Расчет состава извести и карбонатной породы для производства извести

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего образования

«Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Химико-технологический институт

Кафедра технологии цемента и композиционных материалов

Специальность 240304 - Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

Курсовая работа

По дисциплине: «Химия вяжущих материалов»

На тему: «Расчет состава извести и карбонатной породы для производства извести»

Выполнил студент: Великанова А.Е. группа ХТ-41

Проверил: Гребенюк А.А.

Белгород 2017



Задание

На курсовую работу студентки

Великанова А.Е.

Группа ХТ-41

По дисциплине «Химия вяжущих материалов»

на тему «Расчет состава извести и карбонатной породы для производства извести»

Вариант № 14

Исходные данные:

- активность извести, 75%

- содержание оксида магния MgO в извести, 15%

- содержание остаточной углекислоты (CO₂)_ост в извести, 3%

- потери при прокаливании глины ППП_гл, 8%



Содержание

Задание

Введение

1. Классификация строительной извести

2. Требования Государственного стандарта к строительной извести

2.1 Классификация

2.2 Технические требования

3. Сырьевые материалы для производства строительной извести

4. Обжиг строительной извести

5. Расчет состава извести и карбонатной породы для производства извести

5.1 Расчет состава извести

5.2 Расчет состава карбонатной породы для производства извести

5.2.1 Расчет количества карбоната кальция в исходной породе

5.2.2 Расчет количества доломита в карбонатной породе

5.2.3 Расчет состава доломита в карбонатной породе

5.2.4 Расчет массы кальцита в карбонатной породе m_к, кг

5.2.5 Расчет массы глинистых примесей в карбонатной породе m_гл, кг

5.2.6 Расчет массы исходной карбонатной породы , кг

5.2.7 Расчет состава карбонатной породы

5.3 Расчет гидравлического модуля извести

5.4 Расчет степени декарбонизации CaCO₃

Заключение

Библиографический список



Введение

Строительными вяжущими веществами являются порошкообразные материалы, образующие при смешивании с водой пластичную удобообрабатываемую массу, со временем затвердевающую в прочное камневидное тело.

Вяжущие вещества в зависимости от состава, основных свойств и областей применения делятся на группы:

-Гидравлические вяжущие вещества при смешении с водой (затворении) твердеют и продолжают сохранять или наращивать свою прочность в воде. К ним относятся различные цементы и гидравливлическая известь. Гидравлические вяжущие материалы применяют в строительстве наземных, подземных и гидротехнических сооружений, подвергающихся постоянному воздействию воды.

-Воздушные вяжущие материалы при смешении с водой твердеют и сохраняют прочность только на воздухе. К ним относятся воздушная известь, гипсово-ангидритные и магнезиальные вяжущие материалы. Применяют воздушную известь для изготовления строительных растворов для кладки стен и штукатурки, не подвергающихся воздействию воды.

-Гипсово-ангидритные вяжущие материалы получают обжигом природного гипса CaSO4*2H2O, ангидрита (CaSO4) или вторичных продуктов химической промышленности, содержащих гипс (например: фосфогипса, борогипса). В зависимости от условий термической обработки, скорости схватывания и твердения гипсовые вяжущие материалы могут быть:

1) быстросхватывающимися, быстротвердеющими и низкообжиговыми (т-ра обжига 110-190°С); к ним относят гипс строительный (алебастр), формовочный, высокопрочный медицинский;

2) медленносхватывающимися и медленнотвердеющими высокообжиговыми (т-ра обжига 600-900°С) - ангидритовые вяжущие (ангидритовый цемент), высокообжиговый гипс (эстрихгипс), отделочный гипсовый цемент.

-Ангидритовые вяжущие используют после совместного помола с катализаторами твердения- известью, сульфатами, обожженным доломитом и др. Гипсо-во-ангидритные вяжущие материалы применяют для изготовления панелей, перегородок, плит, стеновых камней, архитектурно-декоративных изделий, моделей и форм в фарфоро-фаянсовой и керамической промышленности и др.

-Магнезиальные вяжущие материалы получают обжигом природного магнезита или доломита при 750-800 °С Применяют магнезиальные вяжущие обычно в смеси с древесными заполнителями для изготовления строительных материалов-ксилолита и фибролита, термоизоляция материалов, штукатурных р-ров, искусств. - мрамора и др.

-Кислотоупорные вяжущие материалы состоят в осн. из кислотоупорного цемента, содержащего тонкоизмельченную смесь кварцевого песка и Na2SiF6;

Применяют кислотоупорные вяжущие материалы для производства кислотоупорных замазок (см. также Мастики), строительных растворов и бетонов при строительстве хим. предприятий.

-Вяжущие материалы автоклавного твердения состоят из известково-кремнеземистых и известково-нефелиновых вяжущих (известь, кварцевый песок, нефелиновый шлам) и твердеют при обработке в автоклаве (6-10 ч, давление пара 0,9-1,3 МПа). К таким вяжущим материалам относятся также песчанистые портландцемента и др. вяжущие на основе извести, зол и малоактивных шламов. Применяют в производстве изделий из силикатных бетонов (блоки, силикатный кирпич и др.).

Строительной воздушной известью называют вяжущее вещество, получаемое обжигом карбонатных горных пород, способное твердеть и сохранять прочность только на воздухе (в воздушно-сухих условиях).

В строительстве известь используется как самый экологически чистый и натуральный материал. Он необходим для приготовления растворов, а также производства шлакоблоков, кирпича или газобетона.

Нередко негашеная известь применяется в птицеводстве и рыбоводстве. Этот материал применяется в целях дезинфекции. В сельском хозяйстве гашеная известь используется для повышения плодородности почвы, а также для очистки сточных вод. Негашеная известь является полуфабрикатом, поэтому для ее использования, необходимо ее обработать водой. Гашеная известь часто используется в приготовлении штукатурки, и сухих строительных смесей.

В химической отрасли гашеная известь применяется в приготовлении искусственных волокон. С использование извести получаются такие вещества, как хлорная известь, карбонат кальция, кальцинированная сода, синтетический каучук. Для удаления вредных примесей из стали также применяется гашеная известь. В изготовлении стекла гашеная известь смешивается с содой и поташем, и получается очень прочное стекло.

