Выбор и обоснование способа производства

Производство портландцемента – сложный технологический процесс добычи и доставки на завод сырьевых материалов (шлака и известняка), приготовление сырьевой смеси (дробление, помол и усреднение её состава), обжига сырьевой смеси до спекания (получение клинкера), помол клинкера с гипсом (получение портландцемента).

Способ подготовки сырья зависит от различных причин: структуры и химического состава цементных сырьевых материалов, от местного климата, требований, предъявляемых к качеству цемента. Правильный выбор способа производства портландцемента можно произвести в каждом отдельном случае только на базе технико-экономических обоснований.

Основными способами производства в мировой цементной промышленности являются мокрый и сухой. Преобладает мокрый способ, которым выпускают 70 % общего производства клинкера в мире. Выбор способа приготовления сырьевой смеси при проектировании новых предприятий определяется целым рядом факторов, связанных со свойствами сырья, его однородностью и влажностью, наличием топливной базы в районе строительства и др.

Мокрый способ целесообразнее при мягких, пластичных, хорошо размучивающихся сырьевых компонентах, имеющих, как правило, высокую естественную влажность (20-30 % и более). Мокрый способ целесообразен и при естественной влажности твердого сырья более 12-15 %, т.к. при сухом способе потребуются большие затраты топлива на испарение воды.

При наличии твердых сырьевых компонентов умеренной влажности (известняка, глинистого мергеля), которые могут быть измельчены только в мельницах, производство портландцемента может быть организовано по сухому способу.

Сухой способ целесообразен при ограниченной топливной базе и высокой стоимости топлива. [5]  

В качестве сырья применяем доменный шлак, кроме того, естественная влажность применяемого карбонатного сырья (известняка) составляет 6,9 %., следовательно, наиболее экономичным будет сухой способ производства.

Технологическая схема

Приготовление сырьевой смеси заданного химического состава и с определенными физическими свойствами (влажность, тонкость измельчения, текучесть) является одним из основных процессов цементной технологии. Высокое качество сырьевой смеси, минимальные отклонения от заданных параметров обеспечивают нормальное протекание последующих технологических процессов.

 Процесс приготовления сырьевой смеси включает: измельчение (грубое и тонкое), дозировку, смешивание сырьевых компонентов и корректировку химического состава сырьевой смеси, гомогенизацию откорректированной смеси и подачу её на обжиг.

Известняк завозим на завод железнодорожным транспортом, выгружаем на складе, откуда питателем подаем на первичное дробление в щековую дробилку (1) для измельчения на куски размером 200 – 300 мм.

Шлак также завозим автотранспортом. Выгружаем на склад хранения шлака, откуда ленточным питателем подаем первичное дробление с сушкой(2).

Колошниковую пыль, размолотый шлак и известняк питателями подаем на совместный помол с сушкой в шаровую мельницу(4).

Сырьевая мука подается в гомогенизационные силосы (над которыми расположены бункера корректирующих добавок, измельченных до нужных размеров), где производятся корректирование ее состава до заданных параметров и гомогенизация путем перемешивания при помощи сжатого воздуха(5).

    Гомогенизационные силосы – это цилиндрические емкости с плоскими или конусными днищами. В силосах вместимостью 200 – 400 м³ осуществляется усреднение и корректировка сырьевой муки, а в силосах вместимостью 1500 – 2500 м³ она хранится перед подачей на обжиг. Из силосов откорректированная сырьевая мука подается на обжиг(7) в печь с циклонными теплообменниками (6), в противоположный конец которой через форсунки поступает топливо (газ).

 Известняк       Шлак                   Газ        Колошн.пыль        Гипс

Добыча        Добыча                                                                                                                                                                                          

                                                                                                          Дробление(3)

 Дробление(1)    Дробление (2)                                                                    

                         с сушкой                                                                  Дозирование

Усреднение   Усреднение

 на складе      на складе                      

Дозирование  Дозирование                                                                        

   Совместный помол

   с сушкой в мельнице(4)

          Гомогенизация в

  смесительных силосах(5) -------------------------------

Циклонный теплообменник(6)               Гранулятор

        Декарбонизатор                             Конвейерная

                                                                кальцинирующая решетка

            Обжиг во

      вращающаяся печи(7) ----------------------------------

         Холодильник(8)                                      

