Способ обжига цементного клинкера Советский патент 1988 года по МПК C04B7/44

Способ обжига цементного клинкера Советский патент 1988 года по МПК C04B7/44

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, преимущественно к производству цементного клинкера.

Целью изобретения является снижение расхода топлива.

Способ осуществляют следующим образом.

Во вращающуюся печь с холодного конца подают цементно-сырьевой щлам и параллельно обособленно потоку сырьевого щлама малокалорийное топливо, например, отходы углеобогащения, содержащие в своем составе топливный и глинистый компоненты. В связи с тем, что отходы углеобогащения содержат глинистую составляющую, химический состав щлама, задавае- мый в печь, корректируется с учетом этой составляющей.

Подачу малокалорийного топлива во внутреннюю полость печи осуществляют посредством установленного соосно печи транспортирующего устройства, например трубо- пнека, заглущенного с разгрузочного своего конца и снабженного элементами для ввода малокалорийного топлива в слой материала.

При этом отходы углеобогащения и сырьевой щлам перемещаются в печи к зоне смешивания отдельными, параллельными потоками, причем сырьевой материал непосредственно контактирует с газовым потоком, а отходы углеобогащения транспортируются без контакта с последним.

Отсутствие непосредственного контакта между низкокалорийным топливом и газовым потоком при теплообмене между ними исключает воздействие лучистой и конвективной составляющих теплопередачи, что обеспечивает подогрев отходов углеобогащения до 300-500°С, активацию топливного и гли- нистого компонентов отходов, резкий температурный перепад с сыьевым материалом, перемещающимся в печи.

При этом теплопередача от газового потока к потоку сырьевого материала осуществляется при непосредственном контак- те и включает все составляющие теплообмена: конвективную, лучистую и теплопроводность, в результате материал, пройдя путь до зоны смещивания, нагревается до 900-950°С и декарбонизируется до степе- ни 10-30%.

При указанной температуре и степени декарбонизации сырьевого материала осуществляют подачу отходов углеобогащения с температурой 300-500°С в его слой. Вследствие резкого температурного нерепа- да между с.мещиваемыми материалами происходит быстрое нагревание отходов углеобогащения, что приводит к разложению топливной части на твердый остаток и лету чие продукты, формируюндие вокруг частицы газовую оболочку.

Горение, т. е. реакция .между СО и 09, происходит в пограничном слое, а в твердой частице (в связи с недостатком кислорода) происходит восстановление СОа до СО по реакции С02-|-С- 2СО. При постоянной температуре частиц (в данном случае 900°С) скорость горения зависит от концентрации реагирующих веществ, в первую очередь СО2. В зоне декарбонизации в результате диссоциации СаСОз СаО+СО2 и выделения СО2 создается высокое парциальное давление СО2 (760 мм рт. ст.) и высокая концентрация СО2, что обеспечивает интенсификацию процесса горения в зоне декар- борнизации. Наличие углерода в присутствии карбоната кальция обеспечивает интенсификацию процесса декарбонизации

CaCOj +C CaO-i-2CO.

При этом выделивщиеся при дегидратации глинистой составляющей отходов углеобогащения пары ВОД.Ы интенсифицирующе действуют на процесс декарбонизации сырьевого .материала, так как они вызывают гидролиз карбоната, причем этот эффект усиливается за счет того, что сравнительно небольщое количество воды может привести к гидролитическому разложению больщогс количества карбоната за счет циклически повторяющегося процесса;

СаСОз + ИгО Са(ОН)2 + С02

Нагрев глинистой составлярощей отходов углеобо -ащения способствует ее актнвизаци; и приобретению наибольшей реакционной способности к моменту взаимодействия свободной СаО, что позволяет интенсифицировать процессы твердофазовых реакций, так как в присутствии активного глинистого компонента повыщается интенсивность взаимодействия алюминатов .и силикатов кальция в твердой фазе. Это способствует завершению процесса клинкерообразования в более короткие сроки.

