Технология производства цемента сухим способом

Учреждение  образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Заочный факультет

 

Кафедра промышленной экологии

 

Специальность 1-57 01 01 «Охрана окружающей среды  и рациональное использование природных  ресурсов»

 

Специализация 1-57 01 01 «Промышленная экология и  рациональное использование природных  ресурсов

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

КУРСОВОЙ  РАБОТЫ

 

по дисциплине «Технология основных производств»

Тема  «Технология производства цемента  сухим способом»

 

 

 

 

Исполнитель

Студентка 4курса ООС     Н. К. Степуро

(подпись, дата)

Руководитель

Ассистент       О.А. Самстыко

(подпись, дата)

 

 

 

Курсовая работа защищена с оценкой

 

Руководитель     О.А. Самстыко

    (подпись,  дата)

 

 

 

 

 

 

Минск 2013 

 

Реферат

 

Пояснительная    записка    содержит  53 с.,   16 рисунков,   3 таблицы,        17 источников литературы.

МЕЛ, ГЛИНА, ЦЕМЕНТ, СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ, ПРОИЗВОДСТВО, АЭРОФОЛ, КОЭФФИЦИЕНТ НАСЫЩЕНИЯ, ГЛИНОЗЕМНЫЙ МОДУЛЬ, ЦЕМЕНТНАЯ ПЫЛЬ.

Целью данной курсовой работы является разработка технологии производства цемента сухим способом.

В процессе работы проведен анализ литературных и патентных  источников. Изучены сырьевые материалы  для производства цемента, произведен сравнительный обзор по способам производства цемента, изложена характеристика цемента и область его применения, теоретически обоснована технологическая схема производства цемента по сухому способу производства, приведено описание процесса и используемого оборудования. Рассмотрены основные виды воздействия производства на окружающую среду.

Графическая часть включает 1 лист иллюстративного материала фор-      мата А1.

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

1

КР 00.00.ПЗ

Разраб.

Степуро

Провер.

Самстыко

Конс.

 

кая

Н.Контр.

Самстыко

Утв.

Самстыко

 

Реферат

Лит.

Листов

1

БГТУ 72213028, 13

У

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

1

КР 00.00.ПЗ

Разраб.

Степуро

Провер.

Самстыко

Конс.

 

кая

Н.Контр.

Самстыко

Утв.

Самстыко

 

Содержание

Лит.

Листов

1

БГТУ 72213028, 13

У

Содержание

 

Введение…………………………………….……………………………….….5

1 Сырьевая база производства цемента сухим способом……………………..6

2 Характеристика способов производства цемента……………………….....10

3 Физико-химические основы рассматриваемого процесса ………………..14

4 Технологическая схема производства цемента сухим способом ……........17

4.1 Технологическая схема процесса………………………………………….17

4.2 Характеристика основного оборудования……………………………......22

4.3 Анализ использования сырья и материалов……………………..……....37

4.4 Использование воды и энергии……………………………………….….46

5 Жизненный цикл продукции и основные виды воздействия производства цемента сухим способом на окружающую среду…………………………….…...48

Заключение…………………………………….………………………….......51

Список использованных источников………………………………………..52

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

1

КР 00.00.ПЗ

 

Разраб.

Степуро

Провер.

Самстыко

Конс.

 

кая

Н.Контр.

Самстыко

Утв.

Самстыко

 

Введение

Лит.

Листов

1

БГТУ 72213028, 13

 

У

Введение

 

Цемент – один из важнейших строительных материалов, предназначенных для  бетонов и строительных растворов, скрепления отдельных элементов (деталей) строительных конструкций, гидроизоляций  и др. Цемент представляет собой  гидравлический вяжущий материал, который  после смешения с водой и предварительного затвердевания на воздухе продолжает сохранять и наращивать прочность  в воде.

Производство цемента обусловлено  необходимостью его производства для  применения в строительстве. Строительство  жилья на основе цемента позволяет  получить объекты с низкой теплопроводностью  и высокой морозостойкостью.

