Производство пуццолонового портландцемента

Содержание

Реферат                                                                                                                         3

Введение                                                                                                                       4

1 Аналитический обзор          5

1.1. Современное и перспективное оборудование                      6

1.2.  Экономия электроэнергии в процессах помола     10            1.3. Использование отходов промышленности     12

1.4.  Мероприятия по очистке воздуха       14

2. Технологическая часть         16

1. Выбор и обоснование технологической схемы     16
2. Характеристика сырьевых материалов      18

2.3. Характеристика выпускаемой продукции    19

4. Режим работы цеха         21
5. Расчет производственной программы и потребности в сырьевых

материалах           22

3 Технологические расчеты         24

1. Количество основного технологического оборудования   24
2. Определение объема и геометрических размеров расходных бункеров  25
3. Расчет и подбор обеспыливающего оборудования    27
4. Численность работающих        31
5. Контроль производства и качества выпускаемой продукции  32
4. Мероприятия по охране труда и окружающей среды    33

5 Технико-экономическая часть         36 Заключение           38

Библиографический список         39

Реферат

В данном курсовом проекте разработана технологическая схема цеха по производству пуццоланового портландцемента производительностью 1000 тыс. тонн в год. Сделано обоснование принятия данной схемы, приведены характеристики выпускаемой продукции и сырьевых материалов. Выбран режим работы цеха, сделаны технологические расчеты, подобрано транспортное и обеспыливающее оборудование, установлен контроль производства и качества выпускаемой продукции, приведены правила техники безопасности и промышленной санитарии. Рассчитаны основные технико-экономические показатели, даны рекомендации по дальнейшему использованию.

Введение

Строительными минеральными вяжущими веществами называют порошковидные материалы, которые после смеси с водой образуют массу, постепенно затвердевающую и переходящую в камневидное состояние.

Почти все минеральные вяжущие вещества получают путем грубого и тонкого измельчения исходных материалов и полупродуктов с последующей термической обработкой при разных температурах. В этих условиях протекают разнообразные физико-химические процессы, обеспечивающие получение продукта с требуемыми свойствами.

Производство вяжущих веществ представляет собой комплекс химических и механических воздействий на исходные материалы, осуществляемых в требуемой последовательности.

В настоящее время наша страна по объемам производства цемента в год занимает 6-е место, уступая Индии, США, Японии, Южной Корее, а Китаю до 20-ти раз. В целом по стране и по  отдельным ее регионам все более острой становится проблема с цементом – его нарастающий дефицит и связанный с этим безудержный рост на него. Цена 1-ой тонны на отечественном рынке уже превышает среднеевропейские до 1,5 и более раз. Цемент стали ввозить в страну из Китая, Белоруссии, Турции. Все это ведет к дальнейшему повышению стоимости жилья, которое для большей части населения становится все более недоступной. Планируемое увеличение производства цемента за счет восстановления и увеличения мощностей полностью не решит проблемы его нарастающего дефицита. Ускоренные меры по модернизации существующих и строительству новых цементных заводов с наращиванием реальной общей мощности до 120 и более миллионов тонн в год необходимы не только с позиций обеспечения потребностей при увеличении объемов строительства, но и с позиций обеспечения национальной безопасности и экономической независимости страны.

1. Аналитический обзор

Пуццолановый портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, продукт совместного размола портландцементного клинкера, гипса и активной минеральной пуццолановой добавки или смешения тех же раздельно размолотых компонентов. Высокая коррозионная стойкость цементного камня на пуццолановом портландцементе к действию пресных и минерализованных вод, в том числе к сульфатной коррозии, явились основой для отнесения этого цемента к группе «сульфатостойких» - ГОСТ 22266. Содержание пуццолановой добавки в таком цементе находится в пределах 20-40%. При твердении пуццолановых портландцементов цементный камень характеризуется низким содержанием Са(ОН) 2 и пониженной основностью цементного геля.

Пуццолановые портландцементы характеризуются несколько более низкой, чем у портландцемента, плотностью (2,7-2,9 г/см3), повышенной нормальной густотой цементного теста (30% и более), замедленной скоростью твердения в начальные сроки, особенно при низких положительных температурах (< +10°С), низким тепловыделением при твердении, пониженной морозостойкостью, повышенными усадочными деформациями при высыхании.

