1. Литературный обзор

1. Различные схемы производства вяжущего

Автоклавным способом осуществляют обезвоживания, а сушку продукта в специальном аппарате или же обезвоживание и сушку проводят в одном аппарате. Кроме того, при одних способах в аппараты для обезвоживания гипса пар подают извне, а при других – пар образуется в аппарате испарением воды из гипса во время его нагревания  («самозапаривание» гипса).

Гипсовый камень в виде щебня с размером кусков 10–40 мм пропаривают и сушат в автоклаве-запарнике (демпфере). Он представляет собой вертикально установленный стальной резервуар высотой около 4 м и диаметром 2,2 м с герметически закрывающимися люками для загрузки и разгрузки щебенки.

В загруженный запарник первоначально подают насыщенный пар для тепловой обработки сырья под давлением 0,13 МПа при 124 °С в течение 5 ч. В это время из двуводного гипса выделяется вода в жидком состоянии, причем образуется полугидрат в виде хорошо оформленных крупных кристаллов. Вода, получающаяся при конденсации пара, а также выделяющаяся из двуводного гипса во время тепловой обработки отводится через специальное устройство. По окончании прогрева гипса давление пара снижается до атмосферного. Далее в запарник подаются горячие топочные газы для сушки полученного полугидрата при 120–140 °С в течение 3–8 ч. Весь цикл обработки занимает 10–12 ч. Высушенный материал размалывают в шаровых мельницах. Недостаток способа – значительная продолжительность тепловой обработки и повышенный расход топлива.

Обжиг гипса во вращающихся печах. Вращающиеся печи, применяемые для обжига гипса, представляют собой наклонный металлический барабан, по которому медленно передвигается предварительно раздробленный гипсовый камень. Гипс обжигается топочными газами, образующимися при сжигании различных видов топлива (твердого, жидкого и газообразного) в топочных устройствах при печах.

Наибольшее распространение получили печи типа сушильных барабанов, в которых обогрев производится газами, проходящими внутри барабана. Могут применяться печи и с обогревом топочными газами наружной поверхности барабана, а также печи, в которых топочные газы сначала омываются барабан снаружи, а затем проходят через его внутреннюю полость. В печах с непосредственным обогревом материала между топкой и рабочей полостью барабана часто помещают смесительную камеру, в которой температура выходящих из топки газов понижается за счет смешения с холодным воздухом. Скорость движения газов в барабане составляет 1–2 м/с, при большей скорости значительно увеличивается унос мелких частиц гипса. За барабаном устанавливаются обеспыливающие устройства и дымосос.

Ту часть барабана, в которой наиболее интенсивно протекает дегидратация, иногда расширяют, вследствие чего в этой зоне печи замедляется движение, как газового потока, так и материала, обладающего большой подвижностью, особенно в период «кипения». Для замедления диафрагмы. В рабочей полости барабана укреплены приспособление для перемещения гипса в процессе обжига, что обеспечивает равномерную его дегидратацию. Перемещение устройства создаются также большую поверхность соприкосновения обжигаемого материала с горячим газовым потоком. Отсутствие перемешивающих устройств ухудшают условия дегидратации.

Обжиг гипса во вращающихся печах может производиться по методу прямотока и противотока. По первому методу гипсовый камень подвергают воздействию высоких температур в начале обжига, а по второму – в конце обжига. Температура входящих в печь газов при прямотоке 1223–1273 К, а при противотоке – 1023–1073 К. температура выходящих из печи газов при прямотоке 443–493 К, а при противотоке – 373–383 К. При прямоточном методе материал не пережигается, но повышается расход топлива, так как в зоне максимальных температур протекают лишь подготовительные процессы – подогрев и сушка материала, дегидратация же происходит в зоне более низких температур. Предпочтительнее применять вращающиеся печи, работающие по принципу противотока.

