Замкнутый цикл помола цемент

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТА ПО ОТКРЫТОМУ И ЗАМКНУТОМУ ЦИКЛУ

ЛЕКЦИЯ №16

ТЕМА:ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ КЛИНКЕРА И ДОБАВОК К ЦЕМЕНТУ. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТА ПО ОТКРЫТОМУ И ЗАМКНУТОМУ ЦИКЛУ

Помол клинкера — важный технологический процесс, один из наиболее энергоемких в цементном производстве. Многие свойства цемента (активность, интенсивность нарастания прочности, морозостойкость и др.) зависят не только от химического и фазового состава клинкера, но и от тонкости помола.

Клинкер и добавки измельчают в трубных мельницах открытого и замкнутого цикла.

1. Одностадийный в открытом цикле (если не требуется высокой уд. поверхности)

2. Двухстадийный в открытом цикле (напр, при получении шлакоПЦ: клинкер грубо молят в короткой мельнице, затем крупку и шлак – во второй мельнице)

3. Одностадийный в замкнутом цикле с сепараторами (наиболее целесообразен для БТЦ и высокопрочных ПЦ: измельченный клинкер подается в сепараторы, крупка возвращается на домол, а готовый продукт – в силосы; эта схема проста и ее можно быстро перевести на открытый цикл; недостаток — перемол)(вариант – сепарирование после первой или второй камеры и отправка крупки во вторую камеру мельницы; эффективность помола, сложность оборудования)

4. Двухстадийный в замкнутом цикле (сепарация после первой и второй мельниц)

На последних стадия измельчения в мельнице развивается высокая температура (до 150-160 о С), производительность падает. Для снижения температуры можно впрыскивать воздушно-водяную смесь (не более 1,5% массы цемента. Могут вводиться ПАВ.

Трубные мельницы сравнительно просты по конструкции, удобны в эксплуатации, обеспечивают высокую степень измельчения, поддаются автоматизации. Однако они имеют существенные недостатки: малы скорости воздействия мелющих тел на материал, в работе измельчения участвует только часть мелющих тел; рабочее пространство барабана используется всего на 35—45%; высокий удельный расход электроэнергии (35— 40 кВт ч/т цемента); значительный износ мелющих тел и футеровки (1—1,2 кг/т цементного клинкера); большая металлоемкость, высокий шум при работе. При этом удельная производительность составляет около 0,1 т/ч на 1 т массы мельницы, к. п. д. 0,005—0,01.

Мельницы загружают мелющими телами на 28—35% их объема. Массу и ассортимент мелющих тел подбирают путем испытаний мельницы, при которых проверяют ее производительность и тонкость помола в отдельных камерах. Износ мелющих тел возмещают периодической догрузкой их через определенные промежутки времени (не реже чем через 100 ч работы). Через длительный срок работы (не реже чем через 1800 — 2000 ч) мелющие тела полностью заменяют. Способность материалов к измельчению оценивается коэффициентом размолоспособности, представляющим собой отношение удельного расхода энергии при измельчении эталонного материала к удельному расходу энергии на измельчение сопоставляемого с ним материала при одинаковой степени их измельчения. Обычно эталоном служит цементный клинкер средней размалываемости, коэффициент размолоспособности которого принимается за единицу. Коэффициент размолоспособности для известняка 1,2—1,8; для доменного шлака (гранул) 0,8—1,1; для сухой глины 1,5—2.

На рисунке показана трубная мельница 2х10,5 с центральным приводом. Барабан 3, установленный в подшипниках 2, приводится во вращение двигателем 9 через редуктор 7 и промежуточный вал 6. Материал подается в барабан по загрузочному устройству 1, а готовый продукт выводится при помощи разгрузочного устройства 5. В средней части барабана размещена разгрузочно-загрузочная межкамерная секция. Мельница снабжена системой централизованной смазки 10 для обслуживания редуктора и подшипников барабана. Для ремонтных работ мельница имеет вспомогательный привод 8. Для понижения температуры и снятия статического электричества, возникающего во второй камере при истирании клинкера с добавками, в мельницу вводится вода из установки 11, состоящей из насоса, распределительной системы, трубопроводов и форсунки.

