Технология произодства цемента

1.2.3 Тонкое измельчение материалов (помол)

Основным агрегатом для тонкого  измельчения и помола портландцементных  сырьевых смесей является шаровая трубная  мельница, отличающаяся простотой конструкции, надежностью и удобством эксплуатации, обеспечивающая высокую степень  измельчения. Чтобы предохранить барабан  и днище мельницы от преждевременного износа, их футеруют продольными и  торцевыми стальными или чугунными  плитами. Измельчение материала  в шаровой мельнице осуществляется ударами свободно падающих мелющих  тел. Существенный недостаток шаровых  мельниц – низкая интенсивность  движения мелющих тел. Так же при  сухом помоле измельчаемый материал нагревается до температуры 100 – 200⁰ С, что ведет к повышению износа бронефутеровки, мелющих тел, а также может вызвать термическое разложение измельчаемых материалов. Для успешной работы мельниц сухого помола необходимо осуществлять вентиляцию мельничного пространства (аспирацию). Скорость воздушного потока обеспечивается вентилятором, просасывающим воздух через мельницу и последующие очистные устройства. Холодный воздух, поступающий в мельницу, охлаждает футеровку корпуса, мелющие тела и измельчаемый материал. Проходя через мельницу, он увлекает мельчайшие частицы, предотвращая их налипание на мелющие тела. Благодаря аспирации производительность мельницы повышается на 20-25 %, уменьшается пылевыделение, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. Диспергирование (понижение прочности на начальных стадиях) цементного клинкера осуществляется за счет применения интенсификаторов помола.

1.2.4. Мельницы самоизмельчения

Перспективное направление в развитии техники измельчения сырья —  применение каскадных мельниц, в  которых помол материалов осуществляется без использования мелющих тел  — по принципу самоизмельчения. Мельница (рис. 3) представляет собой короткий полый вращающийся барабан большого диаметра, закрытый с двух сторон торцевыми  стенками с полыми цапфами. Внутренняя полость барабана футерована бронеплитами с лопастями-подъемниками. Материал поступает в мельницу через цапфу 1, отбрасывается при вращении барабана к периферии на лопасти, поднимается  последними и вновь падает вниз, ударяясь по пути о куски поступающего в мельницу материала и повторно о лопасти. Оптимальная степень заполнения таких мельниц материалом составляет 20-25 %. Помол в мельнице происходит за счет ударов материала о лопасти и соударения размалываемых кусков. Для усиления размалывающего действия в мельницу может быть загружено небольшое количество стальных шаров (5-6 % от внутреннего объема мельницы).

Рис.3. Мельница сухого самоизмельчения «Аэрофол»: 1 – загрузочная цапфа; 2 – поперечные била; 3 – зубчатые выступы; 4 – разгрузочный патрубок

Эффективность процесса самоизмельчения определяется максимальной крупностью кусков исходного  материала, а также соотношением крупных и мелких фракций. Оптимальная  крупность подаваемого в мельницу материала зависит от ее диаметра и частоты вращения. Куски известняка, подаваемого в мельницу диаметром 7 м, должны иметь размер 350 – 450, мела – 500 – 800мм. Основные преимущества мельниц  самоизмельчения состоят в простоте конструкции и обслуживания, низкой скорости вращения рабочих органов, малых удельных затратах электроэнергии на измельчение, отсутствие мелющих  тел, совмещение процессов дробления  и помола в одном аппарате, высокой  производительности (до 500 т/ч). Мельницы самоизмельчения предназначены  для сухого размола (мельница «Аэрофол»). Создание такого агрегата позволило перерабатывать сырье влажностью 20 – 22% по сухому способу. Большой диаметр загрузочных цапф позволяет пропускать значительный объем горячих газов, поэтому можно использовать газы относительно невысокой температуры (отходящие газы вращающихся печей).

1.2.5 Переработка, транспортирование и хранение порошков

Свойства порошкообразных  материалов. Порошкообразные материалы – энергонасыщенные системы, способные к саморегулированию своих свойств и взаимодействию с внешней средой. Их активность проявляется в аутогезии и адгезии. Аутогезия – это связь между соприкасающимися частицами, которая препятствует их разъединению; адгезия характеризует взаимодействие частиц с поверхностью твердых макроскопических тел (стенок трубопроводов, силосов - емкости из нержавеющей стали для хранения, и перегрузки сыпучих материалов и т.д.). Аутогезионные свойства в значительной мере обуславливает поведение порошкообразных материалов при их переработке. Аутогезионное взаимодействие порошков влечет за собой ряд осложнений в ходе технологических процессов. Усложняется выгрузка силосов (цемента, сырьевых смесей и др.) вследствие сводообразования и зависания материала на стенках. Пылеулавливающее оборудование забивается пылью, поэтому приходится усложнять его конструкцию, повышать расход энергии на очистку. Образование агломератов затрудняет получение однородной смеси при перемешивании порошков.

