Технология произодства цемента

Факел пламени и горячие газы нагревают как поверхностный  слой материала, так и футеровку  печи. Футеровка, в свою очередь, отдает получаемую теплоту материалу лучеиспусканием, а также путем непосредственного  контакта. При каждом обороте печи в процессе соприкосновения с  газовым потоком температура  поверхности футеровки повышается, а при контакте с материалом понижается. Таким образом, материал воспринимает теплоту лишь в двух случаях: либо когда соприкасается с нагретой поверхностью футеровки, либо когда  находится на поверхности слоя. Производительность вращающейся печи зависит от объема внутренней части, угла наклона печи к горизонту и частоты вращения, температуры и скорости движения газов, качества сырья и ряда других факторов.

Важное преимущество вращающихся  печей — их технологическая универсальность, обусловленная возможностью использовать сырьевые материалы различных видов.

Теплообменные устройства. Эффективное использование теплоты во вращающихся печах возможно только при установке системы внутрипечных и запечных теплообменных устройств. Внутрипечные теплообменные устройства имеют развитую поверхность, которая либо всё время покрыта материалом, непосредственно соприкасающимся с газами, либо работает как регенератор, воспринимаю теплоту от газов и передавая ее материалу. Эти устройства увеличивают поверхность теплообмена между газами и материалами также потому, что, уменьшая скорость движения материала, повышают коэффициент заполнения печи. В результате установки внутрипечных теплообменных устройств, кроме основной задачи – снижения расходов теплоты – можно решить и ряд других задач: интенсифицировать процесс перемешивания, снизить пылевынос. Это позволяет улучшить работу печи и повысить её производительность.

В России для обжига сухих сырьевых смесей в основном используют печи с циклонными теплообменниками. В  основу их конструкции положен принцип  теплообмена между отходящими газами и сырьевой мукой во взвешенном состоянии (рис. 7).

        Рис. 7. Схема циклонных теплообменников к вращающейся печи:

1 – дымовая труба; 2 – циклонные  теплообменники; 3 – винтовой питатель; 4 – скребковый конвейер; 5 – расходный  бункер сырьевой муки; 6 – ковшовый  элеватор; 7 – течка; 8 – переходная  головка; 9 – вращающаяся печь; 10 – пылеуловители; 11 – дымосос.

Уменьшение размера частиц обжигаемого  материала, значительное увеличение его  поверхности и максимальное использование  этой поверхности для контакта с  теплоносителем интенсифицируют теплообмен. Сырьевая мука в системе циклонных  теплообменников движется навстречу  отходящих из вращающейся печи газов  температурой 900 – 1100⁰С. Средняя скорость движения газов в газоходах составляет 15 – 20 м/с, что значительно выше скорости движения частиц сырьевой муки. Поэтому поступающая в газоход между верхними I и II ступенями циклонов сырьевая мука увлекается потоком газов в циклонный теплообменник I ступени. Поскольку диаметр циклона намного больше диаметра газохода, скорость газового потока резко снижается, и частицы выпадают из него. Осевший в циклоне материал через затвор – мигалку поступает в газоход, соединяющий II и III ступени, а из него выносится газами в циклон II ступени. В дальнейшем материал движется в газоходах и циклонах III и IV ступеней. Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, начиная относительно холодной (I) и кончая горячей (IV). При этом процесс теплообмена на 80 % осуществляется в газоходах и только 20 % приходится на долю циклонов.

Время пребывания сырьевой муки в  циклонных теплообменниках не превышает 25-30 с. Несмотря на это, сырьевая мука не только успевает нагреться до температуры 700-800 °С, но полностью дегидратируется и на 25-35 % декарбонизируется.

Недостатки печей этого типа — высокий расход электроэнергии и относительно низкая стойкость  футеровки. Кроме того, они чувствительны  к изменению режима работы печи и  колебаниям состава сырья. После  прохождения циклонных теплообменников  сырьевая мука температурой 720 - 750 °С поступает в декарбонизатор - аппарат для удаления из воды свободной угольной кислоты путём продувания этой воды воздухом (рис. 8). Частицы сырьевой муки и растленное топливо диспергируются и перемешиваются. Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, передается частицам сырьевой муки, которые нагреваются до 920 - 970 °С. Материал в системе циклонный теплообменник — декарбонизатор находится лишь 70 - 75 с и за это время декарбонизируется на 85-95 %. Установка декарбонизатора позволяет повысить съем клинкера с 1 м³ внутреннего объема печи в 2,5 - 3 раза. Кроме того, в декарбонизаторе можно сжигать низкокачественное топливо и бытовые отходы. Размеры установки невелики, и она может использоваться не только при строительстве новых заводов, но и при модернизации действующих печей.

