Проектирование цементного завода

 

Введение

Цемент - один из древнейших строительных материалов в мире. Производство цемента быстро растет, но и потребность в нем непрерывно увеличивается. По темпам развития, по организации технического контроля за качеством наша цементная промышленность занимает ведущее положение в мире. Для того чтобы правильно и экономно использовать этот замечательный и ценный строительный материал, необходимо хорошо знать его свойства и особенности. Цемент не является природным материалом. Его изготовление - процесс дорогостоящий и энергоемкий, однако результат стоит того - на выходе получают один из самых популярных строительных материалов, который используется как самостоятельно, так и в качестве составляющего компонента других строительных материалов (например, бетона и железобетона). Цементные заводы, как правило, находятся сразу же на месте добычи сырьевых материалов для производства цемента.

В архитектурно-декоративных целях иногда требуется применение отдельных бетонов на основе белых или цветных цементов, что особенно актуально для тропических стран. Белые цементы целесообразно применять с соответствующими заполнителями. Достоинство этих цементов заключается и в том, что в результате низкого содержания растворимых щелочей они характеризуются повышенной атмосферостойкостью.

 

 

 

 

 

 

1. Характеристика сырьевых компонентов

       Известняк — осадочная горная порода органического происхождения, состоящая в основном из (карбоната кальция) в форме кристаллов кальцита различного размера.  Известняк широко применяется в качестве строительного материала. Обжиг известняка даёт негашёную известь – древний  вяжущий материал. Наиболее частыми примесями в известняках являются доломит, кварц, глинистые минералы, окислы и гидроокислы железа и марганца, а также пирит, марказит, фосфаты, гипс и органические вещества. Известняки нередко содержат остатки известковых скелетов ископаемых организмов. Химический состав чистых известняков приближается к теоретическому составу кальцита (56% CaО и 44%). Доломитизированные известняки - известняки, содержащие MgO от 4 до 17%.

         По структуре агрегатов кальцита различают известняки кристаллические (хемогенные), биогенные (сложенные скелетами известковых организмов, например, мел, состоящий из мелких обломков и целых известковых скелетов микроорганизмов) и обломочные (смешанные структуры, например, мергель, состоящий из кальцита, доломита и глинистого материала). Цвет известняков преимущественно белый, светло-серый, желтоватый; примеси могут окрашивать его в бурый, красный, зеленый или черный цвета; карбонатная составляющая растворов в слабых кислотах; плотность 2700-2900 кг/м3; предел прочности при сжатии от 0,4 до 300 МПа; температура разложения 825-920°С. Влажность известняка 0,5%. .

      Сланцы — метаморфические горные породы, характеризующиеся ориентированным расположением породообразующих минералов и способностью раскалываться на тонкие пластины или плитки (сланцеватостью). По характеру исходных пород различают орто- и парасланцы. Первые возникли при метаморфизме магматических, вторые —осадочных горных пород. По степени метаморфизма различают слабометаморфизованные глинистые сланцы, кремнистые сланцы, глубокометаморфизованные кристаллические сланцы; промежуточное положение занимают филлиты, хлоритовые и серицитовые сланцы, зеленые сланцы. Кремнистые сланцы представляют собой твёрдые плотные тонкоплитчатые породы серого цвета, сложенные роговиковым агрегатом кварца. Содержание SiО2 в породе 67,5-97%. Нередко присутствуют примеси органического вещества, графита, оксидов и гидроксидов Fe и Mn, хлорита, скелетов радиолярий, спикул губок, водорослевого детрита. Влажность сланца 9,6%. Кремнистые сланцы применяются в производстве щебня и силикатного кирпича (динаса), кристаллические сланцы (высокоглинозёмистые кианитовые, силлиманитовые и др.) — как огнеупорное сырьё, для получения силумина. Глинистые, хлоритовые и талькохлоритовые сланцы, раскалывающиеся на тонкие (толщиной 2,5-6 мм) и ровные плитки, называются кровельными или шиферными сланцами. Их используют для покрытия и облицовки зданий, изготовления распределительных щитов, оснований для реостатов, отходы кровельно-сланцевого производства — в качестве наполнителя для кровельной мастики, дорожного асфальта и др. Разновидности слабометаморфизованных сланцев, обладающие способностью вспучиваться при обжиге, применяют в качестве тепло- и звукоизоляционного материала (керамзит, шунгизит и др.).