Завершение процессов клинкерообразования осундествляют в зоне спекания при пониженном расходе техноло1-ического топлива в этой зоне.

Необходимый для горения технологического топ.лива и топливного компонента отходов углеобогащения в зоне декарбонизации кислород подается в качестве первичного воздуха к технологическо.му топливу с головки печи при коэффициенте избытка воздуха 1,2-1,3. Повыщение указанного предела приводит к значительно.му снижению температуры факела, уменьшение коэффициента избытка воздуха вызывает нехватку кислорода для горения в зоне декарбонизации.

После обжига полученный цементный клинкер подается .на охлаждение в xojij- дильник.

Пример. Опробование предлагаемого способа обжига клинкера проводилось на врапгающейся печи 0,56×7.

Сырьевой щлам готовили на основе технологических проб сырья Старосксльского цементного завода.

Химический состав компонентов шлама и отходов углеобогащения приведен в табл. 1.

На основании расчета сырьевой смеси во вращающуюся печь вводили шлам, состоящий из мела в количестве 1,197 кг/кг-Кл (76,58 мас.%), глины — 0,214 кг/кг-Кл (13,65 мас.%), пиритных огарок — 0,022 кг/ /кг Кл (1,40 мас.%) и отдельным потоком параллельно сырьевому щламу — отходы углеобогащения в количестве 0,131 кг/кг-Кл (8,37 мас.%).

Отходы углеобогащения подавали и транспортировали в объеме печи к зоне с температурой материала 900-950°С посредством установленного соосно печи трубо- щнека, заглушенного с разгрузочного конца и снабженного элементами для ввода отходов в слой материала.

При этом отходы углеобогащения и сырьевой щлам перемешивались в печи к зоне смешивания отдельными, параллельными потоками. В результате непосредственного контакта сырьевого материала с газовым потоком последний нагревался до 900-950°С, а отходы углеобогащения, не контактирующие с газовым потоком, в этой зоне имели температуру 400°С. Контроль температурного режима материала осуществлялся с помощью термопар. При указанных температурах осуществляли смещение потоков сырьевого материала и отходов углеобогащения.

В момент смещения отходы углеобогащения подвергаются термическому удару, в результате чего происходит активация глинистой составляющей и выделение летучих, которые, взаимодействуя с кислородом, выделяют тепло, расходуемое на протекание процесса декарбонизации.

При дальнейшем продвижении материала с отходами начинается горение твердотопливных включений в отходах. Выделяющееся тепло от сгорания отходов в зоне декарбонизации используется здесь же на интенсификацию реакций декарбонизации. Активация глинистой составляющей способствует повыщению интенсивности взаимодействия алюминатов и силикатов кальция в твердой фазе.

Завершение процессов клинкерообразова- ния в зоне спекания осуществляли при сни0

жении количества технологического топлива на 3,1% и увеличении коэффициента избытка воздуха до 1,3.

Полученный в результате осуществления предложенного способа клинкер характеризовался следующим химическим составом, мас.%: SiO2 22,05; АЬОз 5,36; Ре2ОзЗ,83, СаО 66,7; MgO 0,72; КгО 1,03, 5Оз 0,46; проч. 0,10 и минералогическим составом, мас.%: Сз5 63, CoS 17; СзА 8, C4AF 12.

Предлагаемый способ обжига предусматривает введение 8-25% отходов углеобогащения.

Введение максимального количества отходов углеобогащения (25%) позволяет сэко- 5 номить до 20% технологического топлива.

Сравнительные результаты по использованию тепла в процессе обжига представлены в табл. 2.

Использование предлагаемого способа 0 обжига цементного клинкера позволяет интенсифицировать процесс декарбонизации цементно-сырьевого щлама за счет подвода тепла непосредственно в зону декарбонизации, а также интенсифицировать процесс 5 протекания твердофазных реакций за счет введения активированной глинистой составляющей отходов углеобогащения в зону с температурой материала 900-950°С и степенью декарбонизации 10-13%, что позволяет получить клинкер с высоким содер- 0 жанием алита и соответственно высокой прочностью.