Технология цементного производства позволяет использовать в нём  отходы добывающей, металлургической отраслей, а также побочные продукты этих производств. Некоторые отходы даже улучшают свойства цемента. Гибкая технология позволяет осуществлять комбинирование производства цемента  с производством металлов, химических продуктов и энергии.

Существует много как бы подвидов цемента. Они отличаются друг от друга  конечными свойствами, условиями  производства и наличием в них  различных видов добавок.

Цементная промышленность в настоящее  время — высокомеханизированная отрасль народного хозяйства. На многих заводах непрерывно модернизируется  технологическое оборудование, возрастает единичная мощность производственных агрегатов и заводов в целом, внедряются автоматизированные системы  управления технологическими процессами /1,3/.

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

1

КР 01.00.ПЗ

 

Разраб.

Степуро

Провер.

Самстыко

Конс.

 

кая

Н.Контр.

Самстыко

Утв.

Самстыко

Сырьевая  база производства цемента сухим  способом

Лит.

Листов

4

БГТУ 72213028, 13

У

Сырьевая база производства цемента сухим способом

 

Цементные заводы используют для производства цемента, как многочисленные разновидности  природного сырья, так и некоторые  отходы промышленности. К природным видам цементного сырья относятся: мел, известняки, мраморы, мергели, глины, суглинки, глинистые сланцы, лёсс, горючие сланцы, железные руды и т.д. К промышленным отходам, используемым цементной промышленностью в качестве сырья, принадлежат: шлаки, золы, белитовые шламы, колошниковая пыль, колчеданные огарки и др.

При неблагоприятном химическом составе  сырьевых компонентов в состав сырьевой шихты вводятся корректирующие добавки – песок, маршалит, трепелы, опоки, колчеданные огарки, железная руда, колошниковая пыль и т.п.

Карбонатные породы. Содержание карбонатного компонента в цементной сырьевой смеси обычно достигает 76-80%. Поэтому химические и физические свойства этого компонента оказывают решающее влияние на выбор технологии производства цемента и производственных агрегатов.

Для производства цемента можно  применять различные виды карбонатных  пород, как-то: известняк, мел, известковый  туф, известняк-ракушечник, мергелистый  известняк, мергель и т.п. Во всех этих горных породах наряду с углекислым кальцием, главным образом в виде кальцита, желательно тонкодисперсного, могут содержаться примеси глинистых веществ, доломита, кремнезема, гипса и ряда других. Содержание в известковых породах глинистых веществ не ограничено, примеси доломита и гипса в больших количествах вредны.

Качество карбонатных пород  зависит и от их структуры: породы с аморфной структурой легче взаимодействуют  при обжиге с другими составляющими  сырьевой смеси, чем породы с кристаллической  структурой. Плотные известняки, имеющие  часто мелкокристаллическую структуру, широко распространены и являются одним  из главных видов карбонатного сырья.

Плотность известняков составляет 2700-2760 кг/м³; прочность на сжатие до 250-300 МПа; влажность колеблется от 1 до 6 %. Наиболее пригодны для производства цемента мергелистые и пористые известняки с невысоким пределом прочности при сжатии, не содержащие кремниевых включений. По сравнению с твердыми и плотными разновидностями такие известняки легче измельчаются и быстрее вступают в реакцию с другими компонентами сырьевой смеси при обжиге.

Мел представляет собой мягкую, легко  растирающуюся породу, состоящую  из частиц с сильно   развитой поверхностью.  Он легко    измельчается   при  

добавлении воды и является хорошим  сырьем  для  производства  цемента. Плотность мела колеблется в пределах 1600-2000 кг/м³, а влажность – 15-20 %.

Мергели представляют собой тонкую природную смесь глин и известняков  в различных соотношениях.

Если в мергелях соотношение  между углекислым кальцием и глинистым  веществом приближается к требуемому для производства цемента и значения силикатного и глиноземного модуля находятся в допустимых пределах, то их называют натуральными, или цементными. Обжигают их в виде кусков (без всяких добавок) в шахтных печах, что устраняет предварительную подготовку сырьевой смеси и снижает стоимость готового продукта. Однако такие мергели встречаются весьма редко.