       Огарки — отходы, образуемые при сжигании серного колчедана (пирита) на предприятиях по производству серной кислоты. Содержание в огарках некоторого количества мышьяка, выщелачиваемого под действием атмосферных осадков, обусловливает их вредное воздействие на окружающую среду при хранении в отвалах. Широкое применение пиритные огарки находят в цементном производстве как корректирующая железосодержащая добавка. Вследствие изменения технологии получения серной кислоты в настоящее время уменьшен выход огарков и они заменяются в производстве цемента другими железосодержащими отходами. В сырьевую смесь обычного портландцементного клинкера пиритные огарки вводят в количестве, обеспечивающем содержание оксидов железа в пересчете на в пределах 2-5%. Сырьевую смесь обжигают при температуре 1220—1250 °С. В полученном клинкере преобладают ферриты и алюмоферриты кальция. Высокожелезистые цементы характеризуются нормальными сроками схватывания при введении в сырьевую смесь до 3% гипса. Прочность их на сжатие в условиях водного и воздушно-влажного твердения в течение 28 сут соответствует маркам Ml50 и М200, а при пропаривании и автоклавной обработке увеличивается в 2—2,5 раза. Высокожелезистые цементы при содержании в них двухкальциевого феррита до 40% являются безусадочными. По мере увеличения в цементах содержания этого минерала они приобретают способность расширяться при твердении.

          Вода — жидкое состояния химического соединения молекулярной формулы Н2О, прозрачная жидкость не имеющая цвета (в малом объеме) и запаха. Вода имеет огромное значение и в органическом мире, в частности, в произрастании лесов как потенциального вида строительной древесины, в развитии растений. Вода служит неотъемлемым компонентом при производстве строительных материалов , изделий и конструкций.

        Критическая температура для  чистой воды равна 374, критическое  давление 21,7 МПа. Плотность чистой  воды равна 1 при 4, она понижается  с уменьшением температуры (этим  она отличается от других жидкостей).

        Вода служит не только средой  для многих физических явлений, но и важнейшим агентом химических  процессов в земной коре. Электролитическая  диссоциация воды на катионы  и анионы и гидролиз связаны с образованием гидрооксидов, основных и кислотных солей. Она способствует формированию гидрогелей в природе, протеканию метаморфических процессов и, в частности, перекристаллизации минеральных веществ. В них она удерживается как конституционная, прочно связанная с кристаллической решеткой минерала в виде ионов и , а также в виде нестойкого иона оксония , от которого легко отщепляется с выделение Н. .

     Гипс. Природный двуводный гипс— горная порода осадочного происхождения, сложенная в основном из крупных или мелких кристаллов сернокислого кальция CaSO4*2Н2О. Плотные образования гипса называют гипсовым камнем. По внешнему виду и строению горной породы различают кристаллический прозрачный гипс, гипсовый шпат, тонковолокнистый гипс с шелковистым отливом (селенит) и зернистый гипс. Наиболее чистую разновидность зернистого гипса, напоминающую по внешнему виду мрамор, иногда называют алебастром. Гипсовые породы содержат обычно некоторое количество примесей глины, песка, известняка, битуминозных веществ и др.  
Чистый гипс белого цвета, примеси придают ему различные оттенки: оксиды железа окрашивают его в желтовато-бурые цвета, органические примеси —в серые и т.д. Небольшое количество примесей, равномерно распределенных в гипсе, заметно не ухудшает качество вяжущих. Вредное влияние оказывают крупные включения. По ГОСТ 4013—82 гипсовый камень для производства гипсовых вяжущих веществ должен содержать не менее 95 % двуводного гипса в сырье 1-го сорта, не менее 90 % в сырье 2-го сорта и не менее 80 и 70 % в сырье 3-и 4-го сортов. В гипсовых породах лучших месторождений обычно содержится до 2—5% примесей, но часто их количество достигает 10—15 % и более. Средняя плотность гипсового камня зависит от количества и вида примесей и составляет 2,2—2,4 г/см3. Насыпная плотность гипсовой щебенки 1200—-1400 кг/м3, Твердость по шкале Мооса 2, Растворимость гипса в воде в пересчете на CaS04, г/л, при: 18 °С 0,2; 40°С 0,21; 100°С 0,17, Теплопроводность в интервале 16-46°С, Вт/(м.К) 0,43, Содержание CaS04 2H2O в гипсовом камне, %, для сортов: I не менее 95, II 90, III 80, IV 70, влажность колеблется в значительных пределах (3—5 % и более). Содержание воды в различных партиях гипсового камня неодинаково и зависит от его физических свойств, относительной влажности воздуха, времени года и условий хранения. [6]

