Подготовка сырьевой смеси
Эта технологическая операция начинается со стадии дробления сырьевых материалов. Эта стадия упрощена при мокром способе производства. Мягкое сырьё дробят в одну стадию на валковых дробилках, а твёрдое - в 2-3 стадии. Поскольку мокрый способ предусматривает обязательное двухстадийное тонкое измельчение (предварительное и окончательное), то в ряде случаев можно отказаться от дробления, в частности, если используется мельница самоизмельчения "Гидрофол", которая принимает куски с размером до 500 мм.
На заводах сухого способа дробление осложняется слишком высокой влажностью сырья (20-25%), при этом обычные дробилки «замазываются». Во избежание этого применяют либо предварительную сушку сырья, либо используют специальные дробилки-сушилки, например молотковые дробилки, в которые подаются отходящие из обжиговой печи горячие газы.
Любой завод должен иметь запас сырья, обеспечивающий его бесперебойную работу. Запас привозного сырья (чаще это корректирующие добавки) должен обеспечить работу на 20-30 дней, собственного сырья - на 2-3 суток.
На заводах мокрого способа запаса дробленого сырья не создают, так как такой материал склонен к слёживанию, а создают запасы грубомолотого шлама, прошедшего обработку в болтушках или мельницах Тидрофол".
На заводах сухого способа создают специальные усреднительные склады, в функцию которых входит не только хранение запаса сырья, но и усреднение его по химическому и минералогическому составу. Использование усреднительных складов позволяют в 10 раз снизить неизбежные колебания в составе сырья.
Тонкое измельчение сырьевых материалов и их классификация
В цементной промышленности тонкое измельчение сырьевых шихт ведут только в шаровых мельницах. При этом на данной стадии осуществляется не только измельчение, но и эффективная гомогенизация трёх-четырёхкомпонентной шихты. Степень тонкого измельчения и однородность шихты во многом определяют скорость и полноту тепловой обработки, а, следовательно, и качество получаемого клинкера. На этом технологическом переделе используют двух-трёхкамерные мельницы следующих размеров: 3x14; 3,2x15; 4x13,5 м. Производительность мельниц естественно определяется и видом сырья - чем оно мягче, тем выше производительность. При мокром помоле вода интенсифицирует измельчение и перемешивание, производительность возрастает в 1,5-2 раза по сравнению с сухим помолом, а качество сырьевой смеси повышается.
Эффективный сухой помол возможен только для сухого материала, поэтому, если влажность материала, подаваемого на этот технологический этап еще велика (выше 0,5-1%), то возникает опасность "замалывания" или "замазывания" мельницы. Поэтому помол совмещают с сушкой, для чего используют отходящие из обжигательных печей газы с температурой 150-200°С. Сырьевые шаровые мельницы, работающие по сухому способу, имеют ряд конструкционных особенностей. В них появляется дополнительная сушильная камера длинной 1-1,5 м (первая по ходу материала), которая лишена мелющих тел. Здесь материал только сушится, а измельчение происходит в следующих камерах за счёт ударов мелющих тел. Совмещение сушки и помола интенсифицирует сушку, однако сам процесс усложняется, и повышается расход электроэнергии на просос горячих газов.
Тонкое измельчение желательно совмещать с классификацией материала. При мокром способе применяют промежуточную классификацию после предварительного измельчения мягкого сырья в болтушках или в мельнице "Гидрофол". Степень готовности шлама после предварительного измельчения составляет 50-80%. После промежуточной классификации в дуговых гидроклассификаторах или гидроциклонах последующему домолу в шаровой мельнице подвергается только некондиционная часть шлама.
При сухом способе обязательной является классификация готовой сырьевой смеси в воздушно-проходных или центробежных сепараторах, без этой операции невозможно получить качественную сырьевую муку.
Корректировка и гомогенизация сырьевой смеси
При измельчении в сырьевой шаровой мельнице, особенно при мокром способе помола в присутствии воды, происходит достаточно полное перемешивание компонентов. Однако полученная сырьевая смесь всё же будет несколько отличаться от заданного состава вследствие большего или меньшего непостоянства состава сырья, поступающего с карьера, и неизбежности некоторых колебаний в дозировке компонентов. Для приведения состава сырьевой шихты к заданным показателям и нужна операция корректировки. Для её осуществления заранее готовят несколько шихт (шламов), отличающихся по составу по содержанию основных оксидов в большую и меньшую сторону от заданного значения. В случае отклонения состава рабочей сырьевой смеси к ней добавляют определённое количество необходимой корректирующей смеси (с большим или меньшим содержанием соответствующих оксидов) и тщательно перемешивают массу. Перемешивание производят в основном сжатым воздухом. Эту операцию осуществляют в шлам-бассейнах (вертикальных или горизонтальных) при мокром способе производства и в силосах - при сухом способе.
