Производство портландцемента сухим способом в городе Магнитогорск

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пояснительная записка к курсовому проекту

По теме: «Производство портландцемента сухим способом в городе Магнитогорск»

Содержание

Введение

1 Сырьевые материалы для производства портландцемента

2 Основные технологические схемы производства портландцемента

3 Расчет состава сырьевой смеси для производства портландцементного клинкера

4 Расчет годового фонда рабочего времени основных цехов и производительности основного оборудования

5 Составление технологической схемы производства портландцемента сухим способом

6 Подбор технологического оборудования для производства портландцемента сухим способом

7 Карта приемочного контроля качества портландцемента

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Цемент является вторым после воды наиболее употребляемым ресурсом на земле: ежегодно его потребление на нашей планете составляет около 1 тонны на человека. Цемент производится в 156 странах мира. Однако 70% мирового производства цемента сосредоточено лишь в 10 странах мира, где проживает 70% населения земли. Цементная промышленность имеет ключевое значение для экономического развития, поскольку производит основной вид строительных материалов для жилищного, промышленного строительства и для строительства объектов инфраструктуры. Темпы ее развития в 1,5-2 раза выше, чем темпы роста мирового ВВП.

Цемент - один из базовых строительных материалов, который называют "хлебом строительства". В современной строительной практике роль цемента в выпуске новых прогрессивных материалов и изделий для полносборного домостроения постоянно возрастает. Являясь основным вяжущим компонентом, цемент находит широкое применение в производстве бетона, железобетона, строительных растворов, а также в асбестоцементной, нефтедобывающей и других отраслях промышленности. Он пользуется спросом при возведении новых промышленных объектов, реконструкции и строительстве зданий и сооружений, в том числе гидротехнических объектов, индивидуальном строительстве. Уникальные свойства цемента позволяют на его основе изготавливать специальные конструкции, такие как железнодорожные шпалы, строительные блоки, панели и плитки, многие другие изделия.

Цементная промышленность - одна из ведущих отраслей производства строительных материалов. Выпускаются различные виды цемента: портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент, специальные цементы (декоративные, тампонажный, глинозёмистый, сульфатостойкий, цемент для гидротехнических сооружений, быстротвердеющий цемент и др.).

В качестве основных характеристик цемента выделяют такие свойства как морозостойкость, прочность, плотность, водопотребность. Именно от этих свойств зависит долговечность цемента и объектов, на которых он используется.

Цемент и получаемые на его основе прогрессивные строительные материалы успешно заменяют в строительстве дефицитную древесину, кирпич, известь и другие традиционные материалы.

Цемент представляет собой важный и незаменимый материал, используемый для различных процессов строительства. Крупными потребителями цемента являются нефтяная и газовая промышленность, строительные фирмы различного масштаба. Цемент часто используется частными лицами в отделке помещений или индивидуального строительства

1 Сырьевые материалы для производства портландцемента

Основными сырьевыми материалами для производства портландцемента являются широко распространенные в природе осадочные известняковые горные породы с высоким содержанием углекислого кальция CaCO3 и глинистые породы с высоким содержанием кремнезёма SiO2, глинозема Al2O3 и оксида железа Fe2O3.

Кроме того, при помоле в состав портландцемента вводят гипс, чтобы замедлить сроки схватывания, а также в целях экономии клинкера вводят активные минеральные добавки и некоторые отходы отраслей промышленности (гранулированные доменные шлаки, топливные золы, нефелиновые шламы и др.). В состав портландцемента вводят и небольшое количество (до 1%) корректирующих добавок для интенсификации процесса помола и улучшения отдельных свойств готового продукта.

Карбонатные породы

К известняковым породам, применяемым в цементной промышленности России, относятся известняки, мел, известковый туф, известняк-ракушечник и др. Все эти материалы представляют собой первый карбонатный компонент сырьевой смеси. Средняя плотность плотных известняков достигает 2400-2700, а меловых пород - 1500-2000. Влажность этих материалов соответственно 2-6% и 15-30%. Известняки и мел содержат до 90% и более углекислого кальция (CaCO3) и небольшие количества кварцевого песка, глинистых минералов, кремнезема, глинозема и др. Для производства цемента пригодны карбонатные породы при содержании 40-43,5% CaО и 3,2-3,7% MgO. Желательно, чтобы содержание Na2O и К2О в сумме не превышало 1%, а SO3 - 1,5-1,7%. Содержание MgO и SO3 в известковых породах должно быть ограничено. Более благоприятны породы с постоянным химическим составом и однородной мелкокристаллической структурой.

