Основные физико-химические процессы на проектируемом технологическом переделе (цех обжига)

 

 

 

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Основные физико-химические процессы на проектируемом технологическом переделе (цех обжига).

Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера сопровождаются сложными физическими и физико-химическими процессами, в результате которых из исходных компонентов образуются зерна минералов C₃S, β-C₂S, C₃A, C₄AF и стекловидная фаза.

Характер процессов определяется температурой обжига.

1. Зона сушки. Шлам, попадая в печь, подвергается воздействию дымовых газов с температурой 300 – 600⁰С. Начинается энергетическое испарение воды, шлам загустевает, образуются крупные комья, затем они распадаются на более мелкие куски за счет цепей в печи, которые играют роль завес и теплообменников.
2. Зона подогрева. Температура материала равна 400 – 500⁰С, с продвижением по печи выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита и других глинистых минералов с образованием Al₂O₃*2SiO₂ (AS₂), происходит потеря пластичности и связующих свойств глин, куски распадаются в порошок. В конце этой зоны занимают 50 – 55% длины печи.
3. Далее с нагревом материала до 750 – 800⁰С начинаются реакции в твердом состоянии. Вначале они малозаметны, но к 1000⁰С интенсивность их резко возрастает:

800⁰С – начинается сцепление отдельных частичек порошка в гранулы, при этом образуются β-C₂S, CA и C₂F;

900 – 1000⁰С – CaCO₃  →CaO +CO₂ – зона кальцинирования. Большое потребление теплоты;

1000 – 1100⁰С – CaCO₃ полностью разложился и частично превратился в C₂S, CA и C₂F, при этом резко возрастает интенсивность реакций.

4. Экзотермическая зона. Образование силикатов, алюминатов и ферритов Са является экзотермическим (с выделением тепла) и потому на небольшом участке резко возрастает температура на 150 – 200⁰С. Возрастает образование C₂S, CA→C₅A₃→C₃A. К концу этой зоны температура материала достигает 1300⁰С и материал в основном состоит из C₂S, C₃A, C₄AF или C₂F и некоторого количества свободного СаО.
5. Зона спекания. При 1300⁰С начинается спекание – первыми переходят в расплав С₃А, С₄АF, MgO и СаО, затем C₂S, при этом создаются благоприятные условия для образования C₃S, C₂S и СаО. C₃S малорастворим, в расплаве выпадает в осадок, что позволяет растворяться следующим порциям C₂S и СаО. Здесь материал нагревается до t = 1300 – 1450⁰С. Для ускорения процесса клинкерообразования с высоким содержанием C₃S применяют специальные добавки – минерализаторы. Они способствуют снижению температуры спекания материала на 100 – 150⁰С, уменьшению вязкости расплавов и каталитически влияют на образование C₂S и C₃S, а также на формирование их кристаллов.
6. Зона охлаждения – последний участок печи, где клинкер охлаждается воздухом от 1300 до 1000 – 1100⁰С. В этом периоде исчезает жидкая фаза и спекание заканчивается. При снижении температуры с 1450 до 1300⁰С жидкая фаза частично застывает в виде стекла, частично кристаллизуются C₃А, C₄АF и MgO. Если медленно охлаждать клинкер, то образуются более крупные кристаллы MgO, которые могут вызвать неравномерность изменения объема цемента и низкую активность цемента. Если быстро охлаждать, то MgO в большом количестве остается в стекле и в мелкокристаллическом состоянии, что отрицательно не влияет на свойства цементов. Образуются цементы более сульфатостойкие, они характеризуются повышенной экзотермией.

3. Расчет материального баланса  цементного завода.

3.1. Исходные данные при расчете:

1. Способ производства – мокрый.
2. Годовая производительность завода – 3 020 000 т цемента.
3. Состав портландцемента, %:

Клинкер . . . . . 97;

Гипс . . . . . . . . . .3.

4. Величина присадок золы топлива – 4%.
5. Состав сырьевой смеси, %:

Известняк . . . . . . 84,483;

Глина . . . . . . . . . . 13,865;

Огарки  . . . . . . . . . .1,652.