Способ обжига цементного клинкера во 5 вращающейся печи путем введения сырьевой смеси с холодного конца печи, сжигания основного топлива с горячего конца печи и подачи дополнительного малокалорийного топлива с холодного конца печи, отличающийся тем, что, с целью снижения расхода топлива, малокалорийное топливо подают отдельным потоком и транспортируют в печи параллельно потоку сырьевой смеси и смешивают с последним в зоне, где температура сырьевой смеси 900-950°С, а температура топлива 300—350°С.

Текст

» = ВйцтвАНИ 49923 И Союз Советски оциалистическ ИЗОБРЕТЕН И есоублик К АВТОРСКОМУ СВ(23) ПриоритетОпубликовано 15.01.76 ГосударственныйСовета Министра мите 66.041.9 (088.8)(53) У юллетень2 по делам изобретений крытин а опубликования описания 06.04.7Р. И. Ицелев и Л. Н, Лифшиц сесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторск институт по автоматизации предприятий промышленности строительных материалов54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕСС ОБЖИГА ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ ПРИ,ПРОИЗВОДСТВЕ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА пекания, а, напри- кальция неодно- влияни 1Изобретение относится к способу автоматического управления процессом обжига во вращающейся печи при производстве цементного клинкера.Известен способ автоматического управления процессом обжига путем стабилизации подачи сырья и стабилизации аэродинамического режима, измерения расхода топлива и температуры перед зоной калвцинирования, изменения подачи топлива в зависимости от соотношения между его расходом и температурой перед зоной кальцинирования и коррекции подачи топлива в зависимости от температуры материалов в зоне спекания,Известный способ не обеспечивает высокого казачества цементного клинкера из-за неполноты информации, получаемой о состоянии материала в процессе обжита.Температура, измеренная в зоне кальцинирования, не может полностью характеризовать количество тепла, полученного материалом. Необходима дополнителвная информация о параметрах составления материала, например о количестве материала, находящегося в зоне кальцинирования.Температура, измеренная в зоне с косвенно связана с качеством обжигмер с содержанием свободной окисив клинкере, Однако эта зависимость значна и, кроме того, она искажается ем многих факторов, действующих в процессе автоматического контроля (таких, как излучение факела, пыление и др.)Предлагаемый способ позволяет повысить 5 казачество клинкера. Это достигается тем, чтоизмеряют колебания тока статора главного привода вращающейся печи, выделяют из них амплитуды низко- и высокочастотных составляющих и параметр состояния материала в 10 зоне кальцинирования определяют по амплитуде низкочастотных колебаний тока, а параметр состояния материала в зоне спекания по амплитуде высокочастотных колебаний тока, которую измеряют на частоте подъема и паде ния материала в зоне спекания.Способ основан на зависимости разных составляющих спектра колебаний тока статора главного привода печи от разных параметров состояния материала в печи в процессе обжи га. Это зависимость была подтверждена экспериментальными исследованиями.Низкочастотная составляющая колебанийтока статора печи косвенно характеризует изменение положения границы зон кальциниро вания и спекания, которое вызывается действием возмущений (таких, как изменение химического состава сырья). Изменение положения границ зоны кальцинирования приводит к изменению количества тепла, получае мого материалом, т. к. меняется время преЗаказ 5594 Изд, Мо 1032 Тираж 752 Подписное ЦНИИПИосударствсниого комитета Совета Министров СССР по делам изобпетений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Типография, пр, Сапунова, 2 бывания материала в печи. При вращении печи материал, лежащий на футеровке, поднимается вместе с ней на некоторую высоту, затем отделяется от футеровки и падает. Чем больше тепла получил материал, тем больше в нем жидкой фазы и тем,выше он поднимается в зоне спекания при вращении печи.