Производство цемента

• Введение
• 1. Литературный обзор
• 2. Технологическая часть
• 2.1 Номенклатура продукции проектируемого предприятия
• 2.2 Сырье
• 2.3 Расчет состава сырьевой смеси
• 2.4 Описание технологической схемы производства
• 2.5 Режим работы и фонд рабочего времени предприятия и оборудования
• 2.6 Материальный баланс
• 2.7 Выбор и расчет количества единиц оборудования
• 2.8 Расчет складов и бункеров
• 2.9 Расчет потребности электроэнергии
• 2.10 Расчет потребности в рабочей силе
• 2.11 Контроль качества продукции и технологического процесса
• 3. Безопасность и экологичность проекта
• 3.1 Охрана атмосферного воздуха от загрязнения
• 3.2 Охрана поверхностных и подземных вод от загрязнения и истощения
• 4. Технико-экономические показатели
• Список использованных источников

За последние годы на предприятиях цементной промышленности были созданы условия для ускорения технического прогресса и решения многих важных задач совершенствования техники и технологии. При этом следует подчеркнуть, что технический прогресс осуществлялся путем широкого проведения таких мероприятий, как оснащение предприятий современным оборудованием, новыми средствами механизации и автоматизации, внедрение передовой технологии, интенсификация производственных процессов, рациональная организация труда, выпуск продукции, отличающейся наибольшей эффективностью и высоким качеством.

Техническое развитие цементной промышленности связано с использованием более производительных и усовершенствованных обжиговых и помольных агрегатов, значительно превосходящих по мощности установленное ранее технологическое оборудование, и с лучшими условиями труда при их обслуживании.

Технологические процессы современных промышленных установок характеризуются оптимальными значениями параметров, в ряде случаев критическими и сверхкритическими, малым допустимым диапазоном отклонения их от оптимальных, обеспечением определенного соотношения между ними.

Надежность и достоверность технологического контроля и автоматического управления во многом определяются качеством наладки контрольно-измерительных приборов, средств автоматизации, систем и устройств технологической сигнализации, защиты и блокировки. Поэтому при подготовке специалистов-техников по монтажу и наладке систем контроля и автоматического управления наладочным работам должно уделяться особое внимание.

Наладка средств измерений и систем технологического контроля предусматривает комплекс работ по их проверке и настройке, обеспечивающих получение достоверной информации о значениях контролируемых величин и ходе того или иного технологического процесса. Этот комплекс работ для строящихся объектов выполняется в три стадии.

На первой стадии выполняются подготовительные работы, изучение и анализ основных проектных решений и предмонтажная проверка средств измерений. На этой стадии заказчик предоставляет производственное помещение для организации приобъектной лаборатории и проектную документацию по автоматизации с соответствующими инструкциями и технологическими картами.

На второй стадии выполняются работы по проверке правильности монтажа средств измерения и систем технологического контроля, автономная наладка и подготовка систем к включению в работу для обеспечения индивидуальных испытаний технологического оборудования.

С целью сокращения сроков ввода объекта в эксплуатацию автономная наладка может выполняться одновременно с производством монтажных работ по совмещенному монтажно-наладочному графику.

Включение в работу отдельных приборов и систем производится в процессе индивидуальных испытаний и комплексного опробования агрегатов и технологического оборудования на инертных средах и постепенного замещения их рабочими продуктами.

На третьей стадии выполняются работы по комплексной наладке систем технологического контроля и доведению их параметров до значений, при которых они используются в процессе нормальной эксплуатации. Сдача налаженных систем автоматизации в эксплуатацию производится, как по отдельным узлам, так и комплексно по установкам, цехам, производствам.

Эффективная работа любого производства обеспечивается только комплексной наладкой с участием специалистов различных специализированных организаций и производственных подразделений.

Для более эффективной работы цементного завода, повышения производительности труда и увеличения объемов производства необходима замена устаревшего оборудования на более совершенное. Это достигается с помощью инвестиций и инвестиционных проектов. Эффективность инвестиционного проекта определяется соотношением результата вложений и инвестиционных затрат. Результат применительно к интересам инвестора может представлять прирост национального дохода, экономию общественного труда, снижение текущих расходов по производству продукции, рост дохода или прибыли предприятия, снижение энергоемкости и ресурсоемкости продукции, уменьшение уровня загрязнения окружающей природной среды и другие показатели. Затраты включают в себя размеры инвестиций, необходимых для осуществления технико-экономического обоснования или бизнес-плана реализации инвестиционного проекта, на приобретение и монтаж оборудования, на производство строительно-монтажных работ, а также на другие многочисленные расходы.

1. Литературный обзор

Производство портландцемента может быть разделено на два комплекса операций. Первый из них включает изготовление клинкера, второй — получение портландцемента измельчением клинкера совместно с гипсом, активными минеральными и другими добавками (если они используются).

Получение клинкера — наиболее сложный и энергоемкий процесс. Организация его требует больших капитальных и эксплуатационных затрат. Удельная стоимость клинкера достигает 70−80% общей стоимости портландцемента.

