Развитие мокрого способа производства цемента

     СОДЕРЖАНИЕ

    ВВЕДЕНИЕ                                            3

    ОБЩАЯ ЧАСТЬ                                       6

    ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ                        11

    РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ                                 19

    ОХРАНА  ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ        37

    ВЫВОДЫ                                             40

    СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ                             42 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

    Развитие  мокрого способа  производства цемента 

    Цемент  в настоящее время  является основным строительным материалом, который  используется в самых  разнообразных областях строительства.

    В начале XIX в в Англии и в России одновременно и независимо друг от друга был найден способ приготовления цемента из искусственно составленной сырьевой смеси: известняка и глины. В Англии изобретателем цемента был каменщик из Лидса Джозеф Аспид, в России - Егор Герасимович Челиев. В 1825 г появилась книга Е.Г. Челиева, которая была руководством по изготовлению гидравлического цемента. После московского пожара 1812 г развернулись работы по восстановлению Кремля. Челиев руководил этими работами.

    Цемент  Челиева, как и  цемент Аспида относится  к роман-цементу, полученному из искусственной  сырьевой смеси, но по производственным переделам  это портландцемент.

    В России за первыми  примитивными производствами вблизи Петербурга сооружаются  заводы в Риге, Шурове, Таллине. Открыты  богатейшие запасы мергелей вблизи Новороссийска  и Амросиевске; строятся первые заводы, работающие на натуральном сырье. Практически неисчерпаемые  запасы мела обнаружены вблизи Вольска и  в Брянске.

    Российские  инженеры-цементники преодолевают сопротивление  Министерства путей  сообщения и внедряют в строительство  наш цемент. А.Р. Шуляченко, Н.А. Белелюбский  издают первый в России журнал «Цемент», руководят строящимися цементными заводами в Вольске, предлагают первые стандарты для сравнения свойств цементов, выпускаемых отечественными заводами. Шуляченко и Белелюбский были видными мостостроителями, по их проектам и под их непосредственным руководством были построены мосты через Волгу, вблизи Сызрани, и через Неву (Литейный мост) в Петербурге. Белелюбский был первым редактором и издателем журнала «Цемент», основанном в 1901 г.

    Период 1880-1890 гг был отмечен  появлением магнезиального вяжущего (цемента  Сореля), применением  шлаков для получения  шлаковых цементов. Одновременно А. Ле-Шателье Тернебом, Глазенапп исследуют фазовый состав портландцементного клинкера с помощью полиризационного микроскопа. Установлены основные фазы клинкера: алит, белит, промежуточное вещество.

    Цемент  начинают широко применять  для гидротехнических сооружений, дамб, плотин. Но через 20-30 лет службы в гидротехнических сооружениях появляются первые признаки коррозии цементного бетона. Научное объяснение коррозии было дано после изучения состава  затвердевшего и  корродированного цемента. Наиболее полно эти  работы выполнены  русскими учеными  С.И. Дружининым, А.А. Байковым, В.А. Киндом. Проблема была решена путем введения пуццолановых добавок.

      В 1908 г был изобретен глиноземистый цемент, отличающийся быстрым темпом роста механической прочности. Впервые этот цемент начали производить во Франции, но способ производства держали в секрете. Французы использовали глиноземистый цемент для восстановительных работ: возведение разрушенных мостов, оборонительных укреплений.

    Быстрое распространение  производство глиноземистого цемента во Франции  объясняется месторождением богатых залежей  бокситов - сырья, необходимого для выпуска цемента.

    В 1913 г в районе Вольска  было построено и  пущено три цементных завода. К 1910 г в России действовало около 30 полумеханизированных цементных заводов общей мощностью 1,8 млн. т. В годы гражданской войны производство цемента резко снизилось. Заводы остановились, часть их была разрушена. Основное электрооборудование, двигатели, компрессоры, оборудование электростанций снимались и отправлялись в неизвестном направлении. Заводы не работали из-за отсутствия топлива, энергии, разрухи на железных дорогах.

    К 1927-1928 гг выпуск цемента  в России поднялся на довоенный уровень. Клинкер преимущественно  получали в шахтных  печах периодического и непрерывного действия, условия труда  рабочих были исключительно  тяжелыми. Первые вращающиеся  печи, изготовленные  на Макеевском машиностроительном заводе, длиной 25 м  и диаметром 1,8 м  в России появились  в 1909 г.

