Проект строительства и эксплуатации цементного завода

Природные разновидности кремнезема по убыванию интенсивности связывания ими СаО можно расположить в следующем порядке: яшма > варц, опал, халцедон, кремень > горный хрусталь. При этом, чем крупнее зерна SiО2, тем отчетливее проявляется в реакциях их природа. Реакционная способность SiО2, входящего в состав соединений, выше, чем кварца. Так, применение в качестве кремнеземистого компонента волластонитовых пород (минерала СаО?SiO2) или нефелиновых отходов (гидратированный минерал 2CaО?SiO2) позволяет достигать полного связывания СаО при пониженных температурах. Высокую реакционную способность в составе сырьевой смеси показывают базальты, некоторые виды высокоалюминатных зол.

Присутствие в составе сырьевых компонентов сложных по составу соединений типа полевых шпатов, разлагающихся на окислы медленно и при высоких температурах, приводит к замедлению усвоения извести в интервале температур от 1173 до 1573 К.

Влияние дисперсности сырьевых компонентов. Тонкость измельчения сырьевых компонентов является одним из важнейших факторов, оказывающих влияние на скорость связывания извести кислотными окислами. Особенно большое влияние дисперсности смеси на скорость реакций проявляется в том случае, когда исходные сырьевые компоненты неоднородны по своему составу и крупнозернисты. При грубом помоле компонентов некоторая часть больших по размеру зерен не успевает полностью прореагировать в процессе обжига и остается в клинкере в свободном состоянии. Достаточно реакционноспособными оказываются лишь зерна компонентов, имеющие размер менее 100--120 мкм.

Практически же 3-10% сырьевой смеси заводского изготовления (производственные шламы) состоит из частиц таких или более значительных размеров, что в ряде случаев и служит одной из причин замедленного усвоения извести.

Особое внимание должно обращаться на тонкость измельчения кварца и известняка, так как именно эти два компонента, будучи трудноизмельчаемыми, составляют основу грубых фракций сырьевых смесей. Глинистые компоненты высокодисперсны от природы, их удельная поверхность составляет 1--300 м2/г, и образование ими крупнозернистых агрегатов практически исключено. Лишь при применении в качестве глинистого компонента плотных сланцев отдельные сильно окремнелые частички последних могут оказаться недостаточно тонкоизмельченными.

При большом количестве мелких частиц в сырьевой шихте скорость связывания СаО увеличивается.

Положительное влияние повышенной тонкости измельчения сырьевых компонентов на реакционную способность смеси можно объяснить следующими факторами:

1) увеличением поверхностной энергии частиц за счет разрыва химических связей и возрастания доли слабосвязанных ионов;

2) возрастанием количества дефектов в кристаллах;

3) увеличением суммарной площади контакта между частицами;

4) уменьшением толщины слоя продуктов реакции на зернах кислых компонентов;

5) ускорением растворения частиц в расплаве;

6) повышением степени однородности состава сырьевой смеси и, возможно, увеличением плотности укладки частиц.

Увеличение содержания в сырьевой смеси зерен кварца размером 90--300 мкм до 1--6% сопровождалось возрастанием продолжительности их обжига и снижением количества алита. При этом реакция образования C3S замедляется тем значительнее, чем грубее был измельчен и известняк. В присутствии крупных зерен SiО2 в клинкере образуются зоны, обогащенные C2S, что предопределяет неполноту связывания извести в других зонах. Кристаллы белита в таких случаях располагаются вокруг реагирующего зерна SiО2 в виде колец, а зерна свободной извести образуют скопления -- «гнезда». Содержание крупных зерен SiО2 (> 90 мкм) в сырьевых смесях следует ограничивать до 0,5--1%.

Крупные зерна известняка (> 90 мкм) меньше влияют на скорость связывания СаО, чем зерна кварца соответствующего размера, поэтому их содержание может допускаться до 5%. Менее отрицательное влияние зерен кальцита может быть связано с их деформацией и растрескиванием при декарбонизации, а также с высокой пористостью и мелкокристалличностью образующихся частиц СаО.

Причиной замедленного усвоения извести при обжиге клинкера могут служить также и крупные зерна золы твердого топлива и шлака, используемого в качестве сырьевого компонента. Зола, не успевая за время обжига равномерно распределяться по всей массе спекающегося клинкера, образует скопления, в пределах которых из-за недостатка извести образуются лишь кристаллы белита. Другие участки массы, наоборот, оказываются обогащенными известью. Аналогично кварцу и золе, в числе частично непрореагировавших компонентов могут оказаться шлак и в небольшом количестве глинистая составляющая и огарки.

Установить оптимальный и технически достижимый гранулометрический состав всех компонентов сырьевой смеси, который обеспечивал бы наибольшую скорость связывания СаО, является трудной задачей. Разные исследователи показывают, что при увеличении в сырьевых смесях доли частиц кислотных компонентов (в частности, кварца) размером 15--20 мкм, реакционная способность шихт возрастает. Количество таких частиц в разных шихтах может изменяться от 35 до 80%, что вполне достаточно для нормального их спекания. Увеличение в шихте содержания самой тонкой фракции (0--2 мкм) ускоряет процесс связывания СаО, но не настолько эффективно, как можно было ожидать. Это связано, по-видимому, с ростом пористости гранул и ухудшением перемешивания компонентов из-за склонности тонких фракций к флокуляции и агрегированию. Частицы размером 15--60 мкм реагируют друг с другом достаточно быстро, 60--90 мкм -- замедленно, а более 90 мкм, как уже указывалось, чрезвычайно медленно. Установлено также, что шихта должна быть полидисперсной и отсутствие в ней, например, весьма тонких фракций отрицательно сказывается на общей ее реакционной способности. Избирательное измельчение одного компонента до высокой дисперсности при сохранении других компонентов достаточно крупнозернистыми не способствует сокращению общего времени связывания СаО. При обычно принятых удельных поверхностях сырьевых шихт, равных 3000-4000 см2/г, оптимальное соотношение удельных поверхностей глины и известняка должно составлять 1,3--1,6. Обжиг оптимальных по гранулометрическому составу и однородных сырьевых смесей требует меньше тепловых затрат и может быть завершен при более низкой (на 30--50°С) температуре,

