Вращающаяся печь для обжига портландцемента по мокрому способу

 

Рисунок 2 – Технологическая схема мокрого способа производства

Начальной технологической операцией получения клинкера является измельчение сырьевых материалов. Необходимость тонкого измельчения сырьевых материалов определяется тем, что однородный по составу клинкер можно получить лишь из хорошо перемешанной сырьевой смеси, состоящей из мельчайших частичек ее компонентов.

Куски исходных сырьевых материалов нередко имеют размеры до 1200 мм. Получить из таких кусков материал в виде мельчайших зерен можно только за несколько приемов. Вначале куски подвергаются грубому измельчению, дроб-лению, а затем тонкому помолу. Для грубого измельчения материалов применяют различные дробилки, а тонкое измельчение в зависимости от свойств исходных материалов производят в мельницах или в болтушках в присутствии большого количества воды.

При использовании в качестве известкового компонента мела, его измельчают в болтушках. Если применяют твердый глинистый компонент, то после дробления его направляют в мельницу.

Из болтушки глиняный шлам перекачивают в мельницу, где измельчается известняк. Совместное измельчение двух компонентов позволяет получать более однородный по составу сырьевой шлам.

В сырьевую мельницу известняк и глиняный шлам подают в определенном соотношении, соответствующем требуемому химическому составу клинкера. Однако даже при самой тщательной дозировке исходных материалов не удается получить из мельницы шлам необходимого химического состава из-за колебаний химического состава сырья одного и того же месторождения. Чтобы получить шлам заданного химического состава, его корректируют в бассейнах. 
Для этого в одной или нескольких мельницах приготовляют шлам с заведомо низким или высоким содержанием CаCO3 (называемым титром) и этот шлам в определенной пропорции добавляют в корректирующий шламовый бассейн. 
Приготовленный таким образом шлам, представляющий собой сметанообразную массу с содержанием воды до 35-45%, насосами подают в расходный бачок, откуда равномерно сливают в печь.

Для обжига клинкера при мокром способе производства используют вращающиеся печи. Они представляют собой стальной барабан длиной до 150-230 м и диаметром до 7 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом; производительность таких печей достигает 1000-3000 т клинкера в сутки. 
Барабан печи устанавливают с уклоном 3-40 гр. шлам подают с поднятой стороны печи холодного конца, а топливо в виде газа, угольный пыли или мазута вдувают

 в печь  с противоположной стороны (горячего  конца). В результате вращения  наклонного барабана находящиеся  в нем материалы продвигаются  по печи в сторону ее горячего  конца. В области горения топлива  развивается наиболее

высокая температура: материала - до 15000 С, газов - до 17000 С, и завершаются химические реакции, приводящие к образованию клинкера.

Дымовые газы движутся вдоль барабана печи навстречу обжигаемому материалу. Встречая на пути холодные материалы, дымовые газы подогревают их, асами охлаждаются. В результате, начиная от зоны обжига, температура газа вдоль печи снижается с 1700 до 150-2000 С.Из печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом. Охлажденный клинкер отправляют на склад. В ряде случаев клинкер из холодильника направляют непосредственно на помол в цементные мельницы.

Перед помолом клинкер дробят до зерен размером 8-10 мм, чтобы облегчить работу мельниц. Измельчение клинкера производится совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками. Совместный помол обеспечивает тщательное перемешивание всех материалов, а высокая однородность цемента является одной из важных гарантий его качества.

Гидравлические добавки, будучи материалами сильно пористыми, имеют, как правило, высокую влажность (до 20-30% и более). Поэтому перед помолом их высушивают до влажности примерно 1%, предварительно раздробив до зерен крупностью 8-10 мм. Гипс только дробят, так как его вводят в незначительном количестве и содержащаяся в нем влага легко испаряется за счет тепла, выделяющегося в мельнице в результате соударений и истирания мелющих тел друг с другом и с размалываемым материалом.