Транспортирование порошков. Для перемещения сухих сыпучих материалов применяют различные типы транспортных систем: механический – винтовые конвейеры и элеваторы и пневматический – пневмокамерные и пневмовинтовые насосы, аэрожелоба. Механические транспортные системы целесообразно использовать для перемещения небольшого объема материалов на незначительные расстояния. Но сложность конструкции и обилие движущихся агрегатов осложняют работу механических транспортных систем, снижают коэффициент их использования.

В настоящее время транспортирование  порошков в пределах завода осуществляют в основном пневматическим способом при помощи винтовых и камерных насосов. Основные преимущества этого способа  – возможность перемещения на большие расстояния, отсутствие пыли, простота и надежность эксплуатации. Аэрационный желоб (рис. 4) разделен по высоте на две части специальной  воздухонепроницаемой перегородкой. Нижний лоток служит воздуховодом, куда нагнетается  сжатый воздух, а в верхний лоток (транспортный) поступает порошок, насыщенный воздухом. Аэрожелоба просты по конструкции, монтажу и эксплуатации; износоустойчивы; исключают потери от распыления и обеспечивают нормальные условия работы обслуживающего персонала. Но они применимы лишь для дальности транспортирования до 40 м.

Гомогенизация и хранение порошкообразных материалов. Для получения однородных порошков с высокой подвижностью необходимо препятствовать образованию аутогезионных контактов и разрушать их в случае возникновения. Гомогенизация портландцементных сырьевых смесей осуществляется перемешиванием. Чем выше интенсивность перемешивания, тем меньше его длительность, меньше размеры агрегатов и больше их производительность. Перемешивание сухой шихты организовано в силосах с пневматическим перемешиванием. Предпочтительны силосы с плоским основанием, так как в них воздух распределяется более равномерно. Размеры силоса зависят от способа гомогенизации, мощности цеха, а также особенностей технологического процесса.

Сжатый воздух, подаваемый в силосы через воздухопроницаемое днище, насыщает материал и переводит его в  псевдотекучее состоянии. Днище выкладывают специальными коробами, состоящими из металлического корпуса и пористой аэроплитки. Аэроплитки изготавливают из керамики, металлокерамических сплавов, текстиля и др. Проходя тонкими струями через поры в плитках, воздух попадает внутрь силоса, при движении вверх увлекает за собой частички муки. Место поднятого струей воздуха материала занимает неарированная шихта, находящаяся рядом с этой зоной. Таким образом, весь порошок, находящийся в силосе, приходит в движение и перемешивается. При перемешивании порошков в силосе расходуется много сжатого воздуха и, следовательно, электроэнергии. Недостаток силосов такого типа – недостаточная степень гомогенизации при больших количествах смеси, значительная потребность в объемах сжатого воздуха.

Более эффективным и экономичным  является применение двухъярусных силосов. Исходные сырьевые смеси различного состава поступают в несколько  силосов верхнего яруса, а затем  после уточнения состава перемешиваются в заданном соотношении в более  крупных силосах нижнего яруса. Двухъярусное расположение силосов  позволяет не только сократить производственные площади и расходы на строительство, но и использовать эффект гравитационного  перемешивания. Когда материал выгружают  из силоса верхнего яруса в силос  нижнего яруса, скорость его перемещения  выше в центре силоса и постепенно уменьшается в направлении к  периферии, что заставляет горизонтальные слои материала разного уровня перемещаться к центру, где они одновременно извлекаются.

Аутогезионные свойства порошков особенно наглядно проявляются при хранении в силосах. Этому способствует давление вышележащих слоев материала на нижележащие и наличие в воздухе паров воды. Для ослабления аутогезионного взаимодействия порошков рекомендуется воздух, подаваемый для их перемешивания, предварительно подогревать до температуры, превышающей температуру порошка на 15 – 20 ⁰С. Это позволяет предотвратить адсорбцию влаги материалом.

Разгружают силосы пневматическим способом при помощи разгрузочных устройств, расположенных сбоку или под  днищем силоса, 15-20 % которого выкладывают аэроплитками. Под них подают обезвоженный воздух под давлением. Проходя через поры в аэроплитках, воздух разрыхляет порошок и дает ему возможность стекать под уклон к разгрузочным механизмам.