6. Естественная влажность материала сырьевых материалов, топлива и добавок,%:

Известняк . . . . . . . . . . 3;

Глина . . . . . . . . . . .  17,5;

Огарки . . . . . . . . . . . . . 0.

7. Влажность шлама . . . . . . . . . 38%.
8. Потери при прокаливании сырьевой смеси . . . . . . . . 34,381%.
9. Производственные потери:

Сырьевых материалов

Клинкера

Добавок

Цемента

10. Коэффициент использования вращающихся печей – 0,89.
11. Режим работы основных цехов и отделений в течение года:

1. Карьер и дробильное отделение – 307 дней по 16 ч в сутки (4912 ч) в две смены при прерывной рабочей недели;
2. Отделение помола сырья – 307 дней по 24 ч в сутки (7368 ч);
3. Цех обжига – 364*КИ – количество дней работы печей по 24 ч в сутки;
4. Отделение помола цемента – 307 дней по 24 ч в сутки (7368 ч);
5. Силосно-упаковочное отделение – 365 дней по 24 ч в сутки (8760 ч), непрерывный в три смены.

3.2.Материальный баланс цеха обжига.

3.2.1 Производительность трех вращающихся печей.

125 ∙ 3 = 375 т/ч;

375 ∙ 24 = 9 000 т/сутки;

375 ∙ 7800 = 2 925 000 т/год.

3.2.2 Расчет расхода сырьевых материалов.

Учитывая 4% присадки золы в процессе обжига клинкера расход сырьевых материалов следует считать:   375 т/ч - 100%

  х  т/ч   - (100-4)%, тогда

 т/ч.

Теоретический удельный расход сухого сырья для производства клинкера определяют с учетом потерь при прокаливании:

 т/т клинкера.

На современных заводах для  обеспыливания отходящих газов вращающихся печей устанавливают электрофильтры, что дает возможность считать потери сырья с отходящими газами не более 1%. Тогда расход сухого сырья составит:

т/т клинкера;

                                            1,539 ∙ 360 = 554,04т/ч;

554,04 ∙ 24 = 13 296,96 т/сутки;

554,04 ∙ 7800 = 4 321 512 т/год.

Определяем расход отдельных компонентов  сухой сырьевой смеси:

а) Известняка:

т/т клинкера:

1,300 ∙ 360 = 468,00 т/ч:

468,00 · 24 = 11 232 т/сутки:

468,00 · 7800 = 3 650 400 т/год.

б) Глины:

т/т клинкера;

0,213 · 360 = 76,68 т/ч;

76,68 · 24 = 1 840,32 т/сутки;

76,68 · 7800 = 598 104 т/год;

в) Огарки:

т/т клинкера;

0,025 · 360 = 9,00 т/час;

9,00 · 24 = 216,00 т/сутки;

9,00 · 7800 = 70 200 т/год.

С учетом естественной влажности расход сырьевых материалов соответственно составит:

а) Известняка:

т/т клинкера;

1,340 · 360 = 482,40 т/ч;

482,40 ∙ 24 = 11 577,60 т/сутки;

482,40 ∙ 7800 = 3 762 720 т/год.

б) Глины:

 т/т клинкера;

0,258 ∙ 360 = 92,88 т/ч;

92,88 ∙ 24 = 2 229,12 т/сутки;

92,88 ∙ 7800 = 724 464 т/год,

в) Огарки:

  т/т клинкера:

0,025 ∙ 360 = 9,00 т/ч;

9,00 ∙ 24 = 216,00 т/сутки;

9,00 ∙ 7800= 70 200 т/год.

3.2.3 Расчет расхода шлама.

Часовой расход шлама рассчитывают по формуле:

где  А_ш – расход шлама, м³/ч;

А_с – расход сухого сырья в час, т/ч;

W_ш – влажность шлама, %;

 γ_ш – плотность шлама, т/м³.

Плотность шлама определяют интерполяцией влажности и плотности шлама:

Таблица 1.1

Влажность шлама, %	Плотность шлама, т/м3
45 40 35 30 25	1,550 1,600 1,650 1,700 1,750

 

Для рассматриваемого случая γ = 1,630 т/м³.

