Научно-производственное содружество «альянс – цемен т»

Вид материала

Содержание

3.1.2. Подбор состава сырьевой шихты и прогнозирование химического и минералогического состава клинкера.
1,01 = 0,626 кг 1,613 Коэффициент выхода клинкера из 1 кг сырьевой смеси: КВЫХ = 1,613
Шлак Известковые отходы (1,01 кг) Клинкер
3.1.3. Подготовка сырьевой шихты к обжигу.

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3.1.2. Подбор состава сырьевой шихты и прогнозирование химического и минералогического состава клинкера.

Подбор состава сырьевой шихты – важнейший технологический этап, поскольку от него зависит качество будущего цемента.

Существующие методы расчета сырьевой шихты исходят из заранее заданного минералогического состава клинкера, обеспечивающего для данного завода оптимизацию технологических параметров. Это и понятно – во всех случаях исходное сырье формально идентично: известняк, глина.

В случае с техногенными продуктами, всё наоборот – приходится исходить не от заданного минералогического состава клинкера, а от возможного, который может быть получен из некоторого набора компонентов. Под этот клинкер проектируется технология.

Методика подбора состава шихты из техногенных продуктов разработана нами и базируется на гипотезе последовательности синтеза клинкерных минералов.

Известно, что первоначально при обжиге (1000…1300 ⁰С) сырьевой шихты формируются низкоосновные твердые растворы: СаОAl₂O₃, 2CaOSiO₂, 4СаОAl₂O₃Fe₂О₃. Последнее соединение поглощает практически всю массу Fe₂O₃, частично Al₂O₃ и частично СаО. Монокальциевый алюминат поглощает оставшийся Al₂O₃ и частично СаО. 2CaOSiO₂ поглощает весь SiO₂ и частично СаО.

С увеличением температуры до 1400…1450 ⁰С оставшаяся незадействованной СаО насыщает СаОAl₂O₃ до 3 СаОAl₂O₃ и 2CaOSiO₂ до 3 CaOSiO₂.

Таким образом, достаточно знать химический состав исходных компонентов, чтобы за 15…20 минут установить:

состав сырьевой шихты;
минералогический состав клинкера из принятых техногенных продуктов;
расход сырьевых материалов на единицу массы клинкера;
химический состав клинкера;
содержание расплава в клинкере при температуре 1450 ⁰С.

Полученные в результате расчета данные ложатся в основу разработки техно-логического процесса.

Порядок расчета покажем на примерах.

Пример 1. Определить состав сырьевой шихты и прогнозный химический и минералогический состав клинкера, если в качестве сырья используется доменный шлак (SiO₂ – 21 %, Al₂O₃ – 14,0 %, Fe₂О₃ – 8 %, СаО – 50 %, прочие – 7 %) и отходы распиловки карбонатных пород (SiO₂ – 8 %, Al₂O₃ – 1,5 %, Fe₂О₃ – 0,7 %, СаО – 50 %, ппп – 39,3 %, прочие – 0,5 %).

Первоначально определяем, сколько требуется СаО для синтеза четырех основных клинкерных минералов из доменного шлака.

4СаОAl₂O₃Fe₂О₃ – исходя из стехиометрического соотношения, на 0,08 кг Fe₂О₃ требуется 0,051 кг Al₂O₃и 0,112 кг СаО. Всего С₄АF = 0,08 + 0,051 + 0,112 = 0,243 кг.

Оставшийся Al₂O₃(0,14 кг – 0,051 кг) 0,089 кг можно сразу учитывать в 3 СаО Al₂O₃, т.к. ни на какие другие клинкерные минералы Al₂O₃ более не требуется.

Для синтеза 3СаО Al₂O₃ на 0,089 кг Al₂O₃ требуется 0,147 кг СаО. Количество С₃А 0,236 кг.

В синтезе 2СаОSiО₂ участвует весь SiО₂ – 0,21 кг, для насыщения которого требуется 0,393 кг СаО. Всего С₂S – 0,603 кг.