Производство портландцемента состоит из следующих основных операций: добычи известняка и глины (если необходимо, то и корректирующих добавок); подготовки сырьевых материалов и приготовления из них однородной смеси заданного состава; обжига сырьевой смеси материалов до спекания с получением клинкера; помола клинкера в порошок с небольшим количеством гипса, а иногда и добавок.

Основной задачей является получение клинкера с заданным фазовым (минералогическим) составом, что зависит от состава и качества сырья, выбранного соотношения между исходными материалами, требуемой дисперсности и однородности сырьевой смеси и, конец, от правильного режима обжига и охлаждения клинкера.

В настоящее время применяют два основных способа подготовки сырьевой смеси из исходных материалов: «мокрый», при котором помол и смешение сырья осуществляются в водной среде, и «сухой», когда материалы измельчаются и смешиваются в сухом виде.

Каждый из этих способов имеет свои положительные и отрицательные стороны. В водной среде облегчается измельчение материалов, при их совместном помоле быстро достигается высокая однородность смеси, но расход топлива на обжиг сырьевой смеси при мокром способе в 1,5−2 раза больше, чем при сухом. Кроме того, значительно возрастают размеры обычных вращающихся печей при обжиге в них мокрой сырьевой смеси, так как эти тепловые агрегаты в значительной мере выполняют функции испарителей воды.

Сухой способ, несмотря на его технико-экономические преимущества по сравнению с мокрым, длительное время находил ограниченное применение из-за пониженного качества получаемого клинкера. Однако успехи в технике тонкого измельчения и гомогенизации сухих смесей обеспечили возможность получения высококачественных портландцементов и по сухому способу.

Применение находит и третий, так называемый комбинированный, способ. Сущность его заключается в том, что подготовка сырьевой смеси осуществляется по мокрому способу, затем шлам обезвоживается на специальных установках и направляется в печь.

Комбинированный способ по ряду данных почти на 20−30% снижает расход топлива по сравнению с мокрым способом, но при этом возрастает трудоемкость производства и расход электроэнергии.

Площадку для строительства цементного завода выбирают, как правило, вблизи месторождений (или размещения) основных исходных материалов — карбонатного и глинистого компонентов. Это делается с целью уменьшения расходов на транспорт и доведения до минимума запасов, а следовательно, и емкости складов сырья на площадке завода.

Добыча известняка. Известняковые породы обычно залегают под слоем пустой породы (вскрыши), толщина которого может иногда достигать значительной величины (3−5 м и более). Для ее удаления применяют экскаваторы разных типов, бульдозеры, а также гидромеханический способ, посредством которого грунт размывают струей воды, подаваемой гидромонитором под давлением 15−20 атм. Высокой эффективностью отличается разработка вскрышных пород с помощью роторных экскаваторов и удаление их в отработанные части карьеров с помощью ленточных транспортеров.

Взорванную породу с размером кусков до 1 м, а иногда до 1,2−1,5 м в поперечнике грузят с помощью экскаватора на транспортные средства и отправляют на завод. Более крупные глыбы подвергают дроблению при помощи пневматических перфораторов.

В качестве транспортных средств используют самоопрокидывающиеся платформы (думкары) на 90 — 100 т или автосамосвалы. При сильно пересеченной или застроенной местности, отделяющей карьер от завода, применяют также и подвесные канатные дороги.

Добыча глины, мела и мягких мергелей осуществляется экскаваторами одноковшовыми или многоковшовыми. Транспортируют эти материалы так же, как и известняк, на заводы, где перерабатывают в водные суспензии (шлам) в глиноболтушках. Они представляют собой круглый или многогранный бассейн, дно и стенки которого футеруются чугунными плитами. В центре бассейна на фундаменте устанавливается вертикальный вал с крестовинами, на которые подвешиваются стальные грабли.

Вал приводится во вращение электродвигателем. Материалы после предварительного измельчения в дробилках до размера кусков не более 20 см разбалтывают с водой, причем образуется суспензия с частицами материала до 3 — 5 мм. Крупные куски и примеси (песок, галька и т. п.), оседающие на дно, периодически удаляются. Полученный шлам с помощью насосов перекачивается в запасные бассейны, откуда поступает на тонкое измельчение в мельницы с другими компонентами сырьевой смеси.

Приготовление сырьевой смеси включает: дробление известняка, глины и добавок, дозирование, совместный тонкий помол и смешение компонентов, корректирование состава полученной смеси (шлама) и ее хранение.

цемент сырье обжиг клинкер При изготовлении 1 т портландцемента приходится измельчать до 2,5 — 3 т сырья, угля и клинкера. На это расходуется более 60 — 80% общего количества энергии, затрачиваемой на производство цемента.

В производстве портландцемента по мокрому способу сырье размалывают в мельницах со значительным количеством воды — мокрый помол (обычно при содержании воды до 36 — 42% массы сухого вещества).

Сырье измельчают до степени, характеризуемой обычно остатком на сите № 008 не более 5 — 10%. Помол в мельницах обходится дороже дробления, поэтому экономично направлять в них материал с возможно малыми размерами частиц.