Основные области применения пуццолановых портландцементов - подземные и подводные конструкции, подвергающиеся действию пресных и минерализованных вод, в том числе сульфатных: плотины, шлюзы, каналы, туннели, фундаменты и подвалы промышленных и гражданских зданий. Ограничения использования такого цемента распространяются на сооружения, находящиеся в зоне переменного воздействия воды, и подвергающиеся попеременному увлажнению-высыханию и замораживанию-оттаиванию.

Специфические свойства пуццоланового портландцемента ограничивают области его применения в составе сухих строительных смесей теми видами смесей, которые предназначены преимущественно для службы в условиях постоянной влажности и в воде (подземные и подводные конструкции).

1. Современное и перспективное оборудование

Процесс тонкого измельчения (помола) сырьевых материалов увеличивает поверхность взаимодействия материалов и их реакционную способность. Чем тоньше измельчены сырьевые материалы, тем скорее происходят физико-химические процессы в зонах контакта взаимодействующих частиц.

Для тонкого измельчения материалов применяют различные типы мельниц: шаровые, трубные, валковые и роликовые (кольцевые), а также мельницы самоизмельчения.

Для помола цементной шихты наибольшее распространение в цементном производстве получили две конструкции мельниц (3,2X15 и 4X13,5), работающие по схеме замкнутого цикла. Цементные мельницы 4X13,5 имеют промежуточную выгрузку, один элеватор и два сепаратора. Материал выгружается из обеих камер и транспортируется в центробежные сепараторы с помощью элеватора. Крупные фракции возвращаются на домол во вторую и частично в первую камеру. Тонкие фракции из сепараторов и уловленная пыль представляют собой готовый цемент. Предусмотрена возможность работы мельницы и по открытому циклу. Система аспирации состоит из 3-х ступеней очистки —  аспирационной шахты, циклонов и рукавного фильтра. Помол в мельнице 4X13,5 осуществляется по схеме замкнутого цикла без промежуточной разгрузки. В схеме используются два центробежно-циклонных сепаратора, питаемых с помощью одного элеватора. Крупные фракции, выделяемые в центробежных частях сепараторов, направляются на домол в первую камеру, а тонкие, выделяемые в выносных циклонах, представляют собой готовый цемент, который далее с помощью системы пневмотранспорта направляется в силосы для хранения.

Для разделения материала на фракции в схемах тонкого измельчения используются центробежные сепараторы. Использование сепараторов позволяет осуществлять регулирование гранулометрического состава получаемого продукта, повысить эффективность работы схемы измельчения и обеспечить получение материала с высокими значениями удельной поверхности.

Важным фактором, влияющим на гранулометрический состав и качество измельчаемого материала, является соответствие производительности сепаратора и мельницы. Если производительность сепаратора меньше производительности мельницы, он будет работать с перегрузкой и выдавать продукт с большим количеством мелких фракций. При этом снижается производительность помольной установки и увеличивается расход электроэнергии. Если недостаточна производительность мельницы, то сепаратор будет работать с недогрузкой, что также вызовет noвышение удельного расхода электроэнергии.

В цементной мельнице трубошнек подает материал в разгрузочные окна, через которые материал ссыпается в сито, закрепленное на цапфе. Мелкая фракция проходит через щели сита и поступает в бункер пневмокамерного насоса, крупные включения (гальки осколки шаров и случайно попавшие прочие, посторонние предметы) попадают в отдельную течку и накапливаются в переносном бункере.

При помоле цемента мельница аспирируется с целью устранения пыления, удаления тепла и мельчайшей фракции материала. Аспирация осуществляется от специальной установки, состоящей из вентилятора, рукавного фильтра или электрофильтра и осадительных циклонов, или аспирацнонной шахты. Аспи-рационная шахта-воздуховод системы подключается к верхнему фланцу приемной камеры, в результате чего вся мельница находится под разрежением. Воздух засасывается через загрузочную течку. Все мелкие неплотности в местах загрузки и выгрузки материала также находятся под разрежением, что устраняет пыление в этих местах. В результате применения аспирации производительность мельницы увеличивается на 8—10%.