              Клинкерный(9)                                  

               склад                                                                               

          Дозирование

        Помол клинкера с гипсом в мельнице(10)               

    Складирование цемента(11)

          Упаковка(12)                          Отправка цемента в вагонах,

                                                                автомашинах(13) и  т.п.                                                             

Отправка цемента в мешках

  Рисунок 4.1 – Технологическая схема производства портландцемента по сухому способу     

Обжиг сырьевой смеси – самый важный технологический процесс. Температура обжига 1450 ^оС. Для обжига применяем вращающиеся печи сухого способа производства. В последнем случае в печи подают сухую сырьевую муку. В цик­лонных теплообменниках сырьевая смесь подогревается и частич­но декарбонизируется, а в короткой вращающейся печи завер­шается процесс разложения известняка и осуществляется процесс спекания. Если из компонентов сырьевой смеси при небольшом увлажнении (12—14 %) можно получить прочные гранулы, то сухую сырьевую муку предварительно увлажняют и гранулиру­ют, а затем подают в клинкерообжигательный агрегат, состоя­щий из конвейерного кальцинатора (решетки) и короткой вра­щающейся печи.

Применение встроенных в печи ячейковых и других типов теп­лообменников улучшает теплоотдачу от газов к сырьевой муке, уменьшает расход тепла примерно на 15—20 % и повышает про­изводительность печи на 10 %. За рубежом и в СССР применяют ячейковые теплообменники полочного типа, состоящие из ряда сопрягаемых в центре сечения печи кронштейнов, делящих это сечение в зоне подогрева на шесть продольных ячеек длиной 20-25 м. Винтолопастной теплообменник, состоящий из нескольких крыльчаток с радиально расположенными лопастями и установленный в зоне подогрева, сильно завихряет газы и пересыпам шихту, улучшая их контакт с сырьевой смесью. Изготовляют теплообменники из специальных жаропрочных сталей, содержащих хром, никель и другие компоненты. Большим недостатком устройств является повышенный (до 20—25 %) унос сырья с от­ходящими газами. Расход тепла на обжиг в современных печах сухого способа со встроенными теплообменниками значительно выше, чем в пе­чах с конвейерными кальцинаторами (около 3,3 Мдж/кг клинкера или 800 ккал/кг клинкера) и в печах с циклонными теплообмен­никами (3,2—3,3 Мдж/кг клинкера или 760—790 ккал/кг клинке­ра). Этот и другие недостатки (высокая температура отходящих газов, затрудняющая их обеспыливание, низкая удельная произ­водительность, потребность в дефицитных жаропрочных сталях для теплообменников) сильно ограничивают применение этих печей.

Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками харак­теризуются простотой конструкции и эксплуатации. Они надежны в работе (коэффициент использования 0,92—0,96) и обеспечива­ют низкий расход тепла на обжиг клинкера. Весьма важно также 10, что в них используется негранулированная сухая (влажность 0,5—1 %) сырьевая мука. Это существенно упрощает процесс под­готовки шихты и снижает затраты тепла на обжиг. Нагрев пылевидной сырьевой смеси во взвешенном состоянии с высокоразвитой удельной поверхностью протекает чрезвычайно быстро (при­мерно 20 сек вместо 2—3 ч в обычных печах). Циклонные теплообменники (рис. 4.2) имеют четыре ступени циклонов, сваренных из листовой стали толщиной 12—16 мм, футерованных внутри огнеупорами и расположенных по вертикали. Мерные три ступени снизу диаметром по 4,5—4,8 м; 4-я ступень состоит из двух циклонов диаметром 2,5—2,8 м. Высота этих циклонов меньше, чем циклонов-пылеуловителей. Циклоны соединены между собой футерованными газоходами. Нижний циклон соединен с откатной головкой—загрузочной камерой холодного (верхнего) конца печи. К разгрузочным конусам циклонов присоединены трубы (течки) для спуска обжигаемого материала во входной газоход ниже расположенного циклона. В течках установлены затворы-мигалки. Газоходы изготовлены из листовой стали толщиной 5—6 мм. Сырьевая мука из бункера 18 (рис. 4.2)