Корректирование состава шлама. При смешивании известняка с глиной не всегда удается сразу получить шлам требуемого химического состава из-за неоднородности сырья, несовершенства дозирующих устройств и других факторов. В связи с этим возникает необходимость в систематическом контроле содержания компонентов в сырьевой смеси и, в случае отклонения от принятых величин, в корректировании состава шлама. Для этого в него вводят недостающий компонент в соответствующем количестве.

В зависимости от состава и однородности сырья, а также от состава и качества выпускаемого цемента сырьевую смесь корректируют по заданному содержанию в ней углекислого кальция (по титру), а также по требуемому коэффициенту насыщения и одному из модулей.

Необходимость в корректировании шлама может возникать также и при недостаточном или избыточном содержании других компонентов (оксидов кремния и железа).

Бесперебойную работу обжигательной печи при нарушении подачи сырья или поломке механизмов можно обеспечить лишь в том случае, если есть запас шлама. Для этого предусматривается сооружение бассейнов, емкость которых должна обеспечивать запас шлама на несколько дней работы завода.

Обжиг сырьевой смеси. Для обжига сырьевой смеси как при мокром, так и при сухом способе производства почти исключительно применяются вращающиеся печи. Длина вращающихся печей при мокром способе производства достигает 150 — 185 м и более, а диаметр — 4−7 м.

Вращающаяся печь работает по следующей схеме. Шлам из шламбассейна перекачивается насосом в распределительный бак, установленный над печью. Отсюда он через ковшовый питатель или специальный расходомер по трубе поступает в печь.

С противоположной стороны в печь вентилятором нагнетается уголь в виде пылевоздушной смеси, которая поступает из углепомольного отделения, размещаемого обычно вблизи печного агрегата. Попадая в раскаленное пространство, уголь воспламеняется и начинает гореть.

Образующиеся дымовые газы проходят через всю печь, отдавая свое тепло обжигаемому материалу. Шлам, проходя через печь и подвергаясь воздействию газов все более высокой температуры, претерпевает ряд физических и физико-химических превращений. При температурах же 1300 — 1500є С материал спекается, причем образуются клинкерные зерна размером до 15−20 мм и больше. Пройдя зону высших температур, клинкер начинает охлаждаться потоками более холодного воздуха, поступающего из холодильника. Из печи он выходит с температурой 1000−1100єС и направляется в колосниковый холодильник. Здесь он охлаждается до температуры 30−50єС воздухом, протягиваемым через слой материала толщиной 20−25 см. Нагретый воздух из первого отделения холодильника направляется в зону горения топлива в печи, а частично выбрасывается в атмосферу непосредственно или после очистки от пыли.

Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера сопровождаются сложными физическими и физико-химическими процессами, в результате которых из исходных компонентов образуются спекшиеся зерна размером до 2−3 см, состоящие в основном из минералов C3S, в-C2S, C3A, C4AF и стекловидной фазы. Характер процессов, протекающих в сырьевой смеси, определяется температурой обжига.

Шлам, попадая в печь, подвергается воздействию дымовых газов, имеющих значительную температуру (300 — 600є С). При этом начинается энергичное испарение воды, которое сопровождается постепенным загустеванием шлама. В дальнейшем, когда значительная часть воды уже испарилась, образуются крупные комья, которые затем распадаются на более мелкие частицы, вследствие ухудшения связующих свойства глиняного компонента, а также разрыхляющего воздействия цепей. При последующем движении по длине печи материал попадает в область более высоких температур. При 400 — 500є С из материала выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита и других глинистых минералов с образованием, в частности, каолинитового ангидрида Аl2O3 2SiO2. Удаление из глины гидратной воды сопровождается потерей пластичности и связующих свойств, что приводит к распаду образовавшихся ранее комьев материала в подвижный порошок. Все эти процессы проходят в печи до температуры материала примерно 600−700є С.

Следующая зона, где происходит дегидратация глины и идет дальнейшее нагревание материала до 700−800єС, называется зоной подогрева. При температурах 750−800єС и выше в материале начинаются реакции в твердом состоянии между его составляющими. Вначале они едва заметны, однако с повышением температуры материала до 1000є С и более интенсивность их резко возрастает. На участке вращающейся печи, где температура материала достигает 1100є С, резко возрастает интенсивность реакций в твердом состоянии. Реакции образования силикатов, алюминатов и ферритов кальция являются экзотермическими.

В связи с этим интенсивное образование указанных соединений сопровождается значительным выделением тепла, что приводит к интенсивному повышению температуры материала на 150−200є С на коротком участке печи в несколько метров. К концу экзотермической зоны температура материала достигает примерно 1300є С. При температуре 1300є

С начинается спекание материала вследствие образования в нем расплава в количестве 20 — 30% объема начавшей спекаться массы. При этом в жидкой фазе создаются благоприятные условия для образования основного минерала портландцемента — трехкальциевого силиката C3S из C2S и СаО. Участок печи, где происходит спекание материала и образование алита, называется зоной спекания. Здесь материал нагревается примерно от 1300 до 1400є С.