Выходящий из печи горячий материал целесообразно направлять в бункера томления или подвергать горячему помолу. Последний особенно эффективно улучшает свойства гипса, так как быстрее происходит выравнивание минерального состава конечного продукта за счет дегидратации оставшегося двугидрата и связывания освобождающейся воды растворимым ангидритом.

Для получения строительного гипса высоко качества во вращающихся барабанах следует обжигать дробленный гипсовый камень с однородным размером частиц. В противном случае происходит неравномерный обжиг материала: мелкие зерна пережигаются вплоть до образования нерастворимого ангидрита, а внутренняя часть крупных зерен остается в виде неразложившегося двугидрата. В практических условиях загружают в печь материал с размером зерен до 0,035 м, а зерна размером менее 0,01 м отсеивают. Пылевидные частицы образуются в печах вследствие истирания материала при движении в процессе дегидратации, особенно при обжиге более мягких пород гипсового камня. Эти частицы уносятся потоком газов и быстрее проходят через печь, однако часть из них успевает все же полностью дегидратироваться. Желательно обжигать раздельно фракции 0,01–0,2 и 0,02–0,035 м. Отсеянную фракцию с размером зерен менее 0,01 м можно использовать после дополнительного помола для производства строительного гипса и варочных котлах или для получения сыромолотого гипса, применяемого для гипсования солонцовых почв. Длина применяемых для обжига гипса вращающихся печей 8–14 м, диаметр 1,6 и 2,2 м; производительность их соответственно 5–15 т/ч; угол наклона барабанов 3–5⁰; число оборотов 2–5 об/мин; расход условного топлива 45–60 кг на 1 т готового продукта.

Вращающиеся печи являются непрерывно действующими установками, обусловливающими компактную технологическую схему. Во вращающихся печах обжигается дробленый гипсовый камень более крупных размеров, чем в варочных котлах, где он хуже перемешивается. Тем не менее, во вращающихся печах при тщательной подготовке материала, правильно подобранных оптимальных условиях обжига и последующего помола обожженного продукта практически можно получить строительный гипс высокого качества. На рисунке 1 представлена технологическая схема производства строительного гипса с обжигом во вращающихся печах.

Рисунок 1 – Схема производства строительного гипса с применением вращающихся печей: 1 – лотковый питатель, 2 – бункер гипсового камня, 3 – ленточный транспортер, 4 – молотковая дробилка, 5 – элеватор, 6 – шнек, 7 – бункер гипсового щебня, 8 – тарельчатый питатель, 9 – бункер угля, 10 – топка, 11 – вращающаяся печь, 12 – бункер обожженного щебня, 13 – пылеосадительное устройство, 14 – вентилятор, 15 – бункер строительного гипса, 16 – шаровая мельница.

Совмещенный помол и обжиг гипса.

Двойная термическая обработка (сушка и варка) даже при совмещении процесса сушки и помола усложняет производственный процесс. В мельнице наряду с помолом и сушкой гипс в некоторой степени дегидратируется. Однако содержание гидратной воды остается еще высоким, вследствие чего требуется доваривать гипс в варочном котле для полного превращения его в полугидрат. Известны схемы производства строительного гипса, при которых окончательная дегидратация гипса до полугидрата производится в самом помольном аппарате. В этом случае температура поступающих в мельницу дымовых газов должна быть более высокой 873–1073 К, чем просто при совместной сушке и помоле. Температура же отходящих из установки газов 382–423 К. расход условного топлива 40–50 кг на 1 т строительного гипса. Установки для обжига в процессе помола отличаются компактностью (рисунок 2).

Рисунок 2 – Технологическая схема производства гипса при совмещенном его помоле и обжиге: 1 – приемный бункер, 2 – ленточный конвейер, 3 – щековая дробилка, 4 – молотковая дробилка, 5 – элеватор, 6 – дозатор, 7 – шаровая мельница, 8 – топка, 9 – шнек возврата материалов, 10 – воздушно-проходной сепаратор, 11 – система пылеосаждения первой ступени, 12 – бункер готовой продукции, 13 – система пылеосаждения второй ступени, 14 – вентилятор.

