энергосберегающий способ производства портландцементного клинкера

Формула изобретения

Энергосберегающий способ производства портландцементного клинкера, включающий спекание во вращающейся печи при температуре 1380-1450°С технологической смеси известняка и глинистого материала - осадка очистных сооружений - полей орошения станций аэрации влажностью от 8,0 до 90% при весовом соотношении известняка к указанному осадку от 1:0,4 до 1:1,3.

Описание изобретения к патенту

Изобретение, заявленное в качестве патента, относится к области промышленного производства портландцементного клинкера сухим, полусухим, мокрым и комбинированным способами при утилизации промышленных отходов-осадков очистных сооружений (1-11).

Известные способы производства портландцементного клинкера осуществляют спеканием смеси известняка и глин в примерном соотношении 3:1 соответственно во вращающихся печах при температуре 1380-1450°С. Образующийся после спекания клинкер измельчают, а затем смешивают в разных пропорциях с измельченными шлаками, золой, пуццоланами, гипсом и рядом других добавок. Производство цементного клинкера в Европе в некоторых случаях осуществляют спеканием известняка с предварительно высушенными при температуре 85°С осадками очистных сооружений.

Перечисленные выше способы производства цементного клинкера обладают существенными недостатками, связанными, прежде всего, с высоким расходом теплоносителей. Самым экономичным из них является сухой способ производства цементного клинкера. На производство одного килограмма клинкера сухим способом, по данным (5), расходуют 3218 кДж тепла.

Используемый ЗАО "Дакт-Инжиниринг" способ производства цементного клинкера с применением известняка и высушенного осадка очистных сооружений, который обладает теплотворной способностью в 11 тысяч кДж на килограмм осадка, в связи с этим кажется безальтернативным, поскольку позволяет существенно снизить расход топлива на его производство. Однако применение высушенного осадка и является существенным недостатком этого способа, поскольку для его осуществления необходимо удалить воду из влажных осадков. Для удаления воды из осадка влажностью в 71,0%, из которого можно произвести одну тонну цементного клинкера, необходимо затратить 4826157 кДж тепла, что существенно выше расхода тепла (3762000 кДж), необходимого для получения одной тонны клинкера классическим способом. Таким образом, вместе с затратами на сооружение и эксплуатацию завода по сушке осадка резко снижается экономическая эффективность способа производства портландцемента с применением высушенного осадка.

Предлагаемое изобретение устраняет отмеченные выше недостатки способов производства портландцемента и по экономической эффективности уравнивает между собой все принятые в мировой практике способы производства портландцементного клинкера.

Технический результат изобретения достигается тем, что энергосберегающий способ производства портландцементного клинкера, включающий спекание во вращающейся печи при температуре 1380-1450°С технологической смеси известняка и глинистого материала - осадка очистных сооружений - полей орошения станций аэрации влажностью от 8,0 до 90% (влажного осадка) при весовом соотношении известняка к указанному осадку от 1:0,4 до 1:1,3.

Парадоксальность предлагаемого способа состоит в том, что все энергетические затраты на производство портландцемента компенсируются энергетическими возможностями органических веществ, входящих в состав осадка.

Энергетическая способность органических веществ, входящих с состав осадка очистных сооружений, составляющих около 50.0% массы сухого вещества, достигает 11-19 тыс. кДж на килограмм осадка. Это обстоятельство позволяет без затрат на сушку осадка снизить расход топлива на производство портландцементного клинкера и сделать альтернативными все принятые в мировой практике способы его производства.

Осадки станций аэрации представляют собой мелкодисперсный (около 200 мкм) глинообразный продукт темного цвета общей влажностью до 90.0%. Осадки с полей орошения различных регионов обладают влажностью, которая изменяется в пределах от 8.0 до 97.0%.

Влага осадка представлена водой, связанной с белком микроорганизмов осадка (около 50.0%) и не связанной водой (около 20.0%), распределенной в свободном от сухого остатка осадка объеме.

Типичный химический состав компонентов сырьевой смеси, который может быть использован для производства цементного клинкера с применением осадка станций аэрации, приведен в Таблице 1.