Производство цемента по сухому способу с обжигом клинкера в коротких вращающихся печах осуществляется по следующей технологической схеме.

Добывают и дробят известняк и глину при сухом способе производства с помощью тех же механизмов, что и при мокром способе. Раздробленное сырье сушат в сушильных барабанах до остаточной влажности 1−2%, а затем подвергают тонкому измельчению в мельницах, работающих по открытому или замкнутому циклу. Для тонкого измельчения известняков и глин преимущественно применяют установки для одновременного помола и сушки материала в шаровых мельницах.

Сырьевая мука, получаемая в результате помола в мельницах того или иного типа, направляется на гомогенизацию и корректирование в специальные железобетонные силосы. Муку в них перемешивают с помощью сжатого воздуха, вводимого через керамические пористые плитки, укладываемые на днище силосов.

После гомогенизации проверяют состав сырьевой муки. При необходимости смесь корректируют, для этого предусмотрены специальные силосы, в которых смесь известняка и глины гомогенизируется с корректирующими добавками.

Из силосов откорректированная смесь пневмонасосом подается в систему циклонных теплообменников. Во время перемещения по газоходам и циклонам сырьевая мука постепенно нагревается и частично декарбонизируется, за счет печных газов, движущихся под действием дымососа. Пройдя теплообменники сырьевая мука поступает в печь. Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками имеют гораздо меньшую длину, чем печи для производства клинкера по мокрому способу. Процессы протекающие в этих печах аналогичны процессам протекающим в печах для мокрого способа, исключая несколько начальных стадий [2]

Получение собственно портландцемента осуществляется совместным помолом портландцементного клинкера и гипса, а также добавок, если это необходимо. Гипс добавляют для регулирования сроков схватывания. Помол производится преимущественно в трубных мельницах. Материал в мельницах измельчается под действием загруженных в барабан мелющих тел — стальных шаров (в камерах грубого помола) и цилиндров (в камерах тонкого помола). Готовый портландцемент — очень тонкий порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета; при выходе из мельницы он имеет высокую температуру (80−120є С) и направляется пневматическим транспортом для хранения в силосы. Цемент в силосах выдерживают до его охлаждения и гашения остатков свободного оксида кальция. Далее часть цемента отправляется с завода автотранспортом и железнодорожным транспортом, а часть поступает на отвешивающие и упаковывающие машины и поставляется в мешках по 50 кг [3]

2. Технологическая часть

2.1 Номенклатура продукции проектируемого предприятия

На данном предприятии планируется выпускать 2 вида цемента: ПЦД5−70% и ПЦД20−30%. Ниже указаны требования к выпускаемым видам цемента.

При производстве цементов применяют:

клинкер, по химическому составу соответствующий технологическому регламенту. Массовая доля оксида магния (MgО) в клинкере не более 5%;

гипсовый камень по ГОСТ 4013 82 " Камень гипсовый и гипсоангид

Массовая доля в цементах активных минеральных добавок должна соответствовать следующим значениям: ПЦД20 — свыше 5% до 20% включительно;

Предел прочности цемента при изгибе и сжатии должен быть, соответственно, не менее следующих значений:

ПЦД20 — 5,4 (через 55 дней); 39,2 (через 400 дней);

Гарантированная марка ПЦД 20.

Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 минут, а конец — не позднее 10 часов от начала затворения.

Тонкость помола цемента должна быть такой, чтобы при просеивании пробы цемента сквозь сито с сеткой № 008 проходило не менее 85% массы просеиваемой пробы.

Массовая доля ангидрида серной кислоты (SO₃) в цементе должна соответствовать следующим требованиям: ПЦ 400 — Д 20 — не менее 1,0 и не более 3,5.

Эффективность применения технологических добавок, а также отсутствие отрицательного влияния их на свойства бетона должны быть подтверждены результатами испытаний цемента и бетона.

Массовая доля щелочных оксидов (Na₂O и К₂О) в пересчете на Na₂О (Na₂O + 0,658К₂О) в цементах, предназначенных для изготовления массивных бетонных и железобетонных сооружений с использованием реакционноспособного заполнителя, устанавливается по согласованию с потребителем.

Гарантируемое соответствие цемента всем требованиям при соблюдении правил его транспортирования и хранения при поставке в таре в течение 60 суток для всех цементов (кроме быстротвердеющих), а при поставке навалом на момент получения цемента потребителем — не более чем 60 суток после отгрузки для всех цементов (кроме быстротвердеющих).

В отличии от СНиП 82 — 02 — 95, где для шлакопортландцемента принят режим пропаривания общей продолжительности 16 — 18 чпри температуре 90 — 95С. [4]

2.2 Сырье

Сырьевыми материалами для производства клинкера служат карбонатные горные породы с высоким содержанием углекислого кальция, глинистые породы, содержащие кремнезем, глинозем и окись железа, и гипс. В среднем на изготовление 1 тонны цемента требуется до 1,5 тонн исходного сырья.

