Физико-химические процессы и мероприятия по интенсификации технологических процессов

Физико-химические процессы и мероприятия по интенсификации технологических процессов.

Процесс производства портландцемента состоит из следующих основных операций 1. Добычи на карьерах карбонатного и глинистого сырья и доставка их на завод. 2. Приготовление сырьевой смеси и её корректирование, усреднение. 3. Получение сырьевой шихты. 4. Обжига клинкера. 5. Хранение клинкера на складах. 6. Дробления и тонкого измельчения клинкера совместно с гипсом и активными добавками . 7. Хранение цемента в силосах.

После добычи в карьере сырьевые материалы подвергаются первичному измельчению. Предварительное измельчение - это подготовка материала для помола его в мельницах. Так как энергетические затраты на дробление значительно меньше, чем затраты на помол, желательно дробить материал до возможно мелких фракций. Дробление сырьевых материалов производят для того, чтобы уменьшить расход электроэнергии при помоле и увеличить производительность сырьевых мельниц.

Первичное дробление твердых пород осуществляется в щековой дробилке, а вторичное дробление - в молотковой. Грубоизмельченные сырьевые материалы подаются на усреднение в усреднительные склады. Усреднение сырья - это комплекс технологических и организационных мер, обеспечивающих в течение длительного времени колебание химического состава сырьевой смеси в узких заданных пределах, близких к оптимальным.

Изм. Лист докум. Подпись Дата Разработал Литер Лист Листов Проверил Руковод. Н. контр. Утвердил Основной принцип усреднения основан на перемешивании разнородных пород при их последовательной слоевой отсыпке и последующей выемки в направлении, перпендикулярном отсыпанным слоям. Эффективность усреднения повышается по мере увеличения количества пересыпных слоев при отгрузке разнородных пород. Пройдя дозировочный узел, сырьевые материалы поступают на помол в валковую мельницу, которая предназначена для одновременного помола и сушки сырьевой шихты.

Помольно-сушильная установка имеет более рациональный принцип помола, чем шаровая, требует меньшего удельного расхода электроэнергии, дает возможность более оперативно управлять процессом приготовления сырьевой смеси заданного состава. Для сушки и транспортирования сырьевой смеси используются отходящие газы печного агрегата. В установку входит также индивидуальная топка, предназначенная для подачи сушильного агента при отсутствии отходящих печных газов, а также для повышения температуры отходящих газов при размоле сырья повышенной влажности более 6 . Количество тепла, подаваемого в мельницу, может быть снижено из-за выделения дополнительного тепла при помоле.

Влажность материала сырьевой смеси, загружаемого в мельницу может составлять 15 - 18 1 . Тонкость помола готового продукта обычно находится в пределах 6 - 30 остатка на сите 009 4900 ячеек см2 . В валковой мельнице теплом отходящих газов теплообменников вращающейся печи может быть высушена сырьевая смесь с влажностью до 8 . Для высушивания материала с влажностью 8 - 18 необходимо подводить дополнительное тепло 1 . Усреднение сырьевой муки происходит в двух двухъярусных силосах диаметром 18 м со встроенными под ними узлами питания печи. Из каждого силоса мука поступает в свою ветвь запечных циклонных теплообменников.

Образованию клинкера предшествует целый ряд физико-химических процессов, которые протекают в определенных технологических зонах печного агрегата.

Обжиг клинкера осуществляется в печи 4,580 с циклонными теплообменниками и реактором-декарбонизатором. Обжиг клинкера с дополнительной ступенью декарбонизации в печи позволяет в 2 - 3 раза увеличить её производительность. Сырьевая смесь, освобожденная от поверхностной влаги при помоле с одновременной подсушкой подается в систему циклонных теплообменников, в которых тепловая подготовка смеси осуществляется во взвешенном состоянии в газоходах и циклонах за счет тепла отходящих из печи газов температурой 1000 - 1100 С. Проходя циклонный теплообменник за 20 - 25 секунд, смесь нагревается до температуры 800 - 850 С. При этом глинистые материалы каолинит и др. теряют всю влагу, это сопровождается перестройкой и уплотнением кристаллических решеток.

