Зона I - зона сушки: температура порядка 100°С. Здесь ис­паряется свободная вода, масса высыхает, образуются гранулы

Процессы, происходящие при обжиге

Получение портландцементного клинкера – процесс достаточно длительный, многоступенчатый. Перемещаясь вдоль барабана, шлам встречается с горячими газами, нагревается, и в нём начинаются физико-химические процессы превращения сырьевой смеси в клинкер. Эти процессы протекают в разное время при различных температурах на определённых участках вращающейся печи.

В длинных вращающихся печах мокрого способа можно выделить 6 темпе­ратурных зон в зависимости от характера протекающих процессов: сушки, подогрева, декарбонизации, экзотермических реакций, спекания и охлаждения.

Зона I. В зоне сушки шлам долгое время сохраняет температуру около 100 ^ОС и лишь в конце её нагревается до 200 ^ОС. Здесь ис­паряется свободная вода, масса высыхает, образуются гранулы. Затраты теплоты на испарение влаги шлама составляют около 35 % общего её расхода.

Зона 2. В зоне подогрева при температуре от 200 до 700 ^ОС выгорают органические вещества, начинается дегидратация глинистых минералов - удаление химически связанной воды (температура порядка 500 ^ОС)

Аl₂O₃∙2SiO∙2Н₂O → Аl₂O₃∙2SiO + 2Н₂O

и распад на оксиды при температуре 500…1000 ^ОС.

Зона I - зона сушки: температура порядка 100°С. Здесь ис­паряется свободная вода, масса высыхает, образуются гранулы.

Зона 2 - зона подогрева: температура от 200 до 700°С. При такой температуре выгорают органические вещества, происходит дегидратация глинистых минералов - удаление химически связанной воды (температура порядка 500°С)

Аl₂O₃∙2SiO∙2Н₂O → Аl₂O₃∙2SiO + 2Н₂O.

Условно печь можно разделить на 6 темпе­ратурных зон в зависимости от характера протекающих процессов.

Зона 2 - зона подогрева: температура от 200 до 700°С. При такой температуре выгорают органические вещества, происходит дегидратация глинистых минералов - удаление химически связанной воды (температура порядка 500°С):

Аl₂O₃∙2SiO∙2Н₂O → Аl₂O₃∙2SiO + 2Н₂O

Рис.. Технологическая схема производства портландцемента по мокрому способу:

1 - подача известняка из карьера; 2 - дробилка для извест­няка; 3 - подача глины из карьера; 4 - подача воды; 5 - бассейн для размешивания глины; 6 - сырьевая мельница; 7 – шлам-бассейн; 8 – вращающаяся печь; 9 – холодильник; 10 – склад угля; 11 – элеватор для подачи угля из дробилки в бункер;. 12 – сушильный барабан для угля; 13 – мельница для угля; 14 – насос для подачи угольной пыли; 15 – склад гипса; 16 – элеватор для подачи гипса из дробилки в бункер; 17 – склад клинкера; 18 – шаровая мельница; 19 – силосы для цемента; 20 – упаковка цемента

Рис. 5. Вращающаяся цементная печь

Зона 3. В зоне декарбонизации (кальцинирования) при температуре порядка 900…-1100 ^ОC происходит разложение Происходит карбонатных пород по реакции:

СаСО₃ → СаО + СО₂↑, MgСО₃ → MgО + СО₂↑.

Образовавшийся углекислый газ удаляется вместе с продуктами го­рения. Одновременно продолжается распад минералов на оксиды Al₂O₃, SiO₂, Fе₂О₃. В результате взаимодействия основных и кислотных оксидов начинаются процессы образования новых соединений в твёрдой фазе: СаО∙Al₂O₃ →5СаО∙3Al₂O₃ → ЗСаО∙Al₂O₃;

СаО∙Fе₂О₃ → 2СаО∙Fе₂О₃. В этой зоне начинается образование двухкальциевого силиката

2СаО + SiO₂ → 2СаО∙SiO₂.

Однако главным в этой зоне остаётся процесс декарбонизации. Разложение СаСО₃ идёт значительно быстрее, чем связывание СаО в минералы, поэтому в конце зоны кальцинирования содержание свободного оксида кальция в материале достигает максимума – 30…35 %.

Зона 4. В зоне экзотермических реакций при температуре порядка 1200 …1350 ^ОС полностью заканчивается образовании таких минералов как ЗСаО∙Al₂O₃, 4СаО∙Al₂O₃∙Fе₂О₃ и 2СаО∙SiO₂,

Эти реакции сопровождаются выделением большого количества теп­ла, с чем связано название зоны. В этой зоне остается еще большое количество несвязанногой свободнойго оксидаиси кальция СаО.,

Зона 5. – В зоне спекания при температурах 1300→-1450→ 1300 ^ОС происходит частичное плавление материала. В расплав переходят относительно легкоплавкие трехкальциевый алюминат (ЗСаО∙Al₂O₃) и четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО∙Al₂O₃∙Fе₂О₃). В твёрдом состоянии остаются лишь → 2СаО∙SiO₂ и СаО

При повышении температуры до 1450°С в этом расплаве растворяются СаО и двухкальциевый силикат 2СаО∙SiO₂ и взаимодействуют между собой, образуя трехкальциевый силикат - важнейший минерал портландцемента

:

2СаО∙SiO₂ + СаО = 3СаО∙SiO₂.