И. В. Кравченко, М. Т. Власовой и Б. Э. Юдовичем установлен двухстадийный процесс образования белита в шихтах, содержащих крупные (60 мкм) зерна кварца: вначале на зернах SiО2 образуются оболочки из мелких кристаллов C2S, которые замедляют дальнейшее течение реакции между СаО и SiО2, а затем после рекристаллизации С2S в оболочке и повышения ее диффузионной проницаемости наступает второй период синтеза двухкальциевого силиката. В тонкодисперсных смесях синтез C2S осуществляется в один этап. Практика работы больших вращающихся печей на отдельных заводах показала, что в некоторых случаях реакции образования минералов в материале, обжигаемом в таких печах, доходит до конца при содержании в шихте 3--5% частиц размером более 200 мкм (преимущественно известняка). Это явление может быть объяснено особенностями теплового режима работы вращающихся печей большого диаметра (> 4,5 м) и, в частности, высоким тепловым напряжением зоны горения топлива (зоны спекания). Из-за повышенного теплового напряжения зоны горения обжигаемый материал нагревается в больших печах на 50--100°С выше, чем в печах диаметром менее 4 м, что и позволяет даже грубомолотым шихтам полностью превратиться в готовый продукт. Следовательно, согласование температурного режима работы печей большого диаметра и дисперсности шихты -- один из путей интенсификации их работы.

С увеличением дисперсности сырьевых материалов возрастает степень дефектности кристаллов, что активизирует реакцию. Повышение реакционной способности сырьевых материалов путем наведения в составляющих их кристаллах дефектов при измельчении стали называть способом «механической активации» материалов.

Влияние режима обжига.

Важнейшим фактором, влияющим на скорость связывания СаО, является температура обжига шихты. Константа скорости химической реакции, согласно уравнению Аррениуса, экспоненциально зависит от температуры. Поскольку, как уже рассматривалось, скорость связывания СаО (?) определяется кинетикой диффузионных процессов, то зависимость ее от температуры также может носить экспоненциальный характер:

? = ?0 e-E/RT

Скорость реакции возрастает с ростом температуры и уменьшением энергии ее активации. Скорость реакции, контролируемой диффузией, с повышением температуры на 10°С возрастает на 10-- 40% (при сохранении их механизма одинаковым), тогда как скорость реакций, не зависящих от диффузии ионов, с повышением температуры на 10° С возрастает в еще большей, мере в 2-4 раза и более. Причинами ускорения реакций образования минералов при повышении температуры являются увеличение коэффициентов диффузии ионов в твердой фазе и расплаве, снижение вязкости жидкой фазы и возрастание ее количества.

Обжиг образцов (d = 1,5--2 мм) из сырьевых смесей с КН = 0,90--0,97 в интервале температур от 1673 до 2273 К до содержания в них постоянного количества остаточной свободной СаО, равного 2%, показал, что время завершения реакций с повышением температуры уменьшается. Хотя исследователи Ю. М. Бутт, Д. А. Высоцкий, Й. Г. Лугинйна, В. В. Тимашев, Н. А. Торопов, И. Штарк и др.) использовали различающиеся по составу шихты, не одинаковые по свойствам образцы и разную скорость их нагрева, общий характер зависимости t--T оказался одинаковым: при 1723 К для завершения реакции потребовалось 5- 15 мин, при 1823 К -- 3--8 мин, при 1923 К--1,5--3 мин; при 2023 К -- 20--60 с. С увеличением диаметра образцов сверх 1--2 мм время их полного обжига возрастает, причем наиболее сильно при диаметре гранулы более 10 мм. Снижение скорости процесса связывания СаО в этом случае связана с замедлением передачи тепла от поверхностных слоев гранул к глубинным слоям. Кроме того, чем тоньше измельчены сырьевые компоненты и плотнее гранулы, тем при более низкой температуре и за более короткое время завершаются в них реакции связывания СаО.

При повышении температуры обжига до 1723--2023 К в клинкерах образуется на 5--10% больше элита, чем это соответствует расчету. Неравновесное повышение содержания элита может быть объяснено внедрением в решетку C3S ионов Mg2+, Al3+, Fe3+, Na+, т. е. образованием твердых растворов, а также термическим распадом С3А, C4AF и вступлением выделяющейся при этом СаО в реакцию с C2S с образованием дополнительного количества C3S. Соответственно этому в клинкерах снижается содержание C2S, С3А, C4AF.

При обжиге сырьевых смесей во вращающихся печах время их жидкофазного спекания, т. е. время пребывания в зоне спекания печи, составляет примерно 15--30 мин. За этот период времени при 1573--1723 К в обжигаемом материале осуществляется синтез основного количества C3S. Сокращение времени пребывания материала в зоне спекания до нескольких минут приводит к появлению в клинкере неусвоенной окиси кальция. Следовательно, при 1673--1723 К для завершения реакции образования C3S в гранулах клинкера d = 10--50 мм и более требуется определенное время, исчисляемое несколькими или десятками минут. Увеличение длительности пребывания материала в зоне спекания до определенного момента (2--4 мин) способствует весьма интенсивному протеканию реакции минералообразования, но при превышении этого оптимального времени обжига скорость усвоения извести в клинкере замедляется. При этом увеличение продолжительности обжига более эффективно при низких температурах, чем при высоких, поскольку в последнем случае степень завершения реакций быстро достигает высоких значений.

Явление замедления скорости усвоения СаО по мере увеличения длительности изометрической выдержки вызвано рядом причин:

1) уменьшением концентрации реагирующих СаО и C2S в обжигаемом материале;

2) неравномерностью распределения остаточных количеств этих минералов в массе спекающегося клинкера, что увеличивает время перемещения составляющих их ионов к зонам активного роста кристаллов C3S (неравномерность распределения C2S и СаО наиболее сильно проявляется при содержании в шихте крупных зерен и СаСО3);

3) возможным частичным распадом некоторых соединений (С3А, C3S) при плавлении и температурных перепадах. На практике достичь полного связывания СаО трудно, поэтому в клинкерах с высоким значением КН допускается до 1% свободной СаО.

С увеличением длительности выдержки клинкера при 1723-- 1773 К до 4 ч в нем на 3--7% возрастает содержание алита, на 1--3% увеличивается количество алюмоферритовой фазы и на 4--5% снижается содержание С3А. Общее количество C2S также несколько уменьшается, а содержание б'-C2S и в-C2S сокращается более заметно. Уменьшение количества С3А связано с частичным его термическим разложением, а увеличение C6AxFy - с внедрением Fe3+ в решетку С3А и замещением в ней А13+ . Вторичная СаО реагирует с C2S до образования C3S, кроме того, количество алита возрастает и за счет образования твердых растворов C3S с А12О3 и MgO.

