Приготовление сырьевой шихты
Сырьевые материалы. Основными видами сырья, применяемого для производства портландцементного клинкера, являются известковые, мергелистые и глинистые породы. Используются и другие виды природного сырья, а также искусственные материалы, являющиеся отходами (попутными продуктами) других отраслей промышленности. Это сырье может быть применено и при комплексном производстве портландцемента и других важных промышленных продуктов.
Для получения сырьевой шихты необходимого химического состава пригодны в небольшом количестве так называемые «корректирующие добавки», представляющие собой искусственные либо естественные материалы, используют и активные минеральные добавки, в том числе гранулированные доменные шлаки для получения портландцемента, пуццолановых и шлакопортландцементов.
Требования к составу и физической структуре сырьевых материалов могут быть примерно следующими. Карбонатный компонент должен быть сложен тонкодисперсным кальцитом; включения трудно измалываемого крупнокристаллического кальцита недопустимы из-за слабой его реакционной способности при обжиге цементного клинкера. Глинистый компонент также должен иметь равномерную структуру, не содержать включений крупных зерен кварца и других крупнообломочных пород, вызывающих затруднения при помоле и трудно осваиваемых при обжиге.
Для технологии производства весьма важно, чтобы при мокром способе производства необходимая текучесть сырьевой шихты (шлама) достигалась при возможно меньшем содержании воды, обычно в пределах 36—42%. Однако некоторые разновидности мела и в особенности мергелей вызывают существенное повышение влажности шлама до 50—52% из-за присутствия монтмориллонита, например, в амвросиевских мергелях.
Большое значение приобретает постоянство химического состава сырьевых материалов. Необходимо, чтобы сырьевая шихта, составляемая обычно из карбонатного и глинистого компонентов и корректирующей добавки, удовлетворяла принятым на данном заводе требованиям по значениям коэффициента насыщения кремнезема известью, силикатного и глиноземного модулей. Строго ограничивается содержание в шихте оксидов магния, фосфорного ангидрида, щелочей, серного ангидрида, диоксида титана, оксидов марганца и хрома. Содержание каждого из этих оксидов в установленном количестве оказывает положительное действие на процессы обжига клинкера.
Наряду с основными видами сырья, такими как глины и известняки, большое значение приобретают доменные шлаки, представляющие собой силикаты и алюмоспликатные расплавы, получающиеся при выплавке чугуна в доменных печах; они обычно гранулируются путем быстрого охлаждения водой либо совместным действием воздуха и воды. Применение гранулированных доменных шлаков в качестве сырьевого компонента для получения клинкера возможно однако лишь при сухом способе производства, когда нет взаимодействия его с водой при помоле и хранении, вызывающего загустевание (схватывание) шлама. В состав сырьевой шихты вводят и электротермофосфорные шлаки. Они отличаются от обычных доменных шлаков содержанием до 3% фтора и 3% пентаксида фосфора, причем фосфор несколько ограничивает применение шлака в сырьевой смеси.
Нефелиновый (белитовый) шлам. При комплексной переработке нефелинов, в результате которой выпускаются глинозем (перерабатываемый в дальнейшем в металлический алюминий), сода и другие виды щелочей, получается нефелиновый шлам, из которого и изготовляют портландцемент. Минерал нефелин представляет собой алюмосиликат натрия. Обычно он загрязнен примесями и содержит в избытке кремнекислоту. Нефелин получают в виде хвостов при обогащении апатитовых руд Хибинского месторождения (Кольский полуостров); эти хвосты, в свою очередь, обогащаются, причем выход нефелинового концентрата превышает 50%. Технология комплексной переработки нефелинового концентрата заключается в следующем. Концентрат в смеси с известняком обжигается во вращающихся печах при температуре около 1573 К, при этом получается спек, состоящий из двухкальциевого силиката и твердого его раствора (в количестве около 30%) и щелочных алюминатов. Спек подвергается выщелачиванию, щелочные растворы алюминатов отделяются от осадка, который после промывки представляет собой довольно грубую суспензию, называемую нефелиновым шламом.
Белитовый шлам транспортируется в цементный цех с влажностью 38—40%; содержащаяся в нем твердая фаза очень легко осаждается и способна схватываться, поэтому необходимо непрерывно его перемешивать с помощью сжатого воздуха и механических мешалок. Кроме этого, весьма нежелательно повышенное содержание в нем до 2,5% щелочей и из них до 1% —растворимых; для получения сырьевой шихты необходимого химического состава приходится для повышения содержания в клинкере глинозема добавлять боксит.
Сырьевая шихта для получения цементного клинкера содержит, примерно, (в расчете на сухое вещество) 41% белитового шлама, 53% известняка, 4,5% боксита и 1,5% железистых огарков. Влажность шихты понижена и составляет около 30%. Готовят ее по обычной схеме мокрым тонким измельчением указанных компонентов и после корректирования до заданного химического состава обжигают во вращающихся печах. При этом производительность печей повышается, примерно, на 30% и соответственно понижается удельный расход топлива на обжиг.