Окись кальция CaO вводится в цемент в виде известняков независимо от содержания в них глины. Известняки и мел содержат до 90% и более углекислого кальция и небольшие количества кварцевого песка, глинистых минералов и др. Плотность известняков 1750—2950 кг/мі, влажность 0,13−10,7%. С глиной вводятся кремнезем SiO2 (70−80%), глинозем Al2O3 (3−10%), окись железа Fe2O3 (3−6%) и небольшое количество карбонатов кальция и магния. Включения веществ, содержащих окислы SO3, Na2O, K2O, а также MgO нежелательны, и их количество должно быть минимальным. Влажность глин колеблется в пределах 15−25%, плотность 1800−2000 кг/мі. Поскольку не всегда удается получить клинкер требуемого состава, то применяют корректирующие добавки, содержащие значительное количество какого — либо из недостающих окислов клинкера. К примеру, кварцевый песок применяют для увеличения содержания SiO2.

Наряду с материалами природного происхождения цементная промышленность использует побочные продукты разных отраслей промышленности, например доменные шлаки.

В состав доменных шлаков входят окислы: CaO, SiO2, Al2O3, MgO, FeO и сернистые соединения CaS, MnS, FeS. В незначительных количествах встречаются и другие окислы, существенно не влияющие на свойства шлаков. Преобладающими в доменных шлаках являются CaO, SiO2, Al2O3 и отчасти MgO, суммарное содержание которых достигает 90−95%. Главными фазами в шлаках являются преимущественно мелилит, ларнит и анортит.

При обычных температурах (до 15−25єС) шлаки почти не проявляют во взаимодействии с водой и, следовательно, не твердеют Доменные шлаки, предназначенные для изготовления вяжущих веществ гранулируют, то есть охлаждают водой, паром или воздухом.

При производстве цемента с целью замедления сроков его схватывания в состав шихты, наряду с клинкером, вводят гипс — двуводный сульфат кальция (CaSO4· 2H2O), содержание которого в цементе определяется качеством породы — гипсового камня.

Плотность гипса колеблется от 1,35 до 1,45 г/см³. /6/

2.3 Расчет состава сырьевой смеси

Сырьевая смесь рассчитывается, исходя из химического состава сырьевых компонентов и модульных характеристик клинкера. Так как в данном случае имеются значительные колебания в составе глинистого компонента кремнезема, то расчет следует проводить по силикатному модулю (формула 1).

(1)

где n-силикатный модуль.

Таблица 1 — Химический состав исходных сырьевых материалов

ППП — потери при прокаливании; R2O — щелочи (K2O, Na2O).

n_{известн.} = => ввод песка, т.к. <2,5;

n_глина= => ввод песка, т.к. <2,5

Если > 2,5 — ввод огарка Так как силикатный модуль для обоих компонентов ниже заданного, то его повышают вводом добавок с высоким содержанием кремнезема (песок).

Вводим корректирующий коэффициент для глины:

k =

Перемножив коэффициент k на процентное содержание глины, получим:

SiO₂? k = 55,48? 0,993 = 55,12

Al₂O₃? k = 27,5? 0,993 = 27,32

Fe₂O₃? k = 0,6? 0,993 = 0,596

CaO? k = 5,01? 0,993 = 4,98

MgO? k = 0,11? 0,993 = 0,109

SO₃? k = 0,1?0,993 = 0,099

Химический состав глины в пересчете на коэффициент k в сумме = 100.

Таблица 2 — Химический состав исходных сырьевых материалов

Корректирование основных компонентов добавками производят по формулам 2.2 и 2.3, позволяющим установить соотношение между основным компонентом и добавкой для получения заданного n.

x =

y =

p =

q =

В пересчете на 100%:

x + y = 99,41 + 0,59 = 100%

р + q = 13,6 +86,4 = 100%

Таблица 3 — Химический состав откорректированных материалов

Проверка значений n по откорректированным известняку' и глине' показала, что они расходятся с данным значением не более, чем на 0,5%.

n _{(известн.1)} =

2,51 — 2,5 = 0,01 < 0,5%;

n _{(глина1)} =

< 0,5%.

Устанавливается соотношение между откорректированными известняком и глиной по заданному Кн:

Определяем расход сухих материалов на 100 кг. сырьевой смеси:

Песок в известняке I — х? m = 0,0059? 0,801 = 0,0047

Известняка в песке I — y? m = 0,994? 0,801 = 0,796

Итого: х? m + y? m =0,801

Песок в глине I — р? n = 0,136? 0, 199 = 0,027

Глины в глине I — q? n = 0,862? 0, 199 = 0,172

Итого: р? n + q? n = 0,027 + 0,172 = 0, 199

Всего песка: В известняке I — х? m

В глине I — р? n

Итого: х? m + р? n = 0,0047 + 0,027 = 0,0317

Всего сухих компонентов:

Известняка I — y? m = 0,994? 0,801 = 0,796

Глины I — q? n = 0,862? 0, 199 = 0,172

Песка — х? m + р? n = 0,0047 + 0,027 = 0,0317

Итого в пересчете = 100%

Химический состав сырьевой смеси, рассчитанный по выше приведенному соотношению компонентов, и клинкера, отличающегося от состава сырьевой смеси отсутствием ППП, сводится в таблице 4.