Фильтрация шламов
Фильтрация шламов используется только при комбинированном способе производства портландцементного клинкера. Для этого шлам под давлением нагнетается в пресс-фильтр, избыток влаги удаляется через фильтровальную ткань. Получающийся при этом осадок (корж или кек) имеет влажность 17-25%. Его можно подавать непосредственно на обжиг в длинную вращающуюся печь мокрого способа, но более целесообразным и экономичным является его измельчение в дробилке-сушилке с последующим обжигом сухого порошка в короткой вращающейся печи сухого способа..
Обжиг
Обжиг сырьевой шихты как при мокром, так и при сухом способе производства происходит в основном во вращающихся печах.
Вращающиеся печи представляют собой стальной барабан, сваренный или склёпанный из отдельных обечаек, и футерованный внутри огнеупорными материалами. Профиль печей может быть как строго цилиндрическим, так и сложным - с расширяющимися зонами. Увеличение диаметра печи в пределах определённой зоны применяют с целью увеличения времени пребывания материала в ней.
Горячий (нижний) конец печи закрыт откатной головкой, через которую проходят форсунки для питания печи топливно-воздушной смесью. Холодный (верхний) конец печи входит в пыльную камеру. Для правильного ведения процесса обжига необходимо полностью исключить подсос холодного воздуха в печь с загрузочного и с разгрузочного концов. Для этого применяют изолирующие устройства.
Печи устанавливают под углом к горизонт 3-4°. Вращающиеся печи работают по принципу противотока: сырьё поступает в печь с верхнего холодного конца, а со стороны горячего нижнего конца вдувается смесь топлива и воздуха, которая сгорает на протяжении 20-30 м длины печи. Горячие газы, перемещаясь навстречу материал со скоростью 2-13 м/с, нагревают последний до требуемой температуры. Длительность пребывания материала в печи зависит от угловой скорости вращения печи, её диаметра и угла наклона барабана. Занятое материалом сечение во вращающейся печи составляет лишь 7-15% её объёма, что является следствием высокого термического сопротивления движущегося слоя и объясняется малой теплопроводностью частиц и слабым их перемещением в слое.
Факел пламени и горячие газы нагревают как поверхностный слои материала, так и футеровку печи. Футеровка, в свою очередь, отдаёт получаемую теплоту открытой поверхности материала лучеиспусканием, а его закрытой поверхности - путём непосредственного контакта и через наружную поверхность в окружающую среду - лучеиспусканием и конвекцией. При этом неизбежны некоторые потери теплоты через футеровку и корпус печи При каждом обороте печи в период соприкосновения с газовым потоком температура футеровки повышается. а в период соприкосновения с обжигаемым материалом - понижается.
Таким образом, материал воспринимает теплоту в двух случаях, а именно, когда соприкасается с нагретой футеровкой и когда находится на поверхности слоя.
Эффективное использование теплоты в мощных вращающихся печах возможно при установке системы внутренних или запечных теплообменных устройств. По типу теплообменников печи сухого и мокрого способов существенно отличаются.
Печи мокрого способа производства, в которые на обжиг подают жидкий шлам, оборудуются внутрипечными теплообменниками. Такие теплообменные устройства имеют развитую поверхность, которая либо покрывается достаточно тонким слоем материала с целью постоянного и эффективного его контакта с горячими газами, либо работает как генератор, воспринимая теплоту от газов и передавая её материалу при непосредственном соприкосновении с ним. Эти устройства увеличивают поверхность теплообмена между газами и материалом еще и за счёт уменьшения скорости движения материала, т.е. они способствуют повышению коэффициента заполнения печи. Теплообменники улучшают перемешивание материала, что ведёт к большему выравниванию температуры внутри обжигаемой массы, а также к уменьшению разности температур газов, поверхностей самих теплообменников и материала.
Вращающаяся печь мокрого способа условно делится на шесть зон - сушки, подогрева, декарбонизации, экзотермических реакций, спекания и охлаждения. Зоны отличаются по температурным режимам и, следовательно, по характеру основных физико-химических превращений, протекающих в них. Тип внутрипечных теплообменников, используемых в отдельных зонах, соответствует основным процессам, протекающим в них, и температурным условиям.
