Введение
В течение многих лет производствоцемента базировалось на мокром способе, при котором сырье перерабатываетсясовместно с водой, в результате чего получают шлам влажностью от 36 до 40%. Дляиспарения этой влаги при обжиге затрачивается до 3000 кДж/кг клинкера и общийрасход условного топлива составляет 220-230 кг 1 т цементного клинкера. Мокрый способ производства цемента в свое время время получил широкое распространениеблагодаря сравнительной простоте технологических процессов, особенно при приготовленииоднородной сырьевой шихты заданного состава.
В последнее время в цементнойпромышленности преимущественно применяется сухой способ производства, прикотором сырье с естественной влажностью перерабатывается без добавления воды.Широкое распространение этот способ получил на большинстве зарубежныхпредприятий. Расход условного топлива на обжиг клинкера по этой технологиизначительно ниже и составляет 120…140 кг на тонну. В России доля заводов,работающих по сухому способу невелика и не превышает 15%.
Каждый из способов имеет своипреимущества и недостатки. При мокром способе производства снижаются затратыэлектроэнергии на помол, транспортирование и усреднение сырьевой смеси. Главнымнедостатком мокрого способа производства является повышенный расход топлива.
При сухом способе снижается расходтоплива и увеличивается производительность печей. Однако при сухом способепроизводства значительно возрастает потребление электроэнергии, а такжепредъявляются более жесткие требования к составу сырья. В частности из-заопасности образования настылей в циклонных теплообменниках ограничиваютсодержание в сырье щелочей и хлора.
Наличие у каждого из способовприемуществ и недостатков привело к тому, что оба способа производстваразвивались параллельно. Преобладание того или иного способа производстваопределялось технико-экономическими особенностями развития промышленности вразных странах.
Промежуточное положение между двумяэтими способами занимает комбинированный или полусухой способ производствапортландцементного клинкера. По этому способу сырье готовится по «мокрой»технологии, затем обезвоживается в вакуум-фильтрах или камерных пресс-фильтрахдо влажности 20% а затем оставшийся кек сушится и измельчается всушилке-дробилке и обжигается в длинной или же в короткой печи с запечными теплообменниками.
При применении такого способазначительно снижается расход топлива на обжиг портландцементного клинкера, атакже возрастает производительность печи.
Применение этого способа можнорассматривать как вариант реконструкции заводов, работающих по мокрому способу(при этом реконструкции подлежит только цех обжига).
В работе рассматривается возможностьприменения варианта реконструкции Белгородского цементного завода накомбинированный способ производства, с целью экономии топлива.
1. Технико-экономическое обоснование
ГородБелгород является одним из крупнейших индустриальных центров России, в которомнаходится более пятидесяти крупных предприятий. На базе значительных запасовполезных ископаемых мела, глины, песка, осзданы крупные предприятияпроизводства строительных материалов. ЗАО «Белгородский цемент» является однимиз крупнейших производителей цемента в России. Завод имеет семь технологическихлиний, которые работают по мокрому способу. Завод выпускает высокомарочныецементы, что обусловлено уникальной по однородности сырьевой базе. ПродукцияБЦЗ широко известна в нашей стране и за рубежем.
Разработкаи добыча сырья производится в собственных карьерах.
Месторождениямела «Полигон» и глины «Черная поляна» разведаны в 1956-1957 гг. За счетрасширения карьера перспективы увеличения запасов мела имеются к северу отразведанного участка. Карьер мела находится на расстоянии 4 км от завода. Разработка ведется 3-мя рабочими горизонтами 146, 125 и 133 м с высотой забоя от 5 до 12 м. Доставка мела осуществляется железнодорожным транспортом.
По химическому составу меловыетолщи довольно однородны — как в вертикальном, так и в горизонтальномнаправлениях. Средневзвешенный химический состав мела приведен в таблице 1.1.
Таблица1.1
Химическийсостав сырьевых компонентов (%).Компонен-ты
SiO2
Al2O3
Fe2O3 CaO MgO
SO3
R2O ППП Проч Мел 1,32 0,59 0,06 55,05 0,27 - - 42,35 0,36 Глина 64,04 15,59 5,61 1,88 1,35 0,07 1,57 9,60 0,29 Огарки 15,64 2,61 76,08 1,60 1,21 2,46 - - 0,4
Запасыглин полностью обеспечивают потребность завода в сырье и перспективы увеличениязапасов имеются также к северу от разведанной площади. Карьер глины «Чернаяполяна» расположен на расстоянии 12 км от завода. Разработка ведется однимуступом. Вскрышные работы выполняют с апреля по октябрь с помощью бульдозеров искреперов. Доставка глины на территорию завода осуществляется гидротранспортом.