Мергели имеют различную структуру. Одни из них плотные и твердые, другие – землисто-рыхлые. Залегают они большей частью, в виде слоев, отличающихся по составу. Объемная масса  мергелей обычно колеблется в пределах 2000-2500 кг/м³, влажность их, в зависимости от содержания глинистых примесей, 3-25%.

Глинистые породы. Из глинистых пород используют обычно глину, суглинок, глинистый сланец, мергелистую глину, лёсс, лёссовидный суглинок.

Глины характеризуются значительным содержанием тонких частиц размером менее 0,001 мм. Они состоят из глинистого вещества и примесей. Первое представляет собой либо один глинистый минерал, либо смесь различных минералов.

Глинистое вещество – это в основном гидроалюмосиликаты mAl₂O₃∙nSiO₂∙pH2O, где значения коэффициентов при оксидах для отдельных глинистых минералов различны. В кристаллическую решетку гидроалюмосиликатов могут также входить К, Na, Mg, Ca, Fe. Глины содержат примеси в виде железистых соединений, кварца, карбонатов кальция и магния, гипса, полевого шпата и ряда других веществ.

Глина при увлажнении разбухает  и приобретает пластичность. При  сухом способе производства пластичность и связующая способность глины  обеспечивают возможность брикетирования и гранулирования сырьевой муки.

Сырьем для производства портландцемента  служат различные виды глин, поскольку  обычно используют глины, залегающие вблизи месторождения карбонатных материалов. Чаще других применяют гидрослюдистые и монтмориллонитовые глины, реже каолинитовые и др.

Для суглинков характерно меньшее  содержание тонких зерен и повышенное количество частиц песка.

Глинистые сланцы представляют собой  твердые плотные породы слоистой структуры, которые легко раскалываются  вдоль плоскостей наслоений. Их влажность  меньше, чем у обычных глин, они  отличаются более постоянным составом и не смерзаются зимой при хранении на складах. Используют их в качестве сырья на ряде заводов Сибири и  Казахстана.

Лёсс – порода, лишенная слоистости. Он весьма нежен на ощупь и растирается  пальцами в пылевидную массу. К нему обычно примешаны тонкие частицы  кварцевой породы, полевого шпата, карбоната  кальция, слюды и др. Если лёсс содержит 30% углекислого кальция, то он по составу  приближается к мергелю. Пластичность природного лёсса весьма незначительна. Лёссы и лёссовидные суглинки используют в качестве сырья на предприятиях Казахстана и Средней Азии.

Глина обладает рядом ценных свойств, особенно важна ее пластичность, т.е. способность принимать под давлением  любую форму и сохранять ее после прекращения давления, а  также связующая способность, позволяющая  глине связывать определенное количество непластичных материалов. Благодаря  этим свойствам глины сырьевую муку, в которую она входит, можно  гранулировать и брикетировать, причем гранулы и брикеты не рассыпаются  при повышенных температурах. Пластичность и связующая способность глины  зависят от ее минералогического  состава, размеров и характера поверхности  частиц, содержания примесей, количества воды и ряда других причин. Суглинки, лёсс и глинистые сланцы отличаются меньшей пластичностью, чем глины.

Глины легко впитывают влагу  и становятся водонепроницаемыми. Большинство  глин легко размывается водой, что  используют в технологическом процессе производства портландцемента.

Глинистые породы содержат нужные для производства цемента кислотные окислы SiO₂, Аl₂О₃ и Fe₂O₃, в известняках находится основной оксид СаО. Главным признаком пригодности глины для производства цемента являются значения ее силикатного и глиноземного модулей, которые определяют величину этих модулей в портландцементе, так как карбонатный компонент сырьевой смеси обычно содержит немного глинистых примесей.

Естественная влажность глин – 10-30% в зависимости от времени  года и степени уплотнения. Суглинки, лёсс и глинистые сланцы отличаются меньшей влажностью. Объемная масса  глин 1700-2100 кг/м³. У суглинков и лесса она меньше, а у глинистого сланца больше.

Содержание в глинах примесей MgO, SО₃, щелочей и других соединений устанавливают в соответствии с пределами, допускаемыми для портландцемента. Примесь кварцевых зерен затрудняет помол сырья, а включения крупной гальки делают глину практически непригодной для производства без предварительного ее обогащения.

