Основные физико-химические процессы на проектируемом технологическом переделе (цех обжига)

 

 

 

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Основные физико-химические процессы на проектируемом технологическом переделе (цех обжига).

Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера сопровождаются сложными физическими и физико-химическими процессами, в результате которых из исходных компонентов образуются зерна минералов C₃S, β-C₂S, C₃A, C₄AF и стекловидная фаза.

Характер процессов определяется температурой обжига.

1. Зона сушки. Шлам, попадая в печь, подвергается воздействию дымовых газов с температурой 300 – 600⁰С. Начинается энергетическое испарение воды, шлам загустевает, образуются крупные комья, затем они распадаются на более мелкие куски за счет цепей в печи, которые играют роль завес и теплообменников.
2. Зона подогрева. Температура материала равна 400 – 500⁰С, с продвижением по печи выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита и других глинистых минералов с образованием Al₂O₃*2SiO₂ (AS₂), происходит потеря пластичности и связующих свойств глин, куски распадаются в порошок. В конце этой зоны занимают 50 – 55% длины печи.
3. Далее с нагревом материала до 750 – 800⁰С начинаются реакции в твердом состоянии. Вначале они малозаметны, но к 1000⁰С интенсивность их резко возрастает:

800⁰С – начинается сцепление отдельных частичек порошка в гранулы, при этом образуются β-C₂S, CA и C₂F;

900 – 1000⁰С – CaCO₃  →CaO +CO₂ – зона кальцинирования. Большое потребление теплоты;

1000 – 1100⁰С – CaCO₃ полностью разложился и частично превратился в C₂S, CA и C₂F, при этом резко возрастает интенсивность реакций.

4. Экзотермическая зона. Образование силикатов, алюминатов и ферритов Са является экзотермическим (с выделением тепла) и потому на небольшом участке резко возрастает температура на 150 – 200⁰С. Возрастает образование C₂S, CA→C₅A₃→C₃A. К концу этой зоны температура материала достигает 1300⁰С и материал в основном состоит из C₂S, C₃A, C₄AF или C₂F и некоторого количества свободного СаО.
5. Зона спекания. При 1300⁰С начинается спекание – первыми переходят в расплав С₃А, С₄АF, MgO и СаО, затем C₂S, при этом создаются благоприятные условия для образования C₃S, C₂S и СаО. C₃S малорастворим, в расплаве выпадает в осадок, что позволяет растворяться следующим порциям C₂S и СаО. Здесь материал нагревается до t = 1300 – 1450⁰С. Для ускорения процесса клинкерообразования с высоким содержанием C₃S применяют специальные добавки – минерализаторы. Они способствуют снижению температуры спекания материала на 100 – 150⁰С, уменьшению вязкости расплавов и каталитически влияют на образование C₂S и C₃S, а также на формирование их кристаллов.
6. Зона охлаждения – последний участок печи, где клинкер охлаждается воздухом от 1300 до 1000 – 1100⁰С. В этом периоде исчезает жидкая фаза и спекание заканчивается. При снижении температуры с 1450 до 1300⁰С жидкая фаза частично застывает в виде стекла, частично кристаллизуются C₃А, C₄АF и MgO. Если медленно охлаждать клинкер, то образуются более крупные кристаллы MgO, которые могут вызвать неравномерность изменения объема цемента и низкую активность цемента. Если быстро охлаждать, то MgO в большом количестве остается в стекле и в мелкокристаллическом состоянии, что отрицательно не влияет на свойства цементов. Образуются цементы более сульфатостойкие, они характеризуются повышенной экзотермией.

3. Расчет материального баланса  цементного завода.

3.1. Исходные данные при расчете:

1. Способ производства – мокрый.
2. Годовая производительность завода – 3 020 000 т цемента.
3. Состав портландцемента, %:

Клинкер . . . . . 97;

Гипс . . . . . . . . . .3.

4. Величина присадок золы топлива – 4%.
5. Состав сырьевой смеси, %:

Известняк . . . . . . 84,483;

Глина . . . . . . . . . . 13,865;

Огарки  . . . . . . . . . .1,652.

6. Естественная влажность материала сырьевых материалов, топлива и добавок,%:

Известняк . . . . . . . . . . 3;

Глина . . . . . . . . . . .  17,5;

Огарки . . . . . . . . . . . . . 0.

