Общая информация. Выбор оборудования для производства цемента. Технология производства цемента мокрым способом. Навстречу «сухому закону» для цементной промышленности

12.10.2023

Сухой способ производства цемента

Производство портландцемента по сухому способу отличается от мокрого способа методом получения клинкера, которое складывается из следующих последовательно выполняемых операций(рис.2.3):

Рис. 2.3.

Известняк и глину предварительно дробят, затем высушивают до влажности примерно 1% и измельчают в сырьевую муку. Сушат известняк и глину либо раздельно (используя для этой цели сушильные барабаны или другие тепловые аппараты), либо совместно в сырьевых сепараторных мельницах, в которых одновременно осуществляются помол и сушка материалов. Последний способ более эффективен и применяется на большинстве новых заводов, работающих по сухому способу.

Для получения сырьевой муки определенного химического состава из мельниц ее направляют корректирующие силосы, куда дополнительно подается сырьевая мука с заведомо низким или высоким титром. В силосах мука тщательно перемешивается сжатым воздухом.

Обжиг сырьевой муки производится в виде гранул (зерен) размером до 25 мм. Грануляция смеси осуществляется в грануляторах барабанного или тарельчатого типа. Для обжига клинкера при сухом способе применяют вращающиеся печи, а также автоматические шахтные печи или другие более эффективные обжигательные аппараты -- вращающиеся печи с конвейерным кальцинатором, аппараты для обжига клинкера во взвешенном состоянии (последние находятся еще в стадии практического освоения).

При обжиге в шахтных печах топливо в виде раздробленного угля запрессовывается в гранулы; для этого в сырьевую смесь при ее измельчении в определенном количестве добавляют уголь, и он измельчается совместно с сырьевыми материалами (способ «черной муки») или сырьевая мука и уголь измельчаются раздельно, а затем смешиваются при формовании гранул (способ «белой муки»). Первый способ -- «черной муки» обеспечивает более разномерное распределение топлива в смеси и этим улучшаются процессы обжига; он является основным на отечественных заводах.

Шахтная печь представляет собой шахту, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Сырьевые материалы в виде гранул непрерывно загружаются в печь, а снизу шахты также непрерывно в виде клинкера выходят из шахты. В средней части печи происходит горение топлива (зона обжига); воздух для горения поступает снизу шахты.

Проходя через слой обожженного раскаленного клинкера, холодный воздух охлаждает его, а сам подогревается и в подогретом виде поступает в зону обжига. Образующиеся в зоне обжига дымовые газы удаляются через верхнюю часть шахты, проходя, таким образом, через слой свежезагруженного холодного материала, подогревая и высушивая его.

Противоточное движение газов и обжигаемого материала создает наилучшие условия использования тепла от сгорания топлива и отличает шахтные печи от вращающихся печей как высокоэффективные тепловые аппараты. Однако по качеству клинкера, производительности и трудоемкости они все же уступают вращающимся печам. Шахтные печи применяют на заводах относительно небольшой мощности -- до 200--400 тыс. г. цемента в год.

Рис. 2.4.

Рис. 2.4.

Несколько худшие условия обжига клинкера в шахтных печах по сравнению с обжигом во вращающихся приводят к повышенному содержанию в клинкере свободной СаО. Чтобы предупредить неравномерность изменения объема такого цемента, клинкер шахтных печей обязательно магазинируют, выдерживая на складе до четырех недель. Иногда применяют даже обрызгивание клинкера водой.

Дальнейшие технологические операции при сухом способе производства портландцемента -- подготовка гидравлических добавок и гипса, помол цемента, его хранение и отправка потребителю -- остаются аналогичными рассмотренным при мокром способе.

На рис. 2.4. представлена технологическая схема производства цемента по сухому способу.

Комбинированный способ производства портландцемента

Комбинированный способ производства портландцемента заключается, как отмечалось ранее, в подготовке сырьевых материалов по мокрому способу, а обжиге -- по схеме сухого способа. Основные технологические операции и последовательность их выполнения при комбинированном способе получения клинкера следующие(рис.2.5.):

Приготовленный в сырьевой мельнице шлам после его корректировки поступает в вакуум-фильтры, где он обезвоживается с влажности 35--40% до влажности 16--18%. Образующийся при этом «сухарь» (или «кекс») смешивается затем с печной пылью, уловленной фильтрами из дымовых газов; добавка пыли предотвращает слипание «сухаря», разрыхляет его и снижает остаточную влажность в нем до 12--14%.

Приготовленная таким образом сырьевая смесь поступает на обжиг, который может осуществляться по схеме сухого способа. Чаще при этом способе применяют вращающуюся печь с конвейерным кальцинатором.

Рис. 2.5. Схема комбинированного способа получения клинкера

Цемент пользуется огромной популярностью в строительстве. Его применяют как самостоятельно, так в качестве компонента многих строительных составов (к примеру, в производстве железобетона и бетона). Изготовление цемента – дорогостоящий и энергоемкий процесс. Заводы размещают в непосредственной близости к месту добычи сырья, из которого в дальнейшем будет создаваться продукт.

Производство цемента включат 2 этапа:

получение клинкера,
измельчение клинкера и введение добавок.

На получение клинкера приходится приблизительно 70% себестоимости стройматериала.

Начинается все с добычи сырьевых материалов. Как правило, добыча известняка осуществляется путем сноса части горы, после которого открывается слой желто-зеленого известняка. Глубина залегания известнякового слоя – приблизительно 10 м, толщина – в среднем 0,7 м. После того, как сырье доставлено на завод, производится обжиг в специальной печи при температуре +1450°С, в результате которого получают клинкер.

На второй стадии производства цемента осуществляют дробление клинкера, гипсового камня, сушка добавок. Затем производится помол клинкера вместе с добавками и гипсом. Гипс добавляют в размере 5% от общей массы, добавки вводят в зависимости от типа смеси.

Однако, учитывая тот факт, что технические и физические характеристики сырьевого материала могут отличаться, для каждого типы сырья предусмотрен свой способ подготовки.

Способы производства цемента:

мокрый,
сухой,
комбинированный.

Изготовление цемента мокрым способом

Мокрый способ предусматривает изготовление цемента с применением карбонатного компонента (мела) и силикатного компонента (глины). Также используются железосодержащие добавки (пиритные огарки, конверторный шлам и пр.). Влажность мела не должна быть более 29%, а влажность глины – не выше 20%. Называется этот способ производства цемента тому, потому что измельчение сырья осуществляется в воде, на выходе образуется шихта в виде суспензии на водной основе. Влажность шихты – 30-50%. Далее производится обжиг шлама в печи, в результате которого выделяется углекислота. Образовавшиеся шарики-клинкеры перемалывают в тонкий порошок под названием цемент.

Данный способ по праву считается наиболее экономически выгодным. Особенность его в том, что на всех стадиях используются материалы только в сухом состоянии. Выбор схемы производства цемента определяется химическими и физическими характеристиками сырья. Наиболее востребованным признано изготовление материалов во вращающихся печах, в котором используются глина и известняк.

После того, как глина и известняк прошли измельчение в дробилке, их сушат до требуемого состояния (влажность - не более 1%). Просушка и измельчение производиться в сепараторной машине, после чего смесь отправляется в циклонные теплообменники, где находится не боле 30 секунд. Далее идет стадия, на которой производиться обжиг сырья с дальнейшим перемещением в холодильник. Затем клинкер направляется на склад, где происходит его перемалывание и фасовка. Подготовка гипса и добавок, а также хранение и транспортировка цемента идентичны тем, которые производятся при мокром способе.

Комбинированный вариант производства цемента

Шлам получают «мокрым» способом, после чего смесь обезвоживается в специальных фильтрах до того момента, пока уровень влажности не достигнет 16-18%. Далее сырье отправляют на обжиг. Второй вариант комбинированного способа производства цемента предусматривает сухое изготовление сырьевой массы, в которую затем вводят 10-14% воды и гранулируют. Размер гранул не должен превышать 15 мм. Далее производится обжиг.

Для каждого способа производства используют свое оборудование и определенную последовательность операций.

Современные производства ориентируют деятельность на получение материала сухим методом. Его по праву считают будущим цементной промышленности.