При внесении холодной сырьевой смеси непосредственно в зону максимальных температур (кипящий, взвешенный слой) наблюдается сокращение времени, в течение которого образуется нормальный клинкер. Ускорение процессов взаимодействия сырьевых компонентов при резком нагреве шихты (по данным М. Ф. Чебукова) обусловливается совпадением периодов диссоциации углекислого кальция и разложения глинистых, минералов с периодом интенсивного протекания реакций в твердом состоянии. Образующиеся в свободном состоянии мелкие с дефектной структурой кристаллики окислов при посредстве газовой и жидкой фаз, а также в местах контакта весьма интенсивно реагируют друг с другом, приводя к образованию основных клинкерных минералов. При таком обжиге исключается период собирательной рекристаллизации C2S и СаО, протекающей при обычном режиме медленного обжига и снижающей реакционную способность сырьевых смесей. Установлено, что чем быстрее нагревается сырьевая смесь и до более высокой температуры (термический удар), тем выше скорость, последующего связывания СаО при изотермической выдержке.

Быстрый нагрев сырьевой шихты стал использоваться сейчас как способ так называемой «термической активации» материалов перед завершающим высоко-температурным обжигом.

С повышением температуры получения клинкера кристаллы алита до 1273 К растут медленно, в интервале от 1273 до 1823 К -- значительно быстрее, а при температурах выше 1873 К они вырастают до размеров в 1--3 мм за несколько секунд. По мере увеличения времени пребывания материала в зоне максимальных температур в печи (1673--1723 К) структура кристаллов алита становится более однородной, но размеры их возрастают в весьма небольшой степени, так как в результате установления динамического равновесия между твердой и жидкой фазами в последней имеется лишь очень небольшое количество структурных элементов для роста кристаллов. Незначительный рост кристаллов алита происходит за счет растворения отдельных нестабильных его частиц и переотложения их на более стабильных кристаллах этого минерала.

Влияние каталитических и модифицирующих веществ. В составе сырьевых смесей содержатся в качестве примесей соединения различных элементов -- фосфора, хрома, серы, марганца, натрия, калия, бария, фтора, титана и др. Соединения указанных элементов в зависимости от их вида и количества, а также от условий обжига материала могут оказывать многостороннее влияние на процесс связывания CaO:

1) ускорять распад сырьевых компонентов и снижать температуру протекания этих процессов;

2) изменять температуру образования и свойства жидкой фазы клинкера;

3) влиять на процесс кристаллизации расплава;

4) модифицировать состав минералов клинкера и структуру их кристаллов;

5) усиливать неравновесие в системе. Если положительное влияние того или иного соединения значительно, то это соединение специально вводят в состав шихты в качестве самостоятельного компонента.

Характер и механизм каталитического и модифицирующего влияния элементов, содержащихся в небольшом количестве (менее 1--2%), сложен, и в большой степени зависит от их концентрации. Лишь при введении оптимального количества элемента для данных условий производства клинкера эффективно проявляются его положительные действия. Вместе с тем одновременное присутствие нескольких элементов отражается на эффективности влияния каждого из них, и это еще более усложняет анализ механизма их действия. Введение в состав сырьевых смесей каталитических и модифицирующих добавок (часто их называют «минерализаторы») широко распространено в цементной промышленности.

После обжига полученный клинкер поступает в холодильник, где происходит его охлаждение до температуры ниже 100°С. Этот этап производства цемента очень важен, так как режим охлаждения напрямую влияет на качество получаемого продукта. Поэтому важно, чтобы данный процесс происходил быстро, а температура клинкера на выходе была максимально низкой.

Колосниковые холодильники различных конструкций работают по одному и тому же принципу -- охлаждение клинкера осуществляется просасыванием воздуха сквозь его слой. Колосниковые холодильники имеют колосниковую решетку, состоящую из отдельных колосников -- палет, на которой слоем толщиной 150--300 мм распределяется горячий клинкер. Холодный воздух подается под решетку и проходит слой клинкера, охлаждая последний до 333-- 353 К.

В промышленности применяют колосниковые холодильники некоторых марок, отличающиеся один от другого некоторыми конструктивными особенностями.

В холодильниках «Волга» и «Фуллер» горизонтальные колосниковые решетки изготовлены из одинакового количества чередующихся подвижных и неподвижных колосников. Решетка заключена в металлический кожух, верхняя часть которого от- футерована шамотным огнеупором. Неподвижные колосники решетки прочно закреплены в кожухе, а подвижные смонтированы на общей раме и совершают возвратно-поступательное движение с помощью кривошипно-шатунного механизма, благодаря чему осуществляется продвижение клинкера, лежащего на решетке слоем толщиной 150--300 мм. Рамы совершают 8--16 движений в минуту при величине хода до 100 мм. Зазор между плитами достигает 5--8 мм, а живое сечение всей решетки--10%, подрешеточное пространство разделено на две, три зоны и более в зависимости от габаритов холодильника. В секции камеры подается холодный воздух, наиболее горячая часть которого (из 1-й секции) используется в качестве вторичного воздуха, а остальная часть (из двух секций) отводится наружу. Для резкого охлаждения клинкера и равномерного распределения его на решетке применяют острое дутье воздуха высокого давления или ступенчатую наклонную решетку. В разгрузочном конце холодильника установлены решетка или грохот, отсеивающие нормальные зерна клинкера, и направляющие крупные зерна в дробилку. Под колосниковой решеткой установлен скребковый транспортер для удаления мелких фракций клинкера, просыпавшихся через зазоры между колосниками.