Для синтеза 3СаОSiО₂ обычно от С₂S отбирается 2/3, а 1/3 остается С₂S, т.е. предполагаем, что в синтезе С₃S примет участие 0,402 кг С₂S. Чтобы 0,402 кг С₂S перевести в С₃S, нужно использовать 0,131 кг СаО. Количество С₃S = 0,533 кг, остаточное количество С₂S – 0,201 кг.

Суммируем задействованное в синтезе количество СаО = 0,112 + 0,147 + 0,393 + 0,131= = 0, 783 кг.

Собственной извести в шлаке 0,5 кг. Необходимое дополнительное количество извести, подшихтованное к 1 кг шлака равно 0,783 – 0,5 = 0,283 кг.

Обратимся теперь к отходам распиловки карбонатных пород.

В составе отходов имеются кислые SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, которые при температуре обжига клинкера обязательно насытятся известью, поэтому данные потери свободной извести следует учитывать. Расчет выполняем аналогично показанному выше:

С₄АF = 0,01 кг + 0,005 кг + 0,007 кг = 0,022 кг

С₃А = 0,011 кг + 0,008 кг = 0,019 кг

С₂S = 0,149 кг + 0,08 кг = 0,229 кг, собственного С₂S – 0,229 : 3 = 0,076 кг

С₃S = 0,050 кг + 0,153 = 0,203 кг

Всего СаО на насыщение кислых оксидов известковых отходов израсходовано: 0,01 + 0,11 + 0,149 + 0,05 = 0,22 кг.

В 1 кг сухих отходов пиления карбонатных пород 0,5 кг СаО. Свободное количество СаО после вычеты задействованной извести равно:

СаО_СВ = 0,5 – 0,22 = 0,28 кг

Количество известковых отходов на 1 кг шлака найдем из отношения требуемого количества СаО к СаО_СВ, содержащейся в отходах:

Отх = 0,283 = 1,01 кг

0,28

Количество сырьевой шихты складывается из 1 кг шлака и 1,01 кг известковых отходов. Всего – 2,01 кг.

Прогнозное количество клинкера можно установить, вычтя из массы шихты массу потерь при прокаливании.

В 1 кг известковых отходов ппп – 39,3 %, в 1,01 кг известковых отходов ппп = 1,01 х 0,393 = 0,397 кг.

Ожидаемое количество клинкера Кл = 2,01 – 0,397 = 1,613 кг

Расход сырьевых материалов на синтез 1 кг клинкера:

шлак = 1 = 0,62 кг

1,613

известковые отходы = 1,01 = 0,626 кг

1,613

Коэффициент выхода клинкера из 1 кг сырьевой смеси:

К_ВЫХ = 1,613 = 0,8

2,01

Минералогический состав клинкера рассчитывали как сумму синтезированных минералов в шлаке и в известковом отходе:

Из шлака: Из известкового отхода: Клинкер:

С₃S – 0,533 кг 0,203 кг 0,736 кг 45,6 %

С₂S – 0,201 кг 0,076 кг 0,277 кг 17,2 %

С₃А – 0,236 кг 0,019 кг 0,255 кг 15,8 %

С₄АF – 0,243 кг 0,022 кг 0,265 кг 16,4 %

Прочие – 0,07 кг 0,010 кг 0,080 кг 5,0 %

1,613 кг 100 %

Аналогичным приемом вычислим химический состав клинкера:

Шлак Известковые отходы (1,01 кг) Клинкер:

SiO₂ – 0,21 кг 0,081 кг 0,291 кг 18 %

Al₂О₃ – 0,14 кг 0,015 кг 0,155 кг 9,6 %

Fe₂О₃ – 0,08 кг 0,007 кг 0,087 кг 5,4 %

СаО – 0,5 кг 0,505 кг 1,005 кг 62,3 %

Прочие – 0,07 кг 0,005 кг 0,075 кг 4,7 %

ппп – 0,397 кг –

1 кг 1,01 кг 1,613 кг 100 %

Заключительная стадия расчета – определение расплава в шихте при спекании клинкера.

Этот показатель весьма важный, т.к. без его учета возможно «закозление» печей обжига и выход их из строя.