Производство портландцемента осуществляется преимущественно мокрым или сухим способами в зависимости от приготовления сырьевой смеси.

Сырье для производства портландцемента должно содержать 75…78% СaCO3 и 22…25% глинистого вещества. В качестве сырья для производства портландцемента применяют известняки с высоким содержанием углекислого кальция (мел, мергели, плотный известняк) и глинистые породы (глины, глинистые сланцы), содержащие SiO2, Al2O3 и Fe2O3. В среднем на 1 т цемента расходуется около 1,5 т минерального сырья; примерное соотношение между карбонатным и глинистым составляющими сырьевой смеси 3:1 (то есть берется около 75% известняка и 25% глины).

Горные породы, удовлетворяющие указанным требованиям, в природе встречаются редко. Поэтому для производства портландцемента кроме известняков и глин применяют так называемые корректирующие добавки, содержащие значительное количество одного из оксидов, недостающих в сырьевой смеси.

Так, недостаточное количество SiO2 компенсируется введением высококремнеземистых веществ (опоки, диатомита, трепела). Увеличить содержание оксидов железа(Fe2O3) можно путем введения колчеданных огарков или руды. Повышение содержания глинозема Аl2О3 достигается добавлением высокоглиноземистых глин. Введенные в сырьевую смесь добавки корректируют химический состав сырьевой массы, регулируют температуру спекания смеси и кристаллизацию минералов клинкера.

Для производства портландцемента все шире используют побочные продукты промышленности. Весьма ценным сырьем являются доменные шлаки, содержащие необходимые для получения клинкера составные части (СаО, Si02, Аl2Оз, Fе2Oз). Нефелиновый шлам, получающийся при производстве глинозема, содержит 25 - 30% Si02 и 50 - 55% СаО; достаточно к нему добавить 15 - 20% известняка, чтобы получить сырьевую смесь. Использование нефелинового шлама повышает производительность печей примерно на 20% и снижает расход топлива на 20 - 25%.

Основной и наиболее эффективный вид топлива - природный газ, отличающийся высокой теплотворной способностью. Сокращается применение мазута и твердого топлива, приготовляемого в специальных установках для сушки и помола угля (антрацита, каменного угля). Теплотворная способность твердого топлива ниже, чем газообразного; углевоздушные смеси подвержены взрывам; зольность углей 10 - 20%, и зола, попадая в обжигаемую сырьевую смесь, искажает расчетный минеральный состав клинкера. Стоимость топлива составляет до 25% себестоимости готового цемента, поэтому на цементных заводах много внимания уделяется его экономии.

Подготовка сырья.

Производство портландцемента - сложный технологический и энергоемкий процесс, включающий:

1) добычу в карьере и доставку на завод сырьевых материалов, известняка и глины;

2) приготовление сырьевой смеси;

3) обжиг сырьевой смеси до спекания - получение клинкера;

4) помол клинкера с добавкой гипса - получение портландцемента;

5) магазинирование готового продукта.

Обеспечению заданного состава и качества клинкера подчинены все технологические операции. Приготовление сырьевой смеси состоит в тонком измельчании и смешении взятых в установленном соотношении компонентов, что обеспечивает полноту прохождения химических реакций между ними и однородность клинкера. Приготовление сырьевой смеси осуществляется сухим, мокрым и комбинированным способами.

При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды и смесь в виде жидкого шлама обжигают во вращающихся печах; при сухом способе материалы измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде. В последнее время все шире начинает применяться комбинированный способ приготовления сырьевой смеси, по которому сырьевую смесь подготовляют по мокрому способу, затем шлам обезвоживают и из него приготовляют гранулы, которые обжигают по сухому способу.

Каждый из способов имеет свои 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 (рисунок-1). Производительность технологической линии с печью 4,5×80 м, циклонными теплообменниками и реактором-декарбонизатором составляет 3000 т клинкера в сутки.

При этом способе производства цемента расход топлива снижается на 30…40% по сравнению с мокрым, а металлоемкость печных агрегатов - в 2,5…3 раза. Намечается также освоение технологии и строительство цементных заводов с реактором-декарбонизатором с печами 5× ×100 м производительностью 5000 т клинкера в сутки.

◊ Сухой способ

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

При сухом способе (рисунок-1) поступающие на завод сырьевые материалы в виде мергеля, известняка и глины подвергают дроблению в дробилках типа С-776 до зерен крупностью 2,5 мм (глинистый материал дробят в агрегатах с одновременной его сушкой). Приготовленный дробленый сырьевой материал ленточными транспортерами подают на склад сырья, где сырьевые компоненты усредняют (с помощью усреднительных машин) до установленного норматива по химическому составу и подают далее в бункера мельниц.

Рисунок-1. Технологическая схема производства цемента по сухому способу:

1-экскаватор; 2-самоходная дробилка; 3-роторная машина; 4-кран-перегружатель; 5-вагоно-опрокидыватель;6-приемные бункера сырья;7-дозирующее и транспортирующее устройство; 8-мельница предварительного измельчения «Аэрофол»;9-сепаратор;10-трубная мельница;11-топка; 12-циклон; 13-мельничный вентилятор; 14-кондиционер; 15-электрофильтр;16-аспирационный вентилятор; 17-дымовая труба; 18-механизм уборки пыли; 19-пневмокамерные насосы;20-корректирующие силосы; 21-расходные силосы; 22-расходный бункер постоянного уровня; 23-дозатор по массе; 24-пневмоподъемник; 25-рукавный фильтр; 26-циклонные теплообменники; 27-вращающаяся печь; 28-колосниковый холодильник; 29-вентилятор острого дутья; 30-вентилятор двойного подсоса;31-вентилятор общего дутья; 32-дробилка клинкера; 33-конвейер клинкера; 34-силосы; 35-регулировочный шибер; 36-дымосос; 37-вентилятор; 38-дозатор по массе; 39-конвейер; 40-трубная мельница; 41-элеватор; 42-сепаратор; 43-рукавный фильтр; 44-вагон -цементовоз;45-автоцементовоз; 46-весы; 47-цементный силос

Из последних сырьевые компоненты вместе с добавками через дозаторы по массе поступают в приемные устройства помольных агрегатов, где их измельчают до требуемой тонины, подсушивают за счет тепла отходящих газов из вращающихся печей и подвергают сепарации.
Измельченный в мельнице материал выгружают потоком газов через циклоны-разгружатели с помощью мельничного вентилятора. Далее мука поступает в коррекционные силосы, где она гомогенизируется 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 температуры 750…800°С и частично декарбонизуется, после чего поступает в печь на обжиг.

Обжиг клинкера при сухом способе производства осуществляется во вращающихся печах с циклонными теплообменниками, состоящими обычно из четырех последовательно соединенных циклонов, через которые направляются отходящие из печи газы; навстречу газам сверху вниз через циклоны поступает сухая измельченная сырьевая шихта; за 25…30 с она нагревается до 750…800°С и декарбонизуется на 30…40%. Такая современная печь имеет производительность 3000 т/с при удельном расходе тепла 3,2…3,4 МДж/кг клинкера.

Техническим прогрессом является введение в систему циклонных теплообменников дополнительной диссоциационной ступени реактора-декарбонизатора (рис. 2), в котором сжигается до 60% топлива, предназначенного для обжига клинкера. В реакторе-декарбонизаторе происходит на 85…90% разложение карбоната кальция, а остальные 10…15% процесса диссоциации приходятся на долю вращающейся печи.

Рисунок-2. Новое в технологии цементного производства:

а)-печь с циклонными теплообменниками; б)-печь с циклонными теплообменниками и реактором -декарбонизатором; 1-печь; 2-циклонные теплообменники;3-реактор-декарбонизатор; 4-холодильник.

Установка декарбонизатора позволяет повысить съем клинкера с 1 м3 внутреннего объема печи в 2,5…3 раза, повысить производительность печей до 6000… 10000 т/сут, снизить удельный расход теплоты до 3,0…3,1 МДж/кг клинкера. Размеры установки невелики, и она может использоваться не только при строительстве новых заводов, но и при модернизации действующих печей с циклонными теплообменниками.