Исследования показали, что при приготовлении сырьевой шихты можно отказаться от применения дефицитного боксита путем введения в состав шихты 0,5% фтористого кальция — эффективного минерализатора обжига. Заводские опыты показали, что сырьевая шихта может состоять из 50% белитового шлама и, примерно, 50% известняка без добавок.
Для повышения силикатного модуля применяют трепел, опоку, маршалит, кварцевый песок и др. Увеличения глиноземного модуля достигают применением бокситов, зол некоторых видов твердого топлива и др.
Способы приготовления сырьевой шихты. Добыча сырьевых компонентов на карьерах цементных заводов производится открытым способом. Твердые породы известняка дробятся в мощных стационарных и передвижных дробилках, мягкие — мел, глина, подвергаются предварительному измельчению в специальных агрегатах комбинированного дробления. При неоднородных физико-химических свойствах сырьевых компонентов необходимо обеспечить их усреднение и поточность процесса, для чего создаются специально оборудованные много-секционные склады, па которых складируют сырьевые компоненты по характерному качественному показателю. Усреднительные склады бывают разной мощности до 30 и более тыс. т. Ускоренные методы анализа сырья с применением автоматизации способствуют стабилизации качества сырьевой шихты. В цементной промышленности в основном применяют мокрый и сухой способы производства; небольшая доля приходится на комбинированный способ.
Мокрый способ. При этом способе возможны различные схемы приготовления шихты в зависимости от физико-химических свойств сырьевых компонентов. Дробление известняка производится в две стадии с использованием для первичного дробления щековых или мощных конусных дробилок. Для мягких сырьевых компонентов применяют валковые дробилки разной конструкции, бесшаровые мельницы. Дозирование н смешение сырьевых компонентов осуществляют в сырьевых мельницах с сепарацией материалов в гидроциклонах и дуговых классификаторах.
Создаются необходимые запасы полученного шлама, содержащего примерно 36— 40% воды, который подвергается корректированию и усреднению пневматическим способом до достижения заданного химического состава.
Процесс измельчения в присутствии воды заметно облегчается в связи с тем, что вода, по П. А. Ребиндеру, является понизителем твердости и способствует ускорению процесса диспергирования твердых материалов.
Практическое значение приобрело применение добавок поверхностно-активных веществ, электролитов, либо их композиции для снижения влажности шлама при сохранении необходимой его текучести или вязкости. Снижение содержания воды в шламе на 1 % в пределах 35—40% приводит к повышению производительности вращающихся печей на 1—1,5% и снижению удельного расхода тепла примерно на 1%. Для этой цели применяют сульфитно-дрожжевую бражку, соду, щелочные вытяжки торфа либо бурого угля, разные виды фосфатов натрия и др. Для снижения влажности шлама на одном зарубежном заводе применяли вдувание отходящих, богатых содержанием углекислоты, газов вращающихся печей; значительную роль играло, по-видимому, наличие в этих газах не только С02, но и возогнапных щелочей.
По-видимому, процессы воздействия на структурно-механические свойства сырьевых шламов базируются на явлениях ионного обмена, которые характерны для глинистых минералов. Как известно, глинистые суспензии представляют собой по существу коллоидные системы; они способны к обменным реакциям, сорбции воды и характеризуются электрокинетическими явлениями. В коллоидной системе, состоящей из твердой фазы, взвешенной в жидкости, поверхностно-активные вещества адсорбируются преимущественно на поверхности отдельных частиц.
Полагают, что вокруг зерен известняка, либо мела, образуются структурированные диффузные оболочки из коллоидных глинистых частиц, которые прочно удерживаются силами адгезии на поверхности этих зерен. Диффузные оболочки коагуляционной структуры способны удерживать в своих ячейках значительное количество воды. Прочность и подвижность таких структур зависит от толщины глинистых прослоек в местах контактов, числа контактов в единице объема и физико-химических свойств глины. Так как эти явления проявляются у разных шламов в разной степени, в зависимости от физико-химических свойств составляющих их компонентов, удельной поверхности, химического состава воды и др., действие добавок-разжижптелей оказывается избирательным. Поэтому для каждого вида шлама приходится экспериментально подбирать наиболее эффективный разжижитель. Больше всего применяется добавка 0,3— 0,5% сульфитно-дрожжевой бражки, снижающая в некоторых шламах влажность на 3—4% (абсолютных).
Практическое значение начинают приобретать угле-щелочные и торфощелочные добавки, получаемые путем обработки бурого угля или торфа щелочью преимущественно в виде соды. Они могут снизить влажность мело-глиняного шлама на 6—7% (абсолютных). Эффективными оказались сульфатный шлам лигнина, водный нейтрализованный гудрон, триполифосфат, гексамета-фосфат и другие фосфорные соли натрия; их применение лимитируется однако сравнительной их дороговизной и необходимостью применять воду с (малым содержанием гипса и других солей в воде. Многие виды разжижителей обладают свойством повышать вязкость шлама через двое-трое суток хранения. Поэтому при подборе вида разжижителя особое внимание уделяется испытанию шлама, содержащего добавку, на длительность сохранения текучести.