Технологические схемы производства при совмещенном помоле и обжиге отличаются друг от друга главным образом помольными аппаратами (шахтные, шаровые, аэробильные мельницы), а также тем, что в одних случаях мельницы работают с однократным использованием теплоносителя, а в других – с возвратом в мельницу части газов после пылеосадительных аппаратов. Применение рециркуляции газов повышает расход электроэнергии, но уменьшает расход топлива.

В установку по совмещенному помолу и обжигу (где обжиг, по существу, происходит во взвешенном состоянии) вследствие повышенной температуры и быстрого обжига наблюдается появление в тонких фракциях и поверхностных слоях крупных частиц растворимого ангидрита, а в центральных слоях этих частиц двуводный гипс остается недегидратированным. Конечный продукт быстро схватывается, в результате чего требуется вводить замедлители.

Получение гипсовых вяжущих варкой в жидких средах. Относительно низкая температура перехода двуводного гипса в полуводный дает возможность получить высокопрочные гипсовые вяжущие тепловой обработкой порошка двугидрата в открытых емкостях в растворах некоторых солей, поскольку температура кипения растворов при атмосферном давлении выше температуры дегидратации гипса. В жидкой среде происходит интенсивная передача теплоты от солевого раствора к частицам гипса, что ускоряет химические реакции. Получаемый продукт однороден по составу и состоит преимущественно из α-полугидрата. В качестве жидких сред применяют водные растворы солей СаС1₂, MgCl₂, MgSO₄, Na₂CО₃, NaCl и др. Продолжительность варки в зависимости от вида раствора и его концентрации составляет 45–90 мин. Полученный таким образом полуводный гипс отцеживают или отделяют от жидкой среды центрифугированием, промывают до полного удаления солей и сушат при 70–80 °С, затем материал размалывают в порошок. Возможно также получение гипсового вяжущего повышенной прочности кипячением молотого гипсового камня в воде с добавкой 1,5–3% поверхностно-активных веществ (сульфитно-дрожжевой бражки, асидола, мылонафта). Температура кипения такого раствора 128–132 °С, время варки 70–90 мин.

Варка в жидких средах позволяет получить продукт высокого качества и сократить длительность производственного цикла, однако необходимость отделения гипса от солевого раствора и дополнительная операция сушки усложняют технологический процесс.

2. Технология производства строительного гипса на базе гипсоварочных котлов периодического действия

   Технологический процесс производства гипсовых вяжущих складывается из ряда последовательных операций:

1. Складирование гипсового камня.

2. Дробление гипсового камня.

3. Помол и подсушка гипсовой щебенки.

4. Улавливание молотого гипсового порошка.

5. Тепловая обработка гипсового сырья (в гипсоварочном котле).

6. Складирование гипсового вяжущего.

Складирование гипсового камня.

Получение гипсовых вяжущих начинается с добычи гипсового сырья. Добывают гипсовый камень на месторождении, который затем с месторождения отправляется по железной дороге вагонами поступает на предприятие и разгружается на открытой эстакаде.

Размеры фракции поступающего камня – до 300 мм или в виде щебня от 5 до 50 мм.

Дробление гипсового камня.

Использование камня фракцией более 300 мм снижает производительность дробильного оборудования, затрудняет выгрузку из вагонов. Влажность камня должна быть не более 7%.

Допускается добавление отходов производства не более 1% от количества подаваемого камня с равномерным дозированием его.

Видимые металлические предметы необходимо удалять за пределы склада.