Таким образом, наиболее теплонапряженная стадия процесса обжига цементного клинкера - декарбонизация - выносится за пределы печи, в которой происходит только спекание клинкера, и она оказывается термически ненагруженной. Это дает возможность существенно повысить производительность печей при том же удельном расходе тепла на обжиг. Клинкер охлаждается до 60…80°С в колосниковом холодильнике и далее подается на измельчение в сепараторную мельницу.

Цемент транспортируют в силосы, из которых он идет на отгрузку навалом или через упаковочную машину в таре потребителю.
Известны вращающиеся печи полусухого способа производства, в них печь соединена 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/ч. 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.

Мокрый способ производства портландцемента

◊ Мокрый способ

По мокрому способу (рис. 3) сырьевые материалы, доставляемые из карьера на завод в кусках, подвергают предварительному измельчению (до крупности не более 5 мм). Твердые породы дробят в дробилках, а более мягкие (глина, мел) измельчают перемешиванием с водой в глиноболтушках. Болтушка представляет собой круглый железобетонный резервуар диаметром 5…10 м и высотой 2,5…3,5 м, футерованный чугунными плитами.

Рисунок-3. Технологическая схема производства портландцемента по мокрому способу:

1 - подача известняка из карьера; 2 - дробилка для известняка;3 - подача глины из карьера;4 - подача воды; 5 - бассейн для размешивания глины;6 - сырьевая мельница; 7-шлам-бассейны;8 - вращающаяся печь;9 - холодильник;10 - подача топлива; 11 - склад гипса;12 - элеватор для подачи гипса из дробилки в бункер;13 - склад клинкера;14 - шаровая мельница;15 - силосы для цемента;16 - упаковка цемента

Вокруг вертикальной оси в болтушке вращается крестовина с подвешенными в ней на цепях стальными граблями для измельчения кусков глины. Полученный в глиноболтушке шлам с влажностью около 45% выпускается через отверстие с сеткой и переначинается в трубную (шаровую) мельницу, куда непрерывно подается дробленый известняк.

Рисунок-4. Шаровая многокамерная мельница:

1,10-торцовое днище; 2-подшипник; 3-загрузочная воронка; 4-пустотелая цапфа; 5-межкамерные перегородки; 6-корпус; 7-крышка; 8-диафрагменная перегородка; 9-корпус; 11-лопасти, 12-разгрузочный конус; 13-кожух; 14-сито; 15-разгрузочный патрубок; 16-разгрузочные отверстия.

Трубная мельница (рис. 4) представляет собой стальной цилиндр длиной до 15 м, диаметром до 3,2 м, вращающийся на полых цапфах, через которые мельницу с одной стороны загружают, а с другой стороны - разгружают. Внутри мельница разделена перегородками с отверстиями на три камеры. В первой и второй камерах имеются стальные или чугунные шары, а в третьей - небольшие цилиндрики. Через полую цапфу шлам поступает в первую камеру трубной мельницы.

При вращении мельницы шары под действием центробежной силы и силы трения прижимаются к стенкам, поднимаются на некоторую высоту и падают, разбивая и растирая зерна материала. Трубные мельницы являются непрерывнодействующим оборудованием. Тонкоизмельченный материал в виде сметанообразной массы - шлама - подается насосом в шлам-бассейны,представляющие собой железобетонные или стальные резервуары цилиндрической формы.

В них окончательно корректируется химический состав шлама и создается некоторый запас для бесперебойной работы печей. Из бассейнов шлам поступает в баки, а затем равномерно подается во вращающуюся печь для обжига. Вращающаяся печь (рис. 5) представляет собой длинный цилиндр из листовой стали, облицованный внутри огнеупорным материалом.

Рисунок-5. Вращающаяся печь

1-сырьевая шихта; 2-горячие газы; 3-вращающаяся печь; 4-цепные завесы,улучшающие теплообмен; 5- привод; 6-водяное охлаждение зоны спекания печи; 7-факел; 8-подача топлива через форсунку; 9-клинкер; 10-холодильник; 11-опоры.

Длина печей 150…185…230 м, диаметр 4…5…7 м. Барабан печи установлен с наклоном 3,5…4° и вращается вокруг своей оси с частотой 0,5…1,4 мин -1 .Вращающиеся печи работают по принципу противотока.Шлам загружается с верхней стороны печи и передвигается к нижнему концу.Топливо в виде пыли каменного угля или газа вдувается вместе с воздухом с противоположного конца печи и сгорает, создавая температуру 1500°С.

Дымовые газы удаляются со стороны поднятого конца печи.Шлам перемещаясь вдоль барабана, соприкасается с горячими газами идущими ему на встречу и постепенно нагревается. Образованию портландцементного клинкера предшествует ряд физико-химических процессов,протекающих в определенных температурных границах-технологических зонах печного агрегата -вращающейся печи.

При мокром способе производства цемента по ходу движения обжигаемого материала условно выделяют следующие зоны: I-испарения, II-подогрева и дегидратации, III-декарбонизации, IV-экзотермических реакций, V-спекания, VI-охлаждения. Рассмотрим эти процессы начиная с поступления сырьевой смеси с печь, то есть по направлению с верхнего ее конца (холодного) к нижнему (горячему).

В зоне испарения при постепенном повышении температуры с 70 до 200 °С испаряется влага а сырьевая смесь подсушивается. Подсушенный материал комкуется.Перемещаясь комья распадается на более мелкие гранулы. В печах сухого способа зона испарения отсутствует.

В зоне подогрева при постепенном нагревании сырья с 200 до 700 °С выгорают органические примеси, из глиняных минералов удаляется кристаллохимическая вода (при 450 …500°С) и образуется безводный каолинит Аl2Оз· Si02.Зоны испарения и подогрева при мокром способе занимают 50…60% длины печи.

В зоне декарбонизации температура обжигаемого материала повышается с 700 до 1100°С.Происходит диссоциация карбонатов кальция и магния с образованием свободных (СаО, MgO).Одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды SiO2,Al2O3,Fe2O3, которые вступают в химическое взаимодействие с CaO. В результате этих реакций происходящих в твердом образуются минералы 3CaO·Al2O3,CaO·Al2O3 и частично 2CaO·SiO2.

В зоне экзотермических реакций при температуре 1200…1300°С завершается процесс твердофазового спекания материала, образуются 3CaO·Al2O3, 4CaO·Al2O3·Fe2O3, и белит, резко уменьшается количество свободной извести, но достаточное для насыщения двухкальциевого силиката до трехкальциевого.

В зоне спекания при температурах 1300… 1450… 1300°С происходит частичное плавление материала (20…30% обжигаемой смеси). В расплав переходят все клинкерные минералы, кроме 2CaO·SiO2, все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. Алит кристаллизуется из расплава в результате растворения в нем оксида кальция и двухкальциевого силиката.

Это соединение плохо растворимо в расплаве, вследствие чего выделяется в виде мелких кристаллов, которые в дальнейшем растут. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава 3СаО·Аl2О3, 4СаО·Аl2О3·Fе2О3 и MgO (в виде периклаза), которая заканчивается в зоне охлаждения.

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С, здесь полностью формируются его структура и состав, включающий алит C3S, белит C2S, С3А, C4AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие.
Границы зон во вращающейся печи достаточно условны и не являются стабильными. Меняя режим работы печи, можно смещать зоны и регулировать тем самым процесс обжига.

Образовавшийся таким образом раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается движущимся навстречу ему холодным воздухом. Клинкер, выходящий из холодильника вращающихся печей с температурой около 100°С и более, поступает на склад для окончательного охлаждения и вылеживания (магазинирования), где он находится до 15 дней. Если известь содержится в клинкере в свободном виде, то в течение вылеживания она гасится влагой воздуха.

На высокомеханизированных заводах с четко организованным технологическим процессом качество клинкера оказывается настолько высоким, что отпадает необходимость его вылеживания. Помол клинкера совместно с добавками производят в трубных многокамерных мельницах.
Тонкое измельчение клинкера с гипсом и активными минеральными добавками в тонкий порошок производится преимущественно в сепараторных установках, работающих по открытому или замкнутому циклу.

Эффективная работа трубной мельницы обеспечивается охлаждением мельничного пространства путем его аспирации (вентилирования). Благодаря аспирации производительность мельниц растет на 20…25%, уменьшается пылевыделение, улучшаются условия труда. Для интенсификации помола вводят добавку - сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), при этом производительность мельниц увеличивается на 20…30%.