Вскрышныепороды представлены почвенно-растительным необводненным слоем толщиной 0,3-0,8 м.
Химическийсостав глины представлен в таблице 1.1.
Огаркипоставляются с Новолипецкого металлургического завода железнодорожным транспортом.Химический состав огарков представлен в таблице 1.1
Конкуренция,финансово-экономические соображения и просто стремление «выжить» вынуждаютцементные заводы заниматься техническим и технологическим совершенствованиемпроизводства, поэтому первоначальными задачами цементных заводов являютсяуменьшение расхода топлива и электроэнергии.
Проблемаснижения энергопотребления на 20-50% при измельчении мягких сырьевых материаловможет эффективно решаться при использовании валкового помола: пресс-валковыхизмельчителей, валковых и тарельчато-валковых мельниц вместо устаревших трубныхмельниц.
Уменьшениерасхода топлива может быть достигнуто:
1) введениемразжижителей в сырьевой шлам с целью снижения исходной влажности шлама;
2) применениемвыгорающих добавок в сырье для замены части топлива;
3) реализацияследующей технологической схемы: подача 30% шлама с нормальной влажностью(36-40%) с загрузочного конца печи (это необходимо для сохраненияпылеулавливающей способности цепной завесы в ее «холодной зоне»), а остальные70% шлама, предварительно обезвоженного механическим способом до влажности19-22%, подавать через периферийное загрузочное устройство в печь в районцепной завесы, соответсвующий этой влажности шлама. В результате суммарноевлагосодержание шлама на входе в печь по всей его массе может уменьшиться с36-40% до 26-30%. Это позволит снизить удельный расход тепла на обжиг клинкерав среднем с 6500 до 5000 кДж/кг клинкера, что соответствует экономии 50 кг условного топлива на тонну клинкера. В пересчете на 1 млн. тонн клинкера стоимостьсэкономленного топлива будет приблизительно равна 14 млн. рублей. при этом неучитывается возможный эффект от повышения производительности печей.
4) применениемкомбинированного способа производства. Этот способ компенсирует все недостатки,которые присущи мокрому и сухому способам производства портландцемента.Экономия топлива может достичь до 40-45%. При этом производительность печиувеличивается на 50-60% по сравнению с мокрым способом производства и расходэлектроэнергии не превышает 110-150 кВтч/т клинкера.
В ходепредварительного исследования фильтрации шлама Белгородского цементного заводабыло установлено, что сырьевая смесь фильтруется до остаточной влажности 20% иудовлетворяет требованиям комбинированного способа производства. Химическийанализ фильтрата показал незначительное содержание в нем щелочей (0,00067%) ихлоридов (0,03%), что позволяет использовать фильтрат для приготовлениясырьевой смеси.
Такимобразом, наиболее приемлемым вариантом реконструкции Белгородского цементногозавода является применение комбинированного способа.
2. Разработкатехнологической схемы
2.1Физико-химические процессы и мероприятия по
интенсификациитехнологических процессов
Проектомпредусматривается реконструкция технологической схемы мокрого способа накомбинированный. При реконструкции весь сырьевой передел остается безизменений.
Сырье(мел, глина и огарки) измельчается в мельнице мокрого самоизмельчения«Гидрофол», затем домалывается в шаровой мельнице. В вертикальных бассейнахвыполняется порционное корректирование шлама и готовый шлам хранится вгоризонтальных шлам-бассейнах.
Прикомбинированном способе производства во вращающуюся печь, вместо традиционногошлама предлагается подавать кек влажностью 20%, полученный после обезвоживанияшлама в пресс-фильтрах, установленных при проведении реконструкции.
Однимиз важнейших показателей для реконструкции производства цемента с переводом егона комбинированный режим, является фильтруемость шлама, т.е. способность шламаотдавать воду при механическом обезвоживании. Различают легкофильтруемые,средне- и труднофильтруемые шламы. При изучении шлама Белгородского цементногозавода был проведен опыт по фильтруемости шлама на лабораторной установкепресс-фильтрации. Для сравнения взяты данные по фильтруемости шлама Себряковскогоцементного завода, на котором уже более восьми лет на технологической линии № 8применяется комбинированный способ производства. Время фильтрации шламабелгородского цементного завода на 8-10 секунд больше, чем у себряковского.Влажность коржа при давлении Р=0,6 МПа составила 23%. Это показывает, что шламБелгородского цементного завода подходит для комбинированного способапроизводства портландцементного клинкера.
