7. Технологія виробництва портландцементу
7.1. Способи виробництва портландцементу
Виробництво портландцементу включає низку технологічних операцій, які можна поділити на дві основні групи. Перша - це операції з виробництва клінкеру, друга - подрібнення клінкеру спільно з гіпсом, а в ряді випадків і з іншими добавками, тобто приготування портландцементу. Отримання клінкеру - найбільш складний та енергоємний процес, що вимагає великих капітальних та експлуатаційних витрат. Частка клінкеру вартості портландцементу сягає 70—80 %. Виробництво клінкеру складається з видобутку сировинних матеріалів, дроблення, помелу та змішування їх у певному співвідношенні, випалу сировинної суміші та магазинування клінкеру.
Комплекс операцій з одержання з клінкеру портландцементу включає такі технологічні процеси: дроблення клінкеру, сушіння мінеральних добавок, дроблення гіпсового каменю, тонке подрібнення клінкеру спільно з активними мінеральними добавками та гіпсом, складування, пакування та відправлення цементу споживачеві.
Навіть у межах одного родовища хіміко-мінералогічний склад сировини змінюється у межах. Тому отримання сировинної суміші постійного складу складне завдання. З іншого боку, сировина, що переробляється цементною промисловістю, відрізняється не тільки складом, але і фізико-технічними властивостями (вологістю, міцністю і т. д.). Для кожного виду сировини повинен бути обраний такий спосіб підготовки, який би забезпечував тонке подрібнення і рівномірне перемішування компонентів шихти з мінімальними енергетичними витратами. Це спричинило появу в цементній промисловості трьох способів виробництва, що відрізняються технологічними прийомами підготовки сировинних сумішей: мокрого, сухого та комбінованого. При мокрому способі тонке подрібненнясировинної суміші виробляють у водному середовищі з отриманням шихти у вигляді водної суспензії - шламу вологістю 30-50%. При сухому способі сировинну шихту готують у вигляді тонкоподрібненого сухого порошку, тому перед помолом або його сировинні матеріали висушують. Комбінований спосіб може базуватися як на мокрому, так і сухому способі приготування шихти. У першому випадку сировинну суміш готують мокрим способом у вигляді шламу, а потім зневоднюють на фільтрах до вологості 16-18% і подають на випал у печі у вигляді напівсухої маси. У другому варіанті сировинну суміш готують сухим способом, а потім гранулюють з добавкою 10-14% води і подають на випал у вигляді гранул діаметром 10-15 мм. Кожен спосіб виробництва може бути реалізований у вигляді кількох технологічних схем, що відрізняються як послідовністю операцій, так і видом устаткування, що використовується. Вибір конкретної технологічної схеми визначається властивостями перероблюваної сировини (твердістю, однорідністю, вологістю).
Мокрий спосіб виробництва.На вітчизняних цементних підприємствах при підготовці сировинної суміші по мокрому способу в більшості випадків використовують твердий карбонатний (вапняк) та м'який глинистий (глина) компоненти. Принципова технологічна схема отримання портландцементу представлена схемою 1.
Вапняк як твердіший матеріал попередньо піддається дробленню, а пластична глина подрібнюється в присутності води в спеціальних апаратах (бовтанках або млинах-мішалках). Остаточне тонке подрібнення з отриманням однорідної суміші вапняку, глиняного шламу та коригувальних добавок відбувається у кульових трубних млинах. Хоча компоненти дозують у млини у заданому співвідношенні, через коливання їх хіміко-мінералогічних характеристик невдається отримати в млині шлам складу, що відповідає встановленим параметрам. Тому потрібна спеціальна технологічна операція з коригування його складу. Після перевірки відповідності складу шламу заданим показникам його подають на випал у піч, що обертається, де завершуються хімічні реакції, що призводять до отримання клінкеру. Потім клінкер охолоджується в холодильнику і надходить на склад, де зберігаються гіпс і активні мінеральні добавки. Ці компоненти попередньо повинні бути підготовлені до помелу. Активні мінеральні добавки висушують до вологості не більше 1%, гіпс подрібнюють. Спільний тонкий розмел клінкеру, гіпсу та активних мінеральних добавок у кульових трубних млинах забезпечує отримання цементу високої якості. З млинів цемент надходить до складів силосного типу. Відвантажують його або навалом (в автомобільних та залізничних цементовозах), або упакованим у багатошарові паперові мішки.