7. Влажность шлама . . . . . . . . . 38%.
8. Потери при прокаливании сырьевой смеси . . . . . . . . 34,381%.
9. Производственные потери:

Сырьевых материалов

Клинкера

Добавок

Цемента

10. Коэффициент использования вращающихся печей – 0,89.
11. Режим работы основных цехов и отделений в течение года:

1. Карьер и дробильное отделение – 307 дней по 16 ч в сутки (4912 ч) в две смены при прерывной рабочей недели;
2. Отделение помола сырья – 307 дней по 24 ч в сутки (7368 ч);
3. Цех обжига – 364*КИ – количество дней работы печей по 24 ч в сутки;
4. Отделение помола цемента – 307 дней по 24 ч в сутки (7368 ч);
5. Силосно-упаковочное отделение – 365 дней по 24 ч в сутки (8760 ч), непрерывный в три смены.

3.2.Материальный баланс цеха обжига.

3.2.1 Производительность трех вращающихся печей.

125 ∙ 3 = 375 т/ч;

375 ∙ 24 = 9 000 т/сутки;

375 ∙ 7800 = 2 925 000 т/год.

3.2.2 Расчет расхода сырьевых материалов.

Учитывая 4% присадки золы в процессе обжига клинкера расход сырьевых материалов следует считать:   375 т/ч - 100%

  х  т/ч   - (100-4)%, тогда

 т/ч.

Теоретический удельный расход сухого сырья для производства клинкера определяют с учетом потерь при прокаливании:

 т/т клинкера.

На современных заводах для  обеспыливания отходящих газов вращающихся печей устанавливают электрофильтры, что дает возможность считать потери сырья с отходящими газами не более 1%. Тогда расход сухого сырья составит:

т/т клинкера;

                                            1,539 ∙ 360 = 554,04т/ч;

554,04 ∙ 24 = 13 296,96 т/сутки;

554,04 ∙ 7800 = 4 321 512 т/год.

Определяем расход отдельных компонентов  сухой сырьевой смеси:

а) Известняка:

т/т клинкера:

1,300 ∙ 360 = 468,00 т/ч:

468,00 · 24 = 11 232 т/сутки:

468,00 · 7800 = 3 650 400 т/год.

б) Глины:

т/т клинкера;

0,213 · 360 = 76,68 т/ч;

76,68 · 24 = 1 840,32 т/сутки;

76,68 · 7800 = 598 104 т/год;

в) Огарки:

т/т клинкера;

0,025 · 360 = 9,00 т/час;

9,00 · 24 = 216,00 т/сутки;

9,00 · 7800 = 70 200 т/год.

С учетом естественной влажности расход сырьевых материалов соответственно составит:

а) Известняка:

т/т клинкера;

1,340 · 360 = 482,40 т/ч;

482,40 ∙ 24 = 11 577,60 т/сутки;

482,40 ∙ 7800 = 3 762 720 т/год.

б) Глины:

 т/т клинкера;

0,258 ∙ 360 = 92,88 т/ч;

92,88 ∙ 24 = 2 229,12 т/сутки;

92,88 ∙ 7800 = 724 464 т/год,

в) Огарки:

  т/т клинкера:

0,025 ∙ 360 = 9,00 т/ч;

9,00 ∙ 24 = 216,00 т/сутки;

9,00 ∙ 7800= 70 200 т/год.

3.2.3 Расчет расхода шлама.

Часовой расход шлама рассчитывают по формуле:

где  А_ш – расход шлама, м³/ч;

А_с – расход сухого сырья в час, т/ч;

W_ш – влажность шлама, %;

 γ_ш – плотность шлама, т/м³.

Плотность шлама определяют интерполяцией влажности и плотности шлама:

Таблица 1.1

Влажность шлама, %	Плотность шлама, т/м3
45 40 35 30 25	1,550 1,600 1,650 1,700 1,750

 

Для рассматриваемого случая γ = 1,630 т/м³.

Тогда на печи необходимо подать шлама:

А_ш = м³/ч;

548,229 · 24 = 13 157,496 м³/сутки;

548,229 · 7800 = 4 276 186,200 м³/год.

3.3. Материальный баланс отделения помола сырья.

 

Из предыдущих расчетов следует, что  отделение помола сырья, работающее с выходными днями (307 суток в  году по 3 смены в сутки), должно обеспечить помол 4 321 512 т/год сухих сырьевых материалов.

Следовательно, должно быть измолото сухого сырья:

4 321 512 / 307 = 14 076,586 т/сутки;

14 076,586 / 24 = 586,524 т/час.