Негашеная известь высокой степени чистоты, обладающая заданными химическими характеристиками и гранулометрией, используется в процессе каустификации целлюлозы[1].



1. Классификация строительной извести

Строительную известь изготовляют в соответствии с требованиями ГОСТ 9179-77 «Известь строительная. Технические условия» [8]. В зависимости от условий твердения строительную известь подразделяют на воздушную и гидравлическую.

Воздушная известь - это известь, которая при добавлении воды обеспечивает твердение строительных растворов и бетонов и сохранение ими прочности в воздушно-сухих условиях. Воздушная известь подразделяется на негашеную и гашеную (гидратную).

Гидравлическая известь обеспечивает твердение строительных растворов и бетонов и сохранение ими прочности, как на воздухе, так и в воде. Ее подразделяют на слабогидравлическую и сильногидравлическую.

Негашеная воздушная известь - продукт, полученный обжигом ниже температуры спекания (1000…1200 °C) карбонатных пород, содержащих не более 8% глинистых примесей.

Если глинистых примесей в известняке больше 8%, то продукт обжига называется гидравлической известью.

При обжиге извести протекают следующие основные реакции:

CaCO₃ = CaO + CO₂^ - Q₁

MgCO₃ = MgO + CO₂^ - Q₂

Разложение CaCO₃ начинается при 600 °C, MgCO₃ - при 400 °C. С повышением температуры скорость реакций диссоциации увеличивается. Теоретическая температура разложения, при которой упругость CO₂ достигает 1 атм., равна для CaCO₃ - 900 °C, для MgCO₃ - 600 °C. Диссоциация карбонатов кальция и магния при нагревании происходит с поглощением тепла. При этом на разложение 1 кгCaCO₃ расходуется около 1780 кДж, на диссоциацию 1 кгMgCO₃ - 1400 кДж.

Большое влияние на качество извести оказывают имеющиеся в ней недожог (неразложившийся карбонат кальция CaCO₃) и пережог (крупнокристаллические оксид магния MgO и оксид кальция CaO).

Недожог объясняется неправильной эксплуатацией печи и поступлением в печь известняка крупных размеров, на которые не рассчитан установленный для данной печи режим обжига. Если известь недожжена, то выход теста уменьшается, так как недожженная часть материала при гашении остается в виде непогасившихся кусков, которые затем отделяют от всей массы материала.

Пережог свидетельствует о наличии в извести кристаллов величиной более 100 мкм. Рядовая известь, обожженная в промышленных условиях, состоит из кристаллов размером 0,5…12 мкм. Очень высокая температура обжига и в особенности длительная выдержка при этой температуре приводит к пережогу извести. Пережженная известь не успевает погаситься к моменту затвердевания изделий. Последующая гидратация такой пережженной извести в затвердевшем материале (например, в силикатных изделиях в процессе или даже после автоклавной обработки) сопровождается увеличением объема, в результате чего возникают внутренние напряжения, вызывающие появление трещин и даже разрушение изделий.

По фракционному составу различают известь комовую (в том числе дробленую) и порошкообразную. Порошкообразная известь может быть получена помолом или гашением (гидратацией) комовой извести. В первом случае образуется молотая негашеная известь, во втором - гидратная известь-пушонка. строительный известь декарбонизация

Негашеная комовая известь представляет собой смесь кусков различной величины. По химическому составу она состоит из оксидов кальция и магния (с преимущественным содержанием оксида кальция). В небольшом количестве в ней могут присутствовать неразложившийся карбонат кальция (недожог), пережог, а также силикаты, алюминаты и ферриты кальция и магния, образовавшиеся во время обжига.

Негашеная молотая известь - продукт тонкого измельчения комовой (в том числе дробленой) извести.

Негашеную известь часто называют кипелкой, так как она бурно взаимодействует с водой, выделяя при этом большое количество тепла, вызывающее даже кипение воды.

В зависимости от содержания оксида магния воздушную известь подразделяют на следующие виды:

- кальциевую - не более 5% MgO;

- магнезиальную - не более 20% MgO;

- доломитовую - не более 40% MgO.

При значительном содержании MgO известь гасится медленнее и выделяет при гашении меньшее количество тепла, чем известь с малым содержанием MgO и, следовательно, с высоким содержанием оксида кальция. Магнезиальная и доломитовая извести проявляют слабые гидравлические свойства при меньшем содержании глинистых и песчаных примесей, чем кальциевая известь в связи с тем, что гидроксид магния Mg(OH)₂ значительно менее растворим в воде, чем гидроксид кальция Са(ОН)₂.

Гашеная (гидратная) известь получается гашением кальциевой, магнезиальной и доломитовой негашеной извести. Различают следующие виды гашеной извести: известь-пушонка, известковое тесто и известковое молоко.

Воздушная известь отличается от других вяжущих веществ тем, что способна превращаться в порошок не только при помоле, но и путем гашения. Гашение - это процесс, протекающий по следующей реакции:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + 65,2 кДж/моль.

При гашении извести выделяется значительное количество тепла, составляющее 65,2 кДж на 1 г-моль, или 1164,3 кДж на 1 кг оксида кальция, что вызывает такой подъем температуры, который может вызвать воспламенение дерева. При хранении и транспортировании известь нужно защищать от влаги.

Объем гидратной извести, получающейся при гашении кипелки, в 2...3,5 раза превышает объем исходной негашеной извести, что вызывает уменьшение объемного веса и увеличение объема пустот (пор) между отдельными зернами образующегося гидроксида кальция по сравнению с исходным материалом. Молекулярный объем смеси оксида кальция и воды, необходимой для гидратации, не только не увеличивается, но, наоборот, несколько уменьшается. Действительно, сумма молекулярного объема СаО, который при удельном весе 3,2 составляет 56 : 3,2 = 17,5, и молекулярного объема воды, равного 18, составит 17,5 + 18 = 35,5. Молекулярный же объем Са(ОН)₂ при удельном весе 2,2 составит (56 + 18) : 2,2 = 33,6. Следовательно, при гидратации извести происходит химическая усадка, а увеличение внешнего объема вызывается приращением объема пор.