При приготуванні шламу з двох м'яких (крейди та глини) та двох твердих компонентів (вапняку та глинистого мергелю) послідовність основних технологічних операцій не змінюється. Однак особливості властивостей подрібненої сировини та прагнення вибору найменш енергоємних технічних рішень обумовлюють істотні відмінності способів подрібнення компонентів. При використанні двох м'яких компонентів принципова технологічна схема буде такою, що показана на схемі 2.
Така технологічна схема дозволяє ефективно використати здатність м'якої сировини розпускатися у воді. Застосування потужного сучасного обладнання для попереднього подрібнення сировини (наприклад, млинів «Гідрофол») дозволяє відмовитись від його дроблення. Однак на стадії попереднього подрібнення частина сировини залишається недоподрібненою, іодержання шламу також повинно завершуватися в кульовому трубному млині.
При використанні двох твердих компонентів принципова технологічна схема набуває нового вигляду (див. схему 3).
У цій технологічній схемі підвищена твердість глинистої сировини обумовлює необхідність його попереднього дроблення. Тонне подрібнення всіх компонентів відбувається в одну стадію в кульовому млині. Очевидно, що цей варіант технологічної схеми пов'язаний з великими труднощами отримання однорідної тонкодисперсної суміші та великою витратою енергії.
У водному середовищі полегшується подрібнення матеріалів та покращується їх перемішування. В результаті знижується витрата електроенергії (при м'якій сировині економія може досягати 36 МДж/т сировини) і виходить однорідніша шихта, що, в кінцевому рахунку, призводить до зростання марки цементу. Крім того, при мокрому способі спрощується транспортування шламу та покращуються санітарно-гігієнічні умови праці. Порівняльна простота мокрого способу та можливість отримання високомарочної продукції на сировину зниженої якості зумовили її широке поширення в цементній промисловості нашої країни. Нині цим способом випускається близько 85% клінкеру.
У той самий час введення у шлам значної кількості води (30—50 % маси шламу) зумовлює різке підвищення витрати теплоти її випаровування. В результаті витрата теплоти, при мокрому способі (5,8-6,7 МДж/кг) на 30-40% вище, ніж при сухому способі. Крім того, при мокрому способі зростають габарити і металоємність печей. Виходячи з цього, в нашій країні прийнято рішення припинити проектування та подальше нарощування потужностей з випуску портландцементу мокрим способом.
Сухий спосібвиробництва.Послідовність технологічних операцій виробництва портландцементу сухим способом така ж, як і при мокрому, проте при підготовці сировинних сумішей є суттєві відмінності, що залежать від вологості та твердості сировини. При переробці сировини підвищеної твердості та помірної вологості принципова технологічна схема має вигляд, представлений на схемі 4.
Висока твердість подрібнюваних матеріалів вимагає їх попереднього дроблення. Тонне подрібнення матеріалів може проводитися при вологості не більше 1%. У природі така сировина практично не зустрічається, тому обов'язкова операція сухого способу виробництва – сушіння. Бажано поєднувати її з розмолом сировинних компонентів. На більшості нових підприємств, що працюють за сухим способом виробництва, у кульовому трубному млині поєднуються процеси сушіння, тонкого подрібнення та перемішування всіх компонентів сировинної суміші. З млина сировинна суміш виходить у вигляді тонкодисперсного порошку - сировинного борошна. У залізобетонних силосах проводять коригування її складу до заданих параметрів і гомогенізація перемішуванням стисненим повітрям. Готова сировинна суміш надходить на випал. Печі, що обертаються, сухого способу виробництва обладнані запічними теплообмінними пристроями (циклонними теплообмінниками). Вони за кілька десятків секунд сировинна суміш нагрівається до 700—800°С, дегідратується і частково декарбонізується. Завершується випал клінкеру в печі, що обертається.