    В годы первых пятилеток  построено 15 новых  цементных заводов. В 1940 г было выпущено 5,7 млн. т цемента. Были построены два  завода на востоке страны.

    После окончания Великой  Отечественной войны  восстановление цементных  заводов развивается  быстрыми темпами: уже  в 1950 г выпущено 10,2 млн. т цемента, а  через 5 лет, в 1955 г-22,5 млн. т.

    В 1947 г пущены первые печи вновь построенных  заводов. К 1966 г  построены  заводы Савинский, Алексеевский, Старооскольский, Топкинский, Катав-Ивановский, Камегнец-Подольский. 1966-1975 гг - период развития и совершенствования цементной промышленности. Созданы проекты и исследовательские институты: Гипроцемент, НИИцемент, Южгипроцемент. Организован выпуск специальных  видов цемента: сульфатостойкого, белого и декоративного, тампонажных цементов, дорожного и расширяющихся.

    С 1990 по 1995 гг наблюдается  спад производства, промышленность находилась в кризисном состоянии. Оснащенность цементной промышленности России оставалась устаревшей. Уровень производства снизился до 50 %. В настоящее время производство цемента восстановлено и около 80 % предприятий по производству цемента работают по мокрому споcобу.

    [4] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1. Обоснование разработки цеха помола цемента

    Промышленность  вяжущих материалов играет важную роль в создании материально-технической  базы страны. От темпов развития производства цемента зависит  масштабы капитального строительства, его  экономичность и  технический уровень, сроки возведения зданий и сооружений.

    На  многих предприятиях непрерывно модернизируется  технологическое  оборудование, возрастает единичная мощность производственных агрегатов  и заводов в  целом, внедряются автоматизированные системы управлениями технологическими процессами.

    В настоящее время  разработаны составы  и технологии получения  специальных видов  цементов. Исходя из этого проектируется  линия по производству тампонажных цементов. Производство осуществляется по мокрому способу  с высоким топливно-энергетическим комплексом.

    От  правильной организации  технологического процесса зависит качество цемента, поэтому  в данном проекте  предусматривается  разработка цеха помола по выпуску тампонажных  цементов для технологической  линии мокрого  способа производства

    Измельчение материалов оказывает  решающее влияние  на качество выпускаемых клинкера и цемента, поэтому подбор необходимого технологического оборудования в комплексе со вспомогательным обеспечит получение готового продукта в соответствии с требованиями ГОСТа.

[1] 
 
 
 
 

2. Выбор ассортимента, требования ГОСТа к цементам

    В соответствии с ГОСТ 1581-96 в проектируемом  отделении предусмотрен выпуск следующих  видов цементов:

      1) портландцемент  тампонажный с  минеральными добавками   для низких  и нормальных температур - ПЦТ -II -50;

      2) портландцемент  тампонажный   бездобавочный для  низких и нормальных  температур - ПЦТ  -I -50;

      3) портландцемент  тампонажный с  минеральными добавками  для умеренных  температур - ПЦТ  -II -100;

      4) портландцемент  тампонажный облегченный  для умеренных  температур - ПЦТ  -III -05 5 -100.

    По  вещественному составу  цементы подразделяются на следующие типы:

    I - тампонажный портландцемент бездобавочный;

    II-тампонажный цемент с минеральными добавками;

    III-тампонажный портландцемент со специальными добавками, регулирующими плотность цементного теста.

    В данном проекте цемент типа III выпускается облегченный.

    В зависимости от температуры  применения цементы  типа I, II, III предусмотрено выпускать для низких и нормальных температур (15-50 ÅС) и для умеренных температур (51-100 ÅС). К данным типам цемента требования по сульфатостойкости не предъявляются.

    Вещественный  состав цементов:

    - для типа  I -содержание клинкера составляет 100%, минеральные добавки не вводятся;

    - для типа  II -содержание клинкера должно находиться в пределах 80-94 %; количество минеральных добавок 6-20 %;

    - для типа  III -содержание клинкера -30-89 %, минеральные добавки отсутствуют. Предусмотрен ввод специальной добавки - облегчающей (в том числе природная пуццолановая) в количестве 11-70 % от массы цемента.

