Процессы и аппараты измельчения при производстве портландцемента по мокрому способу

    Измельченный  в мельнице материал выгружают потоком  газов через циклоны – разгружатели с помощью мельничного вентилятора. Далее мука поступает в коррекционные силосы, где она гомогенизирует и перегружается в расходные силосы. Из силосов сырьевую смесь подают пневмоподъемниками в загрузочное устройство, оснащенное дозаторами по массе, и далее в циклонные теплообменники вращающейся печи. В теплообменниках сырьевая смесь нагревается встречными горячими газами вращающейся печи до t=750-800°C и частично декарбонизируется, после чего поступает в печь на обжиг.

    Обжиг клинкера при сухом способе производства осуществляется во вращающихся печах, состоящих обычно из четырех соединенных  циклов, через которые направляются отходящие из печи газы; навстречу  газам сверху вниз через циклоны  поступает сухая измельченная сырьевая шихта; за 25-30 секунд она нагревается до 750-800°C и декарбонизирует на 30-40%.такая современная печь имеет производительность 3000 т/с при удельном расходе тепла 3,2 - 3,4 МДж/кг клинкера.

    Также стали известны вращающиеся печи полусухого способа производства, в них печь соединены с конвейерной решеткой, на которой через слой гранулированной сырьевой шихты дважды просасываются горячие печные газы; в результате в загрузочный конец печи поступает подогретая и частично декарбонизированная сырьевая шихта. Расход тепла в этой печи размерами 4×60 м. – около 3,5 МДж при производительности 42 т/час.

    При сухом способе на обжиг клинкера расходуется значительно меньше топлива, чем при мокром.

    Наряду  с рассмотренными выше основными  способами производства в последнее  время применяют комбинированный способ, совмещающий достоинства мокрого и сухого способов. Сущность его заключается в том, что сырьевую смесь подготавливают по мокрому способу, после чего шлам обезвоживают на специальных установках и в виде гранул, как при сухом способе, обжигают во вращающихся печах.

    При комбинированном способе сырьевые материалы, подготовленные по мокрому  способу, и шлам, имеющий влажность  около 40%, обезвоживаются на фильтрах до влажности 16 - 18%. Из полученного «сухаря» приготовляют гранулы и обжигают их по схеме сухого способа. 

    Каждый  из способов имеет положительные  и отрицательные стороны. В водной среде облегчается измельчение материалов и быстро достигается однородность смеси, но расход топлива на обжиг смеси в 1,5-2 раза больше, чем при сухом способе. Развитие сухого способа длительное время ограничивалось вследствие низкого качества получаемого клинкера. Однако успехи в технике помола и гомогенизации сухих смесей обеспечили качество портландцемента.

    В настоящее время получает всемирное  развитие сухой способ производства цемента с печами, оборудованными циклонными теплообменниками и реакторами – декарбонизаторами. Производительность такой линии составляет 3000 тонны клинкера в сутки. При этом способе производства цемента расход топлива снижается на 30-40% по сравнению с мокрым, а металлоемкость в 2,5-3 раза.

    Производство  цемента по сухому способу экономичнее, чем по мокрому отсутствует: процесс образования шлама, можно совместить отдельные звенья технологической схемы в одном агрегате – мельница самоизмельчения «Гидрофол», усреднительные склады, мельницы помола сырьевых материалов с подсушкой и др.  

2. Компоновка  и размещение оборудования в составе технологической  линии.

    Производство  портландцемента  состоит из следующих  основных процессов: добычи сырья и подготовки сырьевой смеси, обжига смеси до спекания с получением клинкера, помола клинкера в тонкий порошок совместно с добавками.

    Сырье для производства портландцемента  добывают открытым способом в карьерах, расположенных, как правило, вблизи цементных заводов. Для доставки сырья используют рельсовые и  подвесные дороги, автомобильный  транспорт и т. д. В зависимости  от свойства сырья и типа обжигательных печей сырье к производству готовят мокрым или сухим способом. При мокром способе компоненты измельчают и смешивают в присутствии воды, и, смеясь в виде жидкой массы (шлама) обжигают; при сухом способе сырьевой компоненты измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде.

    На А – 2 изображена технологическая схема производства портландцемента мокрым способом. Сырье подается с карьера мела и глины (1 и 3), расположенных вблизи завода на расстоянии 2,5-3,5 км. В качество корректирующей добавки применяются колчеданные огарки, золошлак. Добавками при помоле цемента являются гранулированные шлаки и барда. Для регулирования сроков схватывания цемента применяется гипс Баскунчакского гипсового завода. Сырье транспортируется из карьера к приемным бункерам сырьевого отделения тепловозами с самоопрокидывающимися думпкарами, дозировка огарок производится экскаватором в думпкары.