Существуют эмпирические формулы, позволяющие по химическому составу клинкера установить ориентировочную массу жидкой фазы при температурах 1400 и 1450 ⁰С:

Р₁₄₀₀ = 2,95 Al₂О₃ + 2,2 Fe₂О₃ + Прочие

Р₁₄₅₀ = 3,0 Al₂О₃ + 2,25 Fe₂О₃ + Прочие.

В формулах Al₂О₃ – процентное содержание в клинкере;

Fe₂О₃ – то же;

Прочие – то же.

Итак, в нашем случае химический состав клинкера известен, достаточно подставить в уравнения требуемые данные, чтобы оценить долю расплава:

Р₁₄₀₀ = 2,95 ^. 9,6 + 2,2 ^. 5,4 + 4,7 = 44,9 %

Р₁₄₅₀ = 3 ^. 9,6 + 2,25 ^. 5,4 + 4,7 = 45,6 %

Пример 2. Подобрать сырьевую шихту из золы Кузнецких углей (SiO₂ – 61,7 %, Al₂O₃– 21,6 %, Fe₂О₃ – 7,7 %, СаО – 2 %, прочие – 7 %) и отходов сахарного производства (SiO₂ – 8,0 %, Al₂O₃ – 3,0 %, Fe₂О₃ – 0,2 %, СаО – 58 %, прочие – 12,2 %, ппп – 18,6 %).

Известковый компонент отличается от аналога Примера 1 большим содержанием СаО и высокой дисперсностью.

Количество клинкерных минералов, образующихся при прокаливании 1 кг сухого известкового компонента: С₃S – 0,203 кг, С₂S – 0,077 кг, С₃А – 0,077 кг, С₄АF – 0,006 кг, прочие – 0,122 кг).

Количество извести, задействованной в связывании кислых оксидов известкового компонента 0,251 кг, следовательно, доля свободной СаО = 0,58 – 0,251 = 0,329 кг на 1 кг сухих отходов.

Количество извести, необходимой для синтеза клинкерных минералов из золы: С₃S – 1,566 кг, С₂S – 0,59 кг, С₃А – 0,442 кг, С₄АF – 0,234 кг, прочие – 0,07 кг.

Количество извести для синтеза перечисленных минералов из золы – 1,927 кг. Вычтем собственную известь золы:

И_З = 1,927 – 0,02 = 1,907 кг

Расход известкового компонента на 1 кг золы:

И

_З = 1,907 = 5,8 кг

0,329

Состав сырьевой шихты: зола – 1 кг, известковый компонент – 5,8 кг.

Всего шихты – 6,8 кг.

Количество ппп при нагревании шихты:

ппп = 0,186 х 5,8 = 1,079 кг.

Прогнозное количество клинкера из 6,8 кг шихты:

К_Л = 6,8 – 1,079 = 5,721 кг

Коэффициент выхода клинкера из сырьевой шихты:

К_ВЫХ = 5,721 = 0,84

6,8

Расход сырьевых компонентов на 1 кг клинкера:

зола = 1 = 0,175 кг

5,721

отходы сахарного производства = 5,8 = 1,01 кг

5,721

Химический и минералогический состав клинкера, выполненный по методике

Примера 1, дал следующие результаты:

С₃S – 48,1 % SiO₂ – 19,1 %

С₂S – 18,1 % Al₂O₃ – 6,8 %

С₃А – 15,5 % Fe₂O₃ – 1,5 %

С₄АF – 4,7 % СаО – 59,0 %

прочие – 13,6 % прочие – 13,6 %

Количество расплава в массе формирующегося клинкера при температуре 1450 ⁰С:

Р = 3 ^. 6,8 + 2,25 ^. 1,5 + 13,6 = 37,4 %

3.1.3. Подготовка сырьевой шихты к обжигу.

Существует три основных вида подготовки сырьевой шихты при сухом способе производства цемента:

сыпучая сырьевая мука;
гранулы диаметром от 5 до 20 мм;
брикеты разнообразных размеров.

Сырьевая мука независимо от состава имеет одинаковый показатель насыпной плотности, примерно 1100 кг/м³. Обжиг сырьевой муки предполагается только во вращающихся печах.

