Производство портландцемента по сухому способу

ВВЕДЕНИЕ
      Цемент представляет собой искусственное неорганическое вяжущее вещество и является одним из основных материалов, используемых в строительстве. Наибольшее распространение среди вяжущих веществ приобрела такая разновидность цемента как портландуемент. Технология производства портландцемента состоит из пяти стадий: добыча сырья, измельчение, гомогенизация сырья, обжиг, помол клинкера с получением цемента. В данной работе рассматривается процесс обжига цементного клинкера по мокрому способу – предпоследняя стадия производства цемента.
      Обжиг сырьевой смеси заданного состава является важнейшей частью производства цемента. 
      В отличие от сухого способа производства цемента, при мокром – размол сырьевых компонентов осуществляется в мельницах в присутствии воды, которая играет роль понизителя твёрдости, интенсифицирует процесс помола и уменьшает удельный расход энергии на помол. Полученная сметанообразная масса (пульпа) корректируется до заданного состава и направляется на обжиг.
      В процессе обжига полученная пульпа проходит через четыре стадии химических превращений:
*  испарение воды;
*  выделение связанной воды из глинистого вещества;
*  диссоциация карбоната магния;
*  диссоциация карбоната кальция;
*  соединение извести с глинистыми минералами, т.е. формирование главных минералов клинкера.
      Процесс обжига в основном проводят в трубчатых вращающихся печах. Основными параметрами, влияющими на качество получаемого в процессе обжига клинкера, являются расходы, пульпы, топлива, воздуха, температуры материала и отходящих газов, состав отходящих газов и т.д. Стабилизация и регулирование данных параметров существенно повышает качество продукта и экономическую эффективность процесса.
      Актуальным направлением научных исследований является создание моделей процесса обжига клинкера  и создание систем управления данным процессом.
      Целью настоящей работы является моделирование процесса обжига цементного клинкера в трубчатой вращающейся печи на основе архивных данных, полученных с ЗАО «Метахим» и синтез автоматизированной системы управления данным процессом в программной среде Proficy CSense.
      