Коэффициент пересчета химического состава сырьевой смеси на химический состав клинкера вычисляется по формуле 17:

Затем все составляющие химического состава сырьевой смеси, исключая ППП, умножаются на Кпер., в результате устанавливается химический состав клинкера.

Рассчитывается коэффициент насыщения (формула 18):

Сырьевая смесь:

1. Глиноземистый модуль:

Р =

Таблица 4 — Химический состав сырьевой смеси и клинкера

2. Коэффициент насыщения:

К_Н =

3. Силикатный модуль:

n =

Клинкер:

Глиноземистый модуль:

Р =

2. Коэффициент насыщения:

К_Н =

3. Силикатный модуль:

n =

2.4 Описание технологической схемы производства

Технология портландцемента в основном сводится к приготовлению сырьевой смеси надлежащего состава, ее обжигу до спекания (получают клинкер) и помолу в тонкий порошок.

Сырьевую смесь приготовляют сухим или мокрым способом. В соответствии с этим различают и способы производства цемента — сухой и мокрый. На данном заводе портландцемент будет производиться сухим способом.

Известняк с карьера поступает в приемный бункер, затем проходит две стадии дробления в щековой дробилке. Размер кусков после дробления составляет от 75 до 200 мм. В таких дробилках используют способы раздавливания, раскалывания и частичного истирания материала. После дробления известняк идет на склад сырья.

Глина с карьера поступает в приемный бункер. Так как глина является мягкой породой, то она дробится по одноступенчатой схеме в валковых дробилках до кусков размеров 200 мм. В них материал измельчают способом раздавливания между валками, вращающимися навстречу друг другу. При разных скоростях вращения валков имеет место и истирание материала. В зависимости от свойств исходного материала применяют гладкие, рифленые и зубчатые валки. После глина подается на склад сырья.

Песок поступает в приемный бункер, сушится и подается на склад сырья. Затем сырьевая смесь поступает в мельницу «Аэрофол». Мельница «Аэрафол» представляет собой короткий полый вращающийся барабан большого диаметра, закрытый с двух сторон торцевыми стенками с полыми цапфами. Внутренняя полость барабана футерована бронеплитами с лопастями-подъемниками. Материал поступает в мельницу через цапфу, отбрасывается при вращении барабана к периферии на лопасти, поднимается последними и вновь падает вниз, ударяясь по пути о куски поступающего в мельницу материала и повторно о лопасти. Оптимальная степень заполнения таких мельниц материалом составляет 20.25%. Помол в мельнице происходит за счет ударов материала о лопасти и соударения размалываемых кусков. Для усиления размалывающего действия в мельницу может быть загружено небольшое количество стальных шаров (5.6% от внутреннего объема мельницы).

Эффективность процесса самоизмельчения определяется максимальной крупностью кусков исходного материала, а также соотношением крупных и мелких фракций. Оптимальная крупность подаваемого в мельницу материала зависит от ее диаметра и частоты вращения. Основные преимущества мельниц самоизмельчения состоят в простоте конструкции и обслуживания, низкой скорости вращения рабочих органов, малых удельных затратах электроэнергии на измельчение, отсутствие мелющих тел, совмещение процессов дробления и помола в одном аппарате, высокой производительности (до 500 т/ч). Мельницы самоизмельчения предназначены для сухого размола (мельница «Аэрофол»).

Создание такого агрегата позволило перерабатывать сырье влажностью 20−22% по сухому способу. Большой диаметр загрузочных цапф позволяет пропускать значительный объем горячих газов, поэтому можно использовать газы относительно невысокой температуры (отходящие газы вращающихся печей).

После помола сырьевая смесь поступает в силосы, а затем поступает во вращающиеся печи где обжигается. Образованию портландцементного 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. При сухом способе производства 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 подогрева при температуре 200. 650 °C выгорают органические примеси и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента. Обезвоживание и распад на оксиды водных алюмосиликатов кальция приводит к образованию ряда промежуточных соединений, заметно влияющих в дальнейшем на скорость связывания СаО.

В зоне декарбонизации при температуре 900. 1200⁰С происходит диссоциация карбонатов кальция и магния с образованием свободных СаО и МgО. Одновременно продолжается распад глинистых минералов. В зоне экзотермических реакций при температуре 1200 — 1300⁰ С завершается процесс твердофазового спекания материала. В результате образуются минералы 3CaO*Al₂O_3; 4CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃ и 2CaO*SiO₂. Однако в смеси остается некоторое количество свободной извести, необходимое для насыщения двухкальциевого силиката до трехкальциевого (алита).

В зоне спекания при температуре 1300 — 1450⁰ С происходит частичное плавление материала, начинающееся в поверхностных слоях зерен, а затем постепенно распространяющееся к их центру. Время полного усвоения оксида кальция и образования алита в зоне спекания составляет 20 — 30 минут.