Гидроксид кальция кристаллизуется в форме гексагональных пластинок. Показатели преломления: N_g = 1,574, N_p= 1,547. Плотность 2230 кг/м³. Аморфный гидроксид кальция имеет плотность 2080 кг/м³.

Гидратация оксида кальция является обратимой реакцией, направление которойзависит как от температуры, так и от давления водяных паров. Упругость пара при диссоциации Са(ОН)₂ на СаО и Н₂О достигает атмосферного давления при 547 °C.

Чтобы процесс шел в нужном направлении, необходимо стремиться к повышению упругости водяных паров над Са(ОН)₂ и не допускать слишком высокой температуры. Вместе с тем следует избегать и переохлаждения гасящейся извести, так как это сильно замедлит гашение. Выделяющееся при гашении тепло вызывает интенсивное парообразование, причем образующийся пар разрыхляет известь и превращает ее в тонкий порошок - пушонку. Более половины ее зерен имеют размер, не превышающий 0,01 мм. Парообразование защищает материал от чрезмерного повышения температуры.

Известь-пушонка - высокодисперсный сухой порошок с размером частиц 4...6 мкм, получаемый гашением комовой или молотой негашеной извести соответствующим (около 70 мас. %) количеством воды. Она состоит из гидроксида кальция Ca(OH)₂, гидроксида магния Mg(OH)₂, необожженного карбоната кальция CaCO₃ и примесей. Для гашения извести в пушонку теоретически необходимо добавлять 32,13% воды от массы кипелки. Практически в зависимости от состава извести, степени ее обжига и способа гашения берут примерно в два, а иногда в три раза больше воды (60...80%), так как под действием тепла, образующегося при гашении, происходит сильное парообразование, и часть воды удаляется с паром.

Недостаток воды вызывает так называемое перегорание гашеной извести, заключающееся в образовании трудно проницаемых для воды и вследствие этого трудно гасящихся образований. Появление последних объясняется следующим: гидратация извести в первое время после добавления воды происходит наиболее энергично в поверхностных слоях зерен кипелки, на которых вследствие избытка воды образуется тестообразный слой гидроксида кальция. Этот гидроксид при дальнейшем поглощении внутренними слоями воды будет высыхать, уплотняться и плохо пропускать воду, необходимую для гашения непогасившихся внутренних слоев извести.

Известковое тесто - продукт, получаемый гашением комовой или молотой негашеной извести водой в количестве 2,5 л на 1 кг извести, обеспечивающем переход оксидов кальция и магния в их гидраты и образование пластичной тестообразной массы. Выдержанное тесто содержит обычно 50…55% гидроксидов кальция и магния и 45…50% воды. Количество воды, требуемое для гашения извести в тесто, зависит от качества извести, способа гашения и некоторых других факторов. Чем жирнее известь, тем больше в известковом тесте воды.

При добавлении большего количества воды на 1 кгкипелки получают известковое молоко.

Вес 1 м³ теста составляет 1300...1400 кг, из 1 м³кипелки получается 1,5...2,4 м³теста. Известковое тесто обычно содержит около 50% воды.

Пластичность и другие свойства известкового теста определяются тонкодисперсным состоянием гидроксида кальция. Тонкие водяные оболочки, окружающие зерна гидроксида, уменьшают трение между зернами, что облегчает скольжение их по отношению друг к другу и сообщает тесту пластичность. При гашении тощей извести получаются более крупные зерна, имеющие меньшую суммарную поверхность и связывающие небольшое количество воды. Это снижает выход теста и делает его менее пластичным.

Большое влияние на скорость гашения оказывает размер кристаллов оксида кальция. Взаимодействие оксида кальция с водой ускоряется при введении ряда добавок (СаС1₂, NaCl, NaOH и др.), которые при взаимодействии с известью дают соединения, более растворимые, чем Са(ОН)₂. Добавки, которые дают менее растворимые соединения, замедляют гидратацию. К ним относятся некоторые соли серной, фосфорной, щавелевой и угольной кислот.

Для процесса гашения большое значение имеют примеси, содержащиеся в извести и вызывающие во время обжига образование силикатов и алюминатов кальция. В более тощих известях эти соединения встречаются в больших количествах и значительно изменяют свойства гашеной извести. При гашении извести в тесто силикаты и алюминаты кальция со временем гидратируются, образуя гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, причем гидратация сопровождается набуханием, коллоидацией и переходом этих соединений в студнеобразное состояние. Однако такая гидратация происходит до применения извести в дело и частично превращает эти соединения в инертный материал. При гашении в пушонку зерна силикатов и алюминатов не превращаются в порошок, вследствие чего их необходимо отделять и измельчать.

Большое влияние на скорость гашения оказывают структура и размер кусков кипелки: рыхлая известь гасится скорее и полнее, чем плотная. Чем меньше кускикипелки, тем быстрей и эффективней протекает процесс.

По пластичности получаемого продукта, зависящей от содержания глинистых и песчаных примесей, различают жирную и тощую извести. Жирная известь гасится быстро, выделяя много тепла, и дает пластичное, жирное на ощупь, тесто. Тощая известь гасится медленно и дает менее пластичное тесто, в котором прощупываются мелкие зерна. Чем больше глинистых и песчаных примесей содержит известняк, тем более тощей получается изготовленная из него известь. Жирная известь отличается большейпескоемкостью, т. е. позволяет получать удобообрабатываемые строительные растворы при введении большего количества песка.

Контроль качества извести (химический анализ и определение физико-механических свойств) осуществляется в соответствии с ГОСТ 22688-77 «Известь строительная. Методы испытаний» [9]по следующим показателям:

- активность извести;

- время и температура гашения;

- содержание гидратной влаги и CO₂ весовым методом;

- содержание непогасившихся зерен;

- степень дисперсности порошкообразной извести;

- влажность гидратной извести.