Через питающий шнек 17 с помощью элеватора 16 через питаю­щие шнеки 12 и 14 и ячейковый питатель 15 подается в газоход 9, где подхватывается газами, имеющими температуру 400 °С, и вы­носится в циклоны 8 (4-я ступень). По пути сырьевая мука на­гревается газами и осаждается в циклонах 8 4-й ступени, а охлажденные до 300—350 °С газы по газоходу 10 поступают в обеспыливающие циклоны 11 и далее дымососом выбрасываются в дымовую трубу. Осажденная в этих циклонах пыль стекает в сырьевой бункер 18. Из циклонов 4-й ступени мука, нагретая до 250—350 °С, стекает в газоход 13, где также увлекается газами в  циклон 6 3-й ступени, из которого попадает таким же образом сначала в циклон 5 2-й ступени, а затем в циклон 3 1-й ступени и в печь 1.

Рис. 4.2 Схема установки циклонных теплообменников вра­щающейся печи.

1— печь; 2, 4, 9, 10 и 13 — газоходы; 3 — циклон 1-й ступени; 5 — циклон 2-й ступени; 6 — циклон 3-й ступени; 7 — рассекатели; 8 — циклоны 4-й ступени; 11 — обеспыливающие циклоны; 12 14 и 17 — питающие шнеки; 15 — ячейковый питатель; 15 —элеватор; 18 — бункер; 19—дымовая труба.

Откатная загрузочная головка-камера (рис. 4.3) вращающейся печи, являющаяся соединительным узлом между вращающейся печью и циклонами, сварена из стального листа и футерована шамотом. Открытой цилиндрической частью она входит внутрь загрузочного конца печи, оборудованного уплотнением, состоящим из шайбы 1, прикрепленной к торцу печи, и стального кольца 2, свободно надетого на камеру. Нагретая сырьевая смесь из циклонных теплообменников вводится в печь по встроенной в камеру наклонной водоохлаждаемой трубе 3. Вода поступает в рубашку трубы по патрубку 4 и выходит по патрубку 5. В задней стенке камеры имеются смотровое отверстие 6 и лаз 7, закрытые плотными крышками. В боковых стенках имеются отверстия для выхода отходящих газов печи в циклоны. Камера смонтирована на скатах, могущих перемещаться при ремонте печи по рельсам после отсоединения от газоходов, водопровода и сырьевой течки.

Следует отметить оригинальный противоточно-поточный ха­рактер движения муки и газов в данной установке. Газы движут­ся снизу вверх, переходя из циклона в циклон, а сырьевая мука — навстречу им сверху вниз; в то же время в каждом отдельно взя­том газоходе и циклоне газ и сырьевая мука движутся в одном направлении. Сырьевая мука нагревается в циклонах примерно до 700 °С, а газы охлаждаются с 850—900 до 300—350 °С. [7]

Рис. 4.3 Откатная загрузочная головка-камера вращающейся печи

 Во время обжига происходят физические и физико-химические превращения сырьевой муки, образуется новый материал – клинкер. Охлаждение клинкера начинается в последней зоне – зоне охлаждения до температуры 1100 – 1000 ^оС. Дальнейшее резкое охлаждение клинкера протекает в специальных холодильниках (8), откуда он поступает на клинкерный склад (9). Гипсовый камень со склада направляем в молотковую дробилку (3). В клинкер добавляем шлак (после первичного дробления с сушкой). Клинкер  со склада совместно с 3 - 5 % природного гипса направляем на измельчение в трубную мельницу (10). Измельченный портландцемент поступает в цементные силосы (11), представляющие собой железобетонные резервуары цилиндрической формы, где цемент хранится до отправки потребителю. Выгруженный из силосов портландцемент упаковывают в 4-5 – слойные бумажные мешки из крепкой, не пропускающей влаги бумаги. Упаковка в мешки производится в упаковочной машине (12), автоматически насыпающей одновременно несколько мешков.

Нетарированный цемент транспортируют навалом в специальных саморазгружающихся железнодорожных вагонах-цементовозах (13) и в автоцементовозах.

Упакованный в мешки цемент (по 50 кг) хранят на складе цемента (14) до отправки потребителю.