Гипсовый камень фракции до 300 мм поступает с помощью погрузчика и транспортной системы, состоящей из питателей и ленточного конвейера в щековую дробилку, где он дробится до фракции 20–60 мм. В щековой дробилке рабочими элементами являются две щеки: неподвижная и качающаяся, которая циклично приближается и ударяется от неподвижной щеки. При сближении щек кусок гипсового камня разрушается в результате приложения к нему концентрированных силовых воздействий в точках (на линия) соприкосновения с вершиной волны на броневых облицовочных плитах, установленных как на подвижной, так и на неподвижной щеках. Вершины волн на противоположных плитах смещены на ½ шага волны так, что в целом в куске возникает раскалывающе-разламывающие напряжения. Размер фракции регулируется размером выходной щели дробилки. Для регулирования производительности питателя используется шиберная заслонка, регулируемая приводом. Размеры ленточного конвейера подбирается исходя из габаритов участка дробления исходного материала, а также его производительности.

Помол и подсушка гипсовой щебенки.

Из бункеров гипсового щебня материал загружается в шахтную мельницу на помол. Подача осуществляется автоматически тарельчатым питателем, в зависимости от нагрузки на двигатель шахтной мельницы. Количество подаваемого материала можно регулировать за счёт изменения положения ножа, высоты слоя, числа оборотов тарелки.

Шахтная мельница – это помольная установка, состоящая из молотковой мельницы ММА и прямоугольной металлической шахты, для транспортирования измельченного материала в пылеулавливающую систему.

Мельница представляет собой вал, на который насажен ротор с молотками (билами), заключенный в кожух. Вал вращается в подшипниках качения. Корпус мельницы внутри облицован футеровочными плитами. Ротор состоит из дисков, на которых закреплены держатели, с шарнирно подвешенными молотками.

Электродвигатель связан с мельницей эластичной муфтой.

Подогретые газы поступают в размольную камеру через карманы.

Измельчение материала происходит за счет ударов молотков по кускам измельчаемого материала, а также за счет ударов, образующихся при этом осколков, о футеровку мельницы и друг о друга.

Ротор вращается с частотой 5080 м/с.

ШМА 15 – мельница молотковая аксиального типа (сушильный агент подводится аксиально, т.е. вокруг оси ротора с торцов мельницы), диаметр ротора  мм, длина ротора  мм, частота вращения  об /мин.

В шахтных мельницах производится не только помол, но и одновременная сушка гипсового сырья за счет тепла горячих газов, поступающих от подтопка и отходящих газов от котла.

Загрузка щебня в мельницу производится при температуре поступающих от котлов газов не ниже 400–450 градусов. Температура газов в мельнице 300–400 градусов.

Тонкость помола регулируется скоростью потока в шахте 4–5 м/сек. С увеличением скорости потока увеличивается количество крупной фракции.

Тонкость помола устанавливается в зависимости от назначения гипсового вяжущего до 10%.

Температура поступающих топочных газов должна быть достаточной для подсушки гипсового сырья до 8095 С на выходе из шахтной мельницы. Для этой цели в подтопке поддерживается температура зимой – 10001100 С, летом  850–950 С.

Если количество газов и их температура ниже требуемых величин, то молотый гипс имеет низкую температуру, слеживается в бункерах и плохо перемещается в шнеках. Это приводит к увеличению времени загрузки котла и цикла варки и снижает производительность котла.

При температуре 80–95 С порошок подвижен, обладает хорошей текучестью.

Для стабильной работы мельницы в шахте и газоходах вентиляторами создается разряжение равное 0,50,6 кПа (5060 мм. вод. ст.)

Тепло, поступающее в шахтную мельницу, расходуется на нагрев материала, частичное испарение кристаллизационной (гидратной) воды.

Влажность сырой муки при выходе из шахты должна быть не более 0,5%.

Подогретый гипсовый порошок, находящийся во взвешенном состоянии в газовом потоке, поднимается по шахте и осаждается в пылеосадительных аппаратах.

Улавливание молотого гипсового порошка.

Пылеосадительная система состоит из трех ступеней очистки:

 инерционный пылеулавитель;

 спаренные циклоны;

 электрофильтр.

Газовоздушная смесь из мельницы через шахту с помощью воздушного потока, который создаётся за счёт промежуточных вентиляторов, поступает в сдвоенные циклоны, где крупные частицы гипсового порошка оседают и через клапан-мигалки шнека поступают в бункера сыромолотого гипса, а мелкие частицы с помощью концевых вентиляторов уносятся в электрофильтры.

