2. Основные технологические схемы производства портландцемента

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Обжиг сырьевой смеси как при сухом способе

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

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

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

В зоне подогрева, которая следует за зоной сушки сырья, при постепенном нагревании сырья с 200 до 700°С сгорают находящиеся в нем органические примеси, из глиняных минералов удаляется кристаллохимическая вода (при 450-500°С) и образуется безводный каолинит Al₂О₃2SiО₂. Подготовительные зоны (испарения и подогрева) при мокром способе производства занимают 50-60 % длины печи (считая от холодного конца); при сухом же способе подготовка сырья сокращается за счет зоны испарения.

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

В зоне экзотермических реакций (1100-1250°С) проходят твердофазовые реакции образования ЗСаОА1₂О₃; 4CaO-AI₂O₃-Fe₂O₃ и белита. Эти экзотермические реакции на сравнительно коротком участке печи (5-7% ее длины) сопровождаются выделением большого количества теплоты (до 420 кДж на 1 кг клинкера) и интенсивным повышением температуры материала (на 150-200°С).

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

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

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