В том числе расход отдельных  компонентов составит:

а) Известняка:

т/час;

т/сутки;

т/год;

б) Глины:

т/час;

т/сутки;

т/год;

в) Огарки:

т/час;

т/сутки;

т/год.

Для образования шлама одновременно с исходными материалами в сырьевые мельницы подается и вода. Потребность в воде определяется по формуле:

W_в = А_шγ_ш – (А_с + W_и + W_г + W_т),

где  W_в – количество воды, необходимое для приготовления шлама, м³/ч;

γ_ш – плотность шлама, т/м³;

А_ш – потребность в готовом шламе, м³/ч;

А_с – потребность в сухом сырье, т/ч;

W_и, W_г, W_т – количество воды, поступающее соответственно с известняком, глиной и трепелом, т/ч.

На основании приведенных ранее  расчетов:

А_ш = 548,229 м³/ч;

γ_ш = 1,630 т/м³;

А_с = 554,04 т/ч;

W_и = 482,40 – 468,00 = 14,40 т/ч;

W_г = 92,88 – 76,68 = 16,20 т/ч;

W_т = 9,00 – 9,00= 0 т/ч.

Подставляя эти данные в формулу, определяем расход воды на приготовление  шлама:

 W_в = 548,229 × 1,630 – (554,04 + 14,40 + 16,20 + 0) = 308,973 т/ч;

                                308,973 × 24 = 7 415,352 т/сутки;

                                7 415,352 × 307 = 2 276 513,064 т/год.

3.4. Материальный баланс карьера и дробильного отделения

 

Общие потери сырья составляют 2,5%, из них 1,5% - это потери на карьере, при транспортировке и дроблении в дробильном отделении и 1% - потери сырья с отходящими газами вращающихся печей.

Карьер, как и дробильное отделение, работает с выходными днями – 307 суток в году, в 2 смены в сутки:

307 × 16 = 4912 ч.  

Для производства 2 925 000 т/год клинкера необходимое количество сырьевых материалов, как было подсчитано выше, составляет:

Известняка:      3 762 720 т/год;

Глины:               724 464 т/год.

Трепел данным расчетом не учитывается, так как является привозным материалом.

С учетом 1,5% потерь требуется:

а) Известняка:  

                                                                        т/год;

3 819 160,80 / 307 = 12 440,263 т/сутки;

12 440,263 / 16 = 777,516 т/ч;

б) Глины: 

                                                            т/год;

735 330,960 / 307 = 2 395,215 т/сутки;

2 395,215 / 16 = 149,701 т/ч.

Таким образом, производительность карьера должна обеспечить добычу, а дробильное отделение – дробление следующего количества материалов:

Таблица 1.2

Расход материалов дробильного  отделения (т)

Материал	Период
	год	сутки	час
Известняк	3 819 160,800	12 440,263	777,516
Глина	735 330,960	2 395,215	149,701

3.5. Материальный баланс клинкерного склада  и отделения помола цемента

 

На клинкерный склад отправляют: клинкер и гипс.

Из данных материалов баланса цеха обжига следует, что в склад поступает клинкера, т:

в час:                  375;

в сутки:                9 000;

в год:         2 925 000.

 

При хранении сыпучих материалов в  складских помещениях неизбежны  потери, %:

клинкера:  1,0%;

гипса:       1,5%.

Таким образом, в отделение помола цемента за год поступает клинкера:

                             а) Клинкер:        т.

При работе отделения помола цемента 307 суток в году по 3 смены в сутки (7368 ч в год) необходимо клинкера:

в сутки:                 2 895 750 / 307 = 9 432,410 т;

в час:   2 895 750  / 7368 = 393,017 т.

Введение при помоле цемента  гипса (3%) определяет потребность отделения помола клинкера в этих материалах:

б) Гипса:  т/год;

89 559,278 / 307 = 291,724 т/сутки;

89 559,278 / 7368 = 12,155 т/ч.

Из приведенных выше расчетов следует, что производительность отделения  помола цемента составляет:

2 895 750 + 89 559,278 = 2 985 309,278 т/год (цемента);

9 432,420 + 291,724 = 9 724,144 т/сутки (цемента);

393,017 + 12,155 = 405,172 т/ч (цемента).

Аспирация цементных мельниц осуществляется на современных заводах с помощью  электрофильтров. При этом потери цемента могут быть приняты порядка 0,5%.