Тогда на печи необходимо подать шлама:

А_ш = м³/ч;

548,229 · 24 = 13 157,496 м³/сутки;

548,229 · 7800 = 4 276 186,200 м³/год.

3.3. Материальный баланс отделения помола сырья.

 

Из предыдущих расчетов следует, что  отделение помола сырья, работающее с выходными днями (307 суток в  году по 3 смены в сутки), должно обеспечить помол 4 321 512 т/год сухих сырьевых материалов.

Следовательно, должно быть измолото сухого сырья:

4 321 512 / 307 = 14 076,586 т/сутки;

14 076,586 / 24 = 586,524 т/час.

В том числе расход отдельных  компонентов составит:

а) Известняка:

т/час;

т/сутки;

т/год;

б) Глины:

т/час;

т/сутки;

т/год;

в) Огарки:

т/час;

т/сутки;

т/год.

Для образования шлама одновременно с исходными материалами в сырьевые мельницы подается и вода. Потребность в воде определяется по формуле:

W_в = А_шγ_ш – (А_с + W_и + W_г + W_т),

где  W_в – количество воды, необходимое для приготовления шлама, м³/ч;

γ_ш – плотность шлама, т/м³;

А_ш – потребность в готовом шламе, м³/ч;

А_с – потребность в сухом сырье, т/ч;

W_и, W_г, W_т – количество воды, поступающее соответственно с известняком, глиной и трепелом, т/ч.

На основании приведенных ранее  расчетов:

А_ш = 548,229 м³/ч;

γ_ш = 1,630 т/м³;

А_с = 554,04 т/ч;

W_и = 482,40 – 468,00 = 14,40 т/ч;

W_г = 92,88 – 76,68 = 16,20 т/ч;

W_т = 9,00 – 9,00= 0 т/ч.

Подставляя эти данные в формулу, определяем расход воды на приготовление  шлама:

 W_в = 548,229 × 1,630 – (554,04 + 14,40 + 16,20 + 0) = 308,973 т/ч;

                                308,973 × 24 = 7 415,352 т/сутки;

                                7 415,352 × 307 = 2 276 513,064 т/год.

3.4. Материальный баланс карьера и дробильного отделения

 

Общие потери сырья составляют 2,5%, из них 1,5% - это потери на карьере, при транспортировке и дроблении в дробильном отделении и 1% - потери сырья с отходящими газами вращающихся печей.

Карьер, как и дробильное отделение, работает с выходными днями – 307 суток в году, в 2 смены в сутки:

307 × 16 = 4912 ч.  

Для производства 2 925 000 т/год клинкера необходимое количество сырьевых материалов, как было подсчитано выше, составляет:

Известняка:      3 762 720 т/год;

Глины:               724 464 т/год.

Трепел данным расчетом не учитывается, так как является привозным материалом.

С учетом 1,5% потерь требуется:

а) Известняка:  

                                                                        т/год;

3 819 160,80 / 307 = 12 440,263 т/сутки;

12 440,263 / 16 = 777,516 т/ч;

б) Глины: 

                                                            т/год;

735 330,960 / 307 = 2 395,215 т/сутки;

2 395,215 / 16 = 149,701 т/ч.

Таким образом, производительность карьера должна обеспечить добычу, а дробильное отделение – дробление следующего количества материалов:

Таблица 1.2

Расход материалов дробильного  отделения (т)

Материал	Период
	год	сутки	час
Известняк	3 819 160,800	12 440,263	777,516
Глина	735 330,960	2 395,215	149,701

3.5. Материальный баланс клинкерного склада  и отделения помола цемента

 

На клинкерный склад отправляют: клинкер и гипс.

Из данных материалов баланса цеха обжига следует, что в склад поступает клинкера, т:

в час:                  375;

в сутки:                9 000;

в год:         2 925 000.

 

При хранении сыпучих материалов в  складских помещениях неизбежны  потери, %:

клинкера:  1,0%;

гипса:       1,5%.