Порошкообразную известь подразделяют на известь без добавок и с добавками. В молотую негашеную, а также в гашеную известь можно вводить молотые минеральные добавки: доменные и топливные шлаки и золы, вулканические пемзы, туфы и пеплы, кварцевые пески, цемянки, трепелы и гипсовый камень.

Отдельно выделяют молотую карбонатную известь, представляющую собой порошкообразную смесь совместно измельченных негашеной извести и карбонатных пород.

Основным показателем оценки качества извести является ее активность.

Активность извести - процентное содержание в извести активных оксидов CaO и MgO, способных быстро взаимодействовать с водой (в течение 5…30 мин). Чем выше активность, тем лучше вяжущие свойства извести.

В зависимости от активности, а также от содержания CO₂ и непогасившихся зерен негашеная и гашеная извести делятся на сорта.

По времени гашения согласно ГОСТ 9179-77 различают известь быстрогасящуюся, среднегасящуюся и медленногасящуюся.

Время гашения извести - это время от момента добавления воды к извести до начала периода, когда рост температуры не превышает 0,25 °C в минуту.

В зависимости от температуры, развивающейся при гашении, различают низкоэкзотермическую (с температурой гашения ниже 70 °C) и высокоэкзотермическую (с температурой гашения выше 70 °C) извести.

Нормируется также тонкость помола, оцениваемая остатком на ситах с заданным размером ячеек в свету.

Прочность воздушной извести не нормируется стандартом. Прочность образцов гидравлической извести испытывается на изгиб и сжатие через 28 суток твердения. По значению этих величин различают слабо- и сильногидравлическую известь.

Гидравлическую известь обычно характеризуют гидравлическим модулем m, представляющим собой отношение процентного содержания по массе оксида кальция СаО к процентному содержанию кислотных оксидов SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃:

.

Для гидравлической извести численное значение гидравлического модуля колеблется в пределах 1,7...9. В зависимости от этого модуля различают сильногидравлическую (m = 1,7...4,5) и слабогидравлическую (m = 4,5...9) известь. Если продукт обжига имеет гидравлический модуль менее 1,7, то его относят к романцементу (m = 1,1...1,7), если же более 9,0, то к воздушной извести[1-9].



2. Требования Государственного стандарта к строительной извести

Качество извести нормируется ГОСТ 9179-77 «Известь строительная. Технические условия» [8]. Ниже приводятся выдержки из него.

2.1 Классификация

Строительная известь в зависимости от условий твердения подразделяется на воздушную, обеспечивающую твердение строительных растворов и бетонов и сохранение ими прочности в воздушно-сухих условиях, и на гидравлическую, обеспечивающую твердение строительных растворов и бетонов и сохранение ими прочности как на воздухе, так и в воде.

1. Воздушную негашеную известь в зависимости от содержания в ней оксидов кальция и магния подразделяют на кальциевую, магнезиальную и доломитовую.

2. Воздушная известь подразделяется на негашеную и гидратную (гашеную), получаемую гашением кальциевой, магнезиальной и доломитовой извести.

3. Гидравлическую известь подразделяют на слабогидравлическую и сильногидравлическую.

4. По фракционному составу известь подразделяют на комовую, в том числе дробленую, и порошкообразную.

5. Порошкообразную известь, получаемую размолом или гашением (гидратацией) комовой извести, подразделяют на известь без добавок и с добавками.

6. Строительную негашеную известь по времени гашения подразделяют на быстрогасящуюся известь - не более 8 мин, среднегасящуюся - не более 25 мин, медленногасящуюся - более 25 мин.

2.2 Технические требования

Строительную известь следует изготовлять в соответствии с требованиями ГОСТ 9179-77 по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке.

1. Материалы, применяемые при производстве строительной извести: карбонатные породы, минеральные добавки (гранулированные доменные или электротермофосфорные шлаки, активные минеральные добавки, кварцевые пески), должны удовлетворять требованиям соответствующих действующих нормативных документов.

2. Минеральные добавки вводят в порошкообразную строительную известь в количествах, допускаемых требованиями к содержанию в ней активных СаО + MgO по п. 4.

3. Воздушная негашеная известь без добавок подразделяется на три сорта: 1, 2 и 3; негашеная порошкообразная с добавками - на два сорта: 1 и 2; гидратная (гашеная) без добавок и с добавками на два сорта: 1 и 2.

4. Воздушная известь должна соответствовать требованиям, указанным в табл. 1.

4.1. Влажность гидратной извести не должна быть более 5 %.

4.2. Сортность извести определяют по величине показателя, соответствующего низшему сорту, если по отдельным показателям она соответствует разным сортам.

Таблица 1 Требования к качеству воздушной извести

Наименование показателя	Норма для извести, мас. %
	Негашеной	Гидратной
	Кальциевой	магнезиальной и доломитовой
	Сорт
	1	2	3	1	2	3	1	2
Активные CaO + MgO, не менее: без добавок с добавками	90 65	80 55	70 -	85 60	75 50	65 -	67 50	60 40
Активный MgO, не более:	5	5	5	20(40)	20(40)	20(40)	-	-
CO2, не более: без добавок с добавками	3 4	5 6	7 -	5 6	8 9	11 -	3 2	5 4
Непогасившиеся зерна, не более	7	11	14	10	15	20	-	-

Примечания: В скобках указано содержание MgO для доломитовой извести. CO₂ в извести в добавками определяется газообъемным методом. Для кальциевой извести 3-го сорта, используемой для технологических целей, допускается по согласованию с потребителями содержание непогасившихся зерен не более 20%. Гидравлическая известь по химическому составу должна соответствовать требованиям, указанным в табл. 2.

Таблица 2 Требования к качеству гидравлической извести

Химический состав	Норма для извести, мас. %
	слабогидравлической	сильногидравлической
Активные CaO + MgO, не более не менее	65 40	40 5
Активный MgO, не более	6	6
CO2, не более	6	5

5. Предел прочности образцов, МПа (кгс/см²), через 28 сут твердения должен быть не менее:

а)при изгибе:

0,4 (4,0) - для слабогидравлической извести;

1,0 (10) - для сильногидравлической извести;

б)при сжатии:

1,7 (17) - для слабогидравлической извести;

5,0 (50) - для сильногидравлической извести.