Гранулы обжигают в основном в шахтных печах, но могут обжигаться во вращающихся агрегатах. Плотность гранул зависит от состава сырьевой шихты и способа формирования гранул. На тарельчатых грануляторах гранулы получают обкатыванием увлажненной (8…12 %) сырьевой муки. Пустотность таких гранул (сухих) составляет 20…22 %, а плотность 1900…2200 кг/м³. Более тяжелые гранулы формируют из тяжелого исходного сырья, плотность которого выше 2700 кг/м³ (известняки, известковые золы, тяжелые шлаки). Относительно легкие гранулы получают из легких кислых зол, гидроксидов кальция, легких шлаков и шламов.

При получении гранул продавливанием через фильеры дырчатых веществ увлажненной (10…14 %) сырьевой шихты получают более плотные гранулы – 2100 … 2280 кг/м³.

Брикеты из сырьевой муки прессуют в прессах полусухого формования с влажностью массы 8…10 %. Полученные таким образом брикеты имеют плотность до 2500 кг/м³.

Плотность гранул и брикетов имеет прямое отношение к производительности обжигового агрегата. Чем выше исходная плотность, тем значительней выход клинкера.

Помимо чисто сырьевых гранул и брикетов имеет место технология так называемого «черного брикета», когда в гранулу вместе с сырьевой мукой запрессовывается расчетное (необходимое для обжига) количество топлива.

В таблице 3.4. представлены примерные параметры формирования гранул типа «черный брикет» с использованием различного вида сырья. В качестве запрессованного топлива рассмотрены: полукокс буроугольный, кокс, антрацит, древесный уголь. Насыпная плотность сырцевых гранул с применением «тяжелых» топлив примерно одинакова. Использование древесного угля в гранулах значительно снижает их плотность и выход клинкера, но древесный уголь весьма доступный и исключительно калорийный энергоноситель.

В таблице 3.5. представлены примерные параметры формирования бестопливных гранул на основе известняка с расширенной номенклатурой алюмосиликатных компонентов. Отсутствие в гранулах топлива повышает выход клинкера на 20…25 %.

В таблице 3.6. представлены примерные параметры формирования бестопливных гранул на основе гидроксида кальция. Из таблицы 3.6. следует, что использование гидроксида кальция вместо карбоната ведет к дополнительному приросту выхода клинкера.

Таким образом, рекомендуем обратить внимание на следующие особенности процесса подготовки сырья к обжигу:

тонкость помола твердых компонентов сырьевой шихты должна характеризоваться остатком на сите 008 не более 15 %;
гомогенизацию сырьевой муки в условиях мини-завода целесообразнее осуществлять в механических, лопастных усреднителях;
гранулирование муки на тарельчатых грануляторах должно сопровождаться водяным опрыскиванием из расчета влажности гранул 8…12 %;
в случае некачественного формирования гранул на тарельчатом грануляторе целесообразно в воду добавлять лигносульфонаты либо растворы жидкого стекла (расход подбирается опытным путем);
прессование брикетов следует выполнять в прессах полусухого формования при удельном давлении прессования 150…200 кг/см².

Таблица 3.4.

Параметры формирования гранул "черный брикет" на тарельчатом грануляторе

(известковый компонент СаСО₃)

№ п/п	Состав сырцевых гранул "черный брикет"								Параметры сырьевой смеси
№ п/п	СаСО₃, кг	Глина, кг	Зола кислая, кг	Зола основ-ная, кг	Полу-кокс, кг	Кокс, кг	Антра- цит, кг	Древес-ный уголь, кг	Плотность сырцевой гранулы, кг/м³	К выхода клинкера	Насыпная плотность сырцевых гранул, кг/м³	Выход клинкера из 1 м³ засыпки, кг/м³
1 2 3 4 5 6	1,23 1,23 1,03 1,23 1,23 1,23	0,4 - - - - 0,4	- 0,36 - 0,36 0,36 -	- - 0,453 - - -	0,26 0,24 0,26 - - -	- - - 0,24 - -	- - - - 0,24 -	- - - - - 0,25	1840 1850 1870 1890 2010 1170	0,5 0,51 0,52 0,51 0,51 0,48	1010 1020 1030 1040 1100 645	505 520 535 525 560 310

Таблица 3.5.