Таким образом, в отделение помола цемента за год поступает клинкера:

                             а) Клинкер:        т.

При работе отделения помола цемента 307 суток в году по 3 смены в сутки (7368 ч в год) необходимо клинкера:

в сутки:                 2 895 750 / 307 = 9 432,410 т;

в час:   2 895 750  / 7368 = 393,017 т.

Введение при помоле цемента  гипса (3%) определяет потребность отделения помола клинкера в этих материалах:

б) Гипса:  т/год;

89 559,278 / 307 = 291,724 т/сутки;

89 559,278 / 7368 = 12,155 т/ч.

Из приведенных выше расчетов следует, что производительность отделения  помола цемента составляет:

2 895 750 + 89 559,278 = 2 985 309,278 т/год (цемента);

9 432,420 + 291,724 = 9 724,144 т/сутки (цемента);

393,017 + 12,155 = 405,172 т/ч (цемента).

Аспирация цементных мельниц осуществляется на современных заводах с помощью  электрофильтров. При этом потери цемента могут быть приняты порядка 0,5%.

Тогда действительная производительность помольного отделения составит:

т/год (цемента);

т/сутки (цемента);

т/ч (цемента).

Так как гипс поступает на помол без предварительной сушки, то здесь должен быть учтен только 1,5% его потерь:

т/год.

 

Поступающий из вращающихся печей  на склад клинкер поливают водой, при этом расход воды на поливку  принимается равным 1% от веса клинкера, то есть:

375× = 3,75 т/час;

9 000 × = 90 т/сутки;

2 925 000 × = 29 250 т/год.

3.6. Производственное задание силосно-упаковочного отделения

 

В соответствии с произведенными расчетами  в силосно-упаковочное отделение поступает цемента, т:

в год:       2 970 382,732т;

в сутки:              9 675,523 т;

в час:        403,146 т.

 

Учитывая потери цемента при  упаковке и отгрузке порядка  2,5%, получим количество цемента, подлежащее отгрузке:

 

в год:    т;

в среднем в сутки: 2 896 123,164 / 365 = 7 934,584т.  

Поскольку суточная отгрузка зависит  от количества и времени поступления  транспорта под погрузку цемента, то отгрузка цемента в час не может  быть подсчитана. Общий материальный баланс цементного завода приведен в табл. 1.3.

Сводная таблица материального  баланса

Таблица 1.3

Сводная таблица материального  баланса

Производство и материал	Режим работы	Характеристика материала	Расход				Примечание
			Ед. изм.	В час	В сутки	В год
1	2	3	4	5	6	7	8
Карьер и дробильное отделение
Известняк	307 суток в год по 16 часов	Естественная влажность 3%	т	777,516	12 440,263	3 819 160,800	Расчет указан с расчетом 1,5% потерь
Глина	307 суток в год по 16 часов	Естественная влажность 17,5%	т	149,701	2 395,215	735 330,960
Отделение помола
Известняк	307 суток в год по 24 часов	Абсолютно сухой	т	495,513	11 892,322	3 651 072,628
Глина	307 суток в год по 24 часов	Абсолютно сухой	т	81,322	1 951,719	599 177,639
Огарки	307 суток в год по 24 часов	Абсолютно сухой	т	9,689	232,545	71 391,378
Вода	307 суток в год по 24 часов	Абсолютно сухой	т	308,973	7 415,352	2 276 513,064
Цех обжига клинкера
Известняк	307 суток в год по 24 часов	Абсолютно сухой	т	468	11 232	3 650 400	Расчет указан с учетом 1% потерь
Глина	307 суток в год по 24 часов	Абсолютно сухой	т	76,68	1 840,32	598 104
Огарки	307 суток в год по 24 часов	Абсолютно сухой	т	9	216	70 200
Шлам	307 суток в год по 24 часов	Влажность 38%	т	548,229	13 157,496	4 276 186,200
Клинкерный склад
Клинкер	307 суток в год по 24 часов		т	375	9 000	2 925 000
Гипс	307 суток в год по 24 часов	Естественная влажность 6%	т	-	-
Вода	307 суток в год по 24 часов		т	3,75	90	29 250
Отделение помола цемента
Клинкер	307 суток в год по 24 часов	Естественная влажность 6%	т	393,017	9 432,410	2 895 750	Учтены потери на складе 1%
Гипс	307 суток в год по 24 часов	Естественная влажность 6%	т	12,155	291,724	89 559,278
Цемент	307 суток в год по 24 часов	Естественная влажность 6%	т	403,146	9 675,523	2 970 382,732	Учтены потери цемента 2,5%
Силосно-упаковочное отделение
Цемент на отгрузку	365 суток в год	Естественная влажность 6%	т	-	7 934,584	2 896 123,164	Часовая отгрузка цемента не указана  вследствие неравномерности подачи транспорта

