Производство цемента
цемент сырье измельчение
сухой
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.
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, утла
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. Эксплуатируемые в России печи с циклонными теплообменниками
и декарбонизаторами размером 4,5 х 80 м имеют производительность 3000 т/сутки
при удельном расходе
теплоты 3,46 МДж/кг клинкера.
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 олаждения 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 а 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 сыреем 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, изыскиваю
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, улавлиемой 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» ).
Страницы: 1, 2, 3
|