На верху шахтной мельницы установлен инерционный пылеотделитель.

Газ в пылеотделителе разгоняется на дугообразном участке до скорости 17,5 м/с. Под действием центробежных сил, частицы гипсовой пыли отбрасываются к стенкам корпуса. Попадая на жалюзийную решетку и стремясь, по инерции, сохранить направление движения, частицы гипсовой пыли попадают в пылевой отсек и далее попадают на в шнек, а затем на клапан мигалку, который при наполнении клапана до 3-х килограмм сбрасывает гипсовую муку в бункера сырой муки над гипсоварочными котлами.

Предварительно очищенный в инерционном пыле-отделителе газовый поток подается на вход спаренных циклонов ЦН-15 НИИОГАЗ (группа из двух циклонов). Принципиально циклон работает по следующей схеме: газы, направляющиеся в аппарат, поступают в цилиндрическую часть циклона и совершают движение по спирали с возрастающей скоростью от периферии к центру, спускаются по наружной спирали, затем поднимаются по внутренней спирали и выходят через выхлопную труду.

Основными факторами, влияющими на эффективность работы циклонов, являются скорость газового потока на входе в аппарат, диаметр циклона, подсос воздуха через неплотности подсоединения, запыленность газов.

Запыленность газов на входе в циклоны в среднем составляет 350 г/нм³, на выходе  28,1 г/нм³. Эффективность улавливания в циклонах составляет 91% (по данным института ГИПРОГАЗООЧИСТКА 1983 г.).

После циклонов газы поступают в электрофильтр Ц 7,5–2СК, а осажденный гипсовый порошок собирается в бункерах над гипсоварочными котлами.

В качестве третьей ступени очистки запыленного воздуха в технологической линии после циклонов установлены электрофильтры марки Ц 7,5–2СК.

Электрофильтры Ц 7,5–2СК односекционный двухпольный аппарат с горизонтальным ходом газа. Корпус стальной, сварной. В корпусе электрофильтра подвешены рамы с натянутыми на них нихромовыми проволоками диаметром 2 мм. Эти рамы заряжаются отрицательно и называются отрицательными или коронирующими электродами. Рамы расположены между положительно заряженными пластинами из листовой волнистой стали, называемыми осадительными электродами.

Запыленный газ поступает в электрофильтр через входной и удаляется через выходной люк.

Максимально допустимая температура газов в электрофильтре 200 градусов по Цельсию.

Частицы гипсовой пыли оседают на электродах. Специальные механизмы периодически их встряхивают, очищая от налипшей пыли, которая собирается в бункерах фильтра, откуда через клапан-мигалки с помощью шнека поступает в пневмокамерный насос, а из него в бункера сыромолотого гипса.

Третья стадия производства.

Варка гипсового порошка происходит в гипсоварочном котле топочными газами с температурой 800–900 °С, подаваемыми по наружным каналам, созданным футеровкой котла и жаровым трубам. Теплоносителем в этих проходах служат продукты сгорания природного газа (жидкого светлого топлива) в специальной топке. Варка гипса производится при постоянном перемешивании и длится 1–2 часа и более. Гипс в варочном котле непосредственно не соприкасается с дымовыми газами, его температура составляет 100–180 °С. Сжигание газообразного (жидкого) топлива происходит в печи обогрева. Первый период – Рабочая температура до 110–120 °С соответствует нагреву порошка от температуры при загрузке до температуры начала интенсивной дегидратации гипса. Далее наступает процесс обезвоживания испарения кристаллизационной (гидратной) воды. Этот период внешне характеризуется «кипением массы». Третий период характеризуется быстрым подъемом температуры и резким снижением интенсивности реакций дегидратации. По мере прекращения парообразования и увеличения плотности полученных продуктов дегидратации гипса масса уплотняется и снижается ее уровень в котле (первая «осадка» порошка). Вторая «осадка» порошка наблюдается в последний период варки и соответствует обезвоживанию полугидрата сульфата кальция до растворимого безводного сульфата кальция (ангидрита). Готовый продукт выгружается из котла в приемный бункер, откуда механическим или пневматическим транспортом передается в силосные склады для хранения и отгрузки потребителям.