При подъеме материала натрузка на привод печи резко возрастает, при падении материала — уменьшается. Таким образом, высокочастотная, составляющая колебаний тока косвенно характеризует количество тепла, полученного материалом в зоне спекания. Способ осуществляют следующим образом, Стабилизируют подачу сырья путем автоматического поддержания заданного расхода сырья. Аэродинамический режим в печи стабилизируют путем автоматического поддержания заданных значений разрежений после печи и в ,горячей головке, воздействуя на направляющие аппараты дымососа после печи и дымососа аспирации. Измеряют расход топлива и температуру перед зоной кальцинирования. Если способ используют для печей мокрого способа, то в,качестве этой температуры используют температуру материала перед зоной калыцинирования, измеренную термопарой, установленной в специальном кармане. В случае сухого способа производства используют температуру отходящих газов после печи, так как термопара, установленная перед теплообменником, находится в начале зоны кальцинирования. Использование специального кармана для измерения температуры материала в начале печи сухого способа производства, как показали экспериментальные исследования, менее надежно. С помощью трансформатора токавключенного в цепь питания статора главного привода печи, измеряют колебания тока. Измеренные колебания тока пропускают параллельно через два фильтра. Один из них выделяет высокочастотную составля 1 ощую колебаний тока, второй — низкочастотную составляющую. Первый фильтр рассчитывают на резонансную частоту, равную частоте подъема и падения материала в зоне спекания. Второй фильтр рассчитывают на частоту среза, соот аетствующую скорости вращения печи,Расход топлива изменяют в зависимости отсоотношения между температурой перед зоной кальцинирования, амплитудой низкочастотных колебаний тока и текущим расходом 10 топлива. Этим стабилизируют количество тепла, полученного материалом в зоне калыцинирования печи.В зависимости от амплитуды высокочастотной составляющей колебаний тока корректи руют изменение расхода топлива, произведенное в предыдущей операции. Назначение этой операции состоит в учете возмущений, вызывающих изменение потребного количества тепла в зоне опекания.20Формула изобретенияСпособ автоматического управления процес.сом обжига во вращающейся;печи при производстве цементного клинкера путем стабили зации подачи сырья и стабилизации аэродинамического режима, измерения расхода топлива и температуры перед зоной кальцинирования по ходу материала, изменения подачи топлива в зависимости от соотношения между его 30 расходом и параметрами состояния материала в зоне кальцинировання и коррекции подачи топлива в зависимости от параметра состояния материала в зоне спекания, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения ка чества клинкера, измеряют колебания токастатора главного привода вращающейся печи, выделяют из них амплитуды низко и высокочастотных составляющих, и параметр состояния материала в зоне кальцинирования опре деляют по амплитуде низкочастотных колебаний тока, а параметр состояния материала в зоне спекання — по амплитуде высокочастотных колебаний тока, измеряемой на частоте подъема и падения матсриала в зоне спека ния.