В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1100−1000⁰С. Часть жидкой фазы при этом кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть затвердевает в виде стекла. Границы зон во вращающейся печи достаточны условны и нестабильны. Меняя режим работы печи, можно смещать границы и протяженность зон и тем самым регулировать процесс обжига.

Аппараты для тепловой обработки. Они работают по принципу как противотока, так и прямотока. С точки зрения расходы теплоты прямоток выгоднее, чем противоток, так как в последнем случае выше температура отходящего материала и больше потери теплоты. Тем не менее, чаще применяют противоток, что связано с большей разностью температуры теплоносителя и материала в таких аппаратах и соответственно большей скоростью теплообмена,

Тепловыми агрегатами в производстве клинкера являются вращающиеся печи. Они представляют собой стальной барабан, который состоит из обечаек (открытый цилиндрический или конический элемент конструкции), соединенных сваркой или клепками, и имеет внутреннюю футеровку из огнеупорного материала (рисунок 2.3.1). Профиль печей может быть как строго цилиндрическим, так и сложным с расширенными зонами. Расширение определенной зоны производят для увеличения продолжительности пребывания в ней обжигаемого материала. Печь, установленная под углом 3 — 4⁰ к горизонту, вращается с частотой 0,5 — 1,5 мин^-1. Вращающиеся печи в основном работают по принципу противотока. Сырье поступает в печь с верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливно-воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20 — 30 м длины печи. Горячие газы, перемещаясь со скоростью 2−13 м/с навстречу материалу, нагревают последний до требуемой температуры. Длительность пребывания материала в печи зависит от ее частоты вращения и угла наклона, составляя, например, в печи размером 5Ч 75 м, 2−4 часа. Занятое материалом сечение во вращающихся печах составляет лишь 7−15% объема, что является следствием высокого термического сопротивления движущегося слоя и объясняется как малой теплопроводностью частиц обжигаемого материала, так и слабым перемешиванием их в слое.

1 — дымосос; 2 — питатель для подачи шлама; 3 — барабан; 4 — привод; 5 — вентилятор с форсункой для вдувания топлива; 6 — колосниковый охладитель.

Рисунок 2.3.1 Вращающаяся печь размером 3,6Ч36 м.

Факел пламени и горячие газы нагревают как поверхностный слой материала, так и футеровку печи. Футеровка, в свою очередь, отдает получаемую теплоту материалу лучеиспусканием, а также путем непосредственного контакта. При каждом обороте печи в процессе соприкосновения с газовым потоком температура поверхности футеровки повышается, а при контакте с материалом понижается. Таким образом, материал воспринимает теплоту лишь в двух случаях: либо когда соприкасается с нагретой поверхностью футеровки, либо когда находится на поверхности слоя. Производительность вращающейся печи зависит от объема внутренней части, утла наклона печи к горизонту и частоты вращения, температуры и скорости движения газов, качества сырья и ряда других факторов.

Важное преимущество вращающихся печей — их технологическая универсальность, обусловленная возможностью использовать сырьевые материалы различных видов.

По выходе из печи клинкер необходимо быстро охладить в специальных холодильниках, чтобы предотвратить образование в нем крупных кристаллов и сохранить в нем стекловидную фазу. Без быстрого охлаждения клинкера получится цемент с пониженной реакционной способностью по отношению к воде.

После выдержки на складе (1.2 недели) клинкер превращают в цемент путем помола его в тонкий порошок, добавляя небольшое количество двуводного гипса. Готовый портландцемент направляют для хранения в силосы и далее происходит отгрузка, упаковка и поступление материала на склад готовой продукции.

2.5 Режим работы и фонд рабочего времени предприятия и оборудования

Режим работы по основным переделам и оборудованию принимается в соответствии с таблицами.

Для установки фактического количества часов работы основного технологического оборудования необходимо воспользоваться формулой:

(2.5.1)

где — годовой календарный фонд времени, ч;

— коэффициент использования оборудования.

Таблица 2.5.1 — Фонд рабочего времени технологического оборудования и режим работы основных производственных цехов

2.6 Материальный баланс

Материальный баланс определяет потребность завода в сырье, топливе, добавках, необходимых для технологического процесса.

Номенклатура продукции: ПЦД5−70%, ПЦД20−30%.

Таблица 2.6.1 — Материальный баланс

Таблица 2.6.2 — Расход сырья

2.7 Выбор и расчет количества единиц оборудования

Технологический расчет оборудования проводится для выбранной схемы производства в порядке последовательности движения сырья.

Количество единиц оборудования, необходимого для обеспечения производительности по данному переделу, рассчитывается по формуле:

(2.7.1)

где

П_т — производительность по переделу, проектная;

П_р — производительность машин расчетная (паспортная);

К_з - коэффициент запаса (по сырью К_з = 1, по готовому продукту К_з=0,8 — 0,9).

1. Шаровая трубная мельница для помола цемента:

2. Вращающаяся печь размером 5×75м:

3. Мельница «Аэрофол» :

4. Щековая дробилка для первичного дробления известняка ЩДП

9 х 12 (щековая дробилка с простым движением щеки):

5. Молотковая дробилка однороторная М-13−16 для вторичного дробления известняка:

6. Валковая дробилка для дробления глины:

7. Шаровая трубная мельница для дробления гипса:

Результаты подбора оборудования по переделам сводятся в таблице 2.7.1.