Помол происходит в следующей последовательности:

Рисунок 16.1 – трубная мельница 2х10,5 м: 1 -загрузочная воронка,2-питатель,3-полый шнек, 4-полая цапфа, 5-межкамерная перегородка, 6-конус, 7-торцевая решетка, 8- лопасти, 9- конус, 10-трубошнек, 11-патрубок, 12-окна, 13-сито, 14-патрубок готового продукта, 15 — патрубок

Материал подается в загрузочную воронку 1 и далее через питатель 2 и полый шнек 3, расположенный в полой цапфе 4, поступает в первую камеру барабана. Измельчаемый материал постепенно, продвигается через первую камеру с шарами, к межкамерной перегородке 5 и через щели в ней и при помощи элеваторных лопастей поднимается и ссыпается на конус 6, который направляет его во вторую камеру с цельпебсами. При необходимости часть материала может быть направлена снова в первую камеру. По мере измельчения материал выходит из мельницы через щели в торцевой решетке 7 и при помощи лопастей 8 и конуса 9 направляется в трубошнек 10. Шнек подает материал в патрубок 11, из которого он, просыпаясь через окна 12, попадает на сито 13. Раздробленные мелющие тела задерживаются на сите и затем отводятся по патрубку 15, а готовый продукт через патрубок 14 направляется на склад. Такой цикл работы называется открытым, а сама мельница называется проходной.

При вращении мельницы мелющие тела, прижимаемые центробежной силой инерции к стенкам барабана, поднимаются на некоторую высоту. Под действием силы тяжести, преодолевающую вертикальную составляющую силы инерции, вызываемой ею силы трения мелющие тела падают на слой материала, дробят его и частично истирают. Цильпебсы продолжают измельчение мелкодробленого материала истиранием.

Барабан мельницы сварной, выполнен из листовой стали М16С. Внутренняя поверхность барабана футерована броневыми плитами из износостойкой легированной стали со звукоизолирующей прокладкой. Первая камера футерована каблучковыми плитами, а вторая − ступенчатыми или волнистыми плитами. В некоторых случаях допускается применять специальную резиновую футеровку.

Внутри барабана посредине установлено разгрузочно-погрузочное устройство, представляющее собой систему перегородок, образующих две полости – разгрузочную и загрузочную. Первая полость имеет в стенках барабана разгрузочные окна. Вторая полость оборудована системой направляющих лопаток и загрузочным конусом. При работе мельницы по открытому циклу разгрузочные окна закрывают специальными крышками

Мельница имеет центральный привод, ведущий вал которого присоединен к выходной цапфе. Электродвигатель и редуктор вынесены в отдельное помещение, чтобы свести к минимуму попадание в них пыли.

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТА ПО ОТКРЫТОМУ И ЗАМКНУТОМУ ЦИКЛУ

Измельчение цементного клинкера на современных цементных заводах производится преимущественно с использованием шаровых мельниц.

В основном используются следующие технологические схемы: помол клинкера по открытому циклу и помол в замкнутом цикле с последующей классификацией получаемого материала.

Технологическая схема по открытому циклу объективно считается устаревшей, хотя на отечественных цементных заводах еще используется достаточно широко.

Трубные шаровые мельницы с открытым циклом измельчения в производстве цемента применяют как для помола сырьевых материалов, так и для окончательного помола цементного клинкера.

Длина шаровых мельниц, работающих по открытому циклу, в 4-5 раз превышает их диаметр. На цементных заводах применяют трубные мельницы размерами 4 х 13.5, 3.2 х 15, 2.6 х 13 метров и др. Их производительность при помоле цементного клинкера до остатка 8-10 % на сите № 008 достигает соответственно 90, 50, 25 т/ч. Такие мельницы приводятся во вращение двигателями соответственно 3200, 2000, 1000 кВт.

Работая в режиме повышенного энергопотребления, имея впечатляющие габаритные размеры и производительность, качество портландцемента, получаемого с использованием трубных мельниц, оставляет желать лучшего.

Рисунок 16.2 — Измельчение цементного клинкера в шаровой мельнице работающей по открытому циклу

Источник

Современные технологии производства цемента

Цемент – материал, который участвует в строительстве каждого объекта. На сегодняшний день существует три основных метода производства портландцемента – мокрый, сухой и комбинированный. Компании – производители выбирают способ исходя из технологических, технических и экономических факторов.