На современных цементных заводах помол портландцемента в открытом цикле проходит по следующей технологической схеме. Клинкер, гипс и активные минеральные добавки со склада подаются в бункера и дозируются тарельчатыми питателями. После измельчения цемент поступает через цапфу мельницы в аспирационную шахту, а из нее в бункер цемента и далее на склад.

Мельничное пространство аспирируется, запыленный воздух частично очищается в аспирационной шахте, а затем в циклонах и электрофильтре, далее собирается шнеком и направляется в расходный бункер цемента. Недостатком помола в открытом цикле является трудность получения цемента с высокой удельной поверхностью (до 400…500 м2/кг).

Мельницы, работающие в замкнутом цикле, дают более однородный по размеру зерен продукт большей удельной поверхности (4000…5000 см2/г); замкнутый цикл помола включает помольный агрегат и центробежный сепаратор, определяющий крупные зерна, возвращаемые на домол в первую камеру, а тонкая фракция домалывается в третьей камере, из которой выгружается готовый цемент. В полностью замкнутом цикле материал проходит через сепаратор дважды.

В последнее время получает распространение короткая трубная мельница, обычно двухкамерная, работающая в замкнутом цикле с сепаратором.
Готовый портландцемент (с температурой 100°С и более) пневматическим транспортом направляется в силосы для охлаждения. После этого его расфасовывают по 50 кг в многослойные бумажные мешки или загружают в специально оборудованный автомобильный, железнодорожный или водный транспорт.

Новый способ производства портландцемента

Новый способ производства портландцемента состоит в том что клинкер обжигают в солевом растворе хлоридов.При этом способе основная реакционная среда в печи (силикатный расплав) заменена солевым расплавом на основе хлорида кальция. В солевом расплаве ускоряется растворение основных клинкерообразующих оксидов (CaO, SiO2, Al2O3, Fе2О3) и образование минералов (алита, белита и др.) завершается при 1100…1150°С вместо обычных 1400…1500°С, что существенно снижает энергоемкость получения цементного клинкера. Полученный клинкер наряду с алитом содержит минерал, названный алинитом.

Алинит - это высокоосновный Аl-Сl-силикат кальция, содержащий около 2,5% хлорида. Клинкер, синтезированный в солевом расплаве, размалывается в 3…4 раза легче, чем обычный. Это позволяет снизить электрозатраты на помол и увеличить производительность цементных мельниц. При этом сокращается число помольных агрегатов.

Алинитовый цемент быстрее гидратируется в начальные сроки. Технология нового цемента осваивается на цементных заводах. Сейчас глубоко изучаются коррозионная стойкость бетона на этом цементе и поведение стальной арматуры в бетоне с учетом наличия в нем хлора. Все это позволит определить рациональные области применения алинитового цемента.

Общий расход энергии на 1 т цемента 325…550 МДж, причем минимальные энергетические затраты достигаются при сухом способе с применением декарбонизатора: на помол клинкера с добавками затрачивается 125… 180 МДж.

РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!

Существуют два основных способа производства – мокрый и сухой. При мокром способе производства сырьевую смесь измельчают и смешивают сырьевые материалы с водой. Получаемая сметанообразная жидкость – шлам – содержит 32-45% воды. По сухому способу сырьевые материалы предварительно высушивают, а затем измельчают и смешивают. Полученный тонкий порошок называют сырьевой мукой. В зависимости от физических свойств исходных материалов и ряда других факторов при получении цемента по мокрому способу применяют разные схемы производства. Схемы эти отличаются одна от другой только способом приготовления сырьевой смеси. Приводим схему производства цемента по мокрому способу из твердого материала - известняка - и мягкого - глины. При трехкомпонентной сырьевой смеси корректирующую добавку дробят, после чего она попадает в бункер, откуда вместе с известняком поступает в мельницу. Глину до болтушки пропускают через валковую дробилку.

Цементные заводы

Наряду с изготовлением продукции цементные заводы являются уникальными предприятиями для утилизации вторичных материалов (отходов). Сравнительные экологические балансы показывают, что использование вторичных материалов на цементном заводе выглядит более предпочтительно, чем другие способы их утилизации, т.к. выделение тяжелых металлов при производстве цемента и при эксплуатации бетонных изделий очень незначительно (1).
Технология изготовления цемента позволяет использовать вторичные материалы на всех стадиях его производства:

Приготовление сырьевой смеси;
- обжиг портландцементного клинкера;
- измельчение цементной шихты.

Т.о., можно утверждать, что на цементном заводе реализуется самая надежная, дешевая и совместимая с окружающей средой утилизация промышленных и бытовых отходов.

Вторичные материалы при обжиге клинкера

Более 80% портландцементного клинкера в Украине обжигают по устаревшей «мокрой» технологии. В 2007 году цементные заводы израсходовали 1,74 млрд. м3 природного газа. Недостаток цементной про-мышленности – высокая энергоемкость - можно превратить в достоинство, если на цементных заводах достичь высокой степени использования вторичных материалов взамен природного топлива. С точки зрения государственных интересов предложенная концепция развития цементной отрасли выглядит более разумной, т.к. ее реализация даст возможность утилизировать ежегодно более 1 млн. тонн промышленных и бытовых отходов и снизить расход природного топлива на цементных заводах до уровня современного «сухого» способа производства.
Целесообразность реализации предложенной концепции развития цементной отрасли можно подтвердить соответствующими расчетами. Удельные капитальные затраты на тонну цемента при переводе на сухой способ производства цемента составляют около 100 €. Перевод всей цементной отрасли потребует около 1200млн.€. Стоимость мусороперера-батывающих заводов, обеспечивающих ежегодное производство 1 млн.тонн готовых для обжига отходов составляет 36-50 млн. €. Преимущества утилизации топливосодержащих отходов на цементном заводе очевидны.
В этом аспекте очень важным является то, что согласно Киотскому протоколу СО2, выделяемый при обжиге отходов, не учитывается в общем балансе СО2, в отличие от СО2, производимого при сгорании природного топлива. Уменьшенная эмиссия СО2 на цементном заводе может быть предметом торговли. Текущая цена биогенной эмиссии СО2 составляет примерно 20 $ США за тонну (2).

В настоящее время в Европе некоторые заводы работают с нулевыми затратами на топливо или даже зарабатывают деньги имея возможность использовать безвредный для окружающей среды способ утилизации отходов.
Понятно, что использование топливосодержащих отходов в Украине лежит в плоскости системного подхода к решению данной проблемы. В настоящее время внедряют модуль этой системы, включающий оценку воздействия топливосодержащих отходов на окружающую среду, режим обжига клинкера и на качество цемента. Изучение проводят в полупромышленных условиях во вращающейся печи Харьковского опытного цементного завода (ХОЦЗ), к выполнению исследований привлекают: «СЕПРОЦЕМ», который дает заключение по качеству клинкера и цемента, институт экологических проблем, который дает заключение по экологической безопасности процесса, и «ХОЦЗ» дает заключение по параметрам обжига клинкера. Затем при положительных результатах проводят промышленную проверку и внедрение данной технологии на цементном заводе.

Применение вторичных материалов при помоле цемента

В Европе по экономическим и экологическим причинам происходит изменение ассортимента выпускаемых цементов – значительно увеличивается доля цементов СЕМ II (содержание добавок 6-35%). В 2007г. в Украине произведено: ПЦ II/А-Ш-400 – 5,08.т., ПЦ II/Б -Ш-400 – 2,85 млн.т., ШПЦ III/А-400 – 2,44 млн.т., ПЦ II/А-Ш-500 – 0,95 млн.т., ПЦ I-500 – 2,42 млн.т. Как видно из представленных данных, в основном, в качестве активной минеральной добавки используют гранулированный доменный шлак (далее шлак). Цементы со шлаком получают путем его совместного помола с портландцементным клинкером.

Этот способ не является рациональным, т.к. вследствие меньшей активности шлак должен измельчаться более тонко. В настоящее время применяют иную технологию производства цементов со шлаком, которая основана на раздельном помоле клинкера и шлака. Шлак измельчают до оптимальной дисперсности, затем смешивают его с тонкомолотым клинкером.