      Портландцемент
      
      Портландцемент – это вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера с гипсом и добавками и при разбавлении водой образующее тесто, способное затвердевать на воздухе и в воде.
      Сырьевую смесь для получения портландцементного клинкера требуемого состава и свойств составляют из нескольких компонентов.
      Получают портландцементный клинкер путем обжига сырьевой смеси, состоящей преимущественно из известкового компонента, представляющего собой в основном из карбоната кальция, и глинистого компонента, в состав которого входят кислотные оксиды SiO2 и А12О3.  В некоторых случаях, если есть возможность, два основных компонента заменяют одним мергелем. Мергель является смесью глинистых веществ и карбоната кальция в соотношении, необходимом для производства клинкера.
      Продукт, соответствующий по составу портландцементному клинкеру, также может быть получен путем полного расплавления сырьевой смеси.
      Химико-минералогический состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по массе). Основными составляющими являются: СаО-63-66%, SiO2-21-24%, Al2O3-4-8%, Fe2O3=2-4%, общее количество которых составляет 95-97%. Основные оксиды в процессе обжига образуют силикаты, алюминаты, алюмоферрит кальция. Основными минералами клинкера являются:
      Алит 3CaO?SiO2– главный минерал цементного клинкера, имеет высокую активность в реакции с водой (в начальном сроке). Быстро твердеет и набирает высокую прочность, содержится в клинкере в количестве 45-60%. 
      Белит 2CaO?SiO2 – второй по важности и содержанию (20-30%) минерал клинкера. Не менее активен, чем алит. Твердеет медленно. По истечении месяца его продукт обладает сравнительно невысокой прочностью. 
      Трехкальциевый алюминат 3СаО?Al2O3. Самый активный минерал в составе портландцементного клинкера, отличается быстрым взаимодействием с водой. Имеет высокое тепловыделение. Быстрое твердение минерала порождает раннее структурное образование в цементном тесте и сильно ускоряет сроки схватывания (несколько минут). Без введения дополнительных добавок  в виде гипса получается бетонная смесь, которая не успевает перемешаться и уложиться в форму. 3СаО?Al2O3 наименее морозостойкий из всех минералов в составе клинкера. Содержание в клинкере 4-12%.
      Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО?Al2O3?Fe2O3 обладает умеренным тепловыделением. Быстрота твердения занимает промежуточное положение между алитом и белитом. Прочность продуктов твердения (гидратация) в ранние сроки ниже, чем у алита и выше, чем у белита, содержится в количестве 10-20%. Содержание СаО и MgO не должно превышать соответственно 1 и 5%, иначе снижается качество цемента. Щелочи(Na2O, K2O) присутствуют в виде сульфатов, их содержание не должно превышать 0,6% из-за опасности растрескивания.
      Для регулирования содержания в сырьевой смеси того или иного оксида вводятся корректирующие добавки. Так при недостатке SiO2 в сырьевую смесь вводят трепел, песок, опоку, диатомит и другие вещества, имеющие высокое содержание оксида кремния. При недостатке Al2O3 добавляют бокситы, алюминиевые шлаки а также глину с высоким содержанием оксида алюминия. Недостаток Fe2O3 восполняют введением в сырьевую смесь железной руды, колошниковой пыли, колчеданных огарков.
      Использование тех или иных сырьевых материалов в процессе производства портландцемента определяют на основании анализа условий производства, добычи сырья, химико-технологических характеристик материалов.
      В процессе производства  портландцемента к портландцементному клинкеру допускается в соответствии со стандартом изготовления добавлять активные добавки. Делается это в целях снижения экономических и материальных затрат. Обжиг клинкера достаточно энергоемкий процесс, требующий большого расхода топлива. В отличие от обжига клинкера при сушке и подготовке минеральных добавок для смешивания с клинкером затрачивается в 10 раз меньше топлива, что делает оптимальным по соотношению цена-качество производство портландцемента с введением добавок.
      В качестве добавок в портландцементный клинкер вводятся 3 группы веществ: 
* Активные минеральные добавки
* Гипс
* Поверхностно-активные добавки (ПАВ)
       Активные минеральные добавки подразделяются на природные и искусственные.
      Природные активные минеральные добавки делятся в зависимости от происхождения на:
* Добавки осадочного происхождения (диатомиты, трепелы, опоки)
* Добавки вулканического происхождения (пеплы вулканические, туфы вулканические, пемза)
      Искусственные минеральные добавки, использующиеся при производстве цемента: доменные гранулированные шлаки, кремнеземистые добавки, топливные золы и шлаки и  обожженные глины.
      Помимо активных минеральных добавок в портландцемент добавляют гипс.  Гипс является неотъемлемой частью портландцемента и добавляется к клинкеру в виде гипсового камня. По химическому составу гипсовый камень представлен в основном двуводным сернокислым кальцием CaSO4?2H2O.
      Поверхностно-активные добавки вводятся в портландцемент для повышения пластичности цемента или же достижения его гидрофобности. В зависимости от свойств, которыми ПАВ придают продукту, выделяют:
* Пластифицирующие ПАВ
* Гидрофобные ПАВ
      При введении ПАВ того или иного вида цемент приобретает дополнительное название в соответствии с приобретенными свойствами.
      Пластифицирующие поверхностно-активные добавки применяют в виде концентратов сульфитно-спиртовой барды. Они образуются как отход при получении целлюлозы по сульфитному способу. Оптимальное количество вводимой добавки в цемент находится в пределах 0,15-0,25% от массы цемента, считая на сухое вещество добавки.
      Гидрофобизующие поверхностно-активные добавки применяют в виде асидола, асидол-мылонафта и мылонафта, являющихся нафтеновыми (нефтяными) кислотами, образующимися при переработке нефти. Кроме указанных веществ, применяют также олеиновую кислоту. Она содержится в животных жирах. Количество вводимой гидрофобизующей добавки зависит от ее вида и состава цемента и устанавливается опытом. Обычно величина этой добавки находится в пределах от 0,06 до 0,30% от массы цемента, считая на сухое вещество добавки.
      Для лучшего распределения добавок в цементе их вводят в цементную мельницу в жидком виде. Для этой цели применяют специальные дозировочные механизмы. Если же добавки поступают ил завод в виде пасты, например мылонафт, или в твердом состоя их растворяют и горячей коде.
       Готовый портландцемент представляет собой порошок серо-зеленого цвета тонкого помола.  Вышеописанные минералы, входящие в состав клинкера, задают основные свойства портландцемента. Портландцемент обладает такими отличительными особенностями как быстрое нарастание прочности, полная воздухостойкость, водостойкость в пресной воде, достаточная морозостойкость в растворах и бетонах.
      Портландцемент применяется в зависимости от марки в следующих областях строительства:
* Марка 400. Для железобетонных монолитных конструкций, для аэродромного строительства.
* Марки 400 и 500. Для сборных железобетонных конструкций, гидротехнических сооружений (для пресной воды), наружных частей монолитного бетона массивных сооружений, аэродромного строительства, асбестцементных изделий, дорожного строительства.
* Марка 600. Для изготовления сборных сборных железобетонных конструкций из бетонов высоких марок.
* Марка 700. Для изготовления высокопрочных бетонов и предварительно напряженных сборных железобетонных конструкций высокой прочности.
      