В холодильниках «Волга» производительностью 25, 35, 50, 75, 125 т/ч достигается эффективное охлаждение клинкера от 1373 -- 1473 до 323--353 К за 0,25--0,5 ч. Холодильник «Волга-125 СУ» производительностью 3000 т/сут является двухкамерным с острым дутьем. Разработаны конструкции двухкамерных холодильников «Волга» с двойным прососом газов и ступенчатого с промежуточным дроблением клинкера. При двойном прососе газов холодный воздух сначала охлаждает клинкер и нагревается до 573--673 К в холодной камере, а затем после очистки от пыли подается в горячую камеру, где нагревается до 873--973 К и поступает во вращавшуюся печь. Это позволяет уменьшить количество избыточного воздуха и повысить температуру вторичного воздуха. В двухкамерном ступенчатом холодильнике на первой (горячей) колосниковой решетке клинкер охлаждается примерно до 773 К и затем подвергается дроблению. Дробленый клинкер попадает на вторую колосниковую решетку (холодную), расположенную ниже первой, где он охлаждается до 323--353 К и дополнительно дробится. Промежуточное дробление клинкера позволяет более интенсивно охлаждать его на второй решетке и использовать для этого меньше воздуха.

Холодильник «Фуллер» производительностью около 4500 т/сут имеет три индивидуально приводимые горизонтальные колосниковые решетки. Холодильник производительностью 7000 т/сут имеет размеры 5,3Ч42 м при удельной производительности 31 т/(сутЧм2). Современные холодильники проектируются из расчета на нагрузку решетки порядка 26--34 т/(сутЧм2) при расходе воздуха около 3 нм3/кг клинкера, охлаждаемого от 1645 до 338 К. Подрешеточное пространство больших холодильников делится на 5--10 секций для более равномерной подачи воздуха. При двойном прососе воздуха расход его снижается до 1,3--1,8 нм3/кг клинкера, однако повышается тепловая напряженность колосниковой решетки и вентиляторов.

В промышленности применяют и другие виды колосниковых холодильников: с неподвижной колосниковой решеткой («Фоллакс»), с вибрационной колосниковой решеткой («Аллис-Чалмерс»), с бесконечной колосниковой решеткой («Рекуполь») и др. В холодильниках «Фоллакс» выходящий из печи клинкер попадает на короткую неподвижную .колосниковую решетку, под которую подается холодный воздух высокого давления, переводящий клинкер во взвешенное состояние. Благодаря созданию «кипящего» слоя осуществляется резкое охлаждение клинкера сразу на 300--400°С и обеспечивается равномерное его распределение (растекание) по подвижной колосниковой решетке. В остальном конструкция холодильника «Фоллакс» похожа на конструкцию холодильников «Фуллер» и «Волга». Холодильник системы «Аллис-Чалмерс» оборудован вибрационной колосниковой решеткой, совершающей 260--325 кол/мин. Вместе с решеткой колебательные движения совершает и прикрепленный к ней снизу воздушный металлический короб. Клинкер на решетке и мелкие фракции его в коробе продвигаются к разгрузочному концу вследствие вибрации. Охлаждающий воздух вдувается в короб под низким давлением. Недостатками холодильника являются неполное использование тепла клинкера и большие габариты.

Холодильник «Рекуполь» по конструкции весьма близок к конвейерному кальцинатору печи «Леполь». Он имеет бесконечную колосниковую решетку, подрешеточную воздушную камеру, разделенную на несколько секций, и наклонную загрузочную течку, выполненную в виде колосниковой решетки переталкивающего типа. В пределах первой секции клинкер охлаждается в «кипящем» слое, а в остальных --просасыванием воздуха через спокойно лежащий слой. В первую секцию подается подогретый воздух (за счет двукратного прососа), а в две остальные -- холодный. Движение колосников в загрузочной части и поток холодного воздуха высокого давления обеспечивают быстрое охлаждение клинкера до 1073 -- 1173 К и равномерное распределение его на решетке. При производительности 3300 т/сут клинкера решетка холодильника имеет размеры 3,3Ч31,3 м. Подрешеточное пространство его разделено на 12 секций: из двух последних секций воздух с температурой 443 К поступает в I и II камеры для более сильного подогрева. В камеры III--X подается холодный воздух, причем количество его уменьшается по мере понижения температуры клинкера. Термический к. п.д. холодильника равен ~70%. Часть нагретого до 583--623 К воздуха отводится из холодильника. Температура клинкера, выходящего из холодильника -- около 338 К. Проектируется холодильник «Рекуполь» с размером решетки 5,4Ч55 м и производительностью 10 000 т/сут клинкера.

Основной недостаток колосниковых холодильников: общее количество воздуха, продуваемого через слой клинкера, гораздо больше, чем его нужно для горения топлива в печи (как вторичного воздуха). Поэтому значительную часть (порядка 60--70%) нагретого воздуха необходимо или использовать в других целях, или выбрасывать в атмосферу, снижая термический к. п. д: агрегата в создавая системы пылеочистки. Существующие системы очистки нагретого запыленного воздуха после холодильников (циклон > электрофильтры > атмосфера) позволяют выделить лишь 65--70% пыли, что не отвечает требованиям защиты окружающей среды. В связи с изложенным идет непрерывный поиск путей снижения степени запыленности воздуха в холодильниках. Высокую степень очистки горячего воздуха от пыли можно получить в новых слоевых фильтрах с гравийной засыпкой, однако это решение является дорогостоящим.

Экономичен также, как уже отмечалось, двойной просос охлаждающего воздуха через слой клинкера в разных камерах. В этом случае температура подогрева вторичного воздуха может достигать 1073--1173 К.

Колосниковые холодильники имеют также сложную конструкцию много движущихся частей, часто выходящих из строя. При охлаждении мелкого клинкера значительная часть его просеивается через отверстия между колосниками и перегружает скребковый транспортер, что вызывает остановку агрегата. Однако они характеризуются высокой удельной производительностью [800-- 900 кг(м2Чч)] и глубоким (до 323-353 К.) охлаждением клинкера, связи с тем что найдены способы уменьшения степени влияния меченных недостатков, в последнее время стали проектироваться новые колосниковые холодильники как средней, так и большой (3000--10 000 т/сут) производительности.

3.7 Хранение клинкера на складах

После обжига охлажденный в холодильнике клинкер направляется в клинкерный склад, затем дробится и измельчается совместно с гипсом и другими добавками.

Клинкерный склад должен быть крытым и иметь подпорные стенки, позволяющие укладывать клинкер до требуемой высоты. Загрузка и разгрузка клинкерных складов механизированы. Обычно они оборудованы грейферными кранами, которые забирают и насыпают клинкер в любое место склада, а также подают его в бункер мельницы.