Каким методом получают цементный клинкер

Для создания материала, не уступающего по прочности натуральному камню, голландские строители стали обжигать специальную глину при высокой температуре. Сейчас при производстве цементного клинкера используют сырье, в составе которого содержатся двух-трехкальциевые силикаты или алюминаты. Смесь нагревают в печах до плавления или спекания. На свойства клинкера влияют несколько факторов:

• характеристики используемых добавок и присадок;
• состав сырья;
• метод охлаждения и помола;
• технология нагрева.

При мокром способе обжига применяется много различных компонентов, среди которых триполифосфат, сода, торфяная вытяжка, жидкое стекло. Из шлама выделяются углекислоты, а клинкер приобретает форму шарика.

При сухом методе минеральные вещества высыхают в печи, а потом измельчаются в порошок. При комбинированном варианте смесь производят с помощью мокрого метода, затем влажность уменьшают до 16% путем фильтрования, после сырье обжигают. Если применяется сухой способ, то смесь соединяют с водой. А образовавшиеся гранулы высыпают в печь для дальнейшего спекания. Почти 67% в них приходится на оксид калия, 4% — алюминия. Около 22% составляет диоксид кремния, до 6% в составе гранул — добавки и присадки.

В клинкере, из которого производится цемент, количество минеральных искусственных компонентов достигает 70%.

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Проведены экспериментальные исследования модели с целью выдачи рекомендаций по организации работы цеха обжига цементного клинкера. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ГУП «Таджикцемент» (Республика Таджикистан), а также используются в учебном процессе на кафедре «АСУ» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов.

Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение:

на научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах Республики Таджикистан (г. Душанбе, 2010-2011 гг.); на научно-методических конференциях МАДИ (Москва, 2008-2011 гг.), на заседании кафедры «Автоматизированные системы управления» МАДИ.

ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КЛИНКЕРА

Предприятие ЗАО «Ульяновскцемент» выпускает цемент по мокрому способу производства цемента. Завод построен в 1961 году. На заводе установлено четыре печи обжига клинкера. Предприятие работает по круглосуточному графику.
На момент проведения обследования есть информация о переводе предприятия на сухой способ производства цемента в ближайшей перспективе.

Основным технологическим комплексом в технологии производства цемента являются высокотемпературные печи обжига клинкера. Основной источник тепловых хвостов в цехе обжига клинкера:

На охладителе клинкера после каждой печи обжига установлены два вентилятора: вентилятор вторичного воздуха на дутье в печь обжига клинкера – вентилятор острого дутья и вентилятор вторичного воздуха на охлаждение с последующим выбросом в атмосферу.

На рисунке №5.1 представлена общая схема отделения обжига клинкера предприятия, работающего по мокрому способу производства цемента. Данные по температуре вторичного воздуха предоставлены отделом главного технолога предприятия. Расход вторичного воздуха взят по номинальной производительности вентилятора и может не соответствовать фактическому расходу по причине установки шиберов на регулирование. Какого-либо технического учёта вторичного воздуха на предприятии нет.

В данном исследовании предполагается расчет количества тепловой энергии только вторичного воздуха охлаждения клинкера, который выбрасывается в атмосферу. Утилизация теплоты дымовых газов печей обжига клинкера в данном исследовании не предусмотрена.

Производство кирпича

Для изготовления клинкера используется специальная тугоплавкая глина. Она в своем составе содержит много оксидов алюминия, которые значительно уменьшают деформацию прессованных брикетов при обжиге. Содержание оксидов — 17-23% от общей массы смеси. В любой глине всегда есть окись железа (изображение № 1), придающая готовому изделию цвет, который может меняться от привычного вишнево-красного до необычного темно-фиолетового. Содержание оксида железа не должно превышать 8%, иначе при обжиге изделий в печи на их поверхностях образуется корка. Она не дает выхода углекислому газу, отчего кирпич вздувается.

В составе глины должно сохраняться определенное количество кальция, магния, кремния. При их недостатке изделия требуют строго определенных температур при обжиге, а от этого усложняется технология производства. При превышении содержания меняются характеристики и свойства кирпича. Он становится хрупким.

Изображение № 2. Облицовочный кирпич применяют для отделки внешних фасадов домов.

Более высокого качества изделий можно добиться использованием экструзионного метода изготовления. Применение этого способа заключается в следующем:

Такой способ производства и обжига изделий довольно дорог. Российский клинкерный кирпич подобным образом выпускается лишь на нескольких заводах. Остальные предприятия работают методом полусухого прессования, он требует более низких энергозатрат. Способ производства включает в себя следующие операции:

• глина сушится и измельчается;
• измельченная смесь размещается в формах;
• происходит прессование кирпича;
• заготовки сушатся при температуре 80°С в течение суток;
• высушенные заготовки отравляются на обжиг.