В табл.3 представлены свойства бездоба-вочного цемента и цемента с 30 и 60% шлака, которые получены смешением раздельно измельченных клинкера и шлака. Как видно из данных табл.3 цементы с высоким содержанием шлака показывают высокую стандартную прочность – прочность при сжатии в возрасте 28 суток.

Сухой способ производства цемента

Изготовление клинкера сухим способом технически и экономически наиболее целесообразно в тех случаях, когда исходные сырьевые материалы характеризуются:
1) влажностью до 10 %;
2) относительной однородностью по химическому составу и физической структуре, что обеспечивает возможность получения гомогенной сырьевой муки при измельчении сухого сырья.
При сухом способе затраты тепла на обжиг клинкера достигают 800-1200 ккал/кг, что значительно меньше затрат при производстве мокрым способом (1400-1500 ккал/кг). 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 5-8 % на сите № 008. Обжигают сырьевую муку в коротких вращающихся печах с циклонными теплообменниками или кальцинаторами, а также в автоматических шахтных. В зависимости от этого схемы производства несколько различаются.
Подготовка сырья и его обжиг во вращающихся печах с теплообменниками. Производство цемента по сухому способу с обжигом клинкера в коротких вращающихся печах осуществляется по следующей технологической схеме (при использовании известняка и глины).
Добывают и дробят известняк и глину при сухом способе производства с помощью тех же механизмов, что и при мокром способе. Раздробленное сырье сушат в сушильных барабанах до остаточной влажности 1-2 %, а затем подвергают тонкому измельчению в мельницах, работающих по открытому или замкнутому циклу. Сейчас для тонкого измельчения известняков и глин преимущественно применяются установки для одновременного помола и сушки материала в шаровых мельницах.
Сырьевая мука, получаемая в результате помола в мельницах, направляется на гомогенизацию и корректирование в специальные железобетонные силосы. Муку перемешивают с помощью сжатого воздуха. Воздушные струи, проникающие в муку, аэрируют ее, что сопровождается уменьшением объемной массы. Одновременно материал приобретает большую текучесть. После гомогенизации проверяют состав сырьевой муки по содержанию оксида кальция. Если он соответствует требуемому, то смесь направляют на обжиг. Если же выявляются отклонения, то корректируют состав и тщательно перемешивают до полной однородности. В материале, обжигаемом при сухом способе призводства, идут те же процессы, что и при обжиге смеси в виде шлама. Полученный клинкер после охлаждения в холодильниках направляют на склад, а затем перерабатывают в цемент.
Помол клинкера. Многие свойства портландцемента, в том числе активность, скорость твердения, определяются не только химическим и минералогическим составом клинкера, формой и размерами кристаллов алита, белита и других элементов, наличием тех или иных добавок, но и в большой степени тонкостью помола продукта, его гранулометрическим составом и формой частичек порошка.
Цементный порошок в основном состоит из зерен размером от 5-10 до 30-40 мк. Тонкость помола портландцемента характеризуют обычно остатками на ситах с размером ячеек в свету 0,08, где остаток на этом сите 5-8 % (по массе), для цементов же быстротвердеющих - до остатка 2-4 % и меньше, а также удельной поверхностью порошка 2500-3000 и 3500-4500 см2/г и более. С увеличением тонкости помола цемента повышается его прочность и скорость твердения, но лишь до показателей удельной поверхности 7000-8000 см2/г. С этого предела наблюдается обычно ухудшение прочностных показателей затвердевшего цемента. Морозостойкость же его часто начинает ухудшаться и при более низких показателях удельной поверхности (4000-5000 см2/г).

Процесс производства цемента

Современный цементный завод представляет собой сложный комплекс технологического оборудования, обеспечивающий переработку сырьевых материалов (известняков, мела и др.) в цемент. Цемент выпускается различных видов и марок, применяется в больших количествах в качестве основного строительного материала. В цементной промышленности получили распространение в основном мокрый и сухой способы производства. Структурная технологическая схема производства цемента по мокрому способу показана на рисунке 1.
В качестве исходных материалов для процесса обжига и образования клинкера используются искусственно приготовленные смеси из карбонатных и глинистых пород.

Измельчение твердых сырьевых материалов, транспортируемых с помощью специальных питателей и дозаторов в сырьевое отделение со склада, осуществляется в помольных агрегатах -- шаровых трубных мельницах. Одновременно с измельчением до определенной тонкости помола сырьевых материалов в мельнице происходит смешивание известняковых и глинистых компонентов, а также добавок (огарков). На заводах, использующих пластические материалы, вторичная стадия измельчения осуществляется в болтушках, где происходит отмучивание, или в мельницах "Гидрофол". Шлам перекачивается центробежными насосами в усреднительные бассейны: сначала в вертикальные шламбассейны, а затем в горизонтальные.
Подготовленная сырьевая смесь заданного химического состава, определенной влажности и тонкости помола подается в обжиговую вращающуюся печь, где происходит спекание и химическое превращение смеси, в результате чего получается новый, обладающий особыми свойствами материал -- клинкер.

После выхода из печи клинкер охлаждается и подается на клинкерный склад, а затем - на помол. Завершающий этап получения цемента -- это измельчение и смешивание клинкера с добавками (гипс, песок и др.) в цементных мельницах. Полученный цемент после мельниц подается пневмокамерными или пневмовинтовыми насосами в силосы запаса.
Существует так же сухой способ производства цемента. При сухом способе производства цемента сырьевая смесь готовится в виде сырьевой муки. Компоновка оборудования на новых технологических линиях осуществляется с последовательным размещением (и работой) отдельных агрегатов: сырьевая мельница -- силос сырьевой муки -- вращающаяся печь и т. д.
Все основные процессы цементного производства являются непрерывными, все вспомогательные процессы имеют также высокий уровень механизации; это создает благоприятную обстановку для автоматизации всех процессов.

Автоматизация производства

Функциональная схема автоматизации сырьевой мельницы показана на рисунке 2. Схемой предусматривается контроль, автоматическое регулирование, дистанционное управление и сигнализация.
Из рассмотренных условий работы трубной шаровой мельницы при измельчении сырьевых материалов мокрым способом в процессе нормальной работы агрегата требуется контролировать следующие параметры:

Уровень загрузки материала в первой камере мельницы;
-уровень загрузки в зоне шламообразования (во второй камере);
- расход известняка и дополнительных компонентов, подаваемых в мельницу;
- расход глиняного шлама на входе в мельницу;
- расход воды на входе в мельницу;
- вязкость сырьевого шлама на выходе из мельницы.

Качество шлама.

Стабильное качество шлама (вязкости и тонкости помола) обеспечивается за счет автоматического регулирования:

Уровня загрузки первой камеры мельницы с воздействием на подачу материалов в мельницу;

Расхода воды на мельницу (уровня загрузки второй камеры -- в зоне шламообразования);

Расхода глиняного шлама;

за счет коррекции с предварением от изменения уровня загрузки в первой камере, на системы автоматического регулирования подачи воды и глиняного шлама.

Процесс производства цемента состоит из следующих основных технологических операций: добычи сырьевых материалов; приготовления сырьевой смеси, обжига сырьевой смеси и получения цементного клинкера; помола клинкера в тонкий порошок с небольшим количеством некоторых добавок.

В зависимости от способа подготовки сырья к обжигу различают мокрый, сухой и комбинированный способы производства цементного клинкера.

При мокром способе производства измельчение сырьевых материалов, их перемешивание, усреднение и корректирование сырьевой смеси осуществляется в присутствии определенного количества воды. А при сухом способе все перечисленные операции выполняются с сухими материалами. Мокрый способ приготовления сырьевой смеси применяют, когда физические свойства сырьевых компонентов (пластичной глины, известняка, мела с высокой влажностью и т.д.) не позволяют организовывать экономичный технологический процесс производства сырьевой смеси по сухому способу производства. 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 цемента выбирают в зависимости от технологических и технико-экономических факторов: свойств сырья, его однородности и влажности, наличия достаточной топливной базы и др.

Мокрый способ производства цемента.

Сухой способ производства цемента.

Комбинированный способ производства цемента.

Производство цемента складывается в основном из следующий операций: добыча сырья; приготовления сырьевой смеси, состоящего из дробления и ее гомогенизации; обжига сырьевой смеси; помола обожженного продукта (клинкера) в тонкий порошок.