Мостовые грейферные краны могут перемещать на склад и в бункеры мельниц гипс и различные добавки. Для перемещения клинкера применяются транспортерные ленты, тряски и другие транспортные устройства. Загрузочные транспортеры обычно устанавливаются в верхней части склада, а в полу клинкерного склада устраиваются воронкообразные отверстия со специальными затворами для подачи клинкера на транспортер, расположенный в туннеле под клинкерным складом. Перемещение клинкера к мельницам осуществляется лишь только при помощи грейферного крана, ковш которого подает клинкер из склада непосредственно в бункер мельницы.

При магазинировании происходит гашение свободной окиси кальция за счет атмосферной влаги, стекловидная часть клинкера кристаллизуется. Это приводит к некоторому разрыхлению клинкера и облегчению его последующего помола. В клинкерных складах размещаются также гипс и минеральные добавки. Недостатком таких складов является интенсивное пыление при штабелировке и подаче клинкера и добавок в бункера, что затрудняет условия работы.

При остывании расплавов происходит разделение шлака и ферросилиция по удельным весам. После охлаждения расплава грейферный кран опрокидывает изложницу и чушки клинкера глиноземистого цемента поступают на клинкерный склад для хранения. Со склада клинкер транспортером перебрасывается к дробилкам, затем в шаровую многокамерную мельницу, в силос и на упаковку.

3.8 Помол клинкера, гипса и добавки

Для совместного помола клинкера с добавками в замкнутом цикле применяется трубная мельница. Это дает возможность получения цемента с удельной поверхностью 400-450 м2/кг. При замкнутом цикле материал проходит в мельнице более краткий путь, а затем транспортируется к сепаратору, в котором разделяется на грубый (крупку) и тонкий материал. Крупная фракция проходит через мельницу несколько раз, а мелкая фракция после отделения в выносных циклонах становится готовым продуктом и больше не возвращается в мельницу. Замкнутый цикл размола является более эффективным, чем размол по открытому циклу. При замкнутом цикле нет переизмельчения материала, кроме того, из сферы размола более быстро удаляются тонкие фракции, что поддерживает скорость измельчения на более высоком уровне. Отсутствие переизмельчения при замкнутом цикле помола материалов снижает удельный расход энергии особо тонких частиц на мелющие тела, что повышает эффективность измельчения. В схемах с открытым циклом помола переход на выпуск более тонкого цемента (быстротвердеющего) требует остановки мельницы для изменения ассортимента мелющих тел. При использовании схем с замкнутым циклом этого не требуется, просто меняют циркуляционную нагрузку мельницы - увеличивают многократное прохождение материала через камеру, работающую в цикле с классификатором. При использовании замкнутого цикла помола температура в мельнице на 25-30оС ниже, чем в мельницах, работающих по открытому циклу.

3.9 Фасовка и отгрузка готового цемента

Часть цемента будет отгружаться в упакованном виде. Для этого в упаковочном отделении установлена упаковочная машина карусельного типа. Питание машины осуществляется при помощи пневмотранспорта.

Фасовка цемента осуществляется тремя способами. Цемент фасуют в мешки весом как правило по 50 кг, в большие мешки с ручками (биг-бэги) и навалом, это когда цемент привозят в больших машинах, а не в таре и отпускают насыпью. Упаковочная тара должна быть изготовлена из влагостойкого материала, поскольку цемент не терпит влажности.
Фасовщики цемента подразделяются на автоматические и полуавтоматические. Фасовка в полуавтоматических машинах производится за счет колеса, действующего по принципу центробежной силы. На данных агрегатах имеются дозаторы веса цемента, установленные на специальных тензодатчиках, а также специальная очистительная система. Принцип работы всех полуавтоматических фасовщиков основан на шнековой подаче.

Автоматические фасовщики обладают намного большим пакетом функций, которые выполняются без какого либо вмешательства оператора. Вот основные функции, которые заложены в них:

· включают и выключают электродвигательное оборудование

· производят запуск цикла работы

· взвешивают и дозируют мешки весом от 3 до 80 кг, степень точности при этом составляет плюс-минус 20 грамм.

· удерживает мешки посредством пневматического цилиндра, что оказывает большое влияние на точность при взвешивании

· машина сбрасывает уже заполненные мешки на транспортер

· автоматически перекрывает задвижки, если мешок рвется или падает

· удаляет посторонние предметы или камни, которые попадают в задвижку

Оператор занимается лишь тем, что подает мешок на фасовочную машину, все остальное выполняется автоматически, без помощи оператора. Для расфасовывания цемента в мешки весом до 50 килограмм наиболее подходящими являются автоматические фасовщики с центробежным принципом работы. Рентабельность таких аппаратов проявляется в том, что потери цемента являются минимальными и происходит наименьшее загрязнение воздуха. По сравнению с шнековыми фасовщиками у фасовщиков центробежных значительно более долгий рабочий ресурс, они более ремонтопригодны, и производительность у них куда более высокая. Нужно отметить что цемент поступает в фасовщик обычно из цементного силоса.

Принцип фасовки цемента автоматическим способом

Фасуемый продукт подается механически роторным метателем, за счет чего обеспечивается минимальное образование пыли и меньшее количество разрывов мешков. А уже в мешки цемент попадает благодаря центробежному рабочему колесу. Оно же и измельчает слежавшийся цемент. Далее мешок начинает наполняться цементом, и дойдя до запрограммированного веса, заслонка закрывает подачу цемента и мешок считается зафасованным. Пневматический прижим сбрасывает мешок. Таким образом цикл фасовки мешка можно считать оконченным, агрегат готов к следующему циклу. Наличие пульта управления, работающего на микропроцессоре, обеспечивает абсолютно точное взвешивание и позволяет вести учет готовой продукции.

Фасовочный аппарат можно и разумно использовать в совокупности с транспортером, это уменьшит затраты на отдельную разгрузку и складирование готовых мешков, а позволит сразу направлять мешки в транспортное средство. Для управления фасовочной машиной не требуется высокой квалификации и большого ресурса рабочей силы, машиной может управлять всего один человек, который будет осуществлять минимальное количество операций. Очень важно учитывать, что машины для фасовки цемента должны быть установлены в помещении с минимальной влажностью, а также не пригодны для расфасовки песка и других абразивных.

4. Описание технологической линии и характеристики основного оборудования

Добыча известняка и глины производится из месторождений, находящихся поблизости от проектируемого завода. Вскрышные породы удаляют прямой экскавацией с перемещением в отвал. В качестве оборудования для добычи сырья используются роторные экскаваторы (рис.2). Их преимуществом является снижение стоимости вскрышных работ по сравнению с другими способами добычи. К плюсам также можно отнести достаточно большую вместимость ковша (до 12,5 тыс. л) и высокую производительность (более 10 тыс. м3/час).