 

Обоснование, выбор и техническая  характеристика основного технологического оборудования.

Контроль производства цемента.

Получить цемент высокого качества на современных заводах можно, только обеспечив:

• Определенное качество сырья и соответствие его техническим требованиям;
• Определенные свойства полуфабриката на всех стадиях производства;
• Безаварийную работу приборов, механизмов, установок в заданных оптимальных режимах;
• Определенные свойства получаемого цемента.

Контроль производства систематический, достаточной точности, часто автоматизирован. Сырье контролируют по химическому составу, содержанию СаСО₃ в известняке (титр), влажности. В сырьевом отделении проверяют состав смесей, химический состав сырьевых смесей: СаО, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. Качество клинкера устанавливают по плотности, которая при правильном составе и оптимальном обжиге должна быть 1,550 – 1,650 кг/л. Содержание СаО_своб – не более 1% для обычного ПЦ и не более 0,05% для БТЦ.

В помольном цехе клинкера устанавливают  соотношение «клинкер – минеральная добавка – гипс и др. компоненты, ТП, температура и др.». Цемент должен быть принят ОТК завода по ГОСТ 22236-85.

Охрана труда на цементных заводах

Создание благоприятных и безопасных условий труда должно соответствовать  правилам по технике безопасности и охране труда:

• Инструктаж по технике безопасности труда (вводный, повторный) проводится один раз в квартал;
• Движущиеся части механизмов должны быть ограждены;
• Электрическое оборудование должно быть заземлено;
• Должен производиться контроль температуры установок, материалов;
• В соответствии с санитарными нормами проектирования промышленных предприятий концентрация в воздухе помещений цементной и остальных видов пыли не должна превышать 0,04 мг/м³. Содержание в воздухе СО не допускается более 0,03, сероводорода – более 0,02 мг/м³. В воздухе, выбрасываемом в атмосферу, концентрация пыли не должна быть более 0,06 г/м³. При нормальной эксплуатации пылеочистных систем содержание пыли в выбрасываемом воздухе составляет 0,04 – 0,06 г/м³.
• Необходимо соблюдать мероприятия по снижению шума у рабочих мест, используя демпфирующие прокладки между внутренней стенкой мельничных барабанов и бронефутеровочными плитами, замену в сырьевых шаровых мельницах стальных плит резиновыми. При этом звуковое давление снижает на 5 – 12 дБ. Укрытие мельниц и дробилок шумоизолирующими кожухами, облицовка источников шума звукопоглощающими материалами также дает хороший эффект (снижение на 10 – 12 дБ).

Список использованной литературы.

 

1. Дуда В. Цемент. – М.: Стройиздат, 1981.
2. Журавлев М.И. Оборудование заводов вяжущих материалов. – М.: Высшая школа, 1967. – 264 с.
3. Колокольников В.С. Производство цемента. – М.: Высшая школа, 1974. – 242 с.
4. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. Атлас.: Учебное пособие для вузов/ Под ред. М.Я.Сапожикова. – М.: Машиностроение, 1978. – 112 с.
5. Сулименко Л.М. Технология минеральных вяжущих и изделий на их основе: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2006.
6. Чулкова  И.Л., Пиндюк Т.Ф. Проектирование цементного завода: Учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. – 120 с.
7. Мартемьянова Э.Н. Нормоконтроль в курсовом и дипломном проектировании: Методическое пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2004. – 50 с.