Наибольшее распространение в печах мокрого способа производства получили цепные завесы. Они устанавливаются с холодного конца и по длине печи практически совпадают с первой зоной сушки. Основным назначением цепных завес является эффективное подсушивание шлама и грануляция материала. При этом гранулы должны быть достаточно прочными во избежание их разрушения при дальнейшем перемещении по длине печи.
Соприкасаясь с газовым потоком, цепи аккумулируют теплоту, а затем при вращении печи погружаются в шлам, где материал налипает на и воспринимает часть накопленной теплоты, что приводит к интенсивной сушке. Подсушенный материал отстает от цепей при их соударениях и в виде комьев с влажностью 8-10% выходит из зоны цепной завесы. Различают цепные завесы со свободно висящими концами (рис. и гирляндного типа. Для первого способа подвески цепей характерны простота конструкции и малая чувствительность завесы к изменению вязкости шлама в процессе сушки. Однако гидравлическое сопротивление свободно висящих цепей высокое, что требует повышенной мощности дымососов. Гирляндная цепная завеса способствует лучшей грануляции материала при подсушивании. Она обладает более низким гидравлическим сопротивлением. Но гирляндная завеса примерно в два раза более материалоёмка, чем свободновисящая подвеска при одинаковой тепловой эффективности, и при ней более высок пылеунос. Цепи навешивают преимущественно в длинных печах с отступом 3-5 м от загрузочного конца; длина участка цепной завесы зависит от размеров печи и составляет 2-50 м. Плотность навески цепей по длине печи несколько меняется в соответствии с изменением физических свойств шлама: чем гуще шлам, тем реже навешиваются цепи.
Общая длина цепей в современных печах достигает 2000 м и более, а их суммарная поверхность - 1500 м2. Слишком короткая зона цепной завесы, или недостаточная площадь поверхности цепей приводит к высокой остаточной влажности материала, выходящего из цепной зоны, к перерасходу теплоты на обжиг и снижению производительности печи. С другой стороны, при излишне высокой поверхности цепей шлам пересушивается, что увеличивает пылеунос. Цепные, завесы повышают производительность печи на 10% и снижают расход топлива на 5-10%. Температура газов на участке цепной завесы не должна превышать 700-800С. При более высоких температурах металлические цепи начинают
выгорать.
В более высокотемпературных зонах - подогрева и декарбонизации (кальцинирования) возможна установка разного типа внутрепечных ячейковых теплообменников. Они делят печь на несколько каналов, что ведёт к увеличению суммарной поверхности теплообмена, так как общий поток материала разбивается на отдельные малые потоки.
Использование ячейковых теплообменников позволяет повысить производительность печи на 5-7%. Такие теплообменные устройства изготавливают или из жароупорной стали, или из огнеупорных керамических материалов, поскольку' температура их эксплуатации достигает 700-1100°С.
В зонах экзотермических реакций и спекания теплообменные устройства не устанавливают, так как появление в обжигаемом материале даже небольшого количества расплава может привести к замазыванию и "забиванию" теплообменников, что сделает их работу неэффективной.
Весь процесс обжига клинкера - это последовательно идущие процессы агломерации и уплотнения с переходом от свободнодисперсной структуры к более прочной и плотной конденсационной-кристаллизационной структуре. Чем плотнее клинкер, тем выше его качество. Кроме того, качество обжига контролируют по содержанию в клинкере свободной извести. ГОСТ допускает содержание несвязанного СаО не более 1%. В противном случае гашение пережжённой извести в уже затвердевшем цементном камне может привести к растрескиванию, а в пределе и к разрушению последнего. Такой цемент обычно не проходит испытания на равномерность изменения объёма при твердении.
Зоны сушки и подогрева в сумме занимают 50-60% от длины печи (эта часть печи по существу выполняет функцию сушильного барабана), зона кальцинирования - 10-25%, зона экзотермических реакций - 7-10%, зона спекания 10-15%, зона охлаждения - 3-4%. Меняя режим работы печи, можно смещать зоны и регулировать тем самым процесс обжига. При недостаточной подготовке материала к спеканию зоны кальцинирования и экзотермических реакций удлиняют за счёт зоны спекания, сокращают её протяженность и не дают возможности обжига клинкера без перевода печи на тихий ход. На тихом ходу и при неизменной подаче топлива процесс декарбонизации усиливается, и зона кальцинирования постепенно переходит на своё место. Повышение температуры обжига снижает необходимое время пребывания материала в зоне спекания и позволяет сократить длину этой зоны без ущерба для качества обжигаемого продукта.