Рис. 2 Роторный экскаватор

После отделения породы от пласта происходит процесс погрузки добытого сырья, которое транспортируется на завод автотранспортом. Выбор автотранспорт обоснован, так как месторождение сырья расположено в достаточной близости к точке строительства завода. Также этот вид транспортировки выгоден с точки зрения начальных затрат.

Привозное сырье, гипс, огарки и минеральные добавки, поставляются железнодорожным транспортом. Также этот вид транспорта используется для отправки готовой продукции с завода потребителям.

С целью создания производственного запаса сырьевых материалов непосредственно на заводе, после карьера сырьё поступает на склад сырья. Норма запаса составляет 7 суток для известняка и глины (в связи с близостью карьера), 15 суток для огарков и гипса. Из-за климатических условий (холодная зима) в регионе используется закрытый склад.

После добычи материал подвергается измельчению.

Первой стадией измельчения служит дробление. Так как энергетические затраты на дробление значительно меньше, чем затраты на помол, желательно дробить материал до возможно мелких фракций. Дробление сырьевых материалов производят для того, чтобы уменьшить расход электроэнергии при помоле и увеличить производительность сырьевых мельниц. Технологическая схема дробильной установки определяется размером камня, выдаваемого карьером, и необходимой крупностью сырья после дробления. Чем крупнее выдают карьер камень, тем меньше стоимость добычи. Допустимый размер камня определяется возможностями дробилки.

Выбор типа дробилки связан со свойствами сырья и особенностями гранулометрии раздробленного материала. Конусные и щековые дробилки для первой стадии имеют степень измельчения 3-4, молотковые же и ударно отражательные дробилки - 20-40.

Молотковые дробилки (рис.3) оборудованы выходными колосниковыми решетками и выдают материал крупностью меньше ширины выходной щели.

Молотковые дробилки приспосабливаются для переработки влажных и вязких материалов (подвижная плита, обогрев дробящих поверхностей). Для увеличения производительности подобных видов дробилок их выпускают с двумя роторами и двумя питателями (сдвоенные дробилки). Для обеспечения высокой степени дробления дробилки оборудованы колосниковыми решетками, которые для облегчения обслуживания и ремонта устанавливают на передвижную раму. С этой же целью дробилки оборудуют гидравлическими подъемниками. Для увеличения срока службы ударных элементов и молотков на них устанавливают съемные ребра из твердых сплавов. Используют также реверсивное движение ротора. Скорость вращения ротора в молотковых дробилках иногда регулируется, что позволяет менять степень дробления. Молотковые дробилки используют как для одностадийного, так и для вторичного дробления. Их применяют для первичного дробления хрупких неабразивных пород и известняков средней пластичности с влажностью не более 15%. Для дробления сырьевых материалов повышенной влажности (мела, глины, трепела, опоки и других материалов, имеющих влажность до 35%) применяют специальные молотковые дробилки с подвижной плитой. Для дробления пород высокой прочности на первой стадии применяют молотковые дробилки ударно-отражательного действия.

Рис. 3 Молотковая дробилка

Молотковые дробилки выбраны для измельчения кусков известняка, глины, гипса и минеральной добавки. По причинам вышеуказанным использование такого оборудование обосновано. Для глины будет использоваться дробилка с подвижной плитой, так как влажность глинистого компонента достаточно высокая. Характеристики подобранно дробильного оборудования приведены ниже (табл.4).

Таблица 4

Технические характеристики молотковых дробилок

Характеристики	Измельчаемый материал
	Известняк	Глина	Минеральная добавка	Гипс
Тип дробилки	СМ-559	СМД-85А	СМД-85А	С-599
Размер загрузочного отверстия, см	126Ч151	63Ч55	63Ч55	40Ч25
Наибольший размер загружаемых кусков, см	100	40	40	10
Ширина щелей решетки, мм	75-200	-	-	15
Частота вращения ротора, мин-1	313,470,625	-	-	1500
Производительность, т/ч	200-400	85	85	10
Мощность электродвигателя, кВт	160	40	40	55

Грубоизмельченные сырьевые материалы после стадии дробления подаются на усреднение в усреднительные склады. Усреднение сырья - это комплекс технологических и организационных мер, обеспечивающих в течение длительного времени колебание химического состава сырьевой смеси в узких заданных пределах.

На складах производится усреднение кусковых материалов. Они позволяют повысить качество приготовления стабильной по составу сырьевой смеси. Применение усреднительных складов снижает также капитальные и эксплуатационные затраты. В зависимости от климата усреднительные склады могут быть открытыми или закрытыми.

Для автоматического управления приготовлением шихты создают несколько штабелей: два для известняка с высоким и низким титрами, и если второй компонент - твердый материал, то еще и штабель глинистого сырья. После дробления в молотковой дробилке отбирают пробы и делают анализ на CaCO3. По данным анализа, известняк подают в один из двух усреднительных штабелей известняка - с низким или высоким содержанием CaCO3. Наибольшая степень усреднения обеспечивают вытянутые в длину штабеля. Кладку материала в штабель ведут узкими полосами, тонкими слоями, покрывающими всю площадь штабелирования, длинными наклонными слоями, конусами, сливающимися в штабель.

Разгрузку ведут по всей площади торца, что обеспечивает высокую степень усреднения. Для разгрузки с торца созданы специальные машины (рис.4). Такая машина передвигается вдоль штабеля. Бороны колеблются, разрыхляя материал под углом, равным углу естественного откоса. Материал собирается лопастным питателем и далее подается на ленточный транспортер.

Другой тип колесной разгрузочной машины представляет сочетание разрыхлительных борон, роторного экскаватора и реверсного ленточного транспортера. Применение колесных машин позволяет не только улучшить усреднение, но и увеличить емкость и размер усреднительных складов.

Для завода производительностью 1 млн тонн/год усреднительный склад сырья включает два штабеля емкостью по 20 тыс. тонн каждый. Один из штабелей обеспечивает недельную работу завода, формирование же штабеля производится за меньшее время. Установка по формированию штабеля работает периодически. Выдача - непрерывная.