       Мазут. Для обжига клинкера используют беззольпое топливо — мазут или природный газ. Температура обжига маложелезистого клинкера белого портландцемента высокая и достигает 1500— 1550°С. Физико-химические процессы, протекающие при нагревании сырьевой смеси, используемой для получения белого портландцемента, не отличаются от присущих серому портландцементу. Возможно лишь некоторое отличие физико-химических процессов, обусловленное характером вводимых в сырьевую смесь добавок и газовой средой в печи. Мазут – это  жидкий продукт тёмно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов её вторичной переработки бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до 350—360°С. Мазут представляет собой смесь углеводородов (с молекулярной массой от 400 до 1000), нефтяных смол (с молекулярной массой 500—3000 и более), асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V, Ni, Fe, Mg, Na, Ca). Физико-химические свойства мазута зависят от химического состава исходной нефти и степени отгона дистиллятных фракций и характеризуются следующими данными : вязкость 8—80 мм²/с (при 100 °C), плотность 0,89—1 г/см³ (при 20 °C), температура застывания 10—40°С, содержание серы 0,5—3,5 %, золы до 0,3 %, низшая теплота сгорания 39,4—40,7 МДж/моль. 

 

 

 

 

 

Технологическая схема производства ПЦ по мокрому способу:

    Гипс               Известняк       Сланец       Огарки            Вода          Уголь          

                                     Добыча

                                Дробление

                                Дозировка                         Шлам  

            Совместный помол в мельнице «Гидрофол»

           Корректировка  шлама. Хранение в бассейнах

            Обжиг до спекания и получение клинкера

                                Отбеливание

                            Склад (Охлаждение) 

                                Дозировка

             Помол – получение портландцемента

                       Склад портландцемента

  Упаковка и отправка                        Отправка транспортом

          в мешках

 

Рис. 2. Технологическая схема производства ПЦ по мокрому способу.

 

Описание технологической схемы

    Мокрый способ  производства. Производство портландцемента  осуществляется по следующей  технологической схеме. Поступающий  с карьера известняк подвергается  двух- или трех ступенчатому дроблению  до зерен размером 8 – 10 мм, а затем  направляют в мельницу.

Обычно содержание СаСО3 в шламе составляет 75 - 78%. Отклонение от него допускается не более 0,1%. Откорректированный шлам хранится в горизонтальных шламбассейнах. Из них шлам перекачивают мощными насосами  в распределительный бачок установленный над печью. Из бачка шлам поступает в печь на, обжиг.

Выходящий из печи клинкер интенсивно охлаждается в колосниковом холодильнике и поступает на клинкерный склад, где выдерживается 3–4 недели. Здесь создается промежуточный запас клинкера, обеспечивающий бесперебойную работу завода. Кроме того, в клинкере при вылеживании совершается в естественных условиях ряд физико-химических процессов, способствующих повышению качества и стабилизации свойств цемента, поэтому выдерживание клинкера на складе представляет собой отдельную технологическую операцию. При выдерживании происходит гашение атмосферной влагой СаО несвязанного. Одновременно с этим стекловидная часть клинкера кристаллизуется, двухкальциевый силикат 2СаО·SiО2 из β-модификации частично превращается γ-форму. Все это приводит к стабилизации состава клинкера, некоторому разрыхлению его и облегчению последующего помола. Помимо клинкера, на клинкерных складах хранятся предварительно раздробленные минеральные добавки (трепел, опока, шлак и др.), которые вводят в состав цемента при помоле клинкера.

Открытые клинкерные склады оборудованы мостовыми кранами с грейферными захватами, с помощью которых клинкер и минеральные добавки подают в расходные бункера цементных мельниц.

В силосных складах составляющие цемента поступают на сборный ленточный конвейер, который доставляет их к мельницам. Питание шаровых мельниц осуществляется с помощью тарельчатых дозаторов, установленных под расходным бункером возле каждой мельницы. Одновременно с размалываемыми материалами в мельницы подают интенсификаторы помола.

Влажность размалываемых материалов не должна превышать у клинкера - 0,3%, у минеральных добавок - 2%, у гипса - 10%. При необходимости минеральные добавки перед помолом высушиваются.

Тонкость помола оказывает существенное влияние на свойства портландцемента. Чем тоньше размолот клинкер, тем быстрее схватывается и твердеет цемент и выше его прочность в начальные сроки твердения.

Тонкость помола должна быть такой, чтобы при просеивании не менее 85% цемента свободно проходило через сито №008. При этом удельная поверхность цемента не должна быть меньше 250 - 300 и превышать 700 м2/кг. Из шаровых мельниц цемент пневмотранспортом загружают в силоса. Вместимость силосов 2500 - 10000 т, а иногда и более. Силоса оборудованы пневматическими устройствами для рыхления и гомогенизации цемента при хранении.