    Требования  к физико-механическим показателям, характеризующим  тампонажно-технические  свойства цементов предусмотрены  ГОМТом 1581-96.

    Прочность при изгибе в возрасте 1 суток для цементов типа I и II для низких и нормальных температур должны быть не менее 2,7 мПа; для цементов типа III -0,7 мПа.

    Тонкость  помола (остаток на сите № 008) по ГОСТ 66-13 для цементов типа I, II должна быть не более 12 %, удельная поверхность - не менее 270 м²/кг. Для облегченного цемента типа III тонкость помола должна составлять -10 %.

    Водоотделение для  I и II типов -8,7 мл, для III типа -7,5 мл. Растекаемость цементного теста непластифицированного для I и II типов составляет 200 мм, а пластифицированного для I и II типов -220 мм. Плотность цементного теста для облегченного цемента III типа составляет 1,50 г/см³.

    Потери  при прокаливании у цементов I типа должны быть равными 5 %. Массовая доля нерастворимого остатка для I типа - не более 5 %. Массовая доля оксида серы (SО₃) должны находиться в пределах 1,5-3,5 % для цементов типа I, II, III. Массовая доля хлор-иона (Сl^-)  для цементов типа I, II, III должна составлять 0,1 %.

    Тампонажные цементы предназначены  для изоляции нефтяных, газовых и специальных  скважин от проникания в них грунтовых  вод. Цементное тесто  для тампонирования скважин имеет  хорошую подвижность  при перекачивании  насосами и транспортировании  по трубопроводам, для  этого его приготавливают при повышенном водоцементном  отношении равном 0,4-0,5. Тампонажные цементы  обладают быстрым  ростом прочности  в начальные сроки  твердения, коррозийной  устойчивостью к  солевым растворам  в пресной воде, повышенной трещиностойкостью.

[10] 

3. Характеристика  клинкера и добавок

    Завершающей стадией производства цемента является процесс помола клинкера и добавок. Клинкер  представляет собой  гранулы шаровидной формы диаметром  до 50 мм. Его получают путем обжига до спекания сырьевой смеси во вращающихся печах. По химическому составу клинкер состоит, в основном, из (% по массе): СаО -64-67; SiO₂ -21-25, Al₂O₃ -4-8, Fe₂O₃ -2-4. Кроме того в состав клинкера входят (% по массе): 0,5-1 -щелочей (Na₂O +K₂O); 0.5-5 MgO; 0,1-0,3 TiO₂; 0,1-0,3 -P₂O₅.

    Главные оксиды - SiO₂, Al₂O₃, СаО и Fe₂O₃ - при обжиге взаимодействуют между собой, образуя клинкерные минералы, соотношение которых определяет свойства портландцемента. Клинкер состоит из кристаллов различной формы, между которыми размещено промежуточное вещество, представленное стекловидной фазой.

    Минералогический  состав клинкера представлен  следующими минералами: алит (трехкальциевый силикат -3СаО × SiO₂), белит b-модификация (двухкальциевый силикат -   2СаО ×SiO₂), трехкальциевый алюминат (3СаО ×Al₂O₃) и алюмоферриты кальция переменного состава от 8 СаО ×3 Al₂O₃ ×Fe₂O₃ до 2СаО ×Fe₂O₃. Содержание в клинкере трехкальциевого алюмината для цементов типов I, II, III должно содержаться не более 5 %. Сумма С₃А и С₄АF должна быть не более 22 %.

    Наряду  с главными клинкерными  минералами в состав клинкера входит незакристаллизованное  стекло, которое имеет  переменный состав со значительным количеством  Al₂O₃ и Fe₂O₃. Минералогический состав клинкера влияет на технологию производства портландцемента и его свойства.

    Кроме химического и  минералогического  составов, клинкер  характеризуется  определенными соотношениями  четырех основных оксидов. Эти соотношения  называются модулями и коэффициентом  насыщения. В цементном  производстве для  характеристики состава  клинкера пользуются двумя модулями - силикатным (п) и глиноземным (р).

