способ производства цементного клинкера

Формула изобретения

Способ производства цементного клинкера с минеральной добавкой, включающий обжиг сырьевой смеси во вращающейся печи, подачу минеральной добавки в холодильник к полученному раскаленному клинкеру, охлаждение, помол, отличающийся тем, что в качестве минеральной добавки используют щебень попутных вскрышных пород добычи угля или углесодержащие техногенные отходы фракции 5-50 мм с содержанием угля в пределах от 5 до 15 мас.%, подачу указанной добавки осуществляют в количестве от 5 до 50 мас.% от клинкера в его поток, падающий из печи.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к промышленности строительных материалов, преимущественно к способам производства цементного клинкера с минеральными добавками.

Известен способ производства цементного клинкера с минеральными добавками, включающий подачу минеральной добавки, например, фосфогипса во вращающуюся печь (см., например, авт. свид. СССР №270566, кл. С04В 7/44, 1968 г.).

Однако такой способ приводит к усилению пылеуноса из печи, к неравномерному распределению добавки по всей длине вращающейся печи, что снижает эффективность их действия.

Также известен способ производства цементного клинкера, в котором подачу силикатсодержащей минеральной добавки - доменного гранулированного шлака производят с горячего конца вращающейся печи (см., например, авт. свид. СССР №576761, кл. С04В 7/44, 1974 г.). Недостатком этого способа является присадка шлака к клинкеру в печи, снижение его основности и низкая гидравлическая активность получаемого при этом цемента.

В другом известном решении (см., например, авт. свид. СССР №1280839, кл. С04В 7/44, 1974 г.) минеральную добавку для быстрого охлаждения клинкера в холодильнике подают на слой раскаленного клинкера навстречу охлаждающему воздуху. В качестве охладителя в этом способе используют доменный гранулированный шлак с влажностью 10%. При этом если температура клинкера, выходящего из печи, составляет 1150-1200°С, а при охлаждении только воздухом в районе второго окошка холодильника - 850°С, то при подаче шлака в холодильник согласно известному способу температура материала в районе второго окошка холодильника уже составляет 600-675°С, а на выходе из холодильника - 60-80°С вместо 200°С. Одновременно увеличивается выход клинкера, несколько возрастает его размолоспособность.

Однако безвозвратный и нестабильный унос шлака в печь со вторичным воздухом составляет в известном способе до 10-20% от начальной массы и требует постоянной оперативной корректировки сырьевой смеси, что оказалось весьма сложной операцией, не обеспечивающей стабильной активности цемента, которая изменяется в значительных пределах.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ увеличения выхода цементного клинкера для получения цемента с минеральными добавками, включающий обжиг сырьевой смеси во вращающейся печи, охлаждение клинкера в холодильнике с одновременной подачей минеральных добавок на слой раскаленного клинкера и совместный помол клинкера с добавками (см., например, патент РФ №2288900, кл. С04В 7/43, 2002 г.). В указанном способе для увеличения выхода цементного клинкера из установки для обжига в горячий клинкер в качестве минеральной добавки вводят измельченные материалы с высоким содержанием двуокиси кремния и дополнительно содержащие кальций, алюминий или и то, и другое, способные при повышенной температуре вступать в реакцию с двуокисью кремния в холодильнике с образованием кристаллических силикатов кальция и силикатов алюминия. При этом в качестве минеральной добавки могут быть использованы: угольная зола, доменный шлак, летучая двуокись кремния (побочный продукт производства кремния или сплавов железа и кремния).

Согласно известному способу эти добавки вводят в слой цементного клинкера либо в районе разгрузочного конца печи, либо в районе верхнего по потоку конца холодильника под слой горячего клинкера.

Однако при подаче измельченной добавки у выпускного конца печи достаточно сложно обеспечить равномерное распределение добавки по всей ширине потока клинкера, а при введении из-под слоя клинкера в районе верхнего по потоку конца холодильника возможны существенные потери недожженной (полуобожженной) добавки с интенсивными потоками охлаждающего воздуха ввиду ее высокой дисперсности.

Следует заметить, что основным содержанием рассматриваемого известного решения является увеличение объема выходящего клинкера. Однако реализация известного технического решения, по которому предусматривается обязательное химическое реагирование не менее 50% мас. добавки кремнеземистого состава с клинкером, существенно влияет на снижение коэффициента насыщения клинкера известью и ухудшает минералогию цемента, снижая содержание С₃S и уменьшая активность цемента. Такое химическое реагирование происходит только во вращающейся печи, а в процессе пребывания в холодильнике, где температуры в течение 5-10 минут падают с 1300-1350°С до 600-700°С, реакции минералообразования добавок с клинкером не могут проходить.