6.1. Вид гидравлической извести определяют по пределу прочности при сжатии, если по отдельным показателям она относится к разным видам.

Содержание гидратной воды в негашеной извести не должно быть более 2%.

Степень дисперсности порошкообразной воздушной и гидравлической извести должна быть такой, чтобы при просеивании пробы извести сквозь сито с сетками № 02 и № 008 по ГОСТ 6613 проходило соответственно не менее 98,5 и 85% массы просеиваемой пробы.

Максимальный размер кусков дробленой извести должен быть не более 20 мм.

8.1. По согласованию с потребителем допускается поставка комовой гидравлической извести, используемой в технологических целях.

9. Воздушная и гидравлическая известь должна выдерживать испытание на равномерность изменения объема.



3. Сырьевые материалы для производства строительной извести

Для производства строительной извести можно применять все природные материалы, содержащие в основном углекислый кальций (известняк, мел, известковый туф и т. д.). Теоретический состав углекислого кальция CaCO₃: 56% СаО и 44% СО₂.

Углекислый кальций встречается в природе в виде двух минералов: кальцита и арагонита. Кальцит, или известковый шпат, кристаллизуется в гексагональной системе; удельный вес его 2,6...2,8 г/см³, твердость по шкале Мооса 3. Кальцит хорошо растворяется в слабой соляной кислоте. Арагонит кристаллизуется в ромбической системе; удельный вес его 2,9...3,0 г/см³, твердость 3,5...4,0.

Карбонатные горные породы применяются не только для производства извести, но и для производства портландцемента, глиноземистого цемента и ряда других вяжущих веществ.

Основными литологическими типами известняков, выделяемыми по структурным признакам, являются кристаллические, органогенные, обломочные и известняки со смешанной структурой. Кристаллические известняки состоят из кристаллов кальцита, которые могут быть различных размеров. Органогенные известняки - это скелетные остатки животных (зоогенных) или растительных (фитогенных) организмов, состоящие из кальцита или арагонита и цементирующего их массы пелитоморфного (микрокристаллического) кальцита. Обломочные известняки состоят из обломков ранее сформировавшихся известняков и кальцитового цемента. Известняки со смешанной структурой представляют собой переходные разновидности между кристаллическими, органогенными и обломочными известняками. Эти виды известняков широко распространены. Литологической разновидностью известняков является мел, который представляет собой рыхлую слабосцементированную тонкозернистую породу с землистым изломом, состоящую из тонкого органогенного и пелитоморфного кальцита. Существуют и другие литологические разновидности известняков: оолитовые известняки, известковые туфы.

Известковые горные породы содержат обычно различные примеси, главным образом глинистых веществ, доломита, кварца, оксида железа. Количество примесей колеблется в довольно значительных пределах. Даже сравнительно чистые известняки содержат 2...3% примесей. Качество известковых пород как сырья для производства вяжущих веществ зависит от их структуры, количества примесей и равномерности распределения этих примесей по всей массе сырья. Характер физической структуры известняков и наличие в них примесей отражаются на процессе производства извести, обусловливая изменение температуры обжига и производительности печи, а также оказывают влияние на свойства конечного продукта.

Карбонатные породы, применяемые в производстве воздушной извести, делятся на крупные - с размером кусков 200...400 мм, средние - 80...200 мм и мелкие - 15...80 мм. Содержание кусков ниже предельного (наименьшего) размера допускается в количестве не более 3%.

Известняки встречаются во многих районах, что способствует широкому распространению производства из них вяжущих материалов.

Наиболее широко применяются плотные известняки и мел. Плотные известняки часто имеют мелкокристаллическую структуру. Иногда приходится использовать известняки, пропитанные кремнеземом - кремнистые известняки.

Мел представляет собой мягкую, легко растирающуюся известковую породу. Рыхлая структура мела облегчает его добычу, но затрудняет обжиг в шахтных печах, так как куски мела легко крошатся, а образующаяся мелочь заполняет пространство между обжигаемыми кусками, ухудшая тягу. При обжиге мела во вращающихся печах затруднений не встречается.

Согласно ОСТ 21-27-76 [10] карбонатные породы для производства извести по химическому составу делятся на 7 классов. Предъявляемые к ним требования приведены в табл. 3.

Таблица 3 Требования к карбонатным породам для производства извести

Компоненты	Классы
	А	Б	В	Г	Д	Е	Ж
СаСО3, %, не менее	92	86	77	72	52	47	72
MgCO3, %, не более	5	6	20	20	45	45	8
Глинистые примеси (SiO2+А12Оз+Fe2O3), %, не более	3	8	3	8	3	8	20



4. Обжиг строительной извести

Обжиг -- высокотемпературная термическая обработка материалов или изделий с целью изменения (стабилизации) их фазового и химического состава и/или повышения прочности и кажущейся плотности, снижения пористости.

Процесс диссоциации углекислого кальция является обратимой реакцией, протекающей при определенных температурах и соответствующих (парциальных) давлениях углекислого газа с поглощением теплоты:

СаСО₃ (тв) СаО _(ТВ) + СО_{2 (Г)} -- 178 кДж.

Температура разложения углекислого кальция зависит от парциального давления углекислоты в окружающем пространстве.

Для разложения карбоната кальция нужно большое количество тепла --1780 кДж на 1 кг углекислого кальция или 178 кДж на 1 г-моль СаСОз. Для ускорения процесса обжига температура печного пространства, в котором протекает диссоциация СаСОз, должна быть выше температуры диссоциации, соответствующей давлению С0₂ в 0,1 МПа.

На рисунке приведен график изменения парциального давления СО₂ над обжигаемым углекислым кальцием при разных температурах. Практически при обжиге парциальное давление углекислого газа в печном пространстве намного менее 0,1 МПа (содержание углекислоты колеблется в пределах 30--40 % ). вследствие чего температура диссоциации СаСО3 не превышает 824--844 °С. Однако при обжиге кускового известняка, как только поверхностная оболочка на кусках, состоящая из оксида кальция, достигает видимой толщины, содержание углекислого газа вблизи зоны реакции повышается до 100 %, и температура диссоциации соответственно возрастает.