Карбонатное и глинистое (алюмосиликатное) сырье должно быть, возможно, более однородным по составу и структуре, не содержать включений крупных зерен кварца и других обломочных пород, затрудняющих помол сырья и трудно усваиваемых в процессе обжига.

Промышленные отходы. В качестве сырьевых компонентов на некоторых цементных заводах используются отходы различных отраслей промышленности. Наиболее широко применяют доменные шлаки, которые представляют собой силикатные и алюмосиликатные расплавы, получающиеся при выплавке чугуна, а также нефелиновый (белитовый) шлам — отход производства оксида алюминия из нефелинов, сиенита и других горных пород. Нефелиновый шлам на 80% состоит из белита, который полностью заменяет глинистый компонент в сырьевой смеси и примерно на 50% карбонатный. При использовании белитового шлама в сырьевую смесь обычно вводят одновременно две корректирующие добавки – глиноземистую и железистую. Недостаток нефелинового шлама – наличие повышенного содержания щелочей.

Минерализаторы. Минерализаторы – вещества, которые активно участвуют в образовании клинкерных минералов при обжиге и сами частично входят в их состав. В качестве минерализаторов в цементной промышленности используют плавиковый шпат — флюорит CaF₂, фосфогипс, кремнефтористый натрий Na₂SiF₆, апатит Ca₅(PO₄)₃F , гипс и др.

Фосфогипс – продукт, вырабатываемый из отходов производства фосфорной  кислоты, из флотационного апатитового  концентрата или флотационного  фосфорита. Фосфогипс в основном состоит из двуводного сульфата кальция и содержит примеси фосфорной кислоты, неразложенного фосфата кальция, глинистых минералов и др.

В состав шлама вводят фосфогипс  в количестве до 1% в пересчете  на SO₃ от массы загружаемого сырья. В цементной промышленности  фосфогипс применяют как интенсификатор процесса обжига, а также взамен гипса при помоле цемента.

Плавиковый шпат (флюорит) — минерал  состава CaF₂, содержащий 48,8% фтора и 51,2% кальция. Обычно плавиковым шпатом называют как минерал, так и флюоритовую руду и концентрат. В производстве цемента плавиковый шпат используют с содержанием CaF₂ не менее 65% и SiO2 не более 30%. /3,5,12/

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

1

КР 02.00.ПЗ

 

  Разраб.

Степуро

 

 Провер.

Самстыко

 

 Конс.

 

кая

 Н.Контр.

Самстыко

 

 Утв.

Самстыко

 

Характеристика  способов производства цемента

Лит.

Листов

4

БГТУ 72213028, 13

 

У

2 Характеристика способов производства цемента

 

Цемент не является природным материалом. Его изготовление - процесс дорогостоящий  и энергоемкий, однако результат  стоит того - на выходе получают один из самых популярных строительных материалов, который используется как самостоятельно, так и в качестве составляющего  компонента других строительных материалов (например, бетона и железобетона). Цементные  заводы, как правило, находятся сразу  же на месте добычи сырьевых материалов для производства цемента.

Производство цемента включает ряд технологических операций, которые  можно разделить на две основные группы. Первая – это операции по производству клинкера, вторая – измельчение  клинкера совместно с гипсом, а  в ряде случаев и с другими  добавками, т. е. приготовление портландцемента. Получение клинкера – наиболее сложный  и энергоемкий процесс, требующий  больших капитальных и эксплуатационных затрат. Доля клинкера в стоимости  портландцемента достигает 70-80%. Производство клинкера состоит из добычи сырьевых материалов, дробления, помола и смешивания их в определенном соотношении, обжига сырьевой смеси и магазинирования  клинкера. Комплекс операций по получению  из клинкера портландцемента включает следующие технологические процессы: дробление клинкера, сушку минеральных  добавок, дробление гипсового камня, тонкое измельчение клинкера совместно  с активными минеральными добавками  и гипсом, складирование, упаковку и отправку цемента потребителю. Даже в пределах одного месторождения химико-минералогический состав сырья меняется в широких пределах. Поэтому получение сырьевой смеси постоянного состава – сложная задача. С другой стороны, перерабатываемое цементной промышленностью сырье отличается не только составом, но и физико-техническими свойствами (влажностью, прочностью и т. д.). Для каждого вида сырья должен быть выбран такой способ подготовки, который обеспечивал бы тонкое измельчение и равномерное перемешивание компонентов шихты с минимальными энергетическими затратами. Это послужило причиной появления в цементной промышленности трех способов производства, отличающихся технологическими приемами подготовки сырьевых смесей: мокрого, сухого и комбинированного.