Таблица 2.7.1 — Ведомость оборудования

2.8 Расчет складов и бункеров

Для обеспечения непрерывного питания оборудования используются бункера, геометрические размеры которых принимаются конструктивно исходя из 2−4 часового запаса емкости и модульных размеров колонн и конструкций.

(2.8.1)

где V_б — объем бункера, м³;

г₀ — насыпная плотность материала, т/м³;

К_з - коэффициент заполнения (0,7−0,9);

t — нормативный запас материала, час;

П_{фч. -} фактическая часовая производительность оборудования по данному компоненту, перед которым установлен бункер, т/ч.

(2.8.2)

где П_т — проектная производительность;

М - количество оборудования.

Основные технологические агрегаты имеют индивидуальные бункера для каждого из компонентов.

1. Бункера известняка:

перед щековой дробилкой:

.

перед молотковой дробилкой:

.

перед мельницей сырьевой смеси:

.

Бункер гипса:

перед шаровой трубной мельницей:

.

Бункер глины:

перед валковой дробилкой:

.

Расчет емкости складов производится в зависимости от режима работы завода, цеха, вида материала и количества необходимого запаса для бесперебойной работы предприятия. Определение площади склада и его потребной емкости производится по формулам:

где Vn — потребная емкость склада для данного материала, м³;

Hм — максимальная высота штабеля с учетом выбранной схемы;

К2 — коэффициент использования теоретического объема, зависящий от формы и размеров штабеля;

К1 — коэффициент, учитывающий разрывы и проезды на складе, ремонтные площадки, место, занятое бункерами, подпорными стенками.

Ас — суточный расход материала, т.

Сн — нормативный запас материала, сут.

гн — насыпная плотность материала, т/м³.

Склад известняка:

Склад глины:

Склад песка:

Склад готовой продукции:

.

Количество силосов рассчитывается по формуле:

где N — количество силосов, шт;

Q — суточный расход (поступление) материала, т;

Сн — нормативный запас материала, сут.;

V — полезная емкость одного силоса, м3;

г_н — насыпная плотность материала, т/м3.

Количество силосов для сырьевой муки:

Количество силосов для цемента:

2.9 Расчет потребности электроэнергии

Для сводной ведомости оборудования определяется потребность предприятия в электроэнергии для выполнения основных технологических операций. Данные сведены в таблице 2.9.1.

Таблица 2.9.1 — Расход электроэнергии

2.10 Расчет потребности в рабочей силе

Списочная численность производственного персонала завода определяется на основании принятой структуры управления предприятием, явочной численности трудящихся.

Таблица 2.10.1 — Состав работающих

Количество ИТР и служащих составляет 8.

2.11 Контроль качества продукции и технологического процесса

Контроль качества продукции и ее паспортизация являются завершающей стадией технологического контроля. Им предшествует контроль качества сырья и технологических процессов на всех технологических переделах.

Контроль технологических процессов имеет целью обеспечение оптимальных режимов работы оборудования и максимальной его производительности.

Первой стадией технологического контроля является контроль качества поступающих на завод сырьевых материалов, добавок и топлива. Контролируется их максимальная крупность, влажность, химический состав, а у топлива — теплотворная способность, зольность и химический состав золы для твердого топлива.

При дроблении контролируется крупность конечного материала. Если дробление осуществляется совместно с подсушкой, то контролируют начальную и конечную влажность материала, температуру и расход теплоносителя.

При размоле сырья по сухому способу должны контролироваться влажность материала на входе и выходе из помольного агрегата, температура, влажность и расход теплоносителя, разряжение на входе и выходе из мельницы. При мокром способе размола сырьевой шихты контролируется влажность материалов на входе и шламе на выходе, вязкость последнего. При обеих схемах размола контролируются загрузка мельниц размалываемым материалом, тонкость размола шихты.

Химический состав сырьевой шихты контролируется на выходе из сырьевых мельниц, в емкостях для хранения корректировочных, промежуточных и готовых шламов (сырьевой муки).

В цехе обжига клинкера контролируют количество, влажность и химический состав подаваемой в печи сырьевой шихты, а затем температуру материала после циклонного теплообменника (при мокром способе производства — в зоне декарбонизации), в зоне спекания и при выходе из холодильных устройств.

Также контролируется температура и состав газов на выходе из печи или запечных теплообменников; температура на входе и запечные, теплообменники и степень декарбонизации сырья на выходе из них.

Контролируется расход топлива и его параметры (теплотворная способность, зольность, химический состав золы, влажность топлива)

Клинкер, выходящий из холодильников ежечасно, постоянно подвергается анализу на содержание несвязанного оксида кальция, определяется его плотность. Также проводится ежесменный и ежесуточный полный химический анализ клинкера.

Схема контроля материалов при производстве цемента приведена в таблице 2.11.1

Таблица 2.11.1 — Схема технологического контроля производства цемента