Рис.1. Зависимость между температурой обжига углекислого кальция и парциального давления углекислого газа в окружающей среде.

Степень и скорость реакции разложения углекислого кальция зависят от перепада температур у поверхности кусков и в их центре, размера кусков, упругости (парциального давления) углекислого газа, наличия в известняке примесей и др. Совершенно очевидно, что диссоциация карбоната кальция в центре крупных кусков намного отстает по времени от диссоциации на их наружной поверхности. На практике важно соблюдать необходимую длительность обжига различных по размеру и форме кусков карбоната кальция.

Теоретические и опытные данные по продолжительности декарбонизации известняка в различных печных агрегатах в зависимости от размера частиц и температуры обжига представлены на графике. Из этих данных следует, что с уменьшением размера обжигаемого зерна известняка время декарбонизации уменьшается. С уменьшением же размера зерен и одновременным повышением температуры обжига время полной декарбонизации частиц уменьшается в еще большей степени. Следовательно, основными путями увеличения скорости обжига известняка в печных агрегатах являются уменьшение размера обжигаемого зерна, отвод выделяющегося углекислого газа и повышение температуры обжига. Однако с повышением температуры обжига известняка изменяются свойства получаемой извести, увеличиваются ее плотность и размер кристаллов оксида кальция, уменьшается скорость гашения.

Рис.2 . влияние величины зерен известняка на продолжительность декарбонизации при температуре 1100 ⁰С. 1 - шахтная печь; 2 - вращающаяся печь; 3 - печь с «кипящим» слоем.

Практически температура обжига известняка в заводских условиях составляет 1000--1200°С. Это вызвано тем, что на заводе обжигают большое количество сырья с колеблющимся химическим составом, содержащее различные примеси, причем скорость обжига в этом случае приобретает большое значение. Поэтому в производстве приходится применять более высокие температуры обжига, чем в лаборатории. На каждом заводе температура обжига известняка устанавливается в зависимости от его плотности, наличия в нем примесей, типа печи и других факторов.

Для получения быстрогасящейся извести необходимо вести до полной декарбонизации углекислого газа в условиях возможно более низкой температуры и минимального времени выдерживания материала при этой температуре - «мягкий» обжиг.При обжиге более плотных известняков удаление из обжигаемых кусков углекислоты затруднено и требует более высокой температуры.

Наличие в извести неразложенного углекислого кальция вследствие недожога объясняется неправильной эксплуатацией печи, а также тем, что в печь попали куски известняка таких размеров, на которые не рассчитан установленныйдля данной печи режим обжига. Такой недожог уменьшает выход теста из кипелки, так как недожженная часть материала при гашении не рассыпается в порошок и остается в виде кусков.

При очень высокой температуре обжига возможен пережог извести, при котором появляется крупнокристаллический оксид кальция. Последняя не успевает погаситься, т.е. превратиться в гидрат окиси кальция к моменту затвердевания изделий. Крупные кристаллы оксида кальция в пережженной извести образуются в результате перекристаллизации СаО под воздействием расплава зольной части топлива или длительного нагрева при высокой температуре.

Обжиг извести можно вести в шахтных, вращающихся и некоторых других печах. Выбор типа печи зависит от характера сырья, масштабов производства, применяемого топлива и других факторов. Обжиг извести можно вести на различном топливе (твердом, жидком и газообразном). Широкое распространение получили шахтные печи. Объясняется их преимущество перед другими агрегатами, тем что они надежны в эксплуатации, требуют меньшего по сравнению с другими печами расхода топлива и позволяют использовать местные его виды.

Шахтные печи.

Основными элементами шахтной печи являются: шахта или рабочая камера печи, загрузочное устройство, выгрузочное устройство, воздухоподводящие аппараты, газоотводящие аппараты, выносные топочные устройства при сжигании топлива вне шахты.

Шахтные печи чаще всего бывают круглого или прямоугольного поперечного сечения с закругленными торцовыми сторонами. В продольном сечении шахта может иметь форму цилиндра, двух усеченных конусов, сложенных широкими основаниями. Иногда шахта в верхней части имеет форму цилиндра, а в нижней -- усеченного конуса и наоборот (рисунок).

Рис.3. Формы шахтных печей.

Шахтные печи работают непрерывно. Через определенные небольшие промежутки времени в верхнюю часть шахты загружают известняк, а из нижней части выгружают готовую известь. Известняк медленно опускается вниз по шахте, при этом сначала подогревается, затем обжигается и, наконец, в нижней части шахты охлаждается. Воздух для горения поступает снизу, охлаждает известь и подается в зону обжига подогретым. Дымовые газы вследствие отсоса или одновременного отсоса и дутья поднимаются вверх и поступают в дымовую трубу, отдавая по пути теплоту загружаемому в печь известняку и испаряя содержащуюся в нем влагу. Следовательно, в шахтных печах различают три зоны: первая -- зона сушки и подогрева, вторая -- зона обжига, третья -- зона охлаждения.

Рис.4. Шахтная печь для обжига извести.

В зоне сушки и подогрева, влага испаряется из известняка, а в пересыпных печах- также и из топлива. Кроме того , известняк в этой зоне нагревается до температуры начала диссоциации, а топливо- до температуры воспламенения. Материал подсушивается и подогревается поднимающимися раскалёнными дымовыми газами. Здесь выгорают также органические примеси. Поднимающиеся газы, благодаря теплообмену между ними и загруженным материалом охлаждаются и далее отводятся вверх печи.