Печи сухого способа производства примерно в два раза короче печей мокрого способа при равной или даже большей производительности. Современные мощные печи этого способа имеют размеры: 6,4/7,0x95 м, 5x75 м и производительность 25 т/ч и 75 т/ч соответственно. Уменьшение длины печи связано с двумя основными факторами: во-первых, в печах сухого способа в принципе отсутствует зона сушки, во вторых, часть процессов выносится из печи в запечные теплообменные устройства (циклонные теплообменники, реактор-декарбонизатор или конвейерный кальцинатор).
В основу конструкций печей с циклонными теплообменниками положен принцип эффективного теплообмена между отходящими из печи дымовыми газами и частицами сырьевой муки, находящимися во взвешенном состоянии. Уменьшение размера частиц обжигаемого материала и увеличение его удельной поверхности, а также максимальное использование всей поверхности частиц для контакта с теплоносителем интенсифицируют теплообмен между ними. Этот способ передачи теплоты обеспечивает быстроту и равномерность нагрева и поэтому весьма эффективен. Во взвешенном состоянии при достижении температуры диссоциации декарбонизация СаСОз протекает также гораздо быстрее, чем при обжиге шихты в слое. Но все процессы, связанные с непосредственным контактом частиц-реагентов между собой (твёрдофазовые реакции, спекание), наоборот, замедляются.
Откорректированная сырьевая мука поступает в систему циклонных теплообменников. Отходящие из вращающейся печи газы с температурой 900-1000°С по газоходу 10 движутся в циклонный теплообменник IV ступени, а затем последовательно проходят циклонные теплообменники III, II и I ступеней, пылеулавливающее устройство и дымососом 9 через Дымовую трубу 1 выбрасываются в атмосферу.
В узких газоходах циклонных теплообменников средняя скорость газов составляет 15-20 м/с, что значительно выше скорости витания частиц сырьевой муки. Поэтому поступающая в газоход между I и II ступенями циклонов сырьевая мука увлекается потоком газов и выкосится в циклонный теплообменник I ступени, где материал подогревается, а газы охлаждаются. Осевший в циклоне материал через затвор-мигалку 11 поступает в газоход между II и III ступенью циклонов, а из него выносится с газовым потоком в циклон II ступени. Затем материал движется в газоходах и циклонах III и IV ступеней. Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, и при этом нагревается. По выходе из циклона IV ступени материал имеет температуру 700-800°С, затем он подаётся во вращающуюся печь 8 для дальнейшего обжига.
Время пребывания частиц сырьевой муки в циклонном теплообменнике не превышает 25-30 с, и за это очень короткое время материал нагревается, полностью дегидратируется глинистая составляющая сырьевой смеси, а также на 25-30% успевает пройти декарбонизация карбонатной породы. Таким образом, в циклонном теплообменнике осуществляются процессы, которые соответствуют зоне подогрева и частично зоне кальцинирования.
Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками имеют высокие технико-экономические показатели, длительный срок службы, просты по конструкции и надёжны в эксплуатации (отсутствие Движущихся элементов), они отличаются высоким коэффициентом использования. Основным недостатком данного теплообменного Устройства является большая высота циклонной башни - 50-60 м.
Наиболее современными являются технологии, основанные на трёхступенчатом обжиге, которые позволяют направлять в обжиговую печь материал который декарбонизирован почти ПОЛНОСТЬЮ. Для интенсификации процесса диссоциации CaСО3 между запечным теплообменником и печью устанавливается специальный реактор – диссационная ступень (декарбонизатор), представляющая собой печь специальной конструкции с вихревой форсункой, где происходит сжигание топлива и декарбонизация сырьевой муки в вихревом потоке
Температура материала на входе в реактор составляет 720-750С. В результате сгорания дополнительного количества топлива температура газового потока повышается до 1000-1050, а материал нагревается до температуры 920-950. Каждая Частица материала находится в системе "циклонный теплообменник - Диссоционный реактор" всего 70-75 с, но по выходе из нее степень его декарбонизации составляет 85-95%.
Установка диссоционной ступени позволяет повысить съем клинкера с 1 м3 внутреннего объёма печи в 2,5-3 раза, в результате печь диаметром 5-5,5 м может иметь производительность 6000-8000 т/сут удельный расход теплоты снижается до 3-3,1 кДж/кг клинкера. Размеры реактора невелики, он может быть использован не только при строительстве новых линий, но и при модернизации уже существующих коротких вращающихся печей с циклонными теплообменниками.