Цель предлагаемого изобретения - увеличение объема производства цементного клинкера и цемента, снижение его себестоимости, сохранение качества цемента.

Поставленная цель достигается тем, что в способе увеличения выхода цементного клинкера для получения цемента с минеральными добавками, включающем обжиг сырьевой смеси во вращающейся печи, охлаждение клинкера в холодильнике с одновременной подачей минеральных добавок на слой раскаленного клинкера и совместный помол клинкера с добавками, минеральную добавку подают в падающий из печи поток раскаленного клинкера, при этом в качестве добавки берут щебень попутных вскрышных пород добычи угля фракции, выбранной в пределах от 5 до 50 мм, с содержанием угля в пределах от 5 до 15% мас., а количество добавки выбирают в объеме от 5 до 50% мас. клинкера. Кроме того, в качестве минеральной добавки могут быть использованы соответствующие зернистые (кусковые) алюмосиликатные углесодержащие техногенные отходы.

Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем. При подаче углесодержащей минеральной добавки, имеющей температуру окружающей среды и небольшую влажность, в падающий из печи поток раскаленного клинкера, температура которого достигает 1250-1300°С, щебень минеральной добавки при контакте со слоем клинкера подвергается интенсивному нагреву и испытывает «термоудар», что приводит к ее растрескиванию, термической активации и образованию «кипящего» слоя совместно с цементным клинкером. Раскаленный клинкер интенсивно отдает тепло дисперсным (5-50 мм) частицам добавки, хорошо охлаждаясь в «кипящем» слое, и требует подачи меньшего объема холодного воздуха для своего охлаждения. Это существенно улучшает и работу колосников, предохраняя их от перегрева раскаленным клинкером

В отличие от прототипа образующаяся согласно заявляемому способу мелкая угольная фракция (газовзвесь) потоком вторичного воздуха уносится в печь, составляя при этом объем не более 3-5% от массы сухой минеральной добавки, и полностью сгорает в зоне спекания, вступая в экзотермические реакции с клинкерным расплавом, образуя дополнительное количество клинкера без ухудшения его минералогии. Небольшая присадка газовзвеси в печь от содержания в добавке угля улучшает ее тепловой баланс и увеличивает ее производительность без дополнительных теплозатрат на обжиг. Попадающие в горячий конец печи небольшие объемы паров воды оказывают каталитическое положительное влияние на режим обжига. Раскаленный клинкер при контакте с кусковыми частицами добавки интенсивно охлаждается и за счет испарения влаги и теплопередачи в слое материалов холодильника улучшает тепловой режим эксплуатации холодильника, повышая надежность его работы.

Благодаря подаче минеральной добавки в падающий поток клинкера, имеющего максимальную на выходе из печи температуру, происходит наиболее полное сгорание угольной составляющей из добавки, что не только снижает удельный расход топлива на производство цемента, но и повышает его качество, так как минеральный состав углесодержащих пород после термообработки на холодильнике представлен кварцем, полевыми шпатами, слюдами и др. силикатными и алюмосиликатными минералами, положительно влияющими на активность цемента при совместном помоле с клинкером.

Частицы добавки в клинкерном холодильнике равномерно смешиваются с клинкером, образуют сухую шихту, готовую к помолу. Вследствие более интенсивного охлаждения клинкера и термической активности добавки полученная шихта обладает повышенной размолоспособностью, что увеличивает производительность помольных агрегатов. Таким образом, предлагаемый способ может быть отнесен и к энергосберегающим.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Полученный во вращающейся печи клинкер подают на охлаждающую решетку холодильника. При этом на падающий из печи поток раскаленного клинкера одновременно сверху или сбоку подают минеральную углесодержащую добавку - щебень попутных вскрышных пород добычи угля или соответствующие зернистые (кусковые) алюмосиликатные углесодержащие техногенные отходы, например топливные отходы московских ТЭЦ, фракции в пределах от 5 до 50 мм, с содержанием угольной составляющей в пределах от 5 до 15% мас. Причем берут добавку в количестве от 5 до 50% мас. клинкера. Минеральная углесодержащая добавка при контакте со слоем раскаленного клинкера интенсивно нагревается и растрескивается с образованием «кипящего» слоя совместно с цементным клинкером. При этом мелкие угольные частицы интенсивно нагреваются, выгорают и уносятся потоком вторичного воздуха в печь, где полностью догорают в зоне спекания, а пылеватая (зольная) часть добавки вступает в реакции с клинкерным расплавом, образуя дополнительное количество клинкера.