1.2.6 Тепловая обработка сырья в производстве портландцемента

Физико-химические основы обжига портландцементного клинкера. Образованию портландцементного клинкера предшествует ряд физико-химических процессов, в результате которых клинкер приобретает сложные минералогический состав и микрокристаллическую структуру. Эти процессы протекают в определенных температурных границах — технологических зонах печи. В основном обжиговом агрегате — вращающейся печи — при мокром способе производства цемента по ходу движения материала выделяют зоны: I – испарения, II – подогрева и дегидратации, III— декарбонизации, IV – экзотермических реакций, V— спекания, VI— охлаждения. При сухом способе производства – эта зона отсутствует. Подготовительные зоны I – II занимают 50-60% длины печи, зона декарбонизации — 20-25, зона экзотермических реакций — 7-10, зона спекания — 10-15 и зона охлаждения — 2-4 % длины печи. На рис. 5 показано распределение температур материла и газового потока по зонам вращающейся печи.

Рис. 5. Распределение температуры  материала и газового потока по зонам  вращающейся печи: 1 – материал; 2 – газовый поток; I-VI – зоны печи

В зоне подогрева при температуре 200-650 °С выгорают органические примеси и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента. Обезвоживание и распад на оксиды водных алюмосиликатов кальция приводит к образованию ряда промежуточных соединений, заметно влияющих в дальнейшем на скорость связывания СаО.

В зоне декарбонизации при температуре 900-1200 ⁰ С происходит диссоциация карбонатов кальция и магния с образованием свободных СаО и МgО. Одновременно продолжается распад глинистых минералов. В зоне экзотермических реакций при температуре 1200 – 1300 ⁰ С завершается процесс твердофазового спекания материала. В результате образуются минералы 3CaO*Al₂O₃ ; 4CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃ и 2CaO*SiO₂. Однако в смеси остается некоторое количество свободной извести, необходимое для насыщения двухкальциевого силиката до трехкальциевого (алита).

В зоне спекания при температуре 1300 – 1450⁰ С происходит частичное плавление материала, начинающееся в поверхностных слоях зерен, а затем постепенно распространяющееся к их центру. Время полного усвоения оксида кальция и образования алита в зоне спекания составляет 20 – 30 минут.

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1100 – 1000 ⁰ С. Часть жидкой фазы при этом кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть затвердевает в виде стекла. Границы зон во вращающейся печи достаточны условны и нестабильны. Меняя режим работы печи, можно смещать границы и протяженность зон и тем самым регулировать процесс обжига.

Аппараты для тепловой обработки. Они работают по принципу как противотока, так и прямотока. С точки зрения расходы теплоты прямоток выгоднее, чем противоток, так как в последнем случае выше температура отходящего материала и больше потери теплоты. Тем не менее, чаще применяют противоток, что связано с большей разностью температуры теплоносителя и материала в таких аппаратах и соответственно большей скоростью теплообмена, что позволяет сократить длительность обжига. Тепловыми агрегатами в производстве клинкера являются вращающиеся печи. Они представляют собой стальной барабан, который состоит из обечаек (открытый цилиндрический или конический элемент конструкции), соединенных сваркой или клепками, и имеет внутреннюю футеровку из огнеупорного материала (рис. 6). Профиль печей может быть как строго цилиндрическим, так и сложным с расширенными зонами. Расширение определенной зоны производят для увеличения продолжительности пребывания в ней обжигаемого материала. Печь, установленная под углом 3 - 4⁰ к горизонту, вращается с частотой 0,5 – 1,5 мин^-1. Вращающиеся печи в основном работают по принципу противотока. Сырье поступает в печь с верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливно-воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20 - 30 м длины печи. Горячие газы, перемещаясь со скоростью 2 - 13 м/с навстречу материалу, нагревают последний до требуемой температуры. Длительность пребывания материала в печи зависит от ее частоты вращения и угла наклона, составляя, например, в печи размером 5× 185 м, 2 - 4 часа. Занятое материалом сечение во вращающихся печах составляет лишь 7 - 15 % объема, что является следствием высокого термического сопротивления движущегося слоя и объясняется как малой теплопроводностью частиц обжигаемого материала, так и слабым перемешиванием их в слое.

Рис. 6. Вращающаяся печь размером 5×185 м:

1 – дымосос; 2 – питатель для  подачи шлама; 3 – барабан; 4 –  привод; 5 – вентилятор с форсункой  для вдувания топлива; 6 – колосниковый  охладитель.