Транспортирование готового продукта.

Выгрузка гипсового вяжущего из котла производится за 4–5 минут через течку в пневмокамерный насос, в котором находится 10–15 минут.

Из пневмокамерного насоса гипсовое вяжущее транспортируется с помощью пневмопровода по направлениям: силоса №№ 1, 2, 3, 4; бункерное хозяйство СП, бункерное хозяйство ПЛГ.

На дне котлов необходимо оставлять слой гипса толщиной 50 мм, во избежание прогорания днища.

После выгрузки гипсового вяжущего из котла шибер выпускного отверстия плотно закрывается и котёл немедленно загружается снова.

Технологическая схема производства.

Варочный котел периодического действия (рисунок 3, 4) представляет собой обмурованный кирпичом стальной котел 4 со сферическим днищем 1, обращенным выпуклой стороной внутрь цилиндра. Для перемешивания гипса в котле имеется мешалка 2, приводимая в движение электродвигателем 3. Раскаленные топочные газы обогревают днище и стенки котла, а также проходят через жаровые трубы 5 внутри котла и в охлажденном состоянии удаляются по дымовой трубе. Продолжительность варки 90–180 мин. При варке в котле гипс не соприкасается с топочными газами, что позволяет получать чистую продукцию, не загрязненную золой топлива.

Рисунок 3 – Технологическая схема производства строительного гипса.

1 – мостовой грейферный кран; 2 – бункер гипсового камня; 3 – лотковый питатель; 4 – шнековая дробилка; 5 – ленточные транспортеры; 6 – бункер гипсового щебня; 7 – тарельчатый питатель; 8 – шахтная мельница; 9 – сдвоенный циклон; 10 – батарея циклонов; 11 – вентилятор; 12 – рукавные фильтры; 13 – пылеосадительная камера; 14 – шнеки; 15 – бункер сырого молотого гипса; 16 – камера томления; 17 – гипсоварочный котел; 18 – элеватор; 19 – бункер готового гипса; 20 – скребковый транспортер.

Варочный котел:

Рисунок 4 – Варочный котел для изготовления строительного гипса: 1 – днище; 2 – смеситель; 3 – электродвигатель; 4 – котел; 5 – жаровые трубы; 6 – выгрузочный желоб.

Вывод. Все перечисленные способы используются на различных предприятиях и имеют свои плюсы и недостатки. Автоклавный способ используется на ООО «Ишимбайский гипсовый завод» Ишимбайского района республики Башкортостан на базе крупнейшего месторождения гипсового камня. Этот способ очень энергоемкий и поэтому дорогостоящий. Продукт получается высококачественным, марки Г8, что является плюсом.

В Камско-Устьинском районе возле села Сюкеево, в Татарстане запустился крупнейший комплекс по добыче, переработке гипса и производству гипсовых материалов «Фоника Гипс» (ТМ «Аксолит»). Применение вращающихся печей влечет за собой пережог мелких зерен вплоть до образования нерастворимого ангидрита. Плюс в том что в печи происходит одновременный помол и превращение дигидрата в полугидрат сульфата кальция

Завод строительного гипса NOVAGIPS в 2014 году была запущена автоматическая линия по производству строительного гипса марок Г5–Г7 на ООО «Звениговский завод строительного гипса».

Карьер гипсового камня на базе Чумкасского месторождения находится в Добрянском районе Пермской края, в 30 км от города. Перми и связан с заводом железной и автомобильной дорогами. Все перечисленные заводы находятся на месторождении гипсового камня, а Свердловский завод гипсовых изделий использует привозное сырье из камского месторождения, что намного удорожает себестоимость готовой продукции.