Проектирование цементного завода

Цемент упаковывается в мешки специальными машинами, производительность которых достигает 120 т/ч. Каждая партия его снабжается паспортом, в нем указываются масса, марка, название цемента. .

 

 

 

 

2. Характеристика готовой продукции

Портландцемент белый ПЦБ 1-400-ДО-ГОСТ965-89. Белые портландцементы отличаются от остальных видов цветом, поэтому весь технологический процесс их получения подчинен требованию обеспечения белизны. Сырьем служат известняки, глины и пески с минимальным содержанием красящих оксидов  —  железа, марганца, титана. Чтобы в сырьевую смесь и в цемент не попало железо,  дробление сырьевых материалов, помол сырья и цементного клинкера производят в дробилках и мельницах со специальной футеровкой из фарфоровых, кремниевых и других плит. Мелющими телами служат кремниевые камни, или «уралит». Во избежание присадки железосодержащей золы обжиг ведут на жидком или газообразном топливе. При этом вследствие уменьшения содержания плавней обжиг сырьевой смеси проводят при более высоких температурах — 1600…1650 . В результате производительность печей и стойкость футеровки снижаются, а стоимость цемента увеличивается. По выходе из печи клинкер отбеливают путем охлаждения от 1250 до 250 в восстановительной среде или резким охлаждением его водой от 1600 до 500. При отбеливании оксид железа переходит в , благодаря чему снижается красящая способность соединений железа и повышается белизна железа. Качество белого цемента оценивают коэффициентом яркости, показывающим отношение его белизны к белизне принятого эталона в процентах. По степени белизны белые цементы разделяют на три сорта: БЦ-1, БЦ-2 и БЦ-3 с коэффициентом яркости соответственно 80, 75 и 68. Выпускают цементы М400 и М500 двух видов — белый портландцемент и белый портландцемент с минеральными добавками. В качестве последних используют вещества белого цвета — обожженный каолин, светлый диатомит. Допускается содержание активных минеральных добавок не более 20%, инертных добавок — не более 10%. Белые портландцементы отличаются от обычных сроками схватывания (начало —  не ранее 45 мин., конец — не позднее 12 часов после затворения) и тонкостью помола (остаток на сите №008 — не более 12%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Физико-химические процессы цеха обжига.

         Обжиг сырьевой смеси, и получение клинкера сопровождаются сложными физическими и физико-химическими процессами, в результате которых из исходных компонентов образуются зерна минералов S, -S, A, AF и стекловидная фаза.

         Характер процессов определяется  температурой обжига.

1. Зона сушки. Шлам, попадая в печь, подвергается воздействию дымовых газов с температурой 300 – 600. Начинается энергичное 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 – 500, с продвижением по печи выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита и других глинистых минералов с образованием (), происходит потеря пластичности и связующих свойств глин, куски распадаются в порошок. В конце этой зоны температура достигает 600 – 700 . Обе эти зоны занимают  50 – 55 % длины печи.
3. Далее с нагревом материала до 750 – 800 начинаются реакции в твердом состоянии. Вначале они малозаметны, но к 1000 интенсивность их резко возрастает:

800 — начинается сцепление отдельных частичек порошка в гранулы, при этом образуются -S, СA и F;

900 – 1000 —         CaO + — зона кальцинирования. Большое потребление теплоты;

1000 – 1100 — полностью разложился и частично превратился в S, СA и F, при этом резко возрастает интенсивность реакций.

4. Экзотермическая зона. Образование силикатов, алюминатов и ферритов Ca является экзотермическим (с выделением тепла) и потому на небольшом участке резко возрастает температура на 150 – 200 . Возрастает образование S, CA                . К концу этой зоны температура материала достигает 1300 и материал в основном состоит из S, , или F и некоторого количества свободного Ca.
5. Зона спекания. При 1300 начинается спекание — первыми переходят в расплав , , MgO и CaO. Здесь материал нагревается до t = 1300 – 1450 . Для ускорения процесса клинкерообразования с высоким содержанием S применяют специальные добавки — минерализаторы (Сa, , гипс, фосфогипс и др.) Они способствуют снижению температуры спекания материала на 100 – 150 , уменьшению вязкости расплавов и каталитически влияют на образование S и S, а также на формирование их кристаллов.
6. Зона охлаждения — последний участок печи, где клинкер охлаждается воздухом от 1300 до 1000 – 1100 . В этом периоде исчезает жидкая фаза и спекание заканчивается. При снижении температуры с 1450  до 1300 жидкая фаза частично застывает в виде стекла, частично кристаллизуется , , 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Расчет сырьевой  шихты

При расчёте трёхкомпонентной сырьевой смеси следует задаваться двумя характеристиками состава портландцемента:   коэффициентом насыщения и силикатным модулем.

Принимая, что в сырьевой смеси на 1 вес. ч. третьего компонента приходится Х вес. ч. первого компонента и Y вес. ч. второго, можно написать следующие равенства:

;          ;

              ;          .

Подставляем указанные значения в формулы коэффициента насыщения силикатного модуля:

;            .

Получим систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными:

.

Для удобства расчётов примем следующие сокращённые обозначения:

;

;

;

;

;

.