      Основные схемы производства портландцемента 
      Процесс получения цемента заключается  в добыче сырья,  его дроблении, тонком измельчении, приготовлении гомогенизированной сырьевой смеси заданного состава, обжиге полученной смеси до спекания с получением клинкера, помоле клинкера с добавками в виде небольшого количества гипса и активных минералов в порошок тонкого помола – цемент. Сырьевую смесь получают путем измельчения, совместного или раздельного, двух и более компонентов и последующего тщательного их смешивания, гомогенизации, усреднения и корректировки до заданного состава в сухом состоянии или же в присутствии воды. В зависимости от нюансов подготовки сырьевой смеси выделяют три основных способа производства цемента: мокрый, сухой и комбинированный.
      Производство портландцемента по мокрому способу
      Технология производства цемента по мокрому способу существует с начала XX века, и ее развитие и повышение эффективности осуществлялось в основном путем совершенствования технических средств производства. Согласно этой технологии сырьевые компоненты  подвергаются измельчению до сметанообразной массы с тонкостью помола шлама с содержанием до 85% — 90% частиц размером 80 мкм и менее. 
      Добавление воды при процессе помола сырьевых компонентов позволяет существенно снизить расход электроэнергии на измельчение, обеспечить достаточную однородность и текучесть полученной смеси. Измельченная сырьевая смесь (шлам) с влажностью от 32% до 50% поступает в трубчатую вращающуюся печь, в которой осуществляется сушка шлама, его декарбонизация, спекание и последующее охлаждение клинкера.
      Продукты горения направлены противотоком относительно движения материала в трубчатой вращающейся печи. В качестве теплоносителя используется природный газ с температурой факела от 1800 °C до 2000 °C.
      В Российской Федерации на данный момент более 60% производства цемента осуществляется по мокрому способу.
      Схема производства портландцемента по мокрому способу представлена на рисунке 1.

      Рисунок 1 – схема производства портландцемента по мокрому способу
      
      Производство портландцемента по сухому способу
      Технология сухого способа производства впервые была разработана в 1830-е годы. Основное преимущество сухого способа – снижение расхода топлива на производство клинкера относительно других способов производства цемента, в особенности, относительно мокрого способа. В технологии сухого способа при естественной влажности сырья от 6% до 25% затраты на выпаривание влаги из шлама составляют всего 10% - 25% от общего расхода на обжиг клинкера, в то время как при производстве цемента по мокрому способу затраты на выпаривание составляют от 40% до 50%.
      До 1990-х годов применяемость сухого способа была ограничена из-за более сложного процесса усреднения сырьевой шихты а также из-за повышенного пылевыделения, особенно в печах с конвейерными кальцинаторами. В 1990-х годах были разработаны высокоэффективные агрегаты для помола сырья с одновременной сушкой а также пылеулавливающих аппаратов и технологических линий мощностью до 4 млн тонн в год, в то время как для технологии мокрого способа максимальная мощность линии составляет 650 тысяч тонн в год. Все вышеперечисленное решило проблемы, присущие сухому способу производства портландцемента и широкое распространение получил высокоэффективный сухой способ.
      При сухом способе производства дробленые сырьевые материалы высушиваются и тонко измельчаются. Полученная сырьевая мука после корректировки и усреднения до заданного химического состава обжигается во вращающихся или шахтных печах. Технологическая схема производства портландцемента по сухому способу представлена на рисунке 2.