Аl2О3 х 2 SiО2 х 2Н2О 450- 600оС Аl2O3 x 2 SіО2 2 Н2О - 7800 кДж кг Безводный остаток Al2O3 x 2 SіО2 распадается до оксидов. Аl2О3 х 2 SiО2 Аl2О3 2 SiО2 Происходит декарбонизация сырьевой смеси, примерно, на 15 , а затем в декарбонизаторе за короткое время почти полностью завершается процесс разложения карбонатного компонента сырья Этот процесс в декарбонизаторе протекает практически при постоянной температуре газов 900оС с минимальной разностью температур между газом и материалом, равной примерно 50оС. При этом обеспечивается степень декарбонизации материала, поступающего в печь на 90 . Этот эффект достигается за счет суспендирования частиц материала в газах и сжигания в топке декарбонизатора примерно 60 топлива.

При этом расход топлива в самой печи уменьшается вдвое и составляет примерно 40 от общего расхода топлива.

В самой печи осуществляется только завершение процесса декарбонизации, а также окончание незавершенных процессов клинкерообразования. Одновременно с диссоциацией карбонатов идут реакции в твердом состоянии. Выделяющийся в свободном виде оксид кальция вступает во взаимодействие с оксидами Аl2O3, HO2 и Fe2O3 образует низкоосновные соединения CF, CA, CS. Эти твердофазовые реакции протекают с выделение тепла экзотермическии реакции, в результате чего температура материала начинает возрастать все интенсивнее и сырьевая смесь поступает в следующую зону - зону экзотермических реакций.

В зоне экзотермических реакций протекает насыщение образовавшихся ранее низкоосновных соединений до соответствующих клинкерных минералов по схемам В результате бурного протекания этих реакций, сопровождающихся выделением большого количества тепла, температура материала поднимается на 200-250оС. При температуре 1250-1300оС твердофазовые процессы синтеза минералов заканчиваются и материал к этому моменту состоит из образовавшихся соединений С2S, С3А и С4АF и непрореагировавшего оставшегося в избытке свободного оксида кальция.

На границе между зоной кальцинирования и зоной экзотермических реакций наблюдается пограничный световой контраст, условно разделяющий материал на черный и светлый. Это происходит из-за быстрого разогрева материала на коротком отрезке печи в зоне экзотермических реакций.

Материал, пройдя экзотермическую зону поступает в зону спекания. Здесь он частично плавится, и следовательно, образуется жидкая фаза. Максимальная температура в зоне спекания колеблется обычно в пределах 1420-1470оС и составляет в среднем около 1450оС. Спекание начинается уже при 1300оС, продолжается при подъеме температуры материала до 1450оС и при охлаждении его снова до 1300оС, т.е. в температурном интервале 1300-1450-1300оС. Зона спекания характерна наименьшим перепадом температур газов и обжигаемого материала.

В других зонах он доходит до 400-600оС. Тепло от газов в зоне спекания передается к материалу интенсивно, что осуществляется в основном путем излучения. После расплавления части материала и образования жидкой фазы только С2S остается в твердом состоянии. Однако некоторая его часть также растворяется в жидкой фазе, и соединяясь в ней с оксидом кальция, образует С3S, значительно менее растворимый в растворе, чем С2S. С3S выделяется из жидкой фазы в виде мельчайших, но способных к росту кристаллов.

Некоторая его часть образуется также за счет реакций в твердом состоянии. Наиболее прочны цементы из клинкеров с хорошо оформленными кристаллами алита 3СаО x SіО2 некрупных размеров. Поэтому слишком длительный обжиг и медленное охлаждение, вызывающие чрезмерный рост кристаллов алита, снижают активность цемента. Процесс образования С3S в результате взаимодействия оксида кальция с С2S в жидкой среде постепенно замедляется, так как понижается концентрация растворенных в расплаве оксиды Са и С2S и уменьшается общее количество жидкой фазы. Перевод всего количества С2S в С3S затруднителен и требует достаточно высокой температуры и определенного времени.