Чаще всего для обжига находят применение туннельные печи. Эти сооружения достигают длины 200 м. Работают они по непрерывному циклу. На конвейерной ленте заготовки проходят весь путь. На пути они пересекают зоны с разными температурными режимами. Максимальная температура достигает +1100°…+1450°С. В таких условиях глина спекается и превращается в керамику. А клинкерный кирпич, как нам известно, является разновидностью керамических изделий. Его свойства и характеристики:

Кирпич по своему назначению может быть разным. Различают следующие виды клинкерного кирпича:

• облицовочный;
• дорожный;
• печной;
• фасонный.

Облицовочный предназначен для отделки стен зданий (изображение № 2). Дорожный — для мощения дорог и тротуаров (изображение № 3). Из печного строят дымоходы, камины и печи. Фасонные изделия имеют самую разную форму. Они используются для строительства беседок, ограждений, для отделки некоторых деталей зданий. Свойства и достоинства изделий:

• высокая прочность;
• морозостойкость;
• презентабельный внешний вид;
• долговечность (порядка 100 лет).

К недостаткам можно отнести высокую плотность. Это качество требует более прочного фундамента и усложняет доставку кирпича на место использования. К этому можно добавить потерю тепла из-за теплопроводности материала и высокую стоимость.

Четыре главные фазы клинкера

Для получения высокого качества цемента клинкер должен состоять из 4 компонентов, которые войдут в гранулы в нужном процентном количестве.

Соотношение минералов при производстве клинкера.

Наиболее важным компонентом является силикат, состоящий из тройного количества оксида кальция, смешанного с диоксидом кремния. Его процентное содержание в клинкере колеблется в пределах 52-68%. Силикат отличается от подобных ему составов за счет введения в кристаллическую решетку ионов магния, алюминия и железа.

Главное свойство алита — быстрая реакция с водой. Это свойство позволяет резко увеличить прочность цементной смеси на всех ее фазах. Наиболее важный вклад алит вносит при получении 28-суточной прочности образующегося продукта.

Белит

В нормальном клинкере содержание этой фазы колеблется в пределах 14-31%. Она является силикатом, состоящим из двойного количества кальциевого оксида, смешанного с диоксидом кремния. Кристаллическая решетка этого вещества изменена ионами различных металлов до β-модификации.

Белит практически не реагирует с водой, поэтому не может оказать влияние на прочность первые 28 дней, но затем вносит большой вклад в формирование прочностных характеристик продукта.

Алит и белит в чистом виде через 12 месяцев приобретают практически одинаковую прочность.

Алит и белит в смешанном виде.

Алюминатная фаза

Содержание ее в гранулах составляет 4-11% в нормальном клинкере. Она является силикатом, содержащим утроенное количество оксида кальция, смешанного с оксидом алюминия. В кристаллическую решетку этого соединения вкраплены ионы кремния, калия, железа и натрия.

Алюминатная фаза хорошо взаимодействует с водой. Она может ускорить нежелательное схватывание, если в смесь забыли добавить такой регулирующий элемент, как гипс.

Алюмоферритная фаза

В нормальном клинкере процентное содержание этой фазы колеблется от 5 до 15%.

Она является смесью следующих веществ:

• учетверенное количество кальциевого оксида;
• трехвалентный железный оксид;
• оксид алюминия.

Кристаллическая решетка этого соединения может изменяться в широких пределах при внесении в нее инородных ионов и подборе соотношения Al/Fe. Скорость реагирования этой фазы с водой на начальном этапе достаточно высокая, но ее можно изменять подбором соответствующих компонентов.

В последующий период реакция этой фазы с жидкостью замедляется, достигнув промежуточного значения между скоростями белита и алита.

Вместе с этими фазами в клинкере присутствуют и другие примеси, например, оксид кальция и различные щелочные сульфаты. Но их количество по сравнению с основными компонентами небольшое, поэтому они не могут оказать существенного влияния на прочностные характеристики клинкера.