Раскаленный клинкер при перемещении по охлаждающей решетке в контакте с кусковыми частицами добавки, а также под воздействием струй холодного воздуха, подаваемого под давлением из-под охлаждающей решетки, интенсивно охлаждается, и на выходе из холодильника температура клинкера составляет 50-70°С.

По выходу из холодильника смесь добавки и клинкера подают на клинкерный склад и далее на помол для получения товарного продукта - цемента.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. На падающий из вращающейся печи поток раскаленного клинкера подают минеральную углесодержащую добавку - щебень попутных вскрышных пород добычи угля, причем берут добавку фракцией 5-10 мм с содержанием угольной составляющей 15% мас. в количестве 30% мас. от содержания клинкера, а по выходу из холодильника смесь цементного клинкера и добавки подвергают помолу.

Пример 2. Технология получения цементного клинкера с минеральными добавками как в примере 1, при этом минеральную углесодержащую добавку берут фракцией 40-50 мм с содержанием угольной составляющей 10% мас. в количестве 5% мас. от содержания клинкера.

Пример 3. Технология получения цементного клинкера с минеральными добавками как в примере 1, при этом минеральную углесодержащую добавку берут фракцией 15-20 мм с содержанием угольной составляющей 5% мас. в количестве 50% мас. от содержания клинкера.

Пример 4. Технология получения цементного клинкера с минеральными добавками как в примере 1, при этом в качестве минеральной добавки берут зернистые (кусковые) алюмосиликатные углесодержащие техногенные отходы - топливные отходы московских ТЭЦ; добавку берут фракцией 20-30 мм с содержанием угольной составляющей 13% мас. в количестве 20% мас. от содержания клинкера.

За пределами приведенных параметров осуществления предлагаемого способа поставленная цель не достигается.

Технико-экономические показатели заявляемого способа и прототипа приведены в таблице.

Практическая реализация предлагаемого технического решения позволяет сделать заключение о том, что новый способ эффективно увеличивает массу клинкера, не нарушая при этом базового технологического процесса во вращающейся печи, за счет сведения до минимума пылевыноса из холодильника, термической активации вводимых углесодержащих добавок, предотвращения существенного снижения коэффициента насыщения клинкера известью и связанного с этим снижения качества активности цемента. При этом себестоимость цемента снижается в зависимости от объемов вводимой добавки и ее стоимости.

Таблица
№ п/п	Показатель	Ед. изм.	Технико-экономические показатели
			Примеры заявляемого способа				Прототип
			1	2	3	4
1.	Вид минеральной углесодержащей добавки		Щебень попутных вскрышных пород добычи угля			Топливные отходы московских ТЭЦ	Угольная зола
2.	Характеристика добавки:
	- фракция	мм	5-50	5-50	5-50	20-30	0,045
	- содержание угольной составляющей	%мас.	15	10	5	13	10
	- кол-во (от содержания клинкера)	% мас.	30	5	50	20	15
3.	Технико-экономические показатели:
	- пылевынос добавки, от подаваемого количества	%	4	3	5	6	35
	- снижение КН клинкера	-	0,02	0,01	0,03	0,04	0, 07
	- тонина помола клинкера	%	0,7	1,5	0,9	0,9	1,2
	- активность цемента: прочность на сжатие/изгиб через 28 суток твердения	МПа	52,5/7,9	59,4/8,6	49,1/6,7	42,1/5,6	38,6/5, 1

По усредненным данным с учетом транспорта стоимость природных углесодержащих добавок составляет от 1/15 до 1/5 себестоимости цемента. Необходимые капиталовложения в систему подачи добавки в клинкерный холодильник сводятся к установке приемного бункера для складирования дробленой в щебень добавки, транспортера для непрерывной подачи добавки в загрузочный бункер над холодильником и устройства в виде шнека для подачи щебня в заданную точку в холодильнике - падающий поток клинкера из печи.

При подаче 10-20% мас. добавки от объема клинкера на клинкерный холодильник нужна небольшая корректировка теплового баланса работы вращающейся печи и холодильника, а при возрастании количества добавки от 20 до 50% мас. клинкера необходима более масштабная корректировка подаваемого в печь топлива, соотношений первичного и вторичного воздуха для оптимизации теплового режима работы агрегатов технологической линии.

Ориентировочное снижение себестоимости цемента, зависящее, в первую очередь, от стоимости добавки, составляет: при подаче 10% добавки от массы клинкера - около 8-10% от стоимости цемента, при подаче 20% - около 13-15% от стоимости цемента при сохранении его марки. При вводе до 50% добавки себестоимость цемента соответствующей марки может снизиться на 18-20%. При этом исключается необходимость введения других минеральных добавок, кроме гипса.