Из мельницы цемент транспортируют на склад силосного типа, оборудованный механическим (элеваторы, винтовые конвейеры), пневматическим (пневматические насосы, аэрожелоба) или пневмомеханическим транспортом. 
Отгружают цемент потребителю либо в таре - в многослойных бумажных мешках по 50 кг, либо навалом в контейнерах, автомобильных или железнодорожных цементовозах, в специально оборудованных судах. Каждая партия цемента

снабжается паспортом.

 

1.2 Физико-химические  процессы, протекающие при тепловой обработке портландцемента

 

Образованию портландцементного клинкера предшествует ряд физико-химических процессов, протекающих в определенных температурных границах - технологических зонах печного агрегата - вращающейся печи. При мокром способе производства цемента по ходу движения обжигаемого материала условно выделяют следующие зоны: I - испарения, II - подогрева и дегидратации, III - декарбонизации, IV - экзотермических реакций, V - спекания, VI - охлаждения. Рассмотрим эти процессы начиная с поступления сырьевой смеси в печь, т. е. по направлению  с верхнего  ее  конца   (холодного)   к  нижнему   (горячему).

В зоне испарения при постепенном  повышении температуры с 70 до 200°С испаряется влага; сырьевая смесь подсушивается., Подсушенный материал комкуется. Перемещаясь, комья распадаются на более мелкие гранулы. В печах сухого способа зона испарения отсутствует.

В зоне подогрева при постепенном  нагревании сырья с 200 до 700°С выгорают органические примеси, из глиняных минералов  удаляется  кристаллохимическая  вода   (при  450...500°С)   и образуется безводный каолинит Al203-2Si02. Зоны испарения и подогрева при мокром способе занимают 50...60% длины печи. В зоне декарбонизации температура обжигаемого материала повышается с 700 до 1100°С; происходит диссоциация карбонатов кальция и магния с образованием свободных СаО и MgO. Одновременно   продолжается   распад   глинистых   минералов   на оксиды SiO2, Аl2O3, Fe2O3, которые вступают в химическое взаимодействие с  СаО.  В результате этих реакций,  происходящих в    твердом    состоянии,     образуются    минералы    ЗСаО-Fe2О3, СаО-А12O3 и частично 2CaO-SiO2.

В зоне экзотермических реакций при температуре 1200... 1300°С завершается процесс твердофазового спекания материала, образуются ЗСаО-Fe2О3, 4СаО-А12O3-Fе2O3 и белит, резко уменьшается количество свободной извести, но достаточное для насыщения двухкальциевого силиката до трехкаль-

циевого.

В зоне спекания при температурах 1300...1450...1300°С происходит частичное плавление материала (20...30% обжигаемой смеси). В расплав переходят все клинкерные минералы, кроме 2CaO-SiO2, все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. Алит кристаллизуется из расплава в результате растворения в нем оксида кальция и двухкальциевого силиката. Это соединение плохо растворимо в расплаве, вследствие чего выделяется в виде мелких кристаллов, которые в дальнейшем растут. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава ЗСаО-А1203, 4СаО- Аl2О3-Fе2О3 и MgO (в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения.

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С, здесь полностью формируются его структура и состав, включающий алит C3S, белит C2S, C3A, C4AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие. Границы зон во вращающейся печи достаточно условны и не являются стабильными. Меняя режим работы печи, можно смещать зоны и регулировать тем самым процесс обжига.

Образовавшийся таким образом раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом. Клинкер, выходящий из холодильника вращающихся печей с температурой около 100°С и более, поступает на склад для окончательного охлаждения и вылеживания (магазинирования), где он находится до 15 дней. Если известь содержится в клинкере в свободном виде, то в течение вылеживания она гасится влагой воздуха. На высокомеханизированных заводах с четко организованным технологическим процессом качество клинкера оказывается настолько высоким, что отпадает необходимость его вылеживания.

Помол клинкера совместно с добавками производят в трубных многокамерных мельницах.