Сложившееся у нас преобладание мокрого способа производства явилось следствием ряда технических и экономических факторов. Высокий расход топлива на обжиг клинкера окупается сравнительно высокой производительностью печных агрегатов, лучшей гомогенизацией сырьевой смеси, несомненным упрощением ее приготовления, сравнительной простотой технологии. Большое значение имеет возможность интенсификации процесса обжига за счет совершенствования тепло- и массообмена в зонах подогрева и дегидратации сырьевой шихты путем устройства различных теплообменных устройств, таких, как цепные завесы, теплообменники различной конструкции, фильтры-подогреватели и др.
Сухой способ. Несмотря на многие достоинства мокрого способа и постоянно вносимые в него технические усовершенствования, он не может конкурировать с сухим. Решающим в новой технике обжига «линкера по сухому способу является сочетание вращающихся печей с циклонными теплообменниками и декарбонизаторами, что обеспечивает снижение удельного расхода тепла при обжиге «линкера на 40—50%. В условиях необходимости экономии топливно-энергетических ресурсов большое значение имеет ориентация нашей цементной промышленности на расширение сухого способа производства.
При сухом способе дробленые сырьевые материалы высушиваются и измельчаются в специальных помольных агрегатах; корректируют и усредняют полученную сырьевую муку до заданного химического состава перемешиванием в специальных силосах большой вместимости. Для этой цели, так же как и для транспортирования муки, применяют специальные пневматические винтовые или камерные насосы. Возможно совмещение процессов сушки сырьевой шихты с дроблением в ударных и других одно- и двухроторных дробилках с обогреванием горячими газами, благодаря чему значительно уменьшается нагрузка сырьевых мельниц. Примерный расход электроэнергии в таких дробилках составляет 2—4 кВт-ч/т.
В ряде европейских стран, в США и Японии для помола мягких видов сырья применяют валковые мельницы разной конструкции производительностью 300 т/ч и выше. Валковые мельницы по принципу действия аналогичны обычным бегунам, измельчение в которых происходит под действием собственной массы катков. Измельчение материала в такой мельнице осуществляется за счет его раздавливания между вогнутой поверхностью вращающейся опорной чаши и катящимися по ней преимущественно тремя валками. Валковые мельницы работают в замкнутом цикле с сепараторами, которые устанавливают вне корпуса мельницы или встраивают в верхнюю часть кожуха. В установках с валковыми мельницами благодаря высокой кратности циркуляции материала можно использовать в большом объеме отходящие печные газы и измельчать сырье влажностью до 8%. Для обработки сырья повышенной влажности устанавливают дополнительные топки. При применении этих мельниц можно исключить одну стадию дробления. Тонкость помола регулируется скоростью воздушного потока с помощью дымососа. Тонкий продукт, уносимый отходящим воздухом (газами), поступает в пылеосадитель.
По зарубежным данным одна четырехвалковая мельница благодаря различной частоте вращения каждой пары валков позволяет осуществлять в одном агрегате грубый и тонкий помол. При диаметре тарелки 4,6 м и массе двух пар валков 54 т частота ее вращения составляет 25,4 мин. Производительность мельницы 220 т/ч при тонкости помола, характеризуемой остатком на сите, 0,09 мм, и исходной влажности материала — 11,5%. Удельный расход электроэнергии, включая весь процесс от забора материала из штабеля до загрузки сырьевой муки в силос с учетом работы электрофильтра и других пылеосадителей, составляет 14,3 кВт-ч на Гт сырьевой муки. Сырьевая смесь в мельнице сушится за счет тепла отходящих печных газов. Работа мельницы автоматизирована.
Для предварительного измельчения и сушки сырьевых материалов применяют также барабанные мельницы самоизмельчения типа «Аэрофолл». На торцевых стенках мельницы расположены дефлекторы, ускоряющие измельчение и препятствующие агрегации продукта; через эти мельницы можно пропускать большое количество горячих газов, отходящих из других установок. Большую часть полезного объема мельницы занимает загруженный материал, в мельницу добавляют небольшое количество мелющих тел. Измельченный продукт выносится из мельницы в потоке газов и поступает в осадительную камеру, где улавливается и осаждается крупка; затем он направляется в два параллельных циклона, служащих для осаждения тонких фракций материала. Мельница «Аэрофолл» обладает высокой производительностью по помолу и сушке. Диаметр корпуса мельницы 6—9 м при отношении диаметра к длине от 3:1 до 4:1. Корпус мельницы вращается со скоростью, составляющей 85—90% от критической.
Комбинированный способ применяется для обезвоживания сырьевого шлама способом фильтрации. Осуществляется он в вакуум-фильтрах либо в фильтр-прессах до получения так называемых горжей с остаточной влажностью 18—20%. Дальнейшая обработка коржа для подготовки его к подаче во вращающуюся печь производится по разным схемам. При этом способе повышается производительность печи с заметным снижением удельного расхода тепла на обжиг клинкера.