Основной принцип усреднения основан на перемешивании разнородных пород при их последовательной слоевой отсыпке и последующей выемки в направлении, перпендикулярном отсыпанным слоям. Эффективность усреднения повышается по мере увеличения количества пересыпных слоев при отгрузке разнородных пород.

Пройдя дозировочный узел, сырьевые материалы поступают на помол в валковую мельницу (рис.5), которая предназначена для одновременного помола и сушки сырьевой шихты. Помольно-сушильная установка имеет более рациональный принцип помола, чем шаровая, требует меньшего удельного расхода электроэнергии, дает возможность более оперативно управлять процессом приготовления сырьевой смеси заданного состава. Для сушки и транспортирования сырьевой смеси используются отходящие газы печного агрегата. В установку входит также индивидуальная топка, предназначенная для подачи сушильного агента при отсутствии отходящих печных газов, а также для повышения температуры отходящих газов при размоле сырья повышенной влажности (более 6 %).

Рис.4. Усреднительный склад и разгрузочная машина

В помольно - сушильной установке с мельницей MPS можно измельчать материал с влажностью до 18% и высушивать его до 0,7%. При этом температура горячих газов на входе в мельницу составляет 450°, а на выходе из аппарата - около 110°С.

В цементной промышленности мельницы MPS применяются для помола сырья и угля. При помоле сырьевой смеси с одновременной сушкой удельные энергозатраты составляют около 9 кВтч/т, из которых 5,8 приходятся помол до тонкости 18% остатка на сите 009. Остальные 3,2 кВтч/т расходуются на преодоление гидравлического сопротивления мельницы, составляющего 360 мм вод. Производительность выбранной мельницы MPS для помола сырья в зависимости от тонкости помола представлена в табл.5.

Усреднение сырьевой муки происходит в двух двухъярусных силосах со встроенными под ними узлами питания печи. Из каждого силоса мука поступает в свою ветвь запечных циклонных теплообменников.

Рис. 5. Вертикальная мельница MPS фирмы PFEIFFER

Таблица 5

Производительность мельницы MPS в зависимости от тонкости помола

Тип мельницы	Остаток на сите 009, %
	4	6	10	15	20	25
MPS 4150	195	215	245	255	300	335

Печи с циклонными теплообменниками и декарбонизатором

Наряду с совершенствованием конструкции обычной системы циклонных теплообменников разрабатываются новые их системы, обеспечивающие полную декарбонизацию в них сырьевой смеси. Повышение степени декарбонизации сырьевой смеси в запечных теплообменниках достигается путем сжигания в них необходимого количества топлива. Это осуществляется в специальных камерах - кальцинаторах, встраиваемых в действующую четырехциклонную систему теплообменников. Известно несколько конструкций печей с циклонным теплообменником кальцинатором. В одной из конструкций сырьевая смесь подается, как обычно, в газоход между ступенями III и IV теплообменника и затем перемещается вниз. После ступени III материал направляется в кальцинатор, где он декарбонизируется, а из него с потоком газов поступает в циклон IV. Осажденный в циклоне материал направляется в печь, а горячие газы поднимаются в верхние циклоны. Кальцинатор представляет собой коническую камеру, в которую через отверстие в крышке из ступени III подается нагретая сырьевая мука, а через несколько вихревых форсунок -- топливо. Нагретый до 1073--1123 К воздух из холодильника и дымовые газы из печи с температурой 1373-- 1423 К поступают по газоходу в камеру смешения кальцинатора. Смесь воздуха с газом вводится в кальцинатор тангенциально, подхватывает снизу опускающийся поток материала и топлива, поднимает материал вдоль стенок вверх, вынося в газоход 5. Распыленный мазут сгорает в пространстве кальцинатора беспламенно, так как выделяющееся тепло сразу же расходуется на разложение СаСО3 шихты. Беспламенное горение топлива по всему объему кальцинатора предотвращает локальные перегревы массы, что позволяет избежать налипания материала на стенки. Температура материала на выходе из кальцинатора составляет 1153---1175 К.

Ввиду того, что цемент получают по сухому способу, в качестве печного агрегата используется короткая вращающаяся печь (рис. 6). Технические характеристики печного агрегата представлены в таблице 6.

Таблица 6

Технические характеристики печного агрегата

Тип печного агрегата	СМЦ-26
Размеры, м	4,5Ч80
Производительность, т/сут	3000
Расход теплоты на получение клинкера, кДж/кг кл.	3460
Количество опор	4
Уклон корпуса, %	4,0
Частота вращения печи от главного привода, мин-1	0,34…3,4
Масса без футеровки, т	2400

После обжига полученный клинкер поступает в холодильник, где происходит его охлаждение до температуры ниже 100°С. Этот этап производства цемента очень важен, так как режим охлаждения напрямую влияет на качество получаемого продукта. Поэтому важно, чтобы данный процесс происходил быстро, а температура клинкера на выходе была максимально низкой.



Рис. 6. Вращающаяся цементная печь

Колосниковые холодильники (рис. 7) различных конструкций работают по одному и тому же принципу -- охлаждение клинкера осуществляется просасыванием воздуха сквозь его слой. Колосниковые холодильники имеют колосниковую решетку, состоящую из отдельных колосников -- палет, на которой слоем толщиной 150--300 мм распределяется горячий клинкер. Холодный воздух подается под решетку и проходит слой клинкера, охлаждая последний до 333-- 353 К.

Рис. 7. Колосниковый холодильник

В холодильниках горизонтальные колосниковые решетки изготовлены из одинакового количества чередующихся подвижных и неподвижных колосников. Решетка заключена в металлический кожух, верхняя часть которого от- футерована шамотным огнеупором. Неподвижные колосники решетки прочно закреплены в кожухе, а подвижные смонтированы на общей раме и совершают возвратно-поступательное движение с помощью кривошипно-шатунного механизма, благодаря чему осуществляется продвижение клинкера, лежащего на решетке слоем толщиной 150--300 мм. Рамы совершают 8--16 движений в минуту при величине хода до 100 мм. Зазор между плитами достигает 5--8 мм, а живое сечение всей решетки--10%, подрешеточное пространство разделено на две, три зоны и более в зависимости от габаритов холодильника. В секции камеры подается холодный воздух, наиболее горячая часть которого (из 1-й секции) используется в качестве вторичного воздуха, а остальная часть (из двух секций) отводится наружу. Для резкого охлаждения клинкера и равномерного распределения его на решетке применяют острое дутье воздуха высокого давления или ступенчатую наклонную решетку. Технические характеристики колосникового холодильника представлены в таблице 7.