В зависимости от физических свойств исходных материалов и ряда других факторов при получении цемента по мокрому способу применяют разные схемы производства. Схемы эти отличаются одна от другой только способом приготовления сырьевой смеси. Приводим схему производства цемента по мокрому способу из твердого материала - известняка - и мягкого - глины.

При трехкомпонентной сырьевой смеси корректирующую добавку дробят, после чего она попадает в бункер, откуда вместе с известняком поступает в мельницу. Глину до болтушки пропускают через валковую дробилку. Сырьевые материалы дозируют перед мельницей специальными питателями.
Если при производстве по мокрому способу сырьевую смесь составляют из одних твердых материалов - известняка, мергелей и глинистых сланцев, то их дробят в дробилках без добавки воды и размалывают совместно в мельнице, куда добавляют воду. В том случае в схеме отсутствует болтушка. При изготовлении цемента из одних мягких материалов (мела, глины, мягких мергелей) сырье измельчают в болтушках, после чего размалывают в более коротких шаровых мельницах. В этом случае воду добавляют в первой стадии процесса и материалы дозируют перед,поступлением в болтушки.

При сухом способе производства выбор схемы зависит от рода поставляемого топлива, физических свойств сырья, мощности завода и ряда других факторов. При использовании для обжига клинкера угля с большим содержанием летучих обжиг ведут во вращающихся печах, - если же применяют топливо с малым содержанием летучих - то в шахтных.

Так как при соприкосновении мелкого порошка, образующегося при помоле, с влагой материала образуется пластичная масса, которая налипает на внутреннюю поверхность агрегата и препятствует дальнейшему помолу, то дробленые сырьевые материалы с естественной влажностью размалывать нельзя. Поэтому после выхода из дробилки сырьевые материалы высушивают и затем направляют в мельницу, где перемалывают в тонкий порошок. Однородные по физическим свойствам материалы можно дробить и сушить в одних и тех же аппаратах. В случае применения гранулированного шлака его подсушивают без предварительного дробления. Помол и сушку сырьевой смеси целесообразно вести одновременно в одном аппарате-мельнице - в том случае, если влажность сырьевых материалов не превышает 8-12%, например, при использовании известняков и глинистых сланцев. Если в качестве сырья используется непластичный глинистый компонент, то при сухом способе производства обжиг ведут только во вращающихся печах. При пластичном глинистом компоненте можно вести обжиг, как во вращающихся печах, так и в шахтных печах. В последнем случае сырьевую смесь вначале увлажняют в смесительных шнеках водой до 8-10%-ной влажности. Затем массу подают в грануляторы, где она вместе с дополнительно подводимой водой превращается в гранулы с влажностью 12-14%. Эти гранулы и поступают в печь.

При обжиге клинкера на газообразном или жидком топливе схема производства упрощается, так как отпадает необходимость в приготовлении угольного порошка.

В ряде случаев может оказаться целесообразным комбинированный способ производства, при котором сырьевая смесь в виде шлама, полученного при обычном мокром способе производства, подвергается обезвоживанию и грануляции, а затем обжигается в печах, работающих по сухому способу.

Выбор сухого или мокрого способа производства зависит от многих причин. Как тот, так и другой способ имеют ряд преимуществ и недостатков. При мокром способе легче получить однородную (гомогенизированную) сырьевую смесь, обуславливающую высокие качества клинкера. Поэтому при значительных колебаниях в химическом составе известнякового и глинистого компонента он целесообразнее. Этот способ используется и тогда, когда сырьевые материалы имеют высокую влажность, мягкую структуру и легко диспергируются водой. Наличие в глине посторонних примесей, для удаления которых необходимо отмучивание, также предопределяет выбор мокрого способа. Размол сырья в присутствии воды облегчается, и на измельчение расходуется меньше энергии. Недостаток мокрого способа - больший расход топлива. Если используют сырьевые материалы с большой влажностью, то расход тепла, затрачиваемого на сушку и обжиг, при сухом способе будет мало отличаться от расхода тепла на обжиг шлама при мокром способе. Поэтому сухой способ производства целесообразнее при сырье со сравнительно небольшой влажностью и однородным составом. Он же практикуется в случае, если в сырьевую смесь вместо глины вводят гранулированный доменный шлак. Его же применяют при использовании натуральных мергелей и тощих сортов каменного угля,с малым содержанием летучих, сжигаемых в шахтных печах.
При изготовлении сырьевой смеси по любому способу необходимо стремиться к наиболее тонкому помолу, теснейшему смешению сырьевых материалов и к возможно большей однородности сырьевой смеси. Все это гарантирует однородность выпускаемого продукта и является одним из необходимых условий нормальной эксплуатации завода. Резкие колебания химического со·става сырьевой смеси нарушают ход производственного процесса. Высокая тонкость помола и совершенное смешение необходимы для того, чтобы химическое взаимодействие между отдельными составными частями сырьевой смеси прошло до конца в возможно более короткий срок.

При выборе той или другой схемы производства особое внимание следует обращать на рентабельность работы предприятия и возможность снижения себестоимости продукции. Основными мероприятиями, ведущими к снижению себестоимости являются: интенсификация производственных процессов, повышение коэффициента использования оборудования, рост выпуска цемента, повышение его качества (марки), снижение расхода топлива и электроэнергии, механизация производственных процессов и всех вспомогательных работ, автоматизация управления производственными процессами и некоторые другие.

Мощность цементных заводов устанавливают в зависимости от сырьевой базы и потребности района в цементе. На новых заводах она равна обычно 1-2 млн. т цемента в год. Характерным показателем производительности труда на цементных заводах является выпуск цемента на одного рабочего в год, который в 1963 г. составил 915 т. Выработка на одного работающего была 7-62 т. На заводах, оснащенных высокопроизводительным оборудованием, выработка цемента достигла соответственно 2000 и 1600 т.

На цементных заводах, а также на заводах по производству других вяжущих материалов приходится перемещать от одного аппарата к другому большие массы кускового порошкообразного и жидкого материала. Для транспортирования их применяют ковшовые элеваторы, шнеки, ленточные, пластинчатые и скребковые транспортеры, транспортные желоба, насосы, краны с грейферами. Для транспортирования порошкообразных материалов широко используют пневмовантовые и камерные насосы, а также пневмотранспортные желоба.

Транспортирование шлама имеет ряд особенностей, так как он представляет собой сметанообразную текучую массу, содержащую 32-45% воды. Чтобы уменьшить расход топлива на обжиг, стремятся снизить влажность шлама, а чтобы улучшить его транспортабельность, необходимо увеличить содержание воды. По условиям транспортабельности шлам должен течь по желобу, имеющему уклон в 2-4 %. Чем пластичнее сырьевые материалы, тем больше приходится добавлять воды для получения шлама нужной текучести. Обычно шлам транспортируется центробежными насосами.

На заводы сырьевые материалы доставляют из карьера в виде кусков размерами до 1000-1200 мм. Иногда сырьевые отделения расположены непосредственно на карьерах, откуда шлам поступает на заводы. Так, на Балаклейском цементном заводе отделение болтушек размещено на карьере. Сырьевые материалы в виде мела и глины поступают в дробилки, а затем в болтушки. Полученный глиняно-меловой шлам нормальной влажности перекачивается по шламопроводам на завод.

При выпуске цемента обычных марок сырьевые материалы и клинкер размалываются до остатка на сите №008 порядка 8-10%. Для получения цемента более высоких марок материалы размалываю тоньше - до остатка на том же сите около 5% и даже меньше. Измельчать сырьевые материалы до получения тонкого порошка в одном аппарате невозможно. Поэтому сначала материал подвергают в дробилках двyx - тpex стадийному дроблению до величины кусков, не превышающей 8-20 мм, а затем измельчают в мельницах в гонкий порошок с размерами зерен не более 0,06-0,10 мм, глину поступающую из карьера в кусках размером до 500 ММ, измельчают в валковых дробилках до кусков не больше 100 мм, а затем отмучивают в болтушках до получения глиняного шлама с влажностью 60-70%. Этот шлам и подают в сырьевую мельницу.

Удельный расход сырья зависит от его химического состава и зольности топлива и составляет 1,5-2,4 т на 1 т клинкера. Расход электроэнергии на 1 т выпускаемого цемента составляет 80-100 квт/ч.