Подставляя эти сокращённые обозначения в линейные уравнения, получим

;     .

        Решая  эту систему двух уравнений  с двумя неизвестными, получим  следующие значения X и Y:

;                                            (4)

.                                                     (5)

        Химический  состав исходных материалов дан  в табл. 1. В данном случае при  пересчёте на сумму, равную 100 %, значения  коэффициента k оказались следующими: k1= 1,00092;   k2 = 1,0378; k3=1,0584

       Умножая содержание каждого окисла первого компонента на k1, второго компонента – на k2, третьего компонента – на k3 находим химический состав исходных материалов в пересчёте на 100%.                                        

 Таблица 3

Химический состав исходных материалов, %

Компо-ненты	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	R2O	ППП	Сумма
Извест- няк	3,12	1,3	0,56	52,53	0,36	-	-	41,22	99,9
Сланец	60,69	17,63	7,88	1,49	2,57	-	-	6,10	96,36
Огарки	14,42	2,99	71,2	3,62	-	2,25	-	-	94,48
В пересчёт на 100%
Компо-ненты	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	R2O	ППП	Сумма
Извест- няк	3,15	1,31	0,57	53,01	0,36	-	-	41,6	100
Сланец	62,98	18,30	8,18	1,54	2,66	-	-	6,34	100
огарки	15,26	3,17	75,36	3,83	-	2,38	-	-	100

 

Задаёмся коэффициентом насыщения КН = 0,9 и силикатным модулем  n = 2,0.   Определяем соотношение между сырьевыми компонентами:

=53,01- 2,8·3,15·0,9-1,65·1,31-035·0,57=42,711

=1,54-2,8·62,98·0,9-1,65·18,3-0,35·8,18= - 190,2276

=2,8·15,26·0,9+1,65·3,17+0,35·75,36-3,83=66,2317

=315-2·1,31-2·0,57= - 0,61

=62,98-2·18,3-2·8,18=10,02

=2·3,17+2·75,36-15,26=141,8

Тогда    X=88,61;        

              Y= 19,55;

Следовательно, в сырьевой смеси на 1 вес. ч. огарков приходится  88,61 вес. ч.  известняка  и 19,55  вес. ч. сланца. Состав сырьевой смеси: известняк – 81,17%;  сланец – 17,91 %; огарки – 0,92 %.

Таблица 4

Подсчёт химического состава сырьевой смеси и клинкера

Компоненты	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	R2O	ППП	Сумма
Известняк-81,17 вес. ч.	2,56	1,06	0,46	43,03	0,29	-	-	33,77	81,17
Сланец-17,91 вес. ч.	11,28	3,28	1,47	0,27	0,47	-	-	1,14	17,91
Огарки – 0,92 вес. ч.	0,14	0,03	0,69	0,04	-	0,02	-	-	0,92
ИТОГО:
Состав сырьевой смеси, %	13,98	4,37	2,62	43,34	0,76	0,02	34,91	-	100
Состав клинкера, %	21,48	6,71	4,03	66,58	1,17	0,03	-	-	100

 

Вычисляем химический состав сырьевой смеси и клинкера (табл. 4):

k=1,536334; 

КН = = 0,9; 

n = = 2,0;

 р = = 1,67.

Полученные значения коэффициента насыщения и силикатного модуля показывают, что расчёт сырьевой смеси произведён правильно.[1-2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Минералогический состав  клинкера

Клинкер состоит из искусственных материалов:

- трёхкальциевого силиката  – алита  – (C3S);

- двухкальциевого силиката  – белита  – (C2S);

- трёхкальциевого алюмината  –  – (C3A);

- четырёхкальциевого  алюмоферрита –  – (C4AF).

Количество каждого минерала подсчитывается по формулам, %:

= 3.821.48(30.9-2)=57.14%

=8.621.48(1-0.9)=18.47 %

=2.65(6.71-0.644.03)=10.95 %

=3.044.03=12.25%

Сумма: 98.81 %

Остальные окислы и стекловидная фаза П равняются

П =100 – Сумма;

П =100 –98.81=1.19%

Количество жидкой фазы α запишется

+ П;

1.1210.95+1.3512.25+1.19=29.99%

Определяем титр сырьевой смеси:

Т=1.78543.34+2.480.76=79.25 %  [1-2]

 

7. Расчет материального баланса цементного завода

         При проектировании новых или  реконструкции старых цементных  заводов составляют материальный  баланс для определения расхода  сырья, добавок, воды, топлива и других  материалов, требуемых для получения  готовой продукции –  цемента. На основании расчетных данных  материального баланса производят  подбор необходимого технологического  оборудования с определенным  резервом мощности и определяют  технико-экономические показатели  проектируемого завода.

        При  выборе оборудования цехов завода  определяющим  является производительность  цеха обжига. Ниже рассмотрен  лишь один пример составления  материального баланса цементного  завода, так как методика составления  баланса остается неизменной  при выборе любого способа  производства цемента, вида сырья, топлива, добавок и т.д.

 

Расчет материального баланса

портландцементного завода, работающего по мокрому способу

 

        Исходные  данные при расчете:

1. Способ производства – мокрый

2. Годовая производительность  завода – 1 560 000 т цемента.