    Мягкие  горные породы (глину и мел), применяемые  в качестве сырьевых компонентов предварительно дробят в валковых дробилках (2), и измельчаю в специальных бассейнах-болтушках в присутствии 36 – 42% воды по массе (4 и 5). Получают жидкотекучую массу или суспензию. Её называют шламом. Суспензии глины и мела в заданных соотношениях поступают в шаровые мельницы для тонкого измельчения (6). Если в качестве известкового компонента применяют твердый известняк, то его подвергают двухстадийному дроблению на щековой и молотковой дробилках, а затем измельчают в шаровых мельницах совместно с глиняной суспензией, получаемой в болтушках. Переработка более твердого, чем мел, сырья (известняк, сланцы, мергели) производится по технологическим схемам с использованием различных видов дробильного оборудования (конусных, щековых, молотковых и других типов дробилок) и в трубных мельницах. Для создания буферных емкостей, обеспечивающих сглаживание неравномерностей в поставке сырья с карьеров, сооружаются склады различных типов (грейферные, силосные, шатровые и т.п.)

    При переработке в шлам высоковлажного (обычно мелового) сырья в настоящее время используются в основном мельницы мокрого самоизмельчения (ММС) типа «Гидрофол» со специально встроенной в выходной цапфе мельницы стержневой камерой. В этой камере производится доизмельчение неразмолотых в барабане мельницы крупных включений. Характерной особенностью таких технологических схем измельчения является отсутствие дробильного отделения, в котором сырье после добычи проходило бы стадию предварительного измельчения в дробилках. Нет также в этих схемах складов мела и глины, расположенных на промплощадке, т. к. запасы сырьевых материалов, необходимые для обеспечения непрерывной и стабильной работы обжиговых агрегатов, хранятся в виде шлама. При этом целесообразно производить доизмельчение грубомолотого шлама сразу же после выхода его из мельниц «Гидрофол».

      Шлам перекачивают насосами в цилиндрические шламбассейны для корректировке устанавливают химический состав шлама (в основном определяют содержание углекислого кальция), и в соответствии с полученными данными добавляют к нему строго определенное количество шлама другого состава (обогащенного или обеденного известняком) (7). Скорректированный таким образом шлам перекачивают в шламбассейны для хранения. В этих бассейнах шлам постоянно перемешивают. По мере необходимости шлам насосами подают на обжиг.

    Обжиг сырьевой смеси – центральный  этап технологии цемента. Для обжига применяют два типа печей – шахтные и вращающиеся Вращающиеся печи (8), представляют собой Варной цилиндр диаметром 4 – 5 и длиной 150 – 185 м, футерованный изнутри огнеупорным материалом. Печь расположена под небольшим уклоном (3 – 4°) к горизонту (в сторону передвижения сырьевой смеси) и медленно вращается вокруг своей оси в подшипниках. Сырьевая смесь подается автоматическим питателем с верхнего конца, а со стороны нижнего конца вдувают топливо – мазут, природный газ или воздушно-угольную смесь. Горячие газы направляют на встречу сырьевой массе. По всей длине вращающийся печи условно выделяют шесть зон, которые различают по основным физическим и химическим процессам, проходящим при нагревании. Внутри печи, облицованной надежной огнеупорной футеровкой, находятся различные внутрипечные устройства   для лучшего перемешивания и интенсивного прогрева (фильтр-подогреватели шлама, цепные завесы, металлические и керамические теплообменники).                                              

    Шлам  омывается горячими газами и подсушивается, образуя комья. По мере продвижения материала при 500 – 750°С выгорают органические вещества и начинается дегидрация – выделение химически связанной воды из глинистой составляющей, сопровождаемая потерей пластичности и связующих свойств. Комья материала распадаются в подвижный порошок. При 750 – 800°С и выше в материале начинаются реакции в твердом состоянии между его составляющими. Их интенсивность возрастает с повышением температуры. Происходит сцепление отдельных частичек порошка и образование гранул разного размера. При прохождении зоны с температурой 900 - 1000° С происходит диссоциация карбонатов кальция с выделением оксида кальция и углекислого газа, который уносится с продуктами горения. Оксид кальция СаО вступает в химическое взаимодействие с глиноземом, оксидом железа и кремнеземом. Реакции химического связывания СаО протекает в твердом состоянии достаточно интенсивно при 1200 - 1250°С, при этом образуются следующие химические соединения: 2CaO∙SiO₂ (двухкальциевый силикат), 3СаО∙Al₂O₃ (трехкальциевый алюминат) и 4СаО∙Al₂O₃∙Fe₂О₃ (четырехкальциевый алюмоферрит). При температуре свыше 1300°С 3СаО∙Al₂O₃ и 4СаО∙Al₂O₃∙Fe₂О₃ переходят в расплав, в котором частично растворяются СаО и 2CaO∙SiO₂ до насыщения раствора; в растворенном состоянии они реагируют между собой, образуя трехкальциевый силикат 3CaO∙SiO₂ – основно йминерал портландцемента. Процесс образования трехкальциевого силиката, выделяющегося из жидкой фазы в виде кристаллов, способных расти, обычно происходит около 1450°С. При понижении температуры до 1300°С жидкая фаза застывает, процесс спекания заканчивается.