Таблица 7

Технические характеристики колосникового холодильника

Тип холодильника	СМЦ-33
Размер решетки, м	3,29Ч29,7
Толщина слоя клинкера, мм	150…350
Удельный расход охлаждающего воздуха, м3/кг кл	2,5…3,5
Подача воды в холодильник	Форсунки (под давлением)
Расход воды, кг/с	2,2…3,3
Температура клинкера после охлаждения, К	370

Помол цемента осуществляется в четырёх помольных агрегатах, работающих по открытому циклу. Агрегат предназначен для совместного помола клинкера с добавками в замкнутом цикле получения цемента с удельной поверхностью около 400-450 м2/кг. При помоле вводится интенсификатор - триэтаноламин. После помола готовый продукт поступает при помощи пневмотранспорта в цементные силоса.

Для помола цемента применяются установки с шаровыми трубными мельницами, работающими как по открытому, так и по замкнутому циклами с классификацией измельчаемого материала в центробежных сепараторах. Используемая цементная мельница работает по замкнутому циклу. Это позволяет получать материал хорошего качества с меньшими затратами. Шаровая мельница (рис. 8) имеет преимущество перед другими в качестве измельченного материала. Измельченный материал имеет высокую дисперсность, что позволяет получить цемент высокой активности. Технические характеристики цементной мельницы представлены в таблице 8.

Рис. Шаровая мельница

После цементной мельницы измельченный материал поступает на фасовку, где упаковочные машины засыпают готовый продукт в тару (мешки весом 50 кг или биг-бэги) или засыпаются навалом в автотранспорт или другие виды транспорта.

Таблица 8

Технические характеристики шаровой мельницы

Режим работы	Замкнутый
Размер, м	4,0Ч13,5
Мощность привода, кВт	3200
Производительность, т/ч	88,0…103,0

5. Расчет состава сырьевой смеси

Исходными данными для расчёта является таблица содержания основных оксидов в сырьевых компонентах, масс.%, полученная химическим анализом исходного сырья (таблица 9).

Таблица 9

Содержание основных оксидов в сырье масс. %

Компонент	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	П.П.П.	Сумма	Влажность
Известняк	0,67	0,38	0,18	53,7	0,96	0,28	43,40	99,57	6,0
Глина	69,0	13,49	5,50	1,65	1,50	0,16	4,60	95,90	10,0
Огарки	14,43	4,01	74,27	1,02	0,00	2,01	1,37	97,11	5,0

Расчёт сырьевой смеси выполнен на ПЭВМ при помощи специально составленной программы. Результаты расчёта представлены в таблицах 6 и 7.

Таблица 10

Содержание компонентов в сырьевой смеси

Компонент	В сухом состоянии	Во влажном состоянии	С учётом технологических потерь*
	%	кг/т. кл.	%	кг/т. кл.	%	кг/т. кл.
Известняк	79,47	1233	78,83	1312	78,83	1319
Глина	18,83	292	19,51	325	19,51	326
Огарки	1,69	26	1,66	28	1,66	28
Итого:	100	1552	100	1665	100	1673

*Технологические потери составляют 0,5% для всех компонентов

Таблица 11

Химический состав, масс. %

Компонент	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	П.П.П.	Сумма
Сырьевая смесь	14,34	3,02	2,52	43,20	1,06	0,29	35,57	100
Клинкер	22,25	4,69	3,91	67,05	1,65	0,45	-	100

Характеристики портландцементного клинкера:

- коэффициент насыщения КН 0,93;

- силикатный модуль n 2,59;

- глиноземный модуль p 1,20;

- индекс обжигаемости ИО 3,70;

- Qтеор. клинкерообразования 1785,7 кДж/кг;

Минералогический состав получаемого клинкера представлен в таблице 8.

Таблица 12

Минералогический состав клинкера

Минерал	C3S	C2S	C3A	C4AF	C3A+C4AF
Содержание, масс. %	65,4	14,4	5,8	11,9	17,7

6. Расчёт теплового баланса

Тепловой расчёт печного агрегата.

Исходные данные:

1. Производительность по клинкеру - из материального баланса;

2. Способ производства - сухой;

3. Технологическое топливо - газ;

4. Химический состав сырьевой смеси и клинкера - таблица 7;

5. Минералогический состав портландцементного клинкера - таблица 8;

6. Естественная влажность исходных сырьевых материалов: известняк - 6%, глина - 10%;

7. Коэффициент избытка воздуха: 1,1-1,15.

Расчет необходимого количества воздуха для горения топлива и объёма продуктов сгорания. Состав природного газа Берестянского месторождения представлен в таблице 9.

Таблица 13

Состав природного газа, об. %

СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	СО2	N2
82	5	2	2	0,5	8,5

Теплотворная способность рабочего топлива:

QPH = 358,2СН4 + 637,5С2Н6 + 912,5С3Н8 + 1186,5С4Н10

QPH = 358,2Ч82 + 637,5Ч5 + 912,5Ч2 +1186,5Ч2 = 36757,90 кДж/нм3 топ.

Материальный баланс горения топлива.

Расчёт ведём на сухой газ, без учёта влажности.

Для 1нм3 топлива:

кг/м3

кг/м3

кг/м3

кг/м3

кг/м3

кг/м3

= 0,860 кг/м3

Расход воздуха на горение топлива.

Теоретический объёмный расход воздуха:

нм3/нм3топл

= 9,734 нм3/нм3топл

Теоретический массовый расход воздуха:

, кг/нм3топл.

= 12,586 кг/нм3топл.

Практический расход воздуха при б=1,1:

, кг/нм3топл.

, кг/нм3топл.

Выход продуктов горения:

++, нм3/нм3топл

= 0,01Ч(СО2+СН4+2С2Н6+3С3Н8+4С4Н10), нм3/нм3топл

= 0,01Ч(0,5+82+2Ч5+3Ч2+4Ч2) = 1,065 нм3/нм3топл

= 0,01Ч(2СН4+3С2Н6+4С3Н8+5С4Н10), нм3/нм3топл

= 0,01Ч(2Ч82+3Ч5+4Ч2+5Ч2) =1,97 нм3/нм3топл

= 0,79Ч+0,01*N2 , нм3/нм3топл