При размоле недоохлажденного клинкера температура в мельнице может подниматься выше 100° С и одной аспирации для снижения температуры становится недостаточно. В этом случае распыленную воду подают во вторую камеру. Вода, испаряясь, уходит с аспирационным воздухом, снижая тем самым температуру готового продукта. Увлажненный воздух способствует также отводу статического электричества, что, в свою очередь, снижает агрегирование мельчайших частиц и  улучшает помол.

Конусные инерционные дробилки (КИД). Измельчение происходит под действием сжимающих усилий инерционного характера и импульсных вибрационных сдвиговых нагрузок.

Одной из важных особенностей КИД является то, что гранулометрический состав готового дробленого продукта не зависит от изменения производительности дробилки. В связи с этим оптимальный режим работы дробилки близок к максимальным значениям производительности.

Модернизация существующих технологических линий с использованием КИД позволяет снизить металлоемкость почти вдвое, снизить удельные энергозатраты минимум на 20-25 % и значительно уменьшить капитальные затраты на модернизацию.

Центробежно-ударные мельницы (ЦУМ) - высокоскоростные измельчители с быстровращающимися роторами и закрепленными на них рабочими элементами. Измельчение в них происходит преимущественно ударом при взаимодействии измельчаемой частицы с элементами ротора5 а также при взаимодействии частиц друг с другом.

До последнего времени внедрению ЦУМ в практику измельчения твердых материалов, в том числе клинкера и шлака препятствовали два обстоятельства: высокий износ и высокие нагрузки на вал ротора дробилки. Решение проблемы износа идет по двум направлениям: применение высокоизносоустойчивых деталей, создание самофутерующихся элементов ротора.

Валковые мельницы (ВМ). Измельчение в них происходит путем раздавливания крупных кусков, а также истирания частиц в слое мелкозернистых фракций. Измельчение происходит под действием собственной массы валков, причем развиваемое усилие увеличивается в 2-2,5 раза. Количество валков - 2-4, короткое время пребывания материала в мельнице позволяет быстро перейти с одной марки цемента на другую. Эффективность ВМ существенно зависит от износа мелющих поверхностей. Степень износа зависит от измельчаемости материала, его абразивности.

Пресс-валковые измельчители. Применение перед мельницами гидравлических пресс-валков позволяет снизить энергозатраты на 30-35 % и соответственно снизить расход мелющих тел. Однако стоимость таких валков составляет миллионы долларов при установочной мощности двигателя более 1000 кВт. В продукте валков содержится большое количество прессованных пластин, на разрушение которых требуется дополнительная энергия.

Силы вибраторов и мелющих тел складываются, и клинкер между ними разрушается до порошкообразного состояния без образования подпрессованных пластин благодаря вибрациям. В продукте мельницы в открытом цикле содержится до 45 % цемента готовой крупности, причем его частицы имеют развитую оскольчатую форму, а частицы в нанометровом диапазоне не обнаружены.

Удельный расход электроэнергии на получение 1 т цемента составляет 2,5-3 кВтч, а расход мелющих тел 0,03 кг на 1 т цемента.

2. Экономия электроэнергии в процессах помола

Общее увеличение удельного расхода электроэнергии связано с повышенным потреблением энергии оборудованием, предназначенным для охраны окружающей среды и используемым в целях автоматизации, с мероприятиями по снижению расхода топлива, с вводом в эксплуатацию новых помольных установок, а также с повышенным потреблением энергии при производстве цемента с добавками.

Помольные установки, потребляющие 38% от общего технологически необходимого расхода электроэнергии, являются самыми крупными потребителями; за ними следуют сырьевые помольные установки (24%) и печи (22%).

Характерным для производства сырьевой муки является использование валковых мельниц. В зависимости от свойств сырья, в основном, от размолоспособности и влажности, расход электроэнергии ВМ на 20-30% ниже, чем у шаровой мельницы, работающей с пневмонагрузкой.

Экономия электроэнергии при помоле цемента может быть еще выше, если измельчение производится многоступенчато в роликовой мельнице высокого давления с использованием мощных сепараторов.