Мокрый способ производства используют при изготовлении цемента из мела (карбонатный компонент), глины (силикатный компонент) и железосодержащих добавок (конверторный шлам, железистый продукт, пиритные огарки). Влажность глины  при  этом не должна превышать    20%, а влажность мела - 29%. Мокрым этот способ назван потому, что измельчение сырьевой смеси

 

производится  в водной среде, на выходе получается шихта в виде водной   суспензии - шлама влажностью 30 - 50%. Далее шлам поступает в печь для обжига. При обжиге из сырья выделяются углекислоты. После этого шарики-клинкеры, которые образуются на выходе из печи, растирают в тонкий порошок, который и является цементом.

Комбинированный способ предполагает использование и сухого и мокрого способа. Комбинированный способ имеет две разновидности. Первая предполагает, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу в виде шлама, потом её обезвоживают на фильтрах до влажности 16 – 18 % и отправляют в печи для обжига в виде полусухой массы. Второй вариант приготовления является прямо противоположным первому: сначала используют сухой способ для изготовления сырьевой смеси, а затем, добавляя 10 – 14 % воды, гранулируют, размер гранул составляет 10 – 15 мм и подают на обжиг.

Сухой способ производства. Последовательность технологических операций производства портландцемента сухим способом указана в принципиальной технологической схеме (рис. 2.1).

 

Железосодержащие  добавки

Бункер

Склад добавок

Расходный склад

Бункер

Самоходный дробильный агрегат

Карьер мела

Бункер

Мельница самоизмельчения «Аэрофол»

Отхо-дящие газы враща-ющейся печи

Промежуточные силосы

Трубная мельница домола

Смесительные силосы

Вращающаяся печь с циклонными теплообменниками

Холодильник

Дробилка для клинкера

Силосный склад

Мельница для помола клинкера

Цементные силоса

Отгрузка потребителю

Склад или резер-вуар топлива (уголь, мазут, газ)

Гипс

Склад

Гранулированный доменный шлак или  активные минеральные добавки

Склад добавок

Дробилка

Дробилка

Сушилка

Карьер глины

 Рис. 2.1 Принципиальная технологическая схема получения портландцемента сухим способом 

Высокая твердость измельчаемых материалов требует предварительного их дробления. Тонкое измельчение материалов может  производиться при влажности  не более 1 %. В природе такое сырье  практически не встречается, поэтому  обязательная операция сухого способа  производства — сушка. Желательно совмещать  ее с размолом сырьевых компонентов. На большинстве новых предприятий, работающих по сухому способу производства, в шаровой трубной мельнице совмещаются  процессы сушки, тонкого измельчения и перемешивания всех компонентов сырьевой смеси. Из мельницы сырьевая смесь выходит в виде тонкодисперсного порошка – сырьевой муки. В железобетонных силосах производятся корректировка ее состава до заданных параметров и гомогенизация перемешиванием сжатым воздухом. Готовая сырьевая смесь поступает на обжиг. Вращающиеся печи сухого способа производства оборудованы запечными теплообменными устройствами (циклонными теплообменниками). В них за несколько десятков секунд сырьевая смесь нагревается до 700-800°С, дегидратируется и частично декарбонизируется.