Параметры формования БЕСТОПЛИВНЫХ гранул на тарельчатом грануляторе

(известковый компонент СаСО₃)

№ п/п	Состав сырцевых гранул								Параметры сырьевой смеси
№ п/п	СаСО₃ кг	Глина, кг	Зола кислая, кг	Зола основ-ная, кг	Нефе-линовый шлам, кг	Домен-ный шлак, кг	Горелая формо-вочная земля, кг	Отходы углеобо-гащения , кг	Плотность гранулы, кг/м³	К выхода клинкера	Насыпная плотность сырцевых гранул, кг/м³	Выход клинкера из 1 м³ засыпки, кг/м³
1 2 3 4 5 6 7	1,23 1,03 1,23 0,452 0,64 1,18 1,24	0,4 - - - - 0,13 -	- - 0,35 - - - -	- 0,453 - - - - -	- - - 0,778 - - -	- - - - 0,66 - -	- - - - - 0,26 -	- - - - - - 0,45	2090 2180 1980 2270 2220 2130 2030	0,55 0,67 0,63 0,81 0,77 0,645 0,6	1150 1200 1090 1250 1220 1170 1120	630 800 690 1010 940 760 670

Таблица 3.6.

Параметры формования БЕСТОПЛИВНЫХ гранул МЕТОДОМ ПРЕССОВАНИЯ

(известковый компонент Са(ОН)₂)

№ п/п	Состав сырцевых гранул							Параметры сырьевой смеси
№ п/п	Са (ОН)₂, кг	Глина, кг	Зола кислая, кг	Зола основная, Кг	Нефели-новый шлам, кг	Домен-ный шлак, кг	Электро-термофос- форный шлак, кг	Плотность сырцевой гранулы, кг/м³	К выхода клинкера	Насыпная плотность сырцевых гранул, кг/м³	Выход клинкера из 1 м³ засыпки, кг/м³
1 2 3 4 5 6	0,722 0,713 0,86 0,32 0,45 0,48	0,45 - - - - -	- - 0,35 - - -	- 0,461 - - - -	- - - 0,78 - -	- - - - 0,65 -	- - - - - 0,62	1950 1990 1890 2260 2250 2270	0,853 0,78 0,755 0,83 0,82 0,83	1070 1090 1040 1245 1230 1240	910 850 785 1030 1010 1030

Параметры формуемых гранул легко вычислить. Покажем это на конкретном примере.

Пример 3. Определить параметры формования гранул на тарельчатом грануляторе, если сырьевая смесь состоит из известняка (77,8 %) и кислых зол (22,2 %). Плотность известняка – 2700 кг/м³, плотность золы – 1850 кг/м³. Пустотность сухой гранулы 20 %. Коэффициент выхода клинкера 0,76. Заполнение объема обжигового агрегата (шахтной печи) гранулами – 55 %.

Первоначально рассчитаем плотность сформированной гранулы.

Объем гранулы массой 1 кг:

0,778 кг СаСО₃ : 2700 кг/м³ = 0,00029 м³
0,222 кг золы : 1850 кг/м³ = 0,00012 м³

0,00041 м³

Если пустотность гранулы – 20 %, то полный объем гранулы

V_ГР = 0,00041 = 0,00051 м³

0,8

Плотность гранул  = 1 кг = 1960 кг/м³

0,00051 м³

При плотности засыпки гранул в объем обжигового аппарата 55 %, в 1 м³ печи будет содержаться:

М = 1960 х 0,55 = 1078 кг

Коэффициент выхода клинкера равен – 0,76, поэтому каждый 1 м³ засыпки гранулами в шахтной печи даст клинкера:

К_Л = 1078 х 0,76 = 820 кг

Этот показатель условный. Для определения производительности обжигового агрегата нужно знать его мощность, т.е. время обжига 1 м³ засыпки.

Об этом в следующем разделе.

Blog

Научно-производственное содружество «альянс – цемен т»

Содержание