Глинистые породы

Из глинистых пород используют обычно глину, суглинок, глинистый сланец, мергелистую глину, лесс, лессовидный суглинок. Глинистые породы существенно отличаются по структуре и физическим свойствам. Глина - осадочная горная порода, образующая с водой пластичное тесто и сохраняющая после высыхания приданную ему форму.

Плотность глины 1,7-2,1 ,, естественная влажность 10-30%. Глины характеризуются значительным содержанием тонких частиц размером менее 0,001 мм. Они состоят из глинистого вещества и примесей. Первое представляет собой либо один глинистый минерал (мономинеральные глины), либо смесь различных минералов (полиминеральные глины). Глинистое вещество - это в основном гидроалюмосиликаты mAl2O3·nSiO2·pH2O, где значения коэффициентов при окислах для отдельных глинистых минералов различны. В кристаллическую решетку гидроалюмосиликатов могут также входить K, Na, Mg, Ca, Fe.

Известен ряд групп глинистых минералов: каолинитовая Al2O3·2SiO2·2H2O, галлуазитовая Al2O3·2SiO2·4H2O, монтмориллонитовая Al2O3·3-5SiO2·nH2O, монотермитовая 0,2К2О·Al2O3·3SiO2 ·1,5H2O (вместо калия в монотермит могут входить Na, Mg, Ca), гидрослюды - в виде железистых соединений, кварца, карбонатов кальция и магния, гипса, полевого шпата и ряда других веществ. Сырьем для производства портландцемента служат различные виды глин, поскольку обычно используют глины, залегающие вблизи месторождения карбонатных материалов. Чаще других применяют гидрослюдистые и монтмориллонитовые глины, реже каолинитовые и др. Главным признаком пригодности глины для производства портландцемента, являются значения ее силикатного и глиноземного модулей, которые определяют величину этих модулей в портландцементе, так как карбонатный компонент сырьевой смеси обычно содержит немного глинистых примесей.

Корректирующие добавки

Только при особо благоприятном химическом составе сырьевых материалов портландцементная сырьевая смесь заданного состава может быть приготовлена из двух компонентов -- карбонатного и глинистого. В большинстве случаев требуемую смесь из двух компонентов получить практически не удается, и поэтому применяют третий или даже четвертый компонент -- корректирующие добавки, содержащие значительное количество одного из оксидов, недостающих в сырьевой смеси.

Если в шихте не хватает SiO2, то в качестве кремнезёмсодержащей корректирующей добавки используют кварцевый песок, трепелы, опоки, диатомиты. Если недостает Fe2O3, то вводят железную руду, колчеданные и пиритовые огарки и колошниковую пыль. Если не хватает Al2O3, то вводят высокоглиноземистые глины и бокситы. Содержание оксидов в корректирующих добавках должно быть: железистых Fe2O3не менее 40%; кремнеземистых SiO2не менее 70%; глиноземистых А12О3 не менее 30%.

Активные минеральные добавки

Активные минеральные добавки - это минеральные добавки, которые в тонко измельченном виде обладают гидравлическими или пуццоланическими свойствами. Активные минеральные (иначе гидравлические) добавки могут быть природными и искусственными. К природным активным минеральным добавкам относят некоторые осадочные горные породы (диатомит, трепел, опоку, глиежи -- естественно обожженные глинистые породы), а также породы вулканического происхождения (вулканический пепел, туф, пемзу, трасс). В качестве искусственных активных минеральных добавок используют побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные и электротермофосфориые шлаки, топливные золы и шлаки, нефелиновый шлам (побочный продукт производства глинозема, состоящий на 80% из двухкальциевого силиката), обожженные при температуре до 800°С глины (глиниты, цемянка) и др. Содержание активных минеральных добавок в цементе регламентируется ГОСТом 10178-85, определяется видом цемента и варьируется от 0 до 80%.

Активные минеральные добавки вводят не для улучшения свойств цемента, но и с целью экономии клинкера и снижения себестоимости готового продукта.