Фильтруемостьшлама можно повысить несколькими способами:
1) загрубитьпомол шлама;
2) поднятьтемпературу шлама до 45-60 оС;
3) добавлятьвещества, улучшающие фильтруемость шлама (например Ca(OH)2).
Наиболееприемлимым в данном случае оказывается третий вариант, так как загрубив помолмы нарушаем технологический процесс на линиях 1-5 (мокрый способ производства);повышать температуру шлама до 40-50 градусов – задача нереальная из-заогромного потребления горячей воды.
Лучший выход — использование пыли электрофильтров, содержащих СаОсв. Тогдатехнологическая схема процесса будет несколько изменена. Некоторое количествопыли электрофильтров отбирается и смешивается с водой или фильтратом. При этомсвободная известь гидратируется (СaO+H2O=Ca(OH)2) и полученный растворподается в накопительную емкость для шлама, установленную в цехепресс-фильтрации. Влажность шлама в этом случае, конечно, повысится, но вместес этим возрастет и его фильтруемость.
Данныйспособ позволяет снизить энергозатраты и, в конечном итоге, себестоимостьпроизводимой продукции.
Шлам,влажностью 40% поступает в пресс-фильтры, где обезвоживается до влажности 20%,а затем транспортерами подается в сушилку-дробилку, где происходит процесссушки (до W=1%) и дроблениематериала. В сушилку-дробилку подаются газы, выходящие из циклона IIступени, имеющие температуру около 530оС.
Изсушилки-дробилки сырьевая смесь (W=1%)подается в осадительный циклон, где происходит только осаждение материала.
Изосадительного циклона сырьевая смесь поступает в газоход между циклонами Iи II ступени, и с отходящими газами изциклона I ступени попадает вциклон II ступени. Здесьпроисходит выход оставшейся физической влаги (W=1%)и при температуре материала 450 — 500 °С из глинистых минералов удаляетсякристалло-химическая вода и происходит разложение глинистых. Свободная СаОпрактически отсутствует, т. к. она сразу же вступает во взаимодействие скислотными оксидами с образованием промежуточных соединений.
1)Удаление кристаллизационной воды
2SiO2·Al2O3·2H2O→2SiO2·Al2O3+2H2O
2)Разложение глинистого минерала
2SiO2·Al2O3→2SiO2+Al2O3
Изциклона II ступенидегидратированная сырьевая смесь подается в декарбонизатор, где сначалапротекает термическое разложение карбоната магния и кальция по схемам
MgCO3 →MgO+CO2↑
СаСОз→ СаО+СO2↑
SiO2+ СаСОз → CaSiO2+ СO2↑
Притемпературе материала 850 — 1100оС завершается диссоциациякарбонатов кальция и магния, в результате появляется значительное количествосвободного окида кальция. При этих температурах скорость декарбонизации СаСОзпревышает скорость связывания СаО в соединения.
Вдекарбонизаторе обеспечивается разложение 80% карбоната кальция, затем сырьепоступает в циклон I ступени иоттуда в печь, где завершается декарбонизация.
Максимальноесодержание свободной СаО в материале обычно приходится на конец зоныдекарбонизации. В зоне декарбонизации в результате твердофазового синтезапроисходит процесс укрупнения пылевидных частичек смеси, приводящий придальнейшем повышении температуры к превращению всего порошкообразного материалав зерна клинкера.
Врезультате декарбонизации СаСО3 в гранулах материала развиваетсяпористость, что замедляет процессы синтеза минералов и рекристаллизациюструктуры их кристаллов. В зоне декарбонизации образуются низкоосновныесоединения оксидов кальция, кремния, алюминия и железа. Процессы образованиянизкоосновных соединений протекают по механизму твердофазовых процессов. Ускорителямитвердофазовых процессов являются микросплавы:
Na2CO3·CaCO3; NaCl·CaCO3; Na2SO4·CaCO3
Температурагазопылевой смеси в декарбонизаторе и системе циклонных теплообменников недолжна превышать 1000…1100 оС, ввиду опасности частичного плавленияи образования “настылей” на внутренней поверхности газоходов.