    Силикатный (кремнеземный) модуль характеризует отношение  в клинкере минералов-силикатов (С₃S +C₂S) к минералам-плавням (С₃А и С₄АF) и определяется как отношение количества оксида кремния в клинкере к суммарному содержанию в нем оксидов алюминия и железа. Для портландцемента силикатный модуль находится в пределах от 1,7 до 3,5.

    Глиноземный (алюмосиликатный) модуль характеризует соотношение  С₃А и С₄АF в клинкере и выражается отношением оксида алюминия и оксида железа. Величина глиноземного модуля для портландцемента находится в пределах от 1,0 до 3,0.

    Коэффициент насыщения - это наиболее важная характеристика портландцементного клинкера, его величина определяет соотношение в клинкере между минералами-силикатами С₃S и C₂S.

    При производстве портландцементного клинкера основная задача состоит в том, чтобы при минимальном  количестве свободного оксида кальция получить продукт, содержащий как можно больше трехкальциевого  силиката.

    Необходимой добавкой при помоле клинкера является гипс, который вводится в виде гипсового  камня. По химическому  составу он представлен, в основном, двуводным  сернокислым кальцием СаSО₄×2Н₂О. Химически чистый двуводный сернокислый кальций содержит, %: СаО -32,56; SО₃ -46,51 и Н₂О -20,93.

    Введение  гипса в цемент позволяет замедлить  сроки схватывания  при твердении  цементного камня. Гипсовый камень должен соответствовать  требованиям ГОСТ 4013-82. Для производства цемента используют гипсовый камень с размером частиц до 60 мм, поэтому перед подачей в цементную мельницу предусматривается его дробление.

    Для связывания в воде нерастворимые соединения свободного гидрата  оксида, который выделяется в процессе твердения цемента необходимо вводить активные минеральные добавки. В данном проекте в качестве активных минеральных добавок предусмотрено использование доменного шлака полусухой грануляции. Доменный шлак получают в результате обжига железной руды совместно с флюсами в восстановительной среде с использованием кокса в качестве топлива и восстановители оксидов железа до металлического Fе и получения чугуна. Грануляция шлака происходит путем его быстрого охлаждения. Доменный шлак по химическому составу, в основном, (на 90 % и более) состоит из четырех оксидов - SiO₂, Al₂O₃, СаО, MgO.

    Введение  доменного гранулированного шлака в качестве активной минеральной  добавки улучшает строительно-технические  свойства цемента:  повышает его водонепроницаемость, морозостойкость, коррозийностойкость. Кроме этого снижается  себестоимость цемента, так как он является отходом производства; успешно решаются вопросы охраны окружающей природы, экологической  защиты земель, воды и атмосферного воздуха, предотвращая образование  завалов.

[1,2,11] 
 

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Обоснование выбора  схемы технологического  процесса 
 

    Помол клинкера может осуществляться по открытому и  по замкнутому циклу. При открытом цикле помола материал один раз проходит через мельницу и в качестве готового продукта поступает на дальнейшее хранение.

    При помоле в замкнутом  цикле измельченный в мельнице материал поступает в сепаратор (воздушно-проходной  или циркуляционный), который отделяет готовый продукт  от крупки и она  возвращается обратно  в мельницу на домол. Крупка циркулирует  в системе, пока не измельчится до требуемой  тонкости.

    Выбор схемы зависит  от ассортимента выпускаемой  продукции. В данном проекте выпуск ассортимента по замкнутому циклу более рационален. Использование данной схемы производства позволяет получить портландцемент высокого качества за счет более тонкого помола цемента.

    Клинкер, гипс и шлак со склада транспортируются грейферными  кранами в бункера  мельниц. Из бункеров клинкер и добавки  поступают в весовые  дозаторы и в определенном соотношении попадают в загрузочное  устройство мельницы, где происходит помол  шихты за счет действия на нее мелющих  тел.

    Размолотый  в мельнице материал поступает в двухходовой  переключатель, который  подает его в аэрожелоб. С помощью элеватора материал подается на высоту, где по аэрожелобу он направляется в центробежный сепаратор. Восходящий воздушный поток, создаваемый вентилятором, встроенным внутри сепаратора, взвешивает частицы и классифицирует их по размеру, причем грубые частицы крупки достигают стенок внутреннего корпуса и, сползая по внутреннему корпусу, направляется на домол. Мелкие частицы с воздушным потоком через жалюзи проходят во внешний корпус сепаратора, где благодаря резкому снижению скорости движения воздуха достигают стенок и конической части внешнего корпуса и как готовый продукт направляется в бункер пневмовинтового насоса. Насос перекачивает цемент по трубопроводу в силоса, где он хранится.