Технологический процесс производства цемента состоит из трех основных стадий:

1. Механические процессы по добыче и переработке сырьевых материалов (измельчение, перемешивание, корректировка) с получением сырьевой смеси для ее последующего обжига.
2. Термический процесс обжига сырьевой смеси в печных агрегатах с получением клинкера – основного компонента для производства цемента.
3. Механический процесс совместного измельчения (или раздельного измельчения и последующего смешивания) клинкера, гипсосодержащего материала и минеральных добавок с получением различных типов цемента.

Известняк, его модификации (мел, мергель) и глина являются основой для производства цемента. В непосредственной близости от цементных заводов обычно расположены карьеры, где производитель добывает эти материалы. Для того, чтобы обеспечить требуемый химический состав сырья, используются также покупные материалы – песок, зола, бокситы, пирит и другие.

Сырьевая смесь состоит из четырех основных оксидов: кальция, алюминия, железа и кремния. Источниками этих оксидов служат:

• СаО – известняк, мел, мергель;
• Si₂O₃ – песок, глина, шлак, сланцы;
• Al₂O₃ – глина, бокситы, зола;
• Fe₂O₃ – пирит, железная руда.

Известняк добывается буровзрывным способом, более мягкие материалы (мел и мергель) – экскавацией. На современных цементных заводах дробление известняка происходит в карьере при помощи стационарных дробилок. Трубчатый транспортер протяженностью до 7 км при помощи ленточного конвейера доставляет материал на производственную площадку, где происходит его складирование штабелеукладчиком в различных направлениях с одновременным первичным усреднением. На выходе из карьера над транспортерной лентой установлен поточный анализатор, который определяет химический состав материала.

На современных производственных площадках высокая точность дозирования всех компонентов достигается весовым способом специализированными дозаторами.

На старых цементных заводах дробление известняка происходит на производственной площадке, куда его транспортируют автомобильный или железнодорожный транспорт. Для перемещения сырья в таких случаях используют грейферные краны, стоимость которых, а также затраты на эксплуатацию и обслуживание значительно выше, чем у ленточных конвейеров.

Следующий этап подготовки сырьевой смеси – помол. На современных заводов, работающих по сухому способу производства, помол осуществляется на вертикальных мельницах высокой производительности, которые состоят из двух частей. В нижней части, при помощи вращающегося стола и роликов под давлением, материал измельчается, а в верхней части расположен сепаратор, разделяющий материал на мелкую и грубую фракции. Грубая фракция направляется на дополнительный помол, а материал мелкой фракции считается готовым продуктом. Помимо измельчения, в сырьевой мельнице происходит сушка материала отходящими газами печи до влажности не более 0.5%.

Готовая к обжигу сырьевая смесь поступает и хранится в силосе, где также происходит усреднение смеси с помощью сжатого воздуха, поступающего через аэрационные окна, расположенные в нижней части.

На цементных заводах, мокрого и полумокрого способов производства, подготовка сырьевой смеси осуществляется в виде шлама с влажностью 35-40% с использованием гидрофола (мельницы самоизмельчения) и сырьевых мельниц. Готовый шлам различного качества поступает в вертикальные, а после, в горизонтальные шламовые бассейны, где корректируется до нужного химического состава. Усреднение готовой к обжигу смеси в горизонтальных шламовых бассейнах происходит за счет механического перемешивания и с помощью сжатого воздуха. Отличием полумокрого способа от мокрого является то, что перед обжигом происходит обезвоживание материала в пресс-фильтрах.

Качество сырьевой смеси играет важную роль и является определяющим для получения высококачественного клинкера и цемента. Основными показателями качества сырьевой смеси являются:

• силикатный модуль – это отношение оксида кремния к сумме оксидов алюминия и железа, с ростом силикатного модуля ухудшается обжигаемость сырьевой смеси по причине снижения содержания жидкой фазы, находится в пределах 2.2-2.8;
• алюминатный модуль – это отношение оксида алюминия к оксиду железа, определяет содержание жидкой фазы в процессе обжига, определяет соотношение минералов в клинкере, находится в пределах 1.5-2.5;
• коэффициент насыщения кремнезема известью – определяет соотношение минералов в клинкере, находится в пределах 0.92-0.98;
• коэффициент однородности сырьевой смеси – характеризует стабильность смеси по химическому составу, для сухого способа – не более 14, для мокрого – не более 10.