Поэтому высоконасыщенные известью сырьевые смеси дают клинкер, содержащий некоторое количество свободного, т.е. неусвоенного в процессе обжига оксида кальция. Но его не должно быть больше 1-2 , т.к. в противном случае запоздалая гидротация такого количества пережженного оксида кальция вызовет неравномерность изменения объема цемента. В зоне спекания формируются клинкерные гранулы.

Этот процесс обусловлен появлением в смеси расплава, который склеивает между собой твердые частички материала с образованием полизернистых агрегатов. Постепенно при механическом уплотнении, под действием слоя материала и перекатывании, эти агрегаты приобретают округлую форму. Из зоны спекания образовавшийся клинкер поступает в зону охлаждения.

В этой зоне температура клинкера понижается с 1300оС до 1200оС. При этом из расплава полностью выкристаллизовывается алит, по мере охлаждения выделяется С2S в виде мелких округлых зерен. Сравнительно крупными сохраняются кристаллы, не растворившиеся в расплаве, кристаллизуются фазы плавни С3А и С4АF. Возрастающая вязкость в зоне охлаждения обуславливает появление стекла, доля которого будет тем больше, чем выше концентрация кремнезема в расплаве и чем быстрее охлаждается клинкер. Кристаллы С3S и С2S в процессе роста при охлаждении соприкасаются и образуют сростки и конгломераты с многочисленными включениями.

Включения в кристаллах указывают на повышенную скорость охлаждения клинкера. Скорость охлаждения может повлиять на фазовый состав клинкера, весьма существенно также влияние величины глиноземного модуля. При величине p 0,9-1,8 имеет место соответствие расчетного и фактического содержания в клинкере алита и фазы плавней. Однако в быстро охлажденных клинкерах уменьшается или иногда отсутствуют кристаллы С3А и С4АF, в то время как содержание алита повышается, а белита понижается. Возможна кристаллизация С5А3 вместо С3А, при этом избыточный оксид кальция связывается белитом до алита.

Клинкер рекомендуется медленно охлаждать до температуры 1200оС с последующим быстрым охлаждением до нормальной температуры. Быстро охлажденный клинкер легче размалывается и дает цемент более высокого качества. Для совместного помола клинкера с добавками в замкнутом цикле применяется трубная мельница размером 3,215 м. Это дает возможность получения цемента с удельной поверхностью 400-450 м2 кг. При замкнутом цикле материал проходит в мельнице более краткий путь, а затем транспортируется к сепаратору, в котором разделяется на грубый крупку и тонкий материал.

Крупная фракция проходит через мельницу несколько раз, а мелкая фракция после отделения в выносных циклонах становится готовым продуктом и больше не возвращается в мельницу. Замкнутый цикл размола является более эффективным, чем размол по открытому циклу. При замкнутом цикле нет переизмельчения материала, кроме того, из сферы размола более быстро удаляются тонкие фракции, что поддерживает скорость измельчения на более высоком уровне.

Отсутствие переизмельчения при замкнутом цикле помола материалов снижает удельный расход энергии особо тонких частиц на мелющие тела, что повышает эффективность измельчения. В схемах с открытым циклом помола переход на выпуск более тонкого цемента быстротвердеющего требует остановки мельницы для изменения ассортимента мелющих тел. При использовании схем с замкнутым циклом этого не требуется, просто меняют циркуляционную нагрузку мельницы - увеличивают многократное прохождение материала через камеру, работающую в цикле с классификатором.

При использовании замкнутого цикла помола температура в мельнице на 25-30оС ниже, чем в мельницах, работающих по открытому циклу. 2.2.