    При данной схеме помола пневмовинтовые насосы устанавливают в  одном помещении  под пылеулавливающими  устройствами, что  улучшает условия  их обслуживания. Кроме  этого снижается  расход электроэнергии на помол цемента.

    Технологический процесс в проектируемом отделении осуществляется по следующей схеме: 

Объединенный  склад клинкера и  добавок

Грейферный кран

     Клинкер                                       Гипс                                     Шлак 

     Бункер                                      Бункер                                  Бункер

  Весовой дозатор                      Весовой дозатор                          Весовой дозатор

                                    Трубная мельница                       Аспирационная шахта

                                    2х камерная

 аэрожелоб                                                                    Группа циклонов  

  крупка                            Элеватор                                    Фильтр

                               Центробежный сепаратор                       Вентилятор

                                        Бункер                                    Атмосфера 

                                        Насос

                                    Трубопровод

                                       Силос  

    Схема 2.1 Технологическая схема помола цемента по замкнутому циклу. 

    Использование данной схемы производства позволяет получить высококачественный цемент с меньшими энергозатратами. 

[1,3] 

    2.2 Выбор технологического  оборудования отделения  помола цемента 

    Помол клинкера и добавок  - важная часть технологического процесса, в результате которого получают готовый продукт - цемент.

    Основным  агрегатом тонкого  измельчения в  цементной промышленности является трубная  мельница. Мельницы могут применяться  различных размеров: диаметром 2,6 ×13;    3 ×14; 3,2 ×15 м; 4 ×13,5 м.

    Исходя  из потребности отделения  с учетом ассортимента выпускаемой продукции, наиболее эффективна установка двух трубных мельниц размером диаметром 4 ×13,5 м с паспортной производительностью 100 т/час.

    Мельница  проста по конструкции, ее использование  позволит получить цемент с высокой степенью измельчения. Конструктивно мельница представляет собой горизонтально расположенный стальной барабан. Помольный агрегат работает непрерывно, материал движется по мельнице в течении 20 -30 минут со скоростью около 0,5 м/минуту. Длина мельницы обеспечивает необходимое время пребывания материала в ней и соответствующую тонкость помола.

    Измельчение размалываемого материала происходит при движении мелющих тел. Внутренняя поверхность мельницы покрыта бронеплитами для предохранения ее от истирания мелющими телами и измельченным материалом. Внутренняя поверхность мельницы отфутерована продольными, а днище торцовыми бронеплитами. Мельница по длине разделена на две камеры межкамерными перегородками, жестко закрепленными на корпусе мельницы и препятствующими прохождению сквозь них крупных кусков материала и мелющих тел. В первую камеру загружаются шары диаметром 60-100 мм, массой 5-6 кг каждый. Во вторую камеру поступает тонкодисперсный продукт, и его необходимо доизмельчить истиранием, поэтому его загружают стальными цилиндрами - цильпебсом, имеющими длину 25-40 мм и диаметр 16-25 мм.

    Обеспечить  точность дозировки  сырьевой шихты позволяет  установка ленточных  весовых дозаторов типа СБ-111. Дозатор представляют собой короткий ленточный конвейер с бесконечной лентой, подвешенной шарнирно на бункере.

    Для транспортирования  измельченного материала  из мельницы в сепаратор  предусмотрена установка  цепного элеватора, который состоит  из замкнутого тягового органа с закрепленными на нем ковшами емкостью 18×10^-3 м³. Способ загрузки элеватора - зачерпывание, а выгрузки - свободный самотечный.

    Для отделения крупки от измельченного  цемента в данном проекте предусмотрена  установка центробежного  циркуляционного  сепаратора типа СМЦ -420А  производительностью 180 т/час с выносными  циклонами. Конструктивно сепаратор представляет вращающийся распределительный диск, на который подается измельченный материал, где под действием центробежной силы рассеивается в горизонтальной плоскости камеры сепарации. Недоизмельченный материал поступает в мельницу на дальнейший помол.