Рис. 8. Вращающаяся печь с циклонным  теплообменником и декарбонизатолром:

1 – дымосос; 2 – электрофильтр; 3 – циклонный теплообменник; 4 –  декарбонизатор;5 – вращающаяся  печь 4,5 × 80 м; 6 – установка контроля  температуры корпуса; 7 – колосниковый  холодильник; 8 – установка для  охлаждения и увлажнения отходящих печных газов.

Футеровка печи. Для защиты корпуса от воздействия высокой температуры печи изнутри футеруют огнеупорными материалами, выполняющими одновременно роль изоляции, предотвращающей чрезмерные потери теплоты в окружающую среду. Футеровка должна иметь определенные свойства: химическую устойчивость к обжигаемому материалу, огнеупорность, термостойкость, теплопроводность, механическую прочность, сопротивление истиранию, упругость. Так как футеровки различных зон печи работают в неодинаковых температурных условиях, то их выкладывают из различных огнеупоров. В особо тяжелых условиях находится футеровка зоны спекания – наиболее высокотемпературной зоны вращающейся печи. Наиболее совершенный вид огнеупора для такой зоны является периклазохромитовые кирпичи с пониженным содержанием хромита. Средняя стойкость в цементной промышленности данной футеровки составляет около 230 суток.

Срок службы футеровки увеличивают  рядом технологических приемов: строгое соблюдение режима обжига клинкера; равномерное питание сырьем и топливом; постоянство химического состава, тонкости помола и влажности сырья; постоянство состава, влажности и тонкости помола твердого топлива. Эти факторы обеспечивают стабильность режима работы печи, уменьшают колебания температуры в футеровке и деформации корпуса.

Главное условие надежной эксплуатации футеровки – создание и сохранение защитного слоя обмазки на её рабочей  поверхности. Клинкерный расплав взаимодействует  с материалом футеровки, налипает на неё, образуя слой обмазки толщиной до 200 мм. Процесс образования обмазки  и её свойства зависят от температуры  плавления, количества и состава  жидкой фазы и режима работы печи. Обмазка  предохраняет футеровку от разрушения, снижая температуру поверхности  кирпича и уменьшая возникающие  в нем напряжения, защищает кирпич от колебаний температуры внутри печи, а также от химического и  механического воздействия обжигаемого  материала.

Интенсификация процессов  обжига.

Печные агрегаты – самое энергоемкое  оборудование. В производстве цемента  на их долю приходится около 80 % затрат тепловой и электрической энергии. Добиваясь снижения этих затрат, конструкции  печей непрерывно совершенствуют, изыскивают пути интенсификации процессов обжига. Проблема интенсификации работы вращающихся печей включает в основном две задачи: изыскание наиболее рациональных приемов снижения удельного расхода теплоты на обжиг клинкера и повышение тепловой мощности печи. На производительность печи влияет целый ряд факторов. Во-первых, факторы, которые приводят к изменению удельного расхода теплоты на обжиг клинкера: состав и структура сырья, его влажность и реакционная способность и др. Во-вторых, производительность печи повышается, если увеличивается поверхность соприкосновения газов с материалом, возрастает скорость движения газового потока, сжигание топлива производится с минимальным избытком воздуха. Все мероприятия, способствующие увеличению полезно используемой теплоты сгорания топлива, ускоряет процесс клинкерообразования. К ним относятся установка внутрипечных и запечных теплообменных устройств, снижение влажности шлама за счет обезвоживания в концентраторах или путем введения разжижителей шлама и др.

Тепловая мощность печи – важнейшая  конструктивная характеристика, определяющая её производительность. Увеличение количества сжигаемого топлива в том же объеме топочного пространства – один из путей повышения производительности печи. Эффективным средством интенсификации процесса и производительности печи является повышение температуры  нагреваемого материала.

Эффективное средство интенсификации процесса обжига – сжигание части  топлива в зоне декарбонизации непосредственно  в слое материала. Снизить удельный расход теплоты на обжиг клинкера можно введением в сырьевую смесь  минерализаторов. Они позволяют  ускорить твердофазовые реакции, снизить температуру появления жидкой фазы и улучшить ее свойства, повысить качество продукции. Важный резерв интенсификации процесса обжига – утилизация пыли, улавливаемой из отходящих газов. Тонкодисперсная, частично прокаленная пыль близка по составу сырьевой смеси. Возврат пыли в печь способствует росту производительности агрегата, сокращению расхода сырья, топлива, электроэнергии. Расход топлива можно снизить путем совершенствования технологической схемы, конструктивных решений декарбонизаторов, холодильников и вспомогательного оборудования.

Охлаждение обожженных материалов.