Взоне экзотермических реакций (1200 -1350 °С) осуществляется образование минералов:основных количеств C4AFи C2S,завершается процесс твердофазового спекания материала. Количество свободнойизвести в материале уменьшается, количество связанной SiO2приближается к максимуму. Связывание СаО осуществляется минералами низкойстепени насыщения известью СА, CS,С5А3 с образованием соединений высокой основности (C2S,С3А, C4AF) и равновесного состава. Образуются твердыерастворы NС8А3,КС8А3, КС23S12,C3S.Оксид магния представлен крупными кристаллами периклаза. В конце зоны вминерале образуется эвтектический расплав. Материал уже агрегирован в гранулыразмером 2 -10 мм, окраска материала изменяется из светло -коричневого всветло-серую вследствии связывания Fе2О3в соединения.
Взоне спекания (1350 -1450 -1350 °С) происходит частичное плавление материала. Всостав жидкой фазы переходят минералы: С3А, С5А3,C2F,C4AF,все легкоплавкие примеси сырьевой смеси и MgO;в твердом состоянии остаются C2S,СаО и образовавшиеся на низкотемпературной стадии кристаллы C3S.В этой зоне СаО связывается практически полностью.
C2S+CaO→C3S
Взоне охлаждения (1350 — 1100 °С) часть жидкой фазы клинкера кристаллизуется,выделяя такие минералы, как С3А, C4AF,C2S,MgO и в небольшем количестве C3S,а часть ее затвердевает в виде стекловидной фазы. В случае медленногоохлаждения высокобелитовых клинкеров наблюдается явление рассыпания их впорошек в результате превращения />-C2Sв />-C2S.Термической закалкой клинкеров, т. е. быстрым охлаждением предотвращают этотраспад.
Вдальнейшем клинкер выгружается в колосниковый холодильник для охлаждения.
Охлажжденныйклинкер транспортером подается на клинкерный склад, а затем грейферным краном,вместе с добавками, подается на помол.
Помолна заводе производится как по открытому, так и по замкнутому циклу.Предпочтение следует отдать замкнутому циклу, при котором эффективность помолазначительно выше.
2.2Обоснование способа производства
НаБелгородском цементном заводе используется сырье с высокой естественнойвлажностью, поэтому реконструкция завода с переходом на сухой способ здесьнецелесообразна. Лучшим вариантом является перевод завода на комбинированныйспособ производства.
НаБелгородском цементном заводе установлены 7 технологических линий, работающихпо мокрому способу. Из них 5 линий с печами 4х150 м и две — 4,5х170 м.
Проектомпредлагается реконструкция БЦЗ, направленная на снижение расхода топлива наобжиг портландцементного клинкера и состоит в следующем:
- дляобезвоживания шлама необходимо построить: цех пресс-фильтрации, оснащенныйсемью пресс-фильтрами СМЦ-121 производительностью 70 т/цикл, дополнительнымибассейнами для хранения шлама, расходными бункерами для хранения кека иемкостью для сбора фильтрата.
- реконструкцииподлежат две печи 4,5х170 м (технологические линии №6 и №7), которыепредполагается укоротить до размера 4,5х100 м. В качестве запечныхтеплообменников предполагается использовать циклонные теплообменники, состоящиеиз осадительного циклона, циклонов Iи II ступени и декарбонизатора«Пироклон-R». Для сушки кеканеобходимо использовать сушилку-дробилку, работающую на отходящих газахизциклонов. В виду того, что производительность печей при реконструкциивозрастает, предполагается замена установленных колосниковых холодильниковКС-50 на холодильник СМЦ-88.
Попроекту реконструкции две печи 4х150 м (технологические линии №1 и №5предполагается законсервировать для возможного дальнейшего использования привозможных остановках реконструированных технологических линий №6 и №7.
2.3Описание технологической схемы производства
Технологическаясхема производства портландцементного клинкера на БЦЗ после реконструкциипостроена следующим образом:
Мелиз карьера (W>25%) доставляетсяжелезнодорожным транспортом (думпкарами) на сырьевой склад. Глина на карьереразмучивается (до W=53%) вглиноболтушках и насосом перекачивается в вертикальные шлам-бассейны. Огарки насклад доставляются железнодорожным транспортом.