Зона обжига происходит диссоциация CaCO₃, а также присутствующей в том или ином количестве MgCO₃.Основная масса топлива сгорает в среднем поясе зоны обжига, где условия для горения с точки зрения подачи воздуха и температуры нагрева его являются оптимальными и количество инертных газов относительно незначительным. Поэтому здесь имеет место максимальная теплоотдача от горящего топлива и газов материалу, тогда как в нижней части зоны обжига топливо отдает тепло и материалу, и воздуху, избыток которого весьма незначителен. Размещается в средней части печи, где температура обжигаемого материала изменяется от 850 ⁰С до 1200 ⁰С и затем 900 ⁰С;

Движение воздуха и газов в шахтных печах обеспечивается работой вентиляторов, нагнетающих в печь воздух и отсасывающих из неё дымовые газы. Противоточное движение обжигаемого материала и горячих газов в шахтной печи позволяет хорошо использовать теплоту отходящих газов на прогрев сырья, а теплоту обожжённого материала - на подогрев воздуха, идущего в зону обжига.

Загружаемые в шахтную печь куски известняка имеют обычно размеры 0,06--0,2 м. При меньшем размере кусков известняка в шахтных печах создается весьма большое сопротивление движению газов и ухудшается тяга. Поэтому при обжиге кусков меньших размеров следует создавать условия ускорения движения газов. Для известняка с различными размерами кусков режим обжига приходится рассчитывать исходя из времени, потребного для обжига крупных кусков. Мелкие куски обжигаются раньше и продолжительное время занимают объем печного пространства, будучи уже обожженными.

Зона охлаждения- известь начинает отдавать содержащееся в ней тепло воздуху, поступающему снизу и омывающему куски извести.

Воздух, необходимый для горения топлива, поступает в печь снизу. В зоне охлаждения он нагревается от соприкосновения с горячен известью, которая при этом охлаждается. Благодаря противоточному теплообменному принципу, при котором для подогрева свежезагруженного известняка и топлива используется теплота отходящих газов, а также теплота горячей извести для подогрева необходимого для сжигания топлива воздуха, расход топлива в шахтных пересыпных печах меньше, чем в печах других типов.

Недостатки этих печей: необходимость применения только коротко-пламенных видов топлива; сжигание длиннопламенного топлива в шахтных печах связано с неполным использованием его калорийности. Обожженная известь разгружается вместе с золой, шлаком и несгоревшим топливом, что снижает качество извести.

Вращающиеся печи.

Рис.5. Вращающая печь для обжига извести.

Выходящая из вращающихся печей известь имеет высокую температуру и для охлаждения поступает в барабанные, рекуператорные и колосниковые холодильники, аналогичные применяемым в цементном производстве.

Обжиг извести во вращающихся печах имеет следующие преимущества: большую производительность единичного агрегата (до 1000--1200 т/сут); высокое качество продукта, равномерность его обжига и высокую степень диссоциации известняка; возможность обжига мелких фракций известняка, мела и других карбонатных пород; сравнительно небольшую продолжительность обжига, меньшие затраты рабочей силы на выпуск единицы продукции.

Вместе с тем, обжиг во вращающихся печах требует большего расхода топлива и электроэнергии и больших капиталовложений. Для обжига применяют твердое пылевидное, жидкое (мазут) и газообразное (природный газ) топливо. Из вращающихся печей происходит значительный унос пыли (10--15 % ), что требует установки эффективных пылеулавливающих аппаратов.

Длина известеобжигательных вращающихся печей 30--110 м, диаметр 2--3,6 м. Угол наклона печи 3--5°. Частота вращения 0,5--1,2 мин-1. Производительность вращающихся печей 500--900 кг/м3 извести в сутки. Расход условного топлива -- до 20--30% массы обожженной извести.

Во вращающихся печах целесообразно обжигать известняк кусками однородных размеров. Можно также обжигать мелкие фракции известняка, являющиеся отходами в результате его дробления и сортировки при обжиге в шахтных печах. Можно обжигать и мелоподобный известняк низкой прочности, однако его необходимо сушить или готовить в виде шлама, содержащего 36-- 44 % воды.

Для получения извести применяют в основном сухой способ производства. Применение вращающихся печей позволяет добиться полной механизации и автоматизации процесса производства. Вместе с тем эти печи отличаются большим расходом топлива из-за значительных потерь теплоты с отходящими газами. Для устранения этого необходимо устанавливать в печи и за ней теплообменники для подогрева сырья. Необходимы также эффективные холодильные устройства для утилизации теплоты выгружаемой извести. В промышленности используются холодильники барабанного типа и колосниковые. Наиболее эффективны в работе (охлаждение извести от 1000--1100°С до 40--80°С) колосниковые холодильники.

Последние годы ведется разработка новых способов обжига извести в печах с «кипящим» слоем, в циклонно-вихревых печах и в обжиговых машинах с вращающейся колосниковой решеткой.

Рис.6. Печь для обжига извести в «кипящем» слое.

Весьма эффективен обжиг в «кипящем» слое, обеспечивающий быструю передачу большого количества теплоты от газа к обжигаемому материалу. Сущность метода обжига в «кипящем» слое заключается в том, что через слой материала, находящегося на решетке, пропускают восходящий поток газа со скоростью, при которой в слое происходит непрерывная циркуляция отдельных частиц. В таком состоянии материал приобретает текучесть, т. е. сходство с жидкостью (происходит его псевдоожижение). Сочетание псевдоожижения с обжигом измельченного материала (до 12 мм) способствует перемешиванию частиц материала, выравниванию температур по всему слою и интенсифицирует теплопередачу. Поэтому температуру газов можно поддерживать близкой к теоретической температуре диссоциации известняка.

Обжиг в «кипящем» слое производится в реакторе, представляющем собой вертикальную металлическую, отфутерованную внутри шахту, разделенную но высоте огнеупорными решетчатыми сводами на три -- пять зон. Для передачи материала из одной зоны в другую к решеткам присоединены трубы из легированной стали с ограничителями на концах. Высота кипящего слоя определяется расстоянием от обреза переливной трубы до решетки. По периферии реактора или в его нижней части установлены горелки для газообразного или жидкого топлива. Воздух к горелкам и под нижнюю дутьевую решетку подается воздуходувкой.

Конструкция реактора и характер продвижения в нем обусловливают получение извести повышенного качества при низком расходе топлива. Работа реактора может быть полностью механизирована и автоматизирована. Недостатком этой установки являются высокий пылеунос (до 30 % ) и возможность обжига лишь узких фракций известняка (0,3--3; 3--12 мм). Это существенно усложняет подготовку сырья и очистку отходящих газов.