Тонкое измельчение клинкера с гипсом и активными минеральными добав-

ками в тонкий порошок производится преимущественно в сепараторных установ-

ках, работающих по открытому или замкнутому циклу.

Эффективная работа трубной мельницы обеспечивается охлаждением

мельничного пространства путем его аспирации (вентилирования). Благодаря аспирации производительность мельниц растет на 20...25%, уменьшается пыле-

выделение, улучшаются условия труда. Для интенсификации помола вводят добавку - сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), при этом производительность мельниц увеличивается на 20...30%.

На современных цементных заводах помол портландцемента в открытом цикле проходит по следующей технологической схеме. Клинкер, гипс и активные минеральные добавки со склада подаются в бункера и дозируются тарельчатыми питателями. После измельчения цемент поступает через цапфу мельницы в аспирационную шахту,  а из  нее в бункер  цемента  и далее на склад. Мельничное пространство аспирируется, запыленный воздух частично очищается в аспирационной шахте, а затем в циклонах и электрофильтре, далее собирается шнеком и направляется в расходный бункер цемента. Недостатком помола в открытом цикле является трудность получения цемента с высокой удельной поверхностью  (до 400...500 м2/кг).

Мельницы, работающие в замкнутом цикле, дают более однородный по размеру зерен продукт большей удельной поверхности (4000...5000 см2/г); замкнутый цикл помола включает помольный агрегат и центробежный сепаратор, определяющий крупные зерна, возвращаемые на домол в первую камеру, а тонкая фракция домалывается в третьей камере, из которой выгружается готовый цемент. В полностью замкнутом цикле материал ппоходит через сепаратор дважды.

В последнее время получает распространение короткая трубная мельница, обычно двухкамерная, работающая в замкнутом цикле с сепаратором.

Готовый  портландцемент   (с  температурой   100°С  и   более) пневматическим транспортом направляется в силосы для охлаждения. После этого его расфасовывают по 50 кг в многослойные бумажные мешки или загружают в специально оборудованный автомобильный, железнодорожный или водный транспорт.

 

2 ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ  РАСЧЕТЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

 

2.1 Расчет  горения топлива

 

Основным топливом служит природный газ из групп северных месторождений Западной Сибири. Транспортируется он по газопроводу. Резервным топливо служит мазут. Для его использования имеется циркуляционный магистральный мазутопровод от мазутного хозяйства комбината до цеха, а также разводка его до каждой печи. В таблице 9 показан состав сухого газа.

Таблица 2- Состав сухого газа

СН4, %	С2Н6, %	С3Н8, %	С4Н8, %	N2, %	СО2, %	Сумма, %
98,16	0,7	0,22	0,05	0,82	0,05	100

 

Топливо считается с коэффициентом расхода воздуха α = 1,14. Воздух, идущий на горение, нагревается до температуры 700°С.

Принимаем содержание влаги в воздухе 1,0%. Пересчитаем состав сухого газа на влажный рабочий газ:

  = СН4∙(100-Н2О/100) = 98,16∙(100-1/100) = 97,18

Составляющие сводим в таблицу 3.

Таблица 3 - Состав влажного газа

СН4 , %	С2Н6 , %	С3Н8 , %	С4Н10 , %	N2 , %	CO2 , %	H2O , %	Сумма, %
97,18	0,69	0,22	0,05	0,81	1,0	0,05	100

 

Определим теплоту сгорания газа по следующей формуле:

                                      (1)

Находим теоретически необходимое количество сухого воздуха:

                                Lтеор=0,264/100∙ +∆L.                                              (2)

Находим теоретически необходимое количество воздуха с учетом его

влажности по формуле:

                                          L´теор=1,016∙Lтеор.                                                                              (3)

  L´теор=1,016∙9,4 = 9,55 м³/м³

Действительное количество воздуха при коэффициенте расхода α = 1,14:   

сухого: Lα= 1,14∙9,4 = 10,716 м³/м³;

атмосферного: L´α = 1,14∙9,55 = 10,887 м³/м³