Этапы и способы производства цемента

В строительстве очень часто используется цемент. Его применяют как непосредственную составляющую растворов и смесей, а также для производства различных строительных материалов. Бетоны железобетонные изделия (ЖБИ) и не только они просто не существовали бы без цемента. Ведь для производства бетона и ЖБИ нужны именно цемент, щебень и песок. Также цемент необходим для ряда других строительных материалов. Ну а кто же не видел, как на цементный раствор укладывают кирпич. Кирпич и цемент вообще неразрывно связаны, потому что сегодня без одного материала невозможно представить другой.

Производство цемента – достаточно сложный процесс. Делится он на две ступени: первая - получение клинкера, вторая - доведение клинкера до порошкообразного состояния с добавлением к нему гипса или других добавок. К тому же есть три способа производства цемента, в основе которых лежат различные технологические приемы подготовки сырьевого материала: мокрый, сухой и комбинированный. Производство мокрым способом используют при изготовлении цемента из мела (карбонатный компонент), глины (силикатный компонент) и железосодержащих добавок (конверторный шлам, железистый продукт, пиритные огарки). Влажность глины при этом не должна превышать 20%, а влажность мела - 29%. Мокрым этот способ производства назван потому, что измельчение сырьевой смеси производится в водной среде, на выходе получается шихта в виде водной суспензии - шлама влажностью 30 - 50%. Далее шлам поступает в печь для обжига. При обжиге из сырья выделяются углекислоты. После этого шарики-клинкеры, которые образуются на выходе из печи, растирают в тонкий порошок, который и является цементом. Сухой способ заключается в том, что сырьевые материалы перед помолом или в его процессе высушиваются. И сырьевая шихта выходит в виде тонкоизмельченного сухого порошка. Комбинированный способ, как уже следует из названия, предполагает использование и сухого и мокрого способа. Комбинированный способ имеет две разновидности. Первая предполагает, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу в виде шлама, потом её обезвоживают на фильтрах до влажности 16 - 18% и отправляют в печи для обжига в виде полусухой массы. Второй вариант приготовления является прямо противоположным первому: сначала используют сухой способ для изготовления сырьевой смеси, а затем, добавляя 10 -14% воды, гранулируют и подают на обжиг. Каждый способ требует отдельного специального оборудования, а также строго определенную последовательность операций.
Цемент различных видов может при твердении развивать различную прочность, характеризуемую маркой. Выпускают цементы преимущественно марок 200, 300, 400, 500 и 600 (по показателям испытания в пластичных растворах). Очень широко применяется цемент марки М500 Д0. Цемент М500 Д0 (ПЦ 500-Д0) применяется при производстве ответственных бетонных и железобетонных конструкций в промышленном строительстве, где предъявляются высокие требования к водостойкости, морозостойкости, долговечности. Цемент М500 Д0 эффективен при проведении аварийных ремонтных и восстановительных работ ввиду высокой начальной прочности бетона.

Адреса цементных заводов практически всегда совпадают с месторождениями цементного сырья. Поскольку, как вы понимаете, первый этап работ по производству следует проводить непосредственно на месторождении. А строить два цементных завода по разным адресам экономически не выгодно. В странах СНГ существует достаточно много цементных заводов. Это и ПРУП «Белорусский цементный завод» и Магнитогорский цементный завод и другие предприятия. Например, только в России насчитывается больше пятидесяти крупных предприятий по производству цемента. Естественно на таких крупных предприятиях как ПРУП «Белорусский цементный завод» и Магнитогорский цементный завод существуют бункеры для хранения цемента, потому что цемент в своем первоначальном виде является абсолютно незащищенным от атмосферных явлений и поэтому долго хранить его вне специальных помещений просто невозможно. Кстати бункеры для цемента используют и на крупных строительных площадках.

Продаваться цемент может как в фасованном виде, так и навалом. Навал – это когда цемент не рассыпается по мешкам, а грузится непосредственно на транспорт и доставляется на стройку. И тот и другой способ доставки имеет право на существование. Обычно расфасованный цемент поставляется в магазины, на места строек или индивидуальным заказчикам, в то время как навалом цемент поставляется на предприятия по производству строительных материалов из цемента, в места крупных строек, в общем в те места, где можно быстро израсходовать большие количества цемента.

Технология производства цемента

Цемент принадлежит к важным и необходимым строительным материалам. Цемент не встречается в чистом природном состоянии, его необходимо производить. Несмотря на то, что это процесс дорогостоящий и энергоемкий, он полностью себя оправдывает. Цемент используют самостоятельно, а также в качестве составляющего компонента других строительных материалов (бетона и железобетона и др.). Преимущественно на месте добычи сырьевых материалов, из которых производится цемент, находятся цементные заводы.

Процесс изготовления цемента составляет две части. В результате первой получают клинкер. Во второй части клинкер доводят до порошкообразного состояния с добавлением к нему гипса или других добавок.

Первая степень изготовления цемента является самой дорогостоящей (около 70% себестоимости цемента). На первой стадии добывают сырьевые материалы. Известняковые месторождения разрабатываются преимущественно через снос. Это происходит таким образом: часть горы «сносят вниз», и открывают слой желтовато-зеленого известняка, который используется для производства цемента. Глубина слоя составляет, как правило, 10 метров (до этой глубины он встречается четыре раза), толщина - 0,7 метров. После этого материал измельчают на транспортере до кусков меньше или равных 10 сантиметров в диаметре.

Затем известняк подсушивают, измельчают и смешивают с другими компонентами. На следующем этапе всю эту сырьевую смесь обжигают и на выходе получается клинкер.
На второй стадии изготовления цемента также выделяют нескольких важных этапов: дробление клинкера, просушивание минеральных добавок, измельчение гипсового камня, помол клинкера совместно с гипсом и активными минеральными добавками.

Следует заметить, что сырьевой материал бывает разным, а также часто отличаются физико-технические характеристики сырья (особенно прочность и влажность). Именно поэтому каждый вид сырья имеет свой способ производства. Кроме того, такой индивидуальный подход обеспечивает однородный помол, а также полное перемешивание компонентов.

В современной цементной промышленности наиболее часто используют три основных способа производства, которые различаются технологическими приемами подготовки сырьевого материала: мокрый, сухой и комбинированный.

Наиболее часто используют мокрый способ производства при изготовлении цемента из мела (карбонатный компонент), глины (силикатный компонент), железосодержащих добавок (конверторный шлам, железистый продукт, пиритные огарки). Этот способ назван мокрым потому, что измельчение сырьевой смеси производится в водной среде, на выходе получается шихта в виде водной суспензии - шлама влажностью 30 - 50%. Однако при мокром способе влажность глины не должна превышать 20%, а влажность мела - 29%. После этого шлам обжигают в печи, диаметр которой достигает 7 м, а длина - 200 м. Из сырья при обжиге выделяются углекислоты. Затем шарики-клинкеры, которые образуются на выходе из печи, растирают в тонкий порошок. Именно этот порошок является цементом.

При сухом способе сырьевые материалы перед помолом или в его процессе высушиваются и сырьевая шихта выходит в виде тонкоизмельченного сухого порошка. Когда используют сухой и мокрый способ это и есть комбинированный способ. Он имеет две разновидности. Первая состоит в том, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу в виде шлама, затем её обезвоживают на фильтрах до влажности 16 - 18%. После этого ее отправляют в печи для обжига в виде полусухой массы. Суть второй разновидности является в том, что вначале используют сухой способ для изготовления сырьевой смеси, а потом, добавляя 10 -14% воды, гранулируют. Гранулы имеют размер 10 - 15 мм, затем подают их на обжиг.

Важно заметить, что при каждом способе используется определенный вид оборудования, а также строго определенная последовательность операций.

После всего этого цемент фасуется в бумажные мешки, весом по 50 килограмм. Затем цемент отправляют в места назначения по железнодорожной дороге или доставляют автомобильным транспортом.

Цемент является важным материалом, без которого не обходится ни одно строительство, что свидетельствует о его высоких эксплуатационных характеристиках.

Портландцемент и его разновидности являются основным вяжущим материалом в современном строительстве. В СССР его производство составляет около 65 % от выпуска всех цементов.