Обжиг сырьевой смеси в печных агрегатах является важнейшим этапом производства цемента, определяющим качество клинкера. Современные заводы, производящие цемент сухим методом, используют для обжига печной агрегат, состоящий из двух основных частей. В вертикальной части находятся циклонные теплообменники с декарбонизатором, в которых происходит подготовка сырьевой смеси (дегидратация, декарбонизация) перед непосредственным поступлением в печь. В горизонтальной части находится печь высокотемпературного обжига 1450 ºС, где из расплава формируются основные клинкерные минералы. Здесь же расположен холодильник, в котором, в результате резкого охлаждения, происходит стабилизация клинкерных фаз.

Для полумокрого способа изготовления цемента процесс обжига идентичен вышеописанному, который используют заводы работающие по сухому методу. На цементных заводах, работающих по мокрому способу производства, печной агрегат состоит из одной большой печи, длинной до 180 метров. Значительную часть такой печи занимает зона с цепной завесой. В ней происходит удаление из материала большого количества свободной влаги, которая характерна для мокрого способа производства. Цепная завеса увеличивает интенсивность теплообмена между окружающей газовой средой и материалом.

Энергопотребление печных агрегатов современных заводов сухого способа производства на 30-40% ниже, чем заводов мокрого способа, за счет отсутствия необходимости испарения большого количества свободной влаги сырьевого шлама.

Высокотемпературная зона печи футеруется изнутри огнеупорным кирпичом для уменьшения теплопотерь в атмосферу и снижения температурного воздействия на металлическую обечайку печи. Печной агрегат имеет небольшой угол наклона и вращается со скоростью 3-4 оборота в минуту, за счет чего происходит перемещение материала внутри печи.

Печной агрегат для производства цемента можно условно разделить на несколько зон:

• испарение свободной влаги (t 100 ºС) – характерна для печей мокрого способа производства;
• дегидратация (t 350-650 ºС) — глина теряет кристаллизационную влагу;
• декарбонизация (t 650-950 ºС) — процесс разложения карбоната кальция и магния с получением оксидов кальция и магния;
• клинкерообразование (t 1300-1450 ºС) — из расплава формируются основные клинкерные минералы, которые определяют свойства цемента;
• охлаждение (t 1250 ºС) — в результате резкого охлаждения происходит стабилизация клинкерных фаз.

Дальнейшее охлаждения клинкера до температуры 100 ºС происходит в колостниковом холодильнике, после чего он поступает на хранение в крытые силоса, которые защищают клинкер от атмосферных воздействий и сохраняют его высокое качество.

Для сжигания различных видов топлива в печи на цементных заводах используют многофункциональные горелки. Помимо природного топлива (газ, уголь, мазут) широко используются альтернативные виды топлива (бытовые отходы, материалы с очистных сооружений, резиновые покрышки и другие), доля которых с каждым годом увеличивается и в некоторых странах достигает 80%.

В результате процесса обжига сырьевой смеси формируются основные клинкерные минералы.

Клинкерные минералы определяют свойства цемента, а именно:

• трехкальциевый силикат (алит) С₃S – главный компонент цемента, обеспечивает быструю кинетику набора прочности, высокую начальную и хорошую марочную прочность;
• двухкальциевый силикат (алит) С₂S — обеспечивает медленную кинетику набора прочности, низкую начальную и хорошую прочность в длительные сроки твердения, трудноразмалываемый компонент;
• трехкальциевый алюминат С₃А — обеспечивает быструю кинетику набора прочности, высокую начальную прочность, значительно влияет на свойства бетона (реология, коррозионная стойкость);
• четырехкальциевый алюмоферрит С₄АF – практически не влияет на свойства, определяет цвет (чем больше его в составе цемента, тем темнее цвет).

Наряду с основными клинкерными минералами в составе клинкера также содержатся побочные компоненты, поступающие из сырьевых материалов (Mg, K, Na, Cl, SO₃) или из топлива (Fe₂O₃, P₂O₅, K, Na, Cl, SO₃). Их количество незначительно (3-6%), однако они влияют на:

• гранулометрический состав клинкера и образование колец в печи;
• блокировку проходимость циклонных теплообменников;
• состав пыли печей;
• выбросы в атмосферу;
• качество цемента.

Щелочные оксиды калия и натрия оказывают существенное влияние на кинетику набора прочности цемента, существенно ее увеличивая в начальные сроки и снижая в марочном возрасте — 28 дней.