Необхідність економії витрати палива змушує переробляти сухим способом матеріали з дедалі більшою вологістю. Технологічна схема виробництва портландцементу з такої сировини виглядає так (див. схему 5).
Попереднє подрібнення матеріалів підвищеної вологості при сухомуспособі доцільно здійснювати в млинах самоподрібнення типу "Аерофол", що дозволяють переробляти сировину з вологістю до 25%. Однак повністю висушитися сировина при цьому не встигає і в кульовому млині одночасно з доподрібненням великих частинок та отриманням однорідної сировинної суміші проводиться її досушування.
Приготування сировинної суміші як порошку ускладнює технологічну схему. Збільшується кількість енергоємного обладнання, більш «капризного» під час експлуатації. Складніше за сухого способу забезпечити санітарні умови та охорону навколишнього середовища. Але вирішальною його перевагою є зниження витрати теплоти на випал клінкеру до 3,4-4,2 МДж/кг. Крім того, на 35—40 % зменшується обсяг пічних газів, що відповідно знижує вартість знепилювання і дає більше можливостей щодо використання теплоти газів, що відходять для сушіння сировини.
Найважливіша перевага сухого способу - вищий знімання клінкеру з 1 м 3 пічного агрегату. Це дозволяє проектувати і будувати печі сухим способом у 2—3 рази потужніші, ніж мокрим. У цілому нині за техніко-економічним показниками сухий метод перевищує мокрий. При використанні потужних печей він забезпечує зниження питомої витрати палива на випал клінкеру приблизно вдвічі, зростання річного виробітку на одного робітника приблизно на 40% і зменшення собівартості продукції на 10% і скорочення капіталовкладень при будівництві підприємств на 50%. Це зумовило його інтенсивне поширення у світовій цементній промисловості. Широке використання сухого методу виробництва — найважливіше завдання, що стоїть перед цементної промисловістю нашої країни. Частка приросту потужностей сухого методу у галузі період 1986—1990 гг. складе близько 80%.
Однак треба враховувати, щоможливості застосування сухого способу обмежені вологістю сировини, що переробляється. Переробка сировини з вологістю понад 20-25% по сухому способу пов'язана з високими витратами теплоти на сушіння, і цей спосіб стає неекономічним.
Комбінований спосіб виробництва.Найперспективніша технологічна схема комбінованого способу виробництва, представлена на схемі 6.
Така схема дозволяє використовувати переваги підготовки сировинної суміші мокрим способом і одночасно знизити витрату теплоти на випал. При цьому майже на 30% зменшується витрата палива і приблизно на 10% капітальні витрати порівняно з мокрим способом, але на 15—20% підвищується витрата електроенергії. Така схема — найреальніший шлях зниження витрати палива підприємствами, які працюють на сировині високої вологості. Нині країни ведуться роботи з переведення підприємств із мокрого способу виробництва на комбінований. Найбільш складним при цьому є створення та впровадження надійних та високопродуктивних апаратів для фільтрації шламу. При базуванні комбінованого способу виробництва на приготуванні сировинної суміші сухим способом технологічна схема буде такою, що показана на схемі 7.
Принципова відмінність цієї схеми від схеми сухого способу - це поява додаткової технологічної операції - грануляції сировинної суміші, що здійснюється з добавкою 10-14% води у спеціальних апаратах - тарілчастих грануляторах. Гранульовану суміш з розміром зерен 10-15 мм випалюють у шахтних печах або печах з конвеєрними кальцинаторами. Цей спосіб вимагає трохи більшої, ніж сухий, витрати теплоти, необхідної на випаровування води, що введена при грануляції; не всяка сировинна суміш здатна давати міцні гранули, що не руйнуються привипалу; складна конструкція використовуваних пічних агрегатів. У той же час випалювання гранульованої сировини дозволяє стабілізувати режим роботи печей, покращити теплообмін, підвищити якість клінкеру.
Таким чином, кожен спосіб виробництва портландцементу має свої переваги та недоліки. Переважна більшість того чи іншого способу в різних країнах визначається техніко-економічними особливостями розвитку цементної промисловості.