В Таблице 1 приведены и расчетные величины, необходимые для определения состава технологической смеси. В Таблице 2 приведены расчетные нормы сырьевых компонентов технологической сырьевой смеси, необходимых для производства одной тонны цементного клинкера из известняка и суглинка, известняка и осадка станций аэрации.

Из данных таблиц видно, что на производство одной тонны цементного клинкера с применением осадка станций аэрации известняка требуется на 179 кг меньше, чем при производстве одной тонны клинкера из известняка и суглинка классическим сухим способом. Из данных Таблицы 2 видно также, что для производства одной тонны цементного клинкера из технологической смеси необходимо удалить 1976 кг воды. Предложенным способом воду из технологической смеси удаляют ее нагреванием теплом, которое выделяется при сгорании органических веществ осадка, теплотворную способность которых оценивают в 11000-18750 кДж/кг. Как видно из Таблицы 3, этого количества тепла достаточно для удаления воды из технологической смеси и сокращения расхода теплоносителя, необходимого для спекания смеси в клинкер. Сопоставление результатов, приведенных в Таблице 3, с известными литературными данными (5) дано в Таблице 4. Анализ данных Таблицы 4 показывает, что производство портландцементного клинкера с применением осадка станций аэрации снижает расход энергии, необходимой для спекания технологической смеси, за счет выделения в систему тепла осадка от сгорания органических веществ. Несмотря на высокую влажность технологической массы, превышающую влажность технологической смеси, используемой при мокром способе производства портландцементного клинкера (30.0-40.0%), потребление энергии на производство клинкера ниже, чем в производстве его сухим способом.

Экспертная оценка физико-технических и механических свойств портландцементного клинкера, получаемого из технологической смеси известняка и влажного осадка станций аэрации, приведена в Таблице 5.

Результаты экспертной оценки наглядно показывают возможность получения высококачественного цементного клинкера предложенным способом. Внедрение процесса в промышленное производство портландцементного клинкера позволит решить экологические проблемы регионов и получить строительный материал, отвечающий ГОСТ 23464-79.

Реальная экономия тепла на предприятии мощностью 730000 тонн портландцементного клинкера может составить за счет экономии топлива до 730 тыс. Гкал в год.

Приведенные в заявке расчеты и результаты испытаний образцов цементного клинкера, полученного прокаливанием технологической смеси известняка и влажного осадка станций аэрации, позволяют четко сформулировать формулу изобретения.

Таблица №1 Химический состав сырья и клинкера
Компоненты сырьевой смеси	Химический состав компонентов сырьевой смеси, мас.%							Производные величины
								Мo		М а
	SiO2	Al2O 3	Fe2O 3	CaO		MgO	п.п.п.	Модуль основности		Модуль активности
1	2	3	4	5		6	7	8		9
Известняк	0.2	0.25	0.2	51.0		3.0	43.5	-		-
Суглинок	71.82	13.62	3.99	1.02		0.9	3.4	-		-
Зола осадка станций аэрации	46.6	12.0	9.4	9.3		1.06	-	-		-
Клинкер	22.0	6.0	3.0	63.0		1.5	-	2.08		0.27
Таблица №2 Расходные нормы сырьевых материалов на производство 1000 кг портландцементного клинкера в зависимости от способа его производства
Сырьевые компоненты технологической смеси и производные величины					Способ производства и расходные нормы сырьевых компонентов, производных величин, кг
					Сухой способ				Способ с осадком станций аэрации
1					2				3
Известняк					1235				1056
Остаток после прокаливания известняка					697.94				597.6
Суглинок					306.32				-
Остаток после прокаливания суглинка					295.9				-
Масса технологической смеси					1541.61				3880.9*
Осадок станций аэрации					-				2825.1**
Вода в осадке					-				1975.1
Сухой осадок					-				849.4
Зола осадка					-				424.7
Соотношение между известняком и компонентом технологической смеси					4.03				0.374
Соотношение между компонентом технологической смеси и известняком					0.25				2.7
* - Влажность технологической смеси 50.90% ** - Влажность осадка станций аэрации 71.00%