Перспективен обжиг извести во взвешенном состоянии и на агломерационных решетках в установках различных конструкций[1].



5. Расчет состава извести и карбонатной породы для производства извести

Исходные данные для расчетов приведены в табл. 4.

Таблица 4 Исходные данные

Наименование показателя
По извести	По карбонатной породе
Активность извести Аизв, %	Содержание активного MgOакт, %	Содержание остаточной углекислоты (CO2)ост, %	Потери при прокаливании глины ПППгл, %
75	15	3	8

5.1 Расчет состава извести

Согласно заданию, активность извести А_изв = 75%, содержание активного оксида магния MgO_акт = 15%, следовательно, количество активного оксида кальция СаО_акт составляет:

СаО_акт = А_изв - MgO_акт = 75- 15 = 60%.

Содержание неразложившегося карбоната кальция (CaCO₃)_неразл (недожога) рассчитывается по содержанию остаточной углекислоты (CO₂)_ост в извести. Для этого записывают уравнение разложения карбоната кальция, обозначают через X - количество неразложившегося карбоната кальция (CaCO₃)_неразл, %, составляют и решают пропорцию относительно X:

Х% (CO₂)_ост%

СаСО₃ > СаО + СО₂^

100 г/моль 44 г/моль

г/моль СаСО₃ ----------- г/моль СО₂

X% CaCO₃ ----------- (CO₂)_ост %

%,

где , - молярные массы CaCO₃ и CO₂ соответственно, равные и

Таким образом, содержание неразложившегося карбоната кальция (недожога) в извести равно (CaCO₃)_неразл = 6,81 %.

Количество низкоосновных минералов (НМ), %, в извести вычисляется следующим образом:

НМ = 100 - СаО_акт - MgO_акт - (CaCO₃)_неразл;

НМ = 100 - 60- 15 -6,81= 18,19 %,

где 100 - количество извести, %.

Поскольку по условию (см. указания) соотношение CaO к прокаленной глине в низкоосновных минералах составляет 1,7:1, то для расчета состава низкоосновных минералов вводят следующие обозначения:

Х- содержание прокаленной глины в низкоосновных минералах, %;

1,7Х - содержание оксида кальция СаО, связанного с прокаленной глиной в низкоосновные минералы, %;

2,7Х - содержание в извести низкоосновных минералов, %.

Составляют пропорцию и вычисляют содержание прокаленной глины в низкоосновных минералах (НМ), количество которых в извести составляет 7,27%:

2,7Х% НМ = 18,19% НМ;

%.

Аналогичным образом рассчитывают содержание оксида кальция СаО, связанного в извести с прокаленной глиной в низкоосновные минералы:

1,7Х=%.

Проверяют правильность выполненных расчетов, суммируя содержание прокаленной глины и оксида кальция СаО, связанного с прокаленной глиной в низкоосновные минералы, %:

6,74+ 11,45 =18,19%.

Полученный результат соответствует количеству низкоосновных минералов в извести. Следовательно, расчет выполнен верно.

Результаты расчетов приводят в табл. 5.

Таблица 5 Состав извести

Содержание компонентов, мас. %
Активные оксиды	Неразложившийся карбонат кальция (CaCO3)неразл	Низкоосновные минералы (НМ)	Итого
CaOакт	MgOакт
			оксид кальция СаОнм	прокаленная глина (ПГ)
60	15	6,81	11,45	6,74	100

5.2 Расчет состава карбонатной породы для производства извести

Для определения состава карбонатной породы принимают выход извести 100 кг. Тогда массовое содержание всех компонентов в извести, представленное в табл. 6, будет равно их процентному содержанию.

Таблица 6 Содержание компонентов в 100 кг извести

Состав извести, кг
Активные оксиды	Неразложившийся карбонат кальция	Низкоосновные минералы (НМ)	Итого масса извести
			оксид кальция	прокаленная глина
60	15	6,81	11,45	6,74	100

В соответствии с указаниями к заданию состав карбонатной породы включает содержание кальцита, доломита и глинистых примесей.

5.2.1 Расчет количества карбоната кальция в исходной породе

Количество карбоната кальция в карбонатной породе, из которого получен активный оксид кальция в извести (= 50 кг) и оксид кальция (= 4,58 кг), связанный в извести с прокаленной глиной в низкоосновные минералы, обозначают через X, кг, и рассчитывают, используя вышеприведенное уравнение реакции диссоциации карбоната кальция, следующим образом:

кг CaCO₃,

где - молярная масса CaO, г/моль.

Общее содержание карбоната кальция в карбонатной породе , кг, рассчитывают по выражению:

кг,

где - масса неразложившегося карбоната кальция в извести, кг (см. табл. 6).

5.2.2 Расчет количества доломита в карбонатной породе

Оксид магния MgO содержится в карбонатной породе в виде доломита (CaCO₃·MgCO₃), поэтому массу доломита X,кг, рассчитывают по концентрации активного оксида магния в извести:

X,кг m_MgOакт, кг

CaCO₃·MgCO₃ > MgO + CaO + 2CO₂^

184 г/моль 40 г/моль

г/моль MgO --------- г/моль CaCO₃·MgCO₃

кг--------- X кг CaCO₃·MgCO₃

кг,

где , - молярные массы CaCO₃·MgCO₃ и MgO соответственно, равные г/моль и М_MgO=15 г/моль.

Таким образом, содержание доломита в исходной карбонатной породе равно кг.

5.2.3 Расчет состава доломита в карбонатной породе

Масса карбоната магния в доломитекг:

кг.

Масса карбоната кальция в составе доломита , кг:

кг.

5.2.4 Расчет массы кальцита в карбонатной породе m_к, кг

Карбонат кальция в карбонатной породе присутствует в виде кальцита и в составе доломита. Поэтому массу кальцита рассчитывают следующим образом:

кг.

5.2.5 Расчет массы глинистых примесей в карбонатной породе m_гл, кг