Портландцемент - продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания, т. е. частичного плавления сырьевой смеси, обеспечивающей преобладание в нем высокоосновных силикатов кальция (70...80 %). Для регулирования схватывания и некоторых других свойств при помоле клинкера в цемент добавляют небольшое количество гипса (1,5...3,5 %). В соответствии с ГОСТ 10178-85 за таким бездобавочным цементом сохранено название портландцемент (ПЦ-ДО). Ш Сырье и производство.

Для получения доброкачественного портландцемента химический состав клинкера, а следовательно, и состав сырьевой смеси должны быть устойчивы.

Многочисленные исследования и практический опыт показывают, что элементарный химический состав клинкера должен находиться в следующих пределах (% по массе): СаО - 63...66; SiO2 - 21...24; А12О3 - 4...8; Ре2Оз - 2...4, их суммарное количество составляет 95... ...97 %. Следовательно, для производства портландцемента следует применять такие сырьевые материалы, которые содержат много карбоната кальция и алюмосиликатов (известняки, глины, известковые мергели). Чаще используют искусственные сырьевые смеси из известняка или мела и глинистых пород при соотношении между ними в сырьевой шихте примерно 3:1 (% по массе): СаСО3 - 75...78 и глинистого вещества - 22...25. Вместо глины или для частичной ее замены используют также отходы различных производств (доменные шлаки, нефелиновый шлам и т. п.). Нефелиновый шлам, получающийся при производстве глинозема, уже содержит 25...30 % SiOЈ и 50...55 % СаО; достаточно к нему добавить 15...20 % известняка, чтобы получить сырьевую смесь. При этом производительность печей повысится примерно на 20 %, а расход топлива снизится на 20...25 %. Для обеспечения нужного химического состава сырьевой смеси применяют корректирующие добавки, содержащие недостающие оксиды. Например, количество S1O2 повышают, добавляя в сырьевую смесь трепел, опоку. Добавление колчеданных огарков увеличивает содержание Fe2O3.

В качестве топлива используют природный газ, реже мазут и твердое топливо в виде угольной пыли. Стоимость топлива составляет до 26 % себестоимости готового цемента, поэтому на цементных заводах много внимания уделяется его экономии.

Технология портландцемента в основном сводится к приготовлению сырьевой смеси надлежащего состава, ее обжигу до спекания (получают клинкер) и помолу в тонкий порошок.

Сырьевую смесь приготовляют сухим или мокрым способом (см. 5.2). В соответствии с этим различают и способы производства цемента - сухой и мокрый. В СССР преобладает мокрый способ производства цемента, но все шире внедряется сухой. Важнейшим преимуществом сухого способа производства является не только снижение расхода теплоты на обжиг в 1,5...2 раза, чем при мокром, но и более высокие удельные съемы в печах сухого способа.

Обжиг сырьевой смеси чаще осуществляют во вращающихся печах, но иногда (при сухом способе) в шахтных.

Вращающаяся печь (5.2) представляет собой сварной стальной барабан длиной до 185 м и более, диаметром до 5...7 м, футерованный изнутри огнеупорными материалами. Барабан уложен на роликах под углом 3...4° к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. Благодаря этому сырьевая смесь, загруженная в верхнюю часть печи, постепенно перемещается к нижнему концу, куда вдувают топливо, продукты горения которого просасываются навстречу сырьевой смеси и обжигают ее. Характер процессов, протекающих при обжиге сырьевой смеси, приготовленной по сухому и мокрому способам, по существу, одинаков и определяется температурой и временем нагревания материала в печи. Рассмотрим эти процессы.

В зоне сушки поступающая в верхний конец печи сырьевая смесь встречается с горячими газами и постепенно при повышении температуры с 70 до 200 °С (зона сушки) подсушивается, превращаясь в комья, которые при перекатывании распадаются на более мелкие гранулы. По мере перемещения сырьевой смеси вдоль печи происходит дальнейшее постепенное ее нагревание, сопровождаемое химическими реакциями.

В зоне подогрева при 200...700 °С сгорают находящиеся в сырье органические примеси, удаляется химически связанная вода из глинистых минералов и образуется безводный каолинит Al2O3-2SiO2. Подготовительные зоны (сушки и подогрева) при мокром способе производства занимают 50...60 % длины печи, при сухом же способе подготовки сырья длина печи сокращается за счет зоны сушки.

В зоне декарбонизации при температуре 700... s..l 100 °С происходит процесс диссоциации карбонатов кальция и магния на CaO, MgO и СО2, алюмосиликаты глины распадаются на отдельные оксиды SiO2, A12O3 и Fe2O3 с сильно разрыхленной структурой. 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 оксид кальция в твердом состоянии вступает в реакцию с продуктами распада глины с образованием низкоосновных силикатов, алюминатов и ферритов кальция (2CaO-SiO2, СаО-АШ3, 2CaO-Fe2O3).

В зоне экзотермических реакций обжигаемая масса, передвигаясь, быстро нагревается от 1100 до 1300°С, при этом образуются более основные соединения: трех-кальциевый алюминат ЗСаО-А12О3(С3А), четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO-Al2O3-Fe2O3(C4AF), но часть оксида кальция еще остается в свободном виде. Обжигаемый материал агрегируется в гранулы.

В зоне спекания при 1300...1450 °С обжигаемая смесь частично расплавляется. В расплав переходят С3А, C4AF, MgO и все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. По мере появления расплава в нем растворяются C2S и СаО и, вступая во взаимодействие друг с другом, образуют основной минерал клинкера - трехкальциевый силикат 3CaO-SiO2(C3S), который плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из расплава в виде мелких кристаллов, а обжигаемый материал спекается в кусочки размером 4...25 мм, называемые клинкером.

В зоне охлаждения (заключительная стадия обжига) температура клинкера понижается с 1300 до 1000 °С, происходит окончательная фиксация его структуры и состава, включающего C3S, C2S, C3A, C4AF, стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

По выходе из печи клинкер необходимо быстро охладить в специальных холодильниках, чтобы предотвратить образование в нем крупных кристаллов и сохранить в не-закристаллизованном виде стекловидную фазу. Без быстрого охлаждения клинкера получится цемент с пониженной реакционной способностью по отношению к воде.

После выдержки на складе (1...2 недели) клинкер превращают в цемент путем помола его в тонкий порошок, добавляя небольшое количество двуводного гипса. Готовый портландцемент направляют для хранения в силосы и далее на строительные объекты.

Сухой способ производства цемента значительно усовершенствован. Наиболее энергоемкий процесс - декарбонизация сырья - вынесен из вращающейся печи в специальное устройство - декарбонизатор, в котором он протекает быстрее и с использованием теплоты отходящих газов (5.3). По этой технологии сырьевая мука сначала поступает не в печь, а в систему циклонных теплообменников, где нагревается отходящими газами и уже горячей подается в декарбонизатор. В декарбонизаторе сжигают примерно 50 % топлива, что позволяет почти полностью завершить разложение СаСО3. Подготовленная таким образом сырьевая мука подается в печь, где сжигается остальная часть топлива и происходит образование клинкера. Это позволяет повысить производительность технологических линий, снизить топливно-энергетические ресурсы, примерно вдвое сократить длину вращающейся печи, соответственно улучшить компоновку завода и занимаемой им земельной территории.

В СССР создана низкотемпературная солевая технология производства цемента, базирующаяся на открытии советских ученых. Сущность открытия заключается в установлении нового явления - образования высокоосновного силиката кальция - алинита, близкого по составу к алиту в области температур 9ОО...11ОО°С, т. е. значительно ниже температур кристаллизации трехкальциевых силикатов - алитов. Алинит, являющийся основной вяжущей фазой портландцементных клинкеров нового типа, обусловливает их высокую гидравлическую активность. Вхождение анионов хлора в структуру является обязательным условием образования алинита и клинкеров нового типа. Введение в шихту, например, 10... 12 % СаС12 сопровождается образованием хлоркальциевого расплава при чрезвычайно низких температурах (600...800 С), что смещает все основные реакции образования минералов в область температур 1000... 1100 "С и позволяет получать клинкер при пониженных температурах.

Внедрение новой технологии позволит сократить удельные расходы топлива, резко повысить производительность печей и помольного оборудования.