    Клинкер -  гранулы серовато-зеленого цвета размером 15 – 25 мм для охлаждения до 80 - 100°С направляют в холодильник, откуда он поступает на склад (17), где его выдерживают в течении 1 – 2 недель. В результате вылеживания содержащийся в клинкере в небольшом количестве свободный оксид кальция гасит влагой воздуха, а также уменьшается твердость зерен клинкера, что, в свою очередь, облегчает его помол и обеспечивает равномерность изменения объема цемента при твердении.Клинкер измельчают в многокамерных шаровых мельницах (18). В процессе помола к нему добавляют 2 – 5 % гипсового камня, для регулирования сроков схватывания портландцемента, и различные, предусмотренные технологическим с процессом, добавки. Из шаровых мельниц портландцемент пневмотранспортом подают в силосы – железобетонные башни цилиндрической формы емкостью до 6000 т каждая, где цемент перед отправкой потребителю выдерживается в течение 10 – 14 сут. За это время нагретый при помоле цемент охлаждается и оставшаяся  в нем свободная известь гасится, что улучшает свойства цемента.(19) Из силосов цемент поступает в упаковочные машины для расфасовки в многослойные бумажные мешки по 50 кг или направляется в специально оборудованные средства железнодорожного, автомобильного или водного транспорта.(20) Транспортировка цемента в цементные силоса осуществляется пневмокамерным насосом 12 мельницы и пневмовинтовыми насосами. Потребителям цемент отгружается навалом 60-62 % , в таре -38-40%

3. Принцип и порядок прохождения процессов.

    Запроектированные и построенные в последнее  время заводы мокрого способа  обеспечивают переработку любого, пригодного по химическому составу сырья независимо от его влажности, при этом с учетом вида применяемого топлива и особенностями сырья возможен выбор различных схем переработки. Наиболее характерными сочетаниями являются:

    - высоковлажное сырье (мел, глина), топливо — газ, мазут;

    - влажное сырье (известняк, глина), топливо — газ, мазут;

    - сухое твердое сырье (известняк,  сланец), топливо — газ, уголь.

    При переработке в шлам высоковлажного (обычно мелового) сырья в настоящее время используются в основном мельницы мокрого самоизмельчения (ММС) типа «Гидрофол» (мельница самоизмельчения материала с каскадным пересыпанием его кусков в водной среде представляет собой вращающийся с частотой 13 об/мин барабан диаметром 7 м. Внутренняя часть его футерована бронеплитами и снабжена пересыпными полками. Мельницу загружают через горловину, во вращение она приводится электродвигателем мощностью 1600 кВт) со специально встроенной в выходной цапфе мельницы стержневой камерой. В этой камере производится доизмельчение неразмолотых в барабане мельницы крупных включений. Характерной особенностью таких технологических схем измельчения является отсутствие дробильного отделения, в котором сырье после добычи проходило бы стадию предварительного измельчения в дробилках. Нет также в этих схемах складов мела и глины, расположенных на промплощадке, т. к. запасы сырьевых материалов, необходимые для обеспечения непрерывной и стабильной работы обжиговых агрегатов, хранятся в виде шлама. При этом целесообразно производить доизмельчение грубомолотого шлама сразу же после выхода его из мельниц «Гидрофол».

    Применение  мельниц «Гидрофол» также целесообразно  при использовании закарстованных известняков.

    К недостаткам машины следует отнести  скапливание в барабане мельницы частиц материала слишком мелких для того, чтобы участвовать в  процессе измельчения, а также недостаточную  надежность цапфовых опор.

    Переработка более твердого, чем мел, сырья (известняк, сланцы, мергели) производится по технологическим схемам с использованием различных видов дробильного оборудования (конусных, щековых, молотковых и других типов дробилок) и в трубных мельницах. Для создания буферных емкостей, обеспечивающих сглаживание неравномерностей в поставке сырья с карьеров, сооружаются склады различных типов (грейферные, силосные, шатровые и т.п.)

    Стабильность  или наоборот пестрота химического  состава сырья предопределяют систему  корректирования и гомогенизации  шлама, необходимость сооружения в  дополнение к горизонтальным еще и вертикальных шламбассейнов.

    С целью обеспечения возможности  поэтапного строительства, и дальнейшего  расширения завода его необходимо проектировать так, чтобы можно было последовательно запускать в производство одну технологическую линию за другой. 
 
 

4.   Расчет производительности  и количества заданной  установки.

    Отправным материалом для расчета технологического оборудования, потока сырья, состава  персонала является режим работы цеха (предприятия). Он определяет количество рабочих дней в году, количество смен в сутки и рабочих часов  в смене.

    Режим работы устанавливается в соответствии с трудовым законодательством РФ.

    При назначении режима работы предприятия  необходимо обеспечить полное использование основных фондов и принять небольшое количество рабочих смен в сутки.

    Расчетный годовой фонд времени работы технологического оборудования в часах в часах, на основании которого рассчитывается производственная мощность предприятия  в целом и отдельных линий, установок, определяют по формуле: 

    B_p = C_p * U * K_u (час),

    Где B_p – расчетный годовой фонд времени работы технологического оборудования в часах;