      Рисунок 2 – схема производства портландцемента по сухому способу
      Производство портландцемента по комбинированному способу
      Комбинированный способ производства портландцемента совмещает в себе технологии мокрого и сухого способов. Сущность технологии комбинированного способа производства заключается в том, что процесс измельчения и гомогенизации сырья осуществляется аналогично технологии мокрого способа (см. рисунок 3). Подготовленный в соответствии с требуемыми физическими и химическими показателями шлам направляется в прессфильтр, где происходит частичное механическое обезвоживание шлама от влажности от 40 % — 45 % до 18 % — 22 %. Агломерация полученного кека осуществляется в грануляторах или сушилках-дробилках, в которых при обработке кека обеспечивается придание ему размеров и формы для оптимизации процесса обжига.

      Рисунок 3 – схема производства портландцемента по комбинированному способу
      
      Недостатки и достоинства способов производства портландцемента
      Каждая из описанных выше технологий производства портландцемента имеет свои недостатки и преимущества. Например, в присутствии воды упрощается измельчение материалов и легче обеспечивается гомогенность сырьевой смеси, однако расход тепла на обжиг шлама увеличивается на 30-40% относительно сухого способа. Также при мокром способе производства существенно возрастает необходимый объем печи при обжиге влажной сырьевой смеси, т.к. существенная часть печи выполняет функции испарителя влаги из сырья.
      Способ, по которому целесообразнее производить цемент,  определяется технологическими, техническими и экономическими факторами, такими как состав и свойства сырья, его гомогенность и влажность. При природной влажности сырья более 18% — 20% и нестабильном химическом составе целесообразнее выбирать мокрый способ. Мокрый способ является также предпочтительным при использовании мягких компонентов – глины и мела – т.к. их размельчение достигается простым разбалтыванием в воде.
      При хорошей фильтруемости сырьевых шламов выгоднее применять комбинированный способ.
      При сухом способе производства известняк и глину после выхода из дробилки высушивают до влажности примерно 1 % и измельчают в сырьевую муку. После измельчения ее дозируют, усредняют и корректируют в специальных смесительных силосах и подают в циклонные теплообменники. Главными достоинствами сухого способа производства портландцементного клинкера являются более высокий, чем при мокром способе производства, выход клинкера с 1 м? печного агрегата а также экономичность данного способа, достигающаяся путем снижения расхода топлива. 
      При технологии мокрого способа производства расход электроэнергии на помол сырьевой шихты, как правило, ниже по сравнению с другими способами, а такие компоненты, как мел и глина, измельчаются путем их размачивания. Расход электроэнергии при этом составляет около половины показателя при измельчении шихты, карбонатным компонентом которой являются твердые породы (известняк, мергель, мрамор). При приготовлении сырьевого шлама необходимо дополнительно вводить 30 % — 50 % воды. В результате удельный расход топлива на обжиг при сухом способе составляет 100–125 кг на тонну клинкера, а при мокром — 185–230 кг на тонну клинкера, что обеспечивает снижение себестоимости продукции при сухом способе производства. При сухом способе приготовления шихты сушка сырья производится перед измельчением или в процессе измельчения в дробилках или мельницах с одновременной сушкой. При мокром способе производства шлам перемещается гидротранспортом — самотеком или с помощью центробежных насосов, при сухом же способе применяют пневмотранспорт, конвейеры и элеваторы, что повышает загрязнение пылью воздуха в цехах и на территории завода и требует установки дополнительного оборудования для обеспыливания аспирационного воздуха. Объем печных газов при сухом способе на 35 % — 40 % меньше, чем при мок- ром, при одинаковой производительности печей. В результате при сухом способе производства снижается стоимость обеспыливания печных газов, имеются более широкие возможности использования тепла отходящих из печи газов для сушки сырья, что позволяет снизить общий расход топлива на производство клинкера, но вызывает усложнение технологии производства. 
      