Помол цемента – это механический процесс совместного измельчения (или раздельного измельчения и последующего смешивания) клинкера, гипсосодержащего материала и минеральных добавок с получением различных типов цемента. Помол цемента выполняется в цементных мельницах двух типов – вертикальной (подробная информация в разделе «Подготовка сырьевой смеси») и шаровой трубной мельнице. Шаровая мельница – это металлическая обечайка, футерованная изнутри бронеплитами для защиты корпуса мельницы от износа. Мельницы состоят из одной или двух камер.

Двухкамерные мельницы между собой разделены диафрагмой с регулируемой подачей материала. На выходе из мельницы также имеется диафрагма с ячейками оптимального размера. При использовании однокамерных мельниц дополнительно перед мельницей устанавливают роллер-пресс для предварительного измельчения материалов. Внутри мельницы находятся мелющие тела (шары разного диаметра), которые, при вращении мельницы, путем удара в первой камере и истирания во второй камере измельчают материал.

Бронеплиты, помимо защиты, также участвуют в процессе помола. В первой камере мельницы устанавливают бронеплиты-лифтеры, которые поднимают мелющие тела на определенную высоту. Также с помощью бронеплит происходит сортировка мелющих шаров по размеру за счет различной величины упругого отскока. Проходя по длине мельницы материал подвергается воздействию мелющих тел различного диаметра, за счет чего происходит его измельчение.
Если мельница работает по открытому циклу, без использования сепаратора, то материал, выходящий из мельницы, считается готовым продуктом и поступает на хранение в силос.

На современных цементных заводах все помольные установки работают по замкнутому циклу с использованием высокоэффективных сепараторов. Материал из мельницы поступает в сепаратор, который разделяет его на мелкую фракцию (готовый продукт) и грубую фракцию, которая направляется на дополнительный помол.

Замкнутый цикл помола позволяет получать цемент с оптимальным гранулометрическим составом, который повышает степень гидратации цемента и, как следствие, прочностные характеристики.

После сепаратора готовый цемент поступает на хранение в силос, где он находится до момента отгрузки потребителям. Конструкция современных силосов, а именно обратный конус в основании, позволяет избежать наличия большого количества мертвых остатков цемента, характерных для старых конструкций. Также современный силос имеет многосекционную структуру, что позволяет в одном силосе хранить большое количество различных типов цемента.

Обязательным компонентом при производстве цемента является гипс, который применяется для регулирования сроков схватывания цемента. Трехкальциевый алюминат С₃А является очень активным компонентом и при взаимодействии с водой происходит структурообразование с быстрой потерей подвижности цемента. Для того, чтобы этого не происходило, гипс формирует защитный слой вокруг С₃А и предотвращает быстрое схватывание цемента.

Есть несколько модификаций гипса, которые отличаются по своим свойствам, в частности по активности. Наиболее активной формой является полуводный гипс CaSO₄•0.5H₂O, далее следует двуводный гипс CaSO₄•2H₂O, наименее активная форма – ангидрит CaSO₄. В процессе помола при повышенной температуре в мельнице, более 70 ºС, двуводная форма гипса переходит в полуводную форму с негативным влиянием на реологические характеристики цемента и, как следствие, бетона и раствора (увеличивается водопотребность, снижается сохраняемость подвижности).

Существуют понятия быстрого и ложного схватывания цемента. Быстрое схватывание цемента происходит в случае недостаточного количества гипса, когда плотный защитный слой вокруг С₃А не может быть сформирован. Ложное схватывание цемента с потерей подвижности происходит в случае перехода двуводной формы гипса в полуводную форму при повышенной температуре в мельнице. После перемешивания в случае ложного схватывания подвижность восстанавливается. Если происходит быстрое схватывание цемента после перемешивания подвижность уже не восстанавливается.

Рассмотрев технологии и различия основных методов производства можно сказать, что сухой метод является самым современным. Цементные заводы LafargeHolcim ориентированы на производство сухим способом. Основным преимуществом этого метода является снижение расходов топлива, а также сокращение объема печных газов практически на 40 %, что в свою очередь снижает стоимость обеспыливания и предоставляет большие возможности по использованию теплоты отходящих газов для сушки сырья. К плюсам сухого способа производства цемента также можно отнести и более высокий съем клинкера с 1 м³ печного агрегата. При обжиге по сухому способу значительно сокращается расход пресной воды.

Источник