Побочные продукты и отходы других отраслей промышленности

Наибольшее применение в цементной промышленности нашли доменные шлаки, топливные золы, нефелиновый (белитовый) шлам. Как правило, такие побочные продукты проходят тепловую обработку в основном производстве, не содержат СаСО3 и могут даже включать ряд клинкерных минералов. Поэтому введение их в состав сырьевых смесей позволяет снизить температуру обжига и повысить производительность печей.

Доменные шлаки образуются при полном расплавлении в домне исходных компонентов шихты: руды и флюса -- в восстановительной среде. Минералогический состав доменных шлаков представлен в основном силикатами и алюмосиликатами кальция. Топливные золы образуются при сжигании топлива. Термическое воздействие на неорганическую (минеральную) часть топлива приводит к образованию твердых зерен различных соединений. Мелкие и легкие частицы с удельной поверхностью 150-300/кг уносятся из топки газами. По химическому составу 85-90% золы состоят из оксидов кремния, алюминия, железа, кальция и магния

Нефелиновый (белитовый) шлам -- отход комплексной переработки апатито-нефелиновых пород в глинозем, соду, поташ. Химический состав шлама, % по массе: SiO2 - 26-30; А12О3 - 2,2-6,5; Fe2O3 - 2,1-5,5; СаО - 52-59; MgO - 2-2,5; Na2O - 1-2,5. Поскольку этот шлам прошел термообработку, он состоит в основном из двухкальциевого силиката -- минерала, входящего в состав цементного клинкера.

2 Основные технологические схемы производства портландцемента

Получение клинкера -- наиболее сложный и энергоемкий процесс, требующий больших капитальных и эксплуатационных затрат. Удельная стоимость клинкера достигает 70-80% общей стоимости портландцемента.

Процесс производства портландцемента складывается в основном из следующих основных операций: добычи сырьевых материалов; приготовления сырьевой смеси, состоящей из дробления, помола и усреднения ее состава; обжига сырьевой смеси (получение клинкера); помола клинкера в тонкий порошок с небольшим количеством гипса, а иногда и добавок.

В зависимости от вида подготовки сырья к обжигу различают мокрый, сухой и комбинированный способы производств портландцементного клинкера. При мокром способе производства измельчение сырьевых материалов, их перемешивание, усреднение и корректирование сырьевом смеси осуществляются в присутствии определенного количества воды, а при сухом способе все перечисленные операции выполняются с сухими материалами.

При комбинированном способе сырьевую смесь приготовляют по мокрому способу, затем ее максимально обезвоживают (фильтруют) на специальных установках и в виде полусухой массы обжигают в печи. Каждый из перечисленных способов имеет свои достоинства и недостатки.

Способ производства портландцемента выбирают в зависимости от технологических и технико-экономических факторов: свойств сырья, его однородности и влажности, наличия достаточной топливной базы и др.

Мокрый способ производства. При мокром способе производства сырьевые материалы измельчают и сырьевую смесь смешивают с водой. Получаемая сметанообразная масса - сырьевой шлам - содержит 32-45% воды.

В зависимости от физических свойств исходных сырьевых материалов и других факторов при получении портландцемента по мокрому способу применяют разные схемы производства в зависимости от способа приготовления сырьевой смеси.

Начальная технологическая операция получения клинкера -- измельчение сырьевых материалов. При использовании в качестве известкового компонента мела его измельчают в болтушках или в мельнице самоизмельчення. Если применяют твердый известняк, то его дробят в одну-две стадии в щековых дробилках. Глиняный шлам, полученный в болтушках или других агрегатах, направляют в сырьевую мельницу, куда подается для измельчения и известняк. В мельницу известняк и глиняный шлам подают в определенном соотношении, соответствующем требуемому химическому составу клинкера. Чтобы получить сырьевой шлам заданного химического состава, его корректируют в бассейнах или в потоке.

Выходящий из мельниц сырьевой шлам в виде сметанообразной массы насосами подают в расходный бачок в печной цех на обжиг. Из бачка шлам равномерно сливается во вращающуюся печь. При мокром способе производства для обжига клинкера используют длинные вращающиеся печи со встроенными теплообменными устройствами.

Сухой способ производства. При сухом способе производства портландцемента выбор схемы зависит от физических и химических свойств сырья. Производство портландцементного клинкера в этом случае складывается из следующих операций.