      Обжиг цементного клинкера
      Вращающиеся печи
      Обжиг цементного клинкера осуществляется в 96% производств в трубчатых вращающихся печах. Это объясняется высокой производительностью вращающихся печей и высокой надежностью их эксплуатации, а также возможностью эффективного использования различных видов топлива и сырья.
      Вращающиеся печи, применяемые для производства цементного клинкера, работают по принципу противотока. При мокрой технологии производства шлам подаётся в печь со стороны её верхнего (холодного) конца, а смесь воздуха и топлива, сгорающая на протяжении 20 - 30 м длины печи, вдувается со стороны нижнего (горячего) конца. Горячие газы движутся навстречу материалу, нагревая его до требуемой температуры.
      Трубчатая вращающаяся печь представляет собой цилиндрическую промышленную печь, движущуюся вокруг продольной оси. Вращающиеся печи предназначены для осуществления нагрева сырьевых материалов с целью их физико-химической обработки. 
      Трубчатые вращающиеся печи делятся по следующим основным характеристикам:
* Способ передачи тепла
* Способ передачи энергии
* Цель обжига
      По способу передачи тепла вращающиеся печи подразделяются на печи с противотоком (материал и топливо-воздушная смесь подаются из разных концов печи) и печи с параллельным током (материал и топливо-воздушная смесь подаются из одного конца печи). 
      По способу обмена энергией разделяют печи с прямым, косвенным (через стенку) и комбинированным нагревом сырьевого материала.
      В зависимости от цели обжига выделяют трубчатые вращающиеся печи для получения цементного клинкера, проведения различных видов обжига (хлорирующего, восстановительного, окислительного), обезвоживания, прокалки материалов, обжига огнеупоров.
      В производстве наиболее часто используют вращающиеся печи, теплообмен в которых организован по противотоку, а топливо сжигается в рабочем пространстве печи.
      Трубчатая вращающаяся печь представляет собой конструкцию, основным элементом которой является корпус в виде металлического барабана, футерованного огнеупорным кирпичом. Барабан печи устанавливают на опорные ролики под углом к горизонту 3% - 4%. При необходимости барабан выполняют с переменной длиной. На барабане печи на подкладках закреплены массивные бандажи прямоугольного сечения. Участки барабана, на которых располагаются бандажи, изготавливаются из более толстого стального листа, чем остальной корпус. Для печей, диаметр корпуса которых  менее 4 метров, бандажи выполняются цельнолитыми, а для печей больших диаметров – сварными из двух половин. Примерно на середине корпуса печи устанавливается венцовая шестерня. Печь приводит во вращательное движение (1-2 об/мин)  электродвигатель через понижающий число оборотов редуктор и открытую зубчатую передачу. Кроме основного рабочего двигателя привода имеется вспомогательный, обеспечивающий вращение печи в случае внезапного выхода из строя основного привода. В технологии мокрого способа производства портландцемента для загрузки шлама используют шламовый питатель и загрузку производят со стороны холодной головки печи. Топливо же подается через горелки, помещенные в горячем конце печи. Также в горячем конце печи происходит выгрузка готовой продукции, которая затем направляется на охлаждение. Для очищения отходящих из печи газов используют электрофильтр. Для улучшения теплообмена  между сырьем и горелкой применяют различные теплообменные устройства, такие как цепные завесы, лопасти, полки и т.п. а также выполняют футеровку сложной формы.
      Основными конструктивными параметрами вращающейся печи являются длина и диаметр, которые варьируются в широком диапазоне значений: длина от 50 до 230 м, а диаметр от 3 до 7,5 м. Производительность вращающейся печи достигает 150 т/ч (готового продукта). В настоящее время наблюдается тенденция к соединению вращающиеся печи с различными теплообменными аппаратами, что позволяет при повышении технико-экономических показателей работы печей уменьшать их размеры.

Рисунок 4 – схема трубчатой вращающейся печи


Топливо, используемое при обжиге цементного клинкера
      В зависимости от агрегатного состояния различают твердое, жидкое и газообразное топливо. Все три вида топлива находят применение в цементной промышленности. К твердому топливу относятся каменный и бурый уголь.  Наиболее распространенным в цементной промышленности видом жидкого топлива является нефть различных сортов, а газообразного – природный газ. Применение технических газов ограничено.
      На цементном заводе топливо расходуется для выполнения следующих операций:
      При сухом способе производства – 83% на эксплуатацию печей, около 14% на сушку сырьевых смесей, около 3 % на сушку угля
.......................