Таблица №3 Основные физико-химические данные и нормативные расходные значения величин, необходимые для производства 1000 кг портландцементного клинкера по способу с применением осадка станций аэрации
Расходные нормы сырьевых компонентов и наименование физико-химических величин	Размерность	Значение величины
1	2	3
Расход известняка	кг	1056
Расход осадка	кг	2826
Вода в осадке	кг	1976
Сухой осадок	кг	849.4
Масса органических веществ	кг	425
Теплотворная способность сухого осадка	ккал/кг	2640-4500
	кДж/кг	11000-18750
Теплота парообразования	ккал/моль	10.519
	кДж/моль	43.96
Количество тепла, необходимое для удаления воды из технологической смеси	ккал/1976 кг	1154583
	кДж/1976кг	4826-157
Количество тепла, выделяющееся при сгорании сухого осадка	ккал/849 кг с. о*	2242495-3822435
	кДж/849 кг с. о.	9343730-15926812
Количество тепла, выделяющееся в систему после удаления воды	ккал/849 кг с.о.	1087912-2667852
	кДж/849 кг с.о.	4517573-111000655
Расход жидкого топлива	кг	115
Теплотворная способность жидкого топлива	ккал/кг	10000-11000
	кДж/кг	41800-45980
Количество тепла, выделяющееся при сгорании топлива	ккал/115 кг	1150000-1265000
	кДж/115кг	4807000-5287700
Производительность предприятия	т. клинкера/год	730000
Расход топлива с применением осадка станций аэрации	кг	6-115
*с.о. - сухого осадка

Таблица №5 Экспертная оценка физико-технических и механических параметров качества портландцементного клинкера, производимого с применением осадков станций аэрации при температуре 1380°С-1450°С*
Номер образца цементного клинкера**	Удельная поверхность, см2/г	Нормальная густота, %	Растекаемость, мм	Сроки, часы, схватывания		Предел прочности балочек, МПа, при изгибе и сжатии в возрасте, сутки
				Начало	Конец	3	7	28
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	2680	26.2	110	3 30	540	1.9/9.7	3.6/28.5	4.8/38.7
2	2620	24.2	125	3 30	620	2.95/13.2	4.9/31.5	5.9/42.0
3	2690	25.4	120	320	5 50	2.26/12.5	3.7/30.0	5.2/39.1
4	2650	26.1	110	320	545	2.5/12.7	3.6/28.5	5.5/41.0
5	2700	24.8	115	325	555	2.0/11.5	3.8/29.5	5.3/40.5
6	2695	25.2	112	335	540	2.9/12.8	3.9/31.0	5.2/40
7	2625	26.2	120	330	550	2.6/13.0	4.9/31.5	5.8/41.5
8	2680	25.5	110	325	600	2.8/12.9	4.0/31.0	5.1/39.5
9	2705	24.8	115	330	555	2.85/13.0	4.1/32.0	5.0/39.8
10	2710	25.2	120	3 35	550	2.9/13.1	3.6/29.0	4.9/40.0
* Физическая плотность образцов, г/см3, изменяется в пределах 3.0-3.2; насыпная масса в рыхлом и уплотненном состоянии в среднем составляет соответственно 1.15 г/см3 и 1.5 г/см3 ** Образцы 1-3 приготовлены из сырьевой смеси при соотношении известняк: осадок очистных сооружений 1:0,374, образцы 4-6 - при соотношении 1:1, образцы 7-10 - при соотношении 1:1,3.

Список научно-технической и патентной литературы, использованной в патентном поиске над изобретением: Энергосберегающий способ производства портландцементного клинкера
№	Автор	Название	Издание
1	Венюа М.	Технологические схемы производства цементов	М., "Стройматериалы", 1980
2	Горчаков Г. И.	Строительные материалы	М., 1986
3		Цемент и его применение №1	2004
4	Тейлор, Хэл Ф.	Химия цемента	М., "Мир", 1996
5	Гольдштейн Л.Я.	Производство цементов путем утилизации промышленных отходов	Л., "Стройиздат", 1985
6	Шевцов А.М.	Патент №2065845	1996
7	Шевцов А.М.	Патент №2074134	1997
8	Бутт Ю.М., Волконский Б.В., Егоров Г. Б.	Справочник цементов	Л.,1980
9	Вердиян М.А., Бобров Д.А., Вердиян А.М.	Научные основы технологии цемента	М.,2000
10		Structure and performance of cements	London, New York, 1983
11		Моя Москва. Журнал столичной жизни, №7	2004