В энергетическом отношении ВМ имеет еще дополнительные преимущества. Ее потребляемая мощность изменяется пропорционально производительности. Также удается снизить расход энергии при крупном измельчении и расходы на оборудование.

Экономии энергии способствовали ряд усовершенствований сепараторов. На сегодняшний день применяются динамические сепараторы, которые располагают стержневой корзиной с регулированием числа оборотов, отличаются высокой степенью разделения материала.

В зависимости от технологической схемы, конфигурации установки и трения приводит к увеличению производительности от 30 до 200% и экономии энергии в пределах 15-50%.

Оптимизация имеющихся циклов помола, использование мощных сепараторов, а также применения измельчения под высоким давлением относится к мерам, чаще всего применяющимся в процессе модернизации цементно-помольных установок.

3. Использование отходов промышленности в производстве вяжущих веществ

Для производства пуццоланового портландцемента техногенным сырьем служат попутные продукты промышленности –гипс, керамзитовая пыль и зола ТЭС.

 Активные минеральные добавки (называемые иначе гидравлическими  добавками) содержат двуокись кремния  в аморфном, а следовательно, в  химически активном состоянии  и способны поэтому взаимодействовать с гидратом окиси кальция, образуя гидросиликаты кальция.

В качестве природных активных добавок широко используют горные породы (диатомит, трепел, опоку, горелые глинистые породы — глиежи), а также породы вулканического происхождения (вулканический пепел, туф, пемзу, витрофир, трасс). Искусственные активные минеральные добавки представляют собой побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные шлаки; белитовый (нефелиновый) шлам — отход глиноземного производства, содержащий в своем составе до 80% минерала белита (двукальциевого силиката); зола-унос — отход, получившийся   при сжигании твердого топлива в пылевидном состоянии и улавливаемый электрофильтрами и другими устройствами.

  Использование отходов промышленности, в частности, для выпуска вяжущих веществ имеет большое народнохозяйственное значение.

   Активная минеральная добавка  химически связывает растворимый  в воде гидрат окиси кальция, выделяющийся при твердении портландцемента, при этом повышается плотность цементного камня, возрастает его сопротивление коррозии. Поэтому активные минеральные добавки применяют для повышения плотности, водостойкости и солестойкости бетонов и растворов. Некоторые из них используются для приготовления жароупорных бетонов и растворов на портландцементе.

  Пуццолановый портландцемент  изготовляют путем совместного  помола клинкера и активной  минеральной добавки с необходимым  количеством гипса. Добавок осадочного  происхождения (диатомита, трепела, опоки) должно быть не менее 20 и не более 30%, а вулканических добавок (туфа), а также глиежа или топливной золы — не менее 25 и не более 40%. Активная минеральная добавка вначале адсорбирует, а затем химически связывает гидрат окиси кальция, образующийся при взаимодействии алита с водой.

 В результате этого процесса, происходящего во влажных условиях  и при положительной температуре, растворимый гидрат окиси кальция  связывается в практически нерастворимый  гидросиликат кальция. Вследствие  этого значительно возрастает  стойкость бетона в отношении выщелачивания Са(ОН). 

4. Мероприятия по очистке воздуха

Одной из важнейших задач предприятий, перерабатывающих сыпучие материалы является разработка и внедрение эффективных и экономичных систем по комплексному обеспыливанию технологических процессов.

Для борьбы используются системы аспирации, обеспечивающие полную локализацию пыли при минимальных энергозатратах. Также эффективно используются системы централизованной вакуумной пылеуборки (ЦПУ).

Способ очистки аспирационного воздуха и отходящих газов определяется технологией производства клинкера: при сухом  cпoсобе следует применять аппараты сухой очистки, при мокром; способе на отдельных переделах возможно использование аппаратов мокрой очистки (скрубберов).

Обеспыливание цементных мельниц, как правило, осуществляется двухступенчатой системой очистки: первая ступень (грубая) - с помощью циклонов ЦН-15, ЦП-2, вторая (тонкая) - с помощью электрофильтров. 

Цементная пыль в помольном отделении оседает на оборудовании и производственных площадях. Поэтому рекомендуется в помольных отделениях дополнительно к основной двухступенчатой системе очистки предусматривать централизованную вакуумную систему обеспыливания рабочих мест.