После выхода из дробилки известняк и глину высушивают до влажности примерно 1%, после чего измельчают в сырьевую муку. Помол и сушку сырьевой смеси целесообразно вести одновременно в одном аппарате -- сепараторной мельнице. Этот способ более эффективен и применяется на большинстве новых заводов, работающих по сухому способу.

Сырьевую муку заданного химического состава получают путем дозирования сырьевых компонентов в мельницу с последующим усреднением и корректированием сырьевой шихты в специальных смесительных силосах, куда дополнительно подается сырьевая мука с заведомо низким или высоким титром (содержанием СаСО3).

При сухом способе изготовления клинкера исходные материалы (известняк, глина и др.) после дробления подвергаются высушиванию и совместному помолу в шаровых и иных мельницах до остатка 6-10% на сите № 008.

При сухом способе затраты теплоты на обжиг клинкера достигают 3150--4190 кДж/кг, что значительно меньше затрат при производстве по мокрому способу (5900--6700 кДж/кг).

Обжигают сырьевую муку в коротких вращающихся печах с предварительной тепловой обработкой ее в циклонных теплообменниках, в которых отходящими из печей газами материал нагревается до 800-850°С с частичной декарбонизацией его (на 30-40%) или в циклонных теплообменниках и далее в специальных реакторах, в которых температура муки повышается до 920-950 °С, а декарбонизация материала перед его поступлением в печь достигает 85-90%. Такой эффект получается за счет сжигания в реакторах дополнительного небольшого количества топлива. Тепловую обработку сырьевой муки производят также в конвейерных кальцинаторах за счет теплоты отходящих из печей газов. Кроме того, сырьевую муку в виде гранул можно обжигать в автоматических шахтных печах. В зависимости от способа обжига сырьевой муки схемы производства несколько различаются.

После обжига клинкер пересыпается в холодильник, а после охлаждения направляется на склад. В ряде случаев клинкер из холодильников направляют непосредственно на помол в цементные мельницы. Перед помолом клинкер дробят. Дробление клинкера производится совместно с гипсом, гидравлическими и другими добавками.

Из мельницы цемент транспортируют на склад силосного типа (цементные силосы). Отгружают цемент потребителю либо в таре (бумажных мешках по 50 кг), либо навалом в автоцементовозах или в специальных железнодорожных вагонах.

Комбинированный способ. При комбинированном способе производства сырьевая смесь в виде шлама, полученного по мокрому способу производства, подвергается обезвоживанию и грануляции, а затем обжигается в печах, работающих по сухому способу.

Основные технологические операции и последовательность их выполнения при комбинированном способе производства портландцемента следующие.

Выходящий из сырьевой мельницы шлам влажностью 35-40% после его корректирования поступает в вакуум-фильтр или пресс-фильтр, где он обезвоживается до влажности 16-20%. Образующийся при этом «сухарь» смешивается затем с пылью, уловленной электрофильтрами из дымовых газов печи; добавка пыли предотвращает слипание кусков «сухаря» и приводит к уменьшению влажности смеси до 12-14%. Приготовленная таким образом смесь поступает на обжиг, который осуществляется во вращающихся печах.

Все остальные операции производства портландцемента по комбинированному способу не отличаются от соответствующих операций при мокром способе производства.

В России и США преобладает производство цемента по мокрому способу. Сухой способ широко используется в Японии, Германии, Италии. В 70-е годы в нашей стране началось интенсивное развитие производства портландцемента по сухому способу.

Обжиг сырьевой смеси как при сухом способе

Обжиг сырьевой смеси как при сухом способе производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Вращающаяся печь представляет собой длинный, расположенный слегка наклонно цилиндр (барабан), сваренный из листовой стали с огнеупорной футеровкой внутри. Длина печей 95-185-230 м, диаметр 5-7 м. В нашей стране стали применять вращающиеся печи, работающие по сухому способу, размером 7x95 м, производительностью 3000 т/сут при расходе теплоты на обжиг 3400 кДж/кг.

Вращающиеся печи работают по принципу противотока. Сырье в виде порошка подается автоматическим питателем в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20-30-метрового факела. Сырье занимает только часть поперечного сечения печи и при ее вращении со скоростью 1-2 об/мин медленно движется к нижнему концу навстречу горячим газам, проходя различные температурные зоны. Вращающуюся печь условно разделена на шесть температурных зон в зависимости от характера протекающих в них процессов. Рассмотрим эти процессы, начиная с поступления сырьевой смеси в печь, т. е. по направлению с верхнего ее конца (холодного) к нижнему (горячему).