Процесс продолжается 20…30 мин до полного связывания свободного оксида кальция. В принципе в зоне спекания материал должен быть столько времени, что­бы не осталось свободногой оксидаиси кальция, поскольку, пройдя зону спекания, СаО превратится в пережог, что впоследствии может отрицатель­но отразиться на качестве цемента.

Зона 6. В зоне охлаждения температура клинкера сравнительно медленно пони­жается до 1000 ^ОС. В этой зоне полностью формируется структура образовавшихся минералов, составляющих клинкер. Часть жидкой фазы при этом кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.

Зоны сушки и подогрева в сумме занимают 50…60 % длины печи (это часть печи по существу выполняет функцию сушильного барабана), зона кальцинирования занимает 10…25 %, зона экзотермических реакций – 7…10 %, зона спекания - 10…15 %, зона охлаждения – 3…4 % от общей длины печи.

Печи сухого способа производст ва при равной или даже большей производительности примерно в два раза короче печей мокрого способа. Современные мощные печи сухого способа имеют размеры: 6,4/7х95, 5х75 м с производительностью 125 и 75 т/ч соответственно. Уменьшение длины печи связано с тем, что часть процессов выносится из печи в запечные теплообменники (циклонные теплообменники, реактор-декарбонизатор или конвейерный кальцинатор). Сырьевая мука вначале поступает не в печь, а в запечные теплообменники, куда подаются отходящие из печи дымовые газы. Частицы сырьевой смеси, находясь во взвешенном состоянии, а не в слое (как при обжиге шлама), быстрее нагреваются и декарбонизируются.

На рис. представлена схема запечного циклонного четырёхступенчатого теплообменника. Сырьевая мука поступает в газоход между I и II ступенями теплообменников, увлекается потоком газов и выносится в циклонный теплообменник I ступени, где подогревается, оседает, а затем поступает в газоход между II и III ступенью циклонов. Сырьевая мука опускается вниз, последовательно проходя циклоны и газоходы всех ступеней, а затем подаётся во вращающуюся печь для дальнейшего обжига.

Время пребывания частиц сырьевой муки в циклонном теплообменнике не превышает 25…30 секунд. За это короткое время материал успевает не только нагреться¸ но полностью дегидратируется глинистая составляющая сырьевой смеси, а также на 25…30 % успевает проходить декарбонизация карбонатов. Таким образом в циклонном теплообменнике осуществляются процессы, которые соответствуют зонам сушки, подогрева и частично зоне кальцинирования.

Рис.. Схема запечного циклонного теплообменника:

1 – дымовая труба; 2 – циклоны I, II, III и IV ступеней; 3 - бункер уловленной пыли; 4 – шнековый питатель; 5 – транспортёр; 6 - элеватор; 7 – бункер сырьевой муки; 8 – вращающаяся печь: 9 -дымосос

Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками имеют высокие технико-экономические показатели, длительный срок службы, просты по конструкции и надёжны в эксплуатации. Основным недостатком данного теплообменного устройства является большая высота циклонной башни - 50…60 м.

Наиболее современными являются технологии, основанные на трёхступенчатом обжиге, которые позволяют направлять в обжиговую печь материал, который декарбонизирован почти полностью. Для интенсификации процесса диссоциации СаСО₃ между запечным теплообменником и печью устанавливается специальный реактор – диссоционная ступень (декарбонизатор), представляющая собой печь специальной конструкции с вихревой форсункой, где происходит сжигание топлива и декарбонизация сырьевой муки в вихревом потоке. Каждая частица материала находится в системе «циклонный теплообменник – диссоционный реактор» всего 70…75 с, но по выходе из неё степень его декарбонизации составляет 85…95 %.

Эффективным средством интенсификации процесса обжига и увеличения производительности печи является повышение температуры нагреваемого материала в зоне протекания химических реакций. Повышение температуры с 1400 до 1700 ^ОС способствует сокращению клинкерообразования 30 до 3 мин. Верхним пределом температуры материала во вращающейся печи следует считать то её значение, при котором вязкость оплавленных зёрен не будет препятствовать продвижению материала в печи.

Спекание клинкера происходит быстрее при включении в сырьевую смесь минерализаторов обжига. Наиболее распространённые и изученные минерализатоы - плавиковый шпат (CaF₂) и кремнефтористый натрий (Na₂SiF₆). При введении 0,5…1,0 % CaF₂ ускоряются все стадии обжига.

Дата добавления: 2014-11-29