Вакуумные системы могут быть обеспечены двумя последовательно соединенными мельничными вентиляторами высокого давления. Разработаны также 2-х ступенчатые вентиляторы с мультипликатором, и система пневматической подачи сыпучих материалов из железнодорожных вагонов в верхние силоса. Традиционно это решалось при помощи конвейеров.

В настоящее время применяются две разновидности схем пылеочистки: двухступенчатая, состоящая из батареи циклонов и элемента мокрой очистки, и схема, включающая пылеосадительную камеру и тканевый фильтр.

Основным элементом нового пылеулавливания является совокупность жалюзийных решеток, образующих штору из зернистого фильтрующего материала, гравитационно движущегося вниз. Через решетки пропускается нагретый и запыленный отходящий газовый поток, отдающий пыль и тепло зернистому материалу, который адсорбирует вредные компоненты. В верхней части пылеуловителя устанавливается бункер для загрузки зернистого материала в щелевые каналы.

В качестве фильтрующего зернистого материала может служить щебень, гравий, песок или гранулы из пыли. Эффективность такой очистки зависит от гранулометрического состава материала, оптимального подбора вида наполнителя, скорости фильтрации и дисперсности пыли.

Эффективность очистки слоя с размером гранул 10-20 мм, составляет 70-75%, а слоя с гранулами 5-10 мм - 85-90%. В совокупности же эффективность фильтрации через оба слоя равна 95-98%.

Конструкция фильтра обеспечивает высокую степень надежности и эксплуатации, практически не требует дополнительного технического обслуживания и органически вписывается в существующую схему пылеочистки.

При пневмотранспортной подаче сыпучих строительных материалов после выгрузки их в емкости транспортный воздух перед выпуском в атмосферу подлежит очистки в пылеулавливающих устройствах. В качестве таковых получили распространение тканевые фильтры (ТФ), также известны рукавные и щелевые фильтры.

Тканевый фильтр при квалифицированном обслуживании обеспечивает высокую эффективность пылеулавливания, они малогабаритны. В этих аппаратах фильтрация происходит через пористые перегородки из волокнистой ткани, в которой частицы пыли осаждаются под действием ситового эффекта, касания, диффузии, гравитации и электростатического притяжения, ТФ может работать во всасывающем режиме с расположением фильтра до вентилятора. ТФ в сравнении с другими значительно проще в устройстве и эксплуатации, а с учетом применения современных тканей, они признаны как высокоэффективные и конкурентоспособные пылеулавливающие устройства и зарекомендовали себя на предприятиях стройматериалов и железобетонных изделий, в том числе при улавливании цементной пыли.

2. Технологическая часть

1. Выбор и обоснование технологической схемы производства

Помол цемента по замкнутому циклу в сравнении с помолом по открытому циклу эффективнее в тех случаях, когда необходимо получить цементы с высокой удельной поверхностью и когда измельчаемые компоненты заметно различаются по размолоспособности. В связи с тенденцией повышения доли высокомарочных цементов в общем объеме производства, при проектировании новых отделений помола цемента, необходимо ориентироваться на схемы одностадийного помола по замкнутому циклу. С целью снижения расхода электроэнергии и повышения производительности помольного оборудования следует предусматривать дробление клинкера, добавок и гипса до 19—30 мм. Для производства пуццоланового портландцемента принимаем технологическую линию с закрытым способом размола, с трубной мельницей.

Подготовленное сырье (портландцементный клинкер, гипс, минеральная пуццолановая добавка) подается в бункер перед мельницей. Отсюда он через тарельчатый питатель поступает в трубную мельницу, где размалывается. После мельницы цемент по элеватору поступает в сепаратор, где крупный цемент возвращается обратно в мельницу, а цемент нужной фракции направляется на склады с помощью насосов. Цемент передают с помощью сжатого воздуха (0,5-0,6Мпа).

Очистка аспирационного воздуха цементных мельниц предусматривает три ступени: аспирационную шахту — циклон — электрофильтр.

Рисунок 1. Технологическая схема цеха.