Мели огарки пластинчатым питателем подаются в мельницу мокрого самоизмельчения«Гидрофол». Туда же подается вода, разжижитель ЛСТ и глиняный шлам. Из«Гидрофола» грубомолотый шлам (фракция не более 20 мм) поступает в мельницу домола. Готовый шлам поступает в вертикальные корректировочные бассейны,где путем смешения с глиняным шламом производится корректировка титра шлама до76,5. Откорректированный шлам (W=40%)хранится в горизонтальных бассейнах (4 бассейна общей емкостью 51000 м3). Шлам насосами 6ФШ-7а производительностью 250 тн/час из существующихгоризонтальных шламовых бассейнов перекачивается в расходные емкости в отделениефильтр-прессов с предварительным грохочением для отделения включений более 3-хмм. Надситовый продукт возвращается в горизонтальные шламбассейны.
Шламиз указанных емкостей шламовыми насосами подается для заполнения прессфильтрови аэроэжекторных баллонов до определенного уровня и затем они отключаются.После этого в аэроэжекторные баллоны подается воздух давлением 25 атм. Этимдавлением осуществляется процесс фильтрации, при котором фильтрат по наклонномуленточному транспортеру под пресс-фильтром собирается в емкость, из которойперекачивается в сырьевое отделение для приготовления шлама.
Послеокончания процесса фильтрации пресс-фильтр продувается сжатым воздухом дляудаления остатков шлама: из подводящего трубопровода и канала прессфильтра и последнийпри помощи специального механизма начинает разгружаться через разгрузочнуюворонку и ленточный транспортер в бункер для кека.
Оставшийсяфильтрат возвращается в «Гидрофол» для приготовления шлама.
Кеквлажностью 20% от одного или нескольких бункеров в заданных весовым устройствомленточного транспортера количествах через качающуюся течку и трехшлюзовыйзатвор подается в сушилку-дробилку, куда так же подаются горячие газы от второйступени циклонного теплообменника с температурой до 600°С. Получющаяся сырьеваямука выносится из сушилки-дробилки в осадительный циклон, где отделяется отгазов и через ячейковый питатель направляется в циклонный теплообменник и далеев декарбонизатор. Возврат пыли от электрофильтров печи осуществляется припомощи пневмовинтового насоса.
Вдекарбонизатор предусмотрена подача третичного воздуха из колосниковогохолодильника. Сырье, декарбонизированное на 80%, обжигается во вращающейся печи4,5х100 м.
Предусмотренследующий режим работы: печь работает с производительностью 2150 т/сутки, 74%топлива сжигается в декарбонизаторе, 26% в печи, питание печи сырьевой мукой восновном режиме с сушилкой-дробилкой, расход тепла 955 ккал/кг.кл
Клинкерс температурой 1100о С охлаждается в колосниковом холодильнике дотемпературы 80-100о С, а затем клинкерным транспортером подается наклинкерный открытый склад.
С клинкерногосклада грейферным краном клинкер и гипс подается в цех помола.
Затем готовыйцемент пневмовинтовыми и пневмокамерными насосами транспортируется поцементопроводу в цементные силосы.
Для храненияготовой продукции на заводе имеются 22 силоса, обеспечивающие хранение более 70тыс. тонн цемента. Продукция потребителям отправляется в специализированныхжелезнодорожных вагонах и автоцементовозах. Тарирование цемента в бумажныемешки по50 или 20 кг производится карусельными машинами. Подача цемента в ОАО«Белаци» производится пневмотранспортом по цементопроводу.
3.Материальный баланс завода
3.1Расчет сырьевой смеси
Расчетсырьевой смеси выполнен с использованием ПЭВМ и программы «ШИХТА».
3.2Режим работы цехов и завода — ППРНоминальныйфонд рабочего времени
Таблица3.2.1№пп Цехи Время работ в /> Смену Сутки Неделю Год /> /> Час Смена Час Сутки Час Сутки Час /> 1. Карьер 12 2 24 7 168 365 8760 /> 2. Транспортный 12 2 24 7 168 365 8760 /> 3. Грубого измельчения сырья 12 2 24 7 168 365 8760 /> 4. Помола сырья 12 2 24 7 168 365 8760 /> 5. Цех пресс-фильтрации 12 2 24 7 168 365 8760 /> 5. Обжиг 12 2 24 7 168 365 8760 /> 6. Помола цемента 12 2 24 7 168 365 8760 /> 7. Отгрузка 12 2 24 7 168 365 8760 />