В зоне испарения (сушки) происходит высушивание поступившей сырьевой смеси при постепенном повышении температуры с 70 до 200°С (в конце этой зоны), поэтому первую зону называют еще зоной сушки. Подсушенный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на более мелкие гранулы.

В зоне подогрева, которая следует за зоной сушки сырья, при постепенном нагревании сырья с 200 до 700°С сгорают находящиеся в нем органические примеси, из глиняных минералов удаляется кристаллохимическая вода (при 450-500°С) и образуется безводный каолинит Al2О32SiО2. Подготовительные зоны (испарения и подогрева) при мокром способе производства занимают 50-60 % длины печи (считая от холодного конца); при сухом же способе подготовка сырья сокращается за счет зоны испарения.

В зоне декарбонизации (ее протяженность 20-23% длины печи) температура обжигаемого материала поднимается с 700 до 1100°С; здесь завершается процесс диссоциации карбонатных солей кальция и магния и появляется значительное количество свободного оксида кальция. Термическая диссоциация СаСО3 --это эндотермический процесс, идущий с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг СаСО3), поэтому потребление теплоты в третьей зоне печи наибольшее. В этой же зоне происходит распад дегидратированных глинистых минералов на оксиды SiO2, А12Оз, Fе2O3, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО. В результате этих реакций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы ЗСаО-А12О3, СаО-А12О3 и частично 2CaO-SiO2.

В зоне экзотермических реакций (1100-1250°С) проходят твердофазовые реакции образования ЗСаОА12О3; 4CaO-AI2O3-Fe2O3 и белита. Эти экзотермические реакции на сравнительно коротком участке печи (5-7% ее длины) сопровождаются выделением большого количества теплоты (до 420 кДж на 1 кг клинкера) и интенсивным повышением температуры материала (на 150-200°С).

В зоне спекания (1300-1450-1300С) температура обжигаемого материала достигает наивысшего значения (1450°С), необходимого для частичного плавления материала и образования главного минерала клинкера - алита. В начале спекания, начиная с 1300°С, образуется расплав в количестве 20-30% объема обжигаемой массы из относительно легкоплавких минералов ЗСаО-А12О3, 4СаО-А12О3-Fе2О3, а также MgO и легкоплавких примесей. При повышении температуры до 1450°С в клинкерной жидкости растворяются 2CaO-SiO2 и СаО и из них в расплаве происходит образование алита ЗСаО-SiO2, проходящее почти до полного связывания оксида кальция (в клинкере СаО свободный не более 0,5-1%). Алит плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из него в виде мелких кристаллов, что влечет дальнейшее растворение в расплаве 2CaO-SiO2 и СаО. Процесс образования алита заканчивается за 15-20 мин пребывания материала в зоне спекания (ее протяженность 10- 15% длины печи). Поскольку при вращении печи частично расплавленный материал непрерывно перекатывается, мелкие частички слипаются в гранулы. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава ЗСаО-А12О3, 4СаОА12О3-Fе2О3 и MgO (в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения, следующей за спеканием.

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С; здесь полностью формируются его структура и состав, включающий алит С3S, белит C2S, трехкальциевый аллюмиат C3A, целит C4AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких камнеподобных зерен -- гранул темно-серого или зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается с 1000 до 100-200°С в колосниковых, рекуператорных и других холодильниках воздухом, идущим навстречу клинкеру или просасываемым через слой горячего клинкера. После этого клинкер выдерживается на складе одну-две недели.

3 Расчет состава сырьевой смеси для производства портландцементного клинкера

Клинкер - главный компонент цемента, получаемый в результате обжига до спекания сырьевой смеси, состоящей из природных горных пород - карбонатных (70-85%) и глинистых (20-25%) - и обеспечивающий преобладание высокоосновных силикатов кальция. Состав портландцемента характеризуется химическим и химико-минералогическим составом клинкера. Химический состав клинкера характеризуется содержанием оксидов кальция, кремния, алюминия, железа, магния и серы. В составе клинкера содержатся так же примеси щелочных металлов - оксиды калия, натрия, титана, и иногда фосфора. Химико-минералогический состав характеризуется содержанием оксидов и минералов его составляющих в процентах и выражается значениями коэффициента насыщения кремнезема оксидом кальция СаO и модулями.