2. Характеристика сырьевых материалов

Пуццолановый портландцемент приготовляют тонким измельчением смеси портландцементного клинкера, гипса, минеральной пуццолановой добавка.

 Добавки осадочного происхождения вводят в цемент в количестве 35 %. Активные минеральные добавки должны удовлетворять требованиям   ГОСТ 6269-54.

Портландцементный клинкер получают в виде спекшихся мелких гранул и кусков размером  до 10-20 или до 50-60. По микроструктуре клинкер представляет собой сложную тонкозернистую смесь многих кристаллических фаз и небольшого количества стекловидной фазы. Химический состав клинкера колеблется в широких пределах. Главными окислами цементного клинкера являются окись кальция, двуокись кремния, окись железа, суммарное содержание которых достигает обычно 95-97%. Химический анализ клинкера проводят по методике, регламентированной ГОСТ 5382-65.

 По стандарту (ГОСТ 4031-74) гипсовый камень для производства вяжущих средств должен содержать не менее 95% двуводного гипса. Содержание гипса в цементе не должно превышать 3,5% в пересчете на SO3.

3. Характеристика выпускаемой продукции

Водопотребность пуццолановых портландцементов с плотными и твердыми добавками (трассы, туфы) почти такая же, как и у портландцемента, а при использовании мягких пористых добавок (диатомитов и трепелов) значительно увеличивается. По этой причине необходимая подвижность бетонной смеси обеспечивается более высокой добавкой воды, что вызывает соответственно увеличение расхода цемента, чтобы не снизить прочность бетона.

Сроки схватывания и тонкость помола пуццоланового цемента такие же, как и для обыкновенного портландцемента, однако пуццолановые портландцементы характеризуются замедленным нарастанием прочности в начальный период твердения по сравнению с портландцементом без добавок, изготовленным из того же клинкера. Пуццолановый портландцемент выпускают М200, 300, 400.

При твердении пуццоланового портландцемента происходят два процесса: 1) гидратация минералов портландцементного клинкера и 2) взаимодействие активной минеральной добавки с гидратом оксида кальция, выделяющимся при твердении клинкера. При этом Са(ОН)2 связывается в нерастворимый в воде гидросиликат кальция

В результате пуццолановый портландцемент оказывается более водостойким, чем обыкновенный портландцемент.

При схватывании и твердении пуццоланового цемента выделяется меньше тепла, что позволяет использовать этот цемент для массивных бетонных конструкций. Непригоден пуццолановый портландцемент для изготовления элементов, предназначенных служить в условиях попеременного систематического увлажнения и замораживания или высушивания. Пуццолановые цементы имеют меньшую водопроницаемость, чем портландцемент. Объясняется это набуханием добавки, уплотняющей бетон.

  К другим качествам пуццолановых  портландцементов можно отнести  их высокую связующую способность, удобство в их обработке, хорошую сцепляемость с арматурой железобетона. Также пуццолановые портландцементы обладают способностью к пластической деформации в условиях повышенной влажности. А бетоны на основе пуццолановых портландцементов отличаются высокой устойчивостью к образованию трещин, что широко используется в гидростроительстве.

Пуццолановые цементы целесообразно применять для подводных и подземных бетонных и железобетонных конструкций, особенно тогда, когда от бетонов требуется большая водонепроницаемость и высокая водостойкость.

4. Режим работы цеха

Производственные цехи работают взависимости от производительности по режиму прерывной  недели с двумя выходными днями в неделю.  Режим работы машин и оборудования в цехе помола цемента в 3 смены (с учетом пиковых нагрузок  в энергосистеме)

  Количество рабочих дней в году определяется по формуле:

Cр =Cк-(Твых+Тпр),

где Cр – количество рабочих дней в году;

Cк – количество календарных дней в году;

Твых – количество выходных дней в году;

Тпр – количество праздничных дней в году.

Cр =365-(97+10)=258 дней.

Годовой фонд времени работы основного технологического оборудования рассчитывается  с учетом остановки оборудования на капитальный и текущий ремонты по формуле:

Гф=Ср-Ткр-Ттр,

где Гф – годовой фонд рабочего времени работы оборудования;

Ткр – количество дней на капитальный ремонт;

Ттр – количество дней на текущий ремонт.