Выходящий из вращающейся печи материал имеет температуру около 1000⁰С. Возвращение в печь теплоты материала может существенно снизить расход топлива. Это достигается охлаждением материала воздухом, подаваемым затем в печь для горения топлива. Режим охлаждения влияет как на дальнейший технологический процесс, так и на свойства готового продукта. Размол горячих материалов приводит к снижению производительности мельниц и росту удельного расхода энергии. Особенно чувствителен к охлаждению портландцементный клинкер. Быстроохлажденные клинкера легче размалываются и в определенной мере повышают качество цемента. Поэтому необходимо, чтобы процесс охлаждения клинкера был наиболее полным и протекал быстро, особенно в начальной стадии. Чем полнее охлаждение клинкера, тем меньше потери теплоты.

Широко распространены три типа охладителей: барабанные, рекуператорные и колосниковые. При производстве портландцементного клинкера в современных вращающихся печах используют колосниковые переталкивающие охладители (Рис. 9). Горизонтальная решетка с подвижными колосниками приводится в действие от кривошипного механизма. Форма колосников такова, что при движении вперед клинкер ссыпается на следующий ряд колосников; при движении в обратном направлении он скользит по колосникам. Ввиду того что одни колосники движутся, а другие нет, осуществляется постоянное перемешивание клинкера. Камера охладителя разделена на две части. Клинкер с обреза вращающейся печи в горловине охладителя подвергают воздействию «острого дутья» (10...12 кПа), которое обеспечивает равномерное распределение клинкера по ширине колосников и быстрое начальное его охлаждение. Этот горячий воздух температурой 450 ⁰ С засасывается в печь, где используется для горения топлива в качестве вторичного воздуха. Во вторую часть подрешеточного пространства охладителя также поступает холодный воздух, который подвергается за счет частичного уже охлажденного клинкера и может быть использован для сушки сырья. На разгрузочном конце охладителя устанавливают молотковую дробилку, предназначенную для дробления крупных кусков клинкера ( «свара» ).

Рис. 9. Схема колосникового охладителя клинкера типа « Волга»:

1 – вращающаяся печь; 2 – приемная  шахта; 3 – колосниковая решетка; 4 – привод; 5 – окно для сброса  избытка отработанного воздуха  в атмосферу; 6 – грохот; 7 – молотковая  дробилка; 8 – скребковый конвейер; 9 – окна для общего дутья; 10 – вентилятор общего дутья; 11 – вентилятор острого дутья.

Поскольку в колосниковом охладителе воздух просасывается через слой материала, значительно увеличивается  поверхность теплообмена и интенсифицируется  процесс охлаждения. Скорость охлаждения регулируют изменением скорости движения решетки, толщины слоя материала  и количества воздуха.

Преимущества колосниковых охладителей  – высокие скорость и степень  охлаждения (до 40 – 60 ⁰ С), хороший КПД, малый удельный расход электроэнергии (9–11 МДж/т клинкера ). Основной недостаток – невыгодный с точки зрения рекуперации принцип теплообмена, так как воздух движется не противотоком к материалу, а перпендикулярно ему. Большое количество теплоты теряется при выбросе избыточного воздуха в атмосферу. К недостаткам колосниковых охладителей также относятся сложность эксплуатации и ремонт, меньшая надежность работы, большие капиталовложения.

3. Особые виды портландцемента

При получении портландцементов с  заданными специальными свойствами используют следующие основные пути: 1) регулирование минерального состава  и структуры цементного клинкера, оказывающих решающее влияние на строительно-технические свойства цемента; 2) регулирование тонкости помола и зернового состава цемента, влияющих на скорость твердения, прочность, тепловыделение и другие важнейшие  свойства вяжущего; 3) изменение вещественного состава портландцемента введением в него активных минеральных и органических добавок, позволяющих направленно изменять свойства вяжущего, экономить клинкер и расход цемента в бетоне.

Виды цемента:

• Быстротвердеющий портландцемент
• Cульфатостойкий портландцемент
• Цемент с поверхностно - активными добавками
• Гидрофобизирующие добавки
• Белые портландцементы
• Цветные портландцементы
• Тампонажные портландцементы
• Пуццолановый портландцемент
• Шлаковые цементы
• Глиноземистый цемент
• Расширяющиеся цементы

Быстротвердеющий  портландцемент (БТЦ). Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) – это портландцемент с минеральными добавками, который отличается интенсивным нарастанием прочности в первый период твердения. Повышенная механическая прочность БТЦ достигается надлежащим подбором минералогического состава клинкерной марки БТЦ 400 и 500. Для этого вида цемента нормируется прочность не только в 28-суточном возрасте, но и в 3-суточном. Предел прочности при сжатии через 3-е суток должен быть не менее 20-25 МПа соответственно. БТЦ предназначен для изготовления железобетонных конструкций и изделий в заводских полигонных условиях, а также для скоростного строительства. Применение БТЦ дает возможность отказаться от тепловлажностной обработки бетона.