Завершается обжиг клинкера во вращающейся  печи. Необходимость экономии расхода  топлива вынуждает перерабатывать по сухому способу материалы со все более высокой влажностью. Технологическая схема производства портландцемента из такого сырья выглядит следующим образом. Предварительное измельчение материалов повышенной влажности при сухом способе целесообразно осуществлять в мельницах самоизмельчения типа «Аэрофол», позволяющих перерабатывать сырье с влажностью до 25%. Однако полностью высушиться сырье при этом не успевает и в шаровой мельнице одновременно с доизмельчением крупных частиц и получением однородной сырьевой смеси производится ее досушка. Приготовление сырьевой смеси в виде порошка усложняет технологическую схему. Увеличивается число энергоемкого оборудования. Сложнее при сухом способе обеспечить санитарные условия и охрану окружающей среды. Но решающим его преимуществом является снижение расхода теплоты на обжиг клинкера до 3,4-4,2 МДж/кг. Кроме того, на 35-40 % уменьшается объем печных газов, что соответственно снижает стоимость обеспыливания и дает больше возможностей по использованию теплоты отходящих газов для сушки сырья. Важнейшее преимущество сухого способа - более высокий съем клинкера с 1 м³ печного агрегата. Это позволяет проектировать и строить печи по сухому способу в 2-3 раза более мощные, чем по мокрому. В целом по технико-экономическим показателям сухой способ превосходит мокрый. При использовании мощных печей он обеспечивает снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера примерно вдвое, рост годовой выработки на одного рабочего примерно на 40%, уменьшение себестоимости продукции на 10 % и сокращение капиталовложений при строительстве предприятий на 50%. Это обусловило интенсивное его распространение в мировой цементной промышленности. Однако надо учитывать, что возможности применения сухого способа ограничены влажностью перерабатываемого сырья. Переработка сырья с влажностью более 20-25 % по сухому способу связана с высокими расходами теплоты на сушку, и этот способ становится неэкономичным. /2,3,4/

  

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

1

КР 03.00. ПЗ

 

  Разраб.

Степуро

 

 Провер.

Самстыко

 

 Конс.

 

кая

 Н.Контр.

Самстыко

 Утв.

Самстыко

Физико-химические основы производства цемента сухим  способом

Лит.

Листов

3

БГТУ 72213028, 13

 

У

3 Физико-химические основы производства цемента сухим способом

 

Образованию цементного клинкера предшествует ряд физико-химических процессов, в результате которых клинкер приобретает сложные минералогический состав и микрокристаллическую структуру. Эти процессы протекают в определенных температурных границах — технологических зонах печи. В основном обжиговом агрегате — вращающейся печи — при сухом способе производства цемента по ходу движения материала выделяют зоны: I - сушки, II—подогрева, III— декарбонизации, IV— экзотермических реакций, V— спекания, VI— охлаждения. Подготовительные зоны I – II занимают 50 - 60 % длины печи, зона декарбонизации — 20 – 25 %, зона экзотермических реакций — 7 – 10 %, зона спекания — 10 – 15 % и зона охлаждения — 2 - 4 % длины печи.

В зоне сушки поступающая  в верхний конец печи сырьевая смесь встречается с горячими газами и постепенно, при повышении температуры с 70 до 200°С подсушивается, превращаясь в комья, которые при перекатывании распадаются на более мелкие гранулы. По мере перемещения сырьевой смеси вдоль печи происходит дальнейшее постепенное ее нагревание.

В зоне подогрева в интервале температур 200 - 700°С сгорают находящиеся в сырье органические примеси, удаляется химически связанная вода из глинистых минералов и образуется безводный каолинит Al₂O₃·2SiO₂.

Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O → Al₂O₃·2SiO₂+2H₂O

Большая часть кристаллизационной воды удаляется в интервале температур 400-700°С, остатки ее (2-3 %) удаляются только при нагревании до 900-1000°С.

В зоне декарбонизации в интервале температур от 700 до 1100°С происходит процесс разложения карбонатов кальция и магния, алюмосиликаты глины распадаются на отдельные оксиды SiO₂, A1₂O₃ и Fe₂O₃ с сильно разрыхленной структурой.

Термическое разложение карбонатов магния и кальция происходит по схемам:

MgCO₃ → MgO+CO₂↑

СаСО₃ → СаО+СO₂↑

Разложение глинистого минерала: