повышенная температура извести.

Комовую известь следует хранить  только в механизированных складах  бункерного типа или в силосах. При  этом необходимо обеспечивать надлежащую герметизацию и аспирацию мест возможного пылеобразования с последующей очисткой запылённого воздуха. Перевозить известь следует в специально оборудованных автомашинах, вагонах и т. п. При хранении и транспортировании комовой негашёной извести необходимо оберегать её от увлажнения, так как при этом не только ухудшается её качество, но может возникнуть пожар.

Гидратная известь (пушонка) и известковое тесто

Комовая негашёная известь является полупродуктом. Если её применяют в  гашёном виде, то предварительно в  гидратную известь (пушонку) или в известковое тесто.

Гидратная известь – высокодисперсный сухой порошок, получаемый гашением комовой или молотой негашёной  извести соответствующим количеством  жидкой или парообразной воды, обеспечивающим переход оксидов кальция и  магния в их гидраты. Гидратная известь состоит преимущественно из гидроксида кальция Са(ОН)2, а также гидроксида магния Mg(OH)2 и небольшого количества примесей (как правило, карбоната кальция).

Известковое тесто - продукт, получаемый гашением комовой или молотой негашёной извести водой в количестве, обеспечивающем переход оксидов кальция и магния в их гидраты и образование пластичной тестообразной массы. Выдержанное тесто содержит обычно 50-55% гидроксидов кальция и магния и 50-45% механически и адсорбционно связанной воды.