Проект отделения помола цемента на цементном заводе

Курсовой проект

Дисциплина:

"Вяжущие вещества"

на тему:

«Проект отделения помола цемента на цементном заводе»

Москва 2010

Задание

Разработать проект отделения помола цемента на цементном заводе производительностью 1,4 млн. т/год с выпуском портландцемента с минеральными добавками марки 400 в количестве 22% и пуццоланового портландцемента марки 300 в количестве 78%.

Состав цементной шахты для портландцемента с минеральными добавками (цемент №9): клинкер - 86%, опока - 9%, двуводный гипс - 5%; для пуццоланового портландцемента (цемент №26): клинкер - 65%, опока - 30%, двуводный гипс - 5%. Влажность опоки - 26%. Устанавливаются мельницы размером 3,2 х 8,5 работающие в замкнутом цикле. Коэффициент заполнения мельницы - ц = 0,28. Тонкость помола по остатку на сите с сеткой 008 для цемента №9 - 9%, для цемента №26 - 7%.

Введение

Цемент является одним из важнейших строительных материалов. Его изготовляют на крупных механизированных и автоматизированных заводах. По производству цемента наша страна занимает одно из ведущих мест в мире. Из числа цементов разных видов наиболее важное значение имеет портландцемент. Это основной материал современной строительной индустрии. Из него возводят бетонные и железобетонные конструкции самых разнообразных зданий и сооружений. Жилищно-гражданское, промышленное, сельскохозяйственное, гидротехническое, горное, дорожное, ирригационное - вот неполный перечень видов строительства, где с успехом применяют бетон и железобетон на портландцементе.

По масштабам производства и применения портландцемент занимает первое место среди вяжущих материалов.

Основным направлением развития отрасли в современных условиях является ускорение темпов научно-технического прогресса и широкое внедрение его достижений в производство. Внедрение принципиально новых энергосберегающих технологий, высокопроизводительного оборудования с автоматическим управлением способствует значительному улучшению технико-экономических показателей деятельности отрасли. В этом плане важнейшей задачей развития цементной промышленности является широкое внедрение сухого способа производства цемента, базирующегося на использовании экономичных линий с вращающимися печами и циклонными теплообменниками.

При большой насыщенности предприятий цементной промышленности сложными механизмами и установками по добыче и переработке сырья, обжигу сырьевых смесей и измельчению клинкера, перемещению, складированию и отгрузке огромных масс материалов, наличию большого количества электродвигателей особое внимание при проектировании заводов и их эксплуатации должно уделяться созданию благоприятных и безопасных условий для работы трудящихся.

Большое внимание следует уделять обеспыливанию воздуха и отходящих газов печей и сушильных установок для создания нормальных санитарно-гигиенических условий труда. Для этого все помещения цементных заводов надо обеспечивать системами искусственной и естественной вентиляции. Этому в большой мере способствует герметизация тех мест, где происходит пылевыделение, а также отсос воздуха из бункеров, течек, дробильно-помольных механизмов, элеваторов и т.п.

Воздух, отбираемый из цементных мельниц, очищают с помощью рукавных или электрофильтров. Перед ними при значительной концентрации пыли в аспирируемом воздухе необходимо устанавливать циклоны. Для очистки воздуха, отсасываемого из камер сырьевых мельниц, обычно устанавливают циклон и электрофильтр, соединенные последовательно.

Воздух из сепаратора мельниц и головок элеваторов для очистки пропускается через рукавный фильтр.

Отходящие газы цементных печей необходимо очищать для предотвращения загрязнения окружающей среды. Для этого устанавливают электрофильтры. Если же отходящие газы содержат значительное количество пыли, то их сначала пропускают через батарею циклонов.

Большому увеличению производительности труда и улучшению качества продукции способствует организация на предприятиях автоматических систем управления (АСУ) с применением ЭВМ.

Совершенно очевидно, что цементная промышленность России нуждается в серьезных инвестициях. Было бы наивно предполагать, что государство будет дотировать предприятия цементной промышленности, которые сейчас все без исключения являются частными акционерными обществами, а иные - со значительной долей зарубежных акционеров.

Государство может оказать цементным предприятиям существенную помощь в решении ряда важных проблем. Например, упорядочением взаимодействия с естественными монополиями - Газпромом, РАО «ЕЭС России», МПС. Внеплановые отключения газа, электроэнергии, недопоставка вагонов приводят к материальному ущербу, физическому износу оборудования, срывают производственные планы.

Цементная промышленность России нуждается также в государственной поддержке в части прохождения согласования инвестиционных проектов и получения разрешений на оформление земельных отводов по ведению горных работ, в установлении для предприятий цементной промышленности статуса отрасли с сезонными условиями производства с установлением соответствующего вида налогообложения и т.п.

В существующих экономических условиях цементные предприятия не в состоянии самостоятельно осуществить довольно серьёзные мероприятия по техническому перевооружению, тем более переход на сухой способ. Известно, что никогда и нигде серьёзная реконструкция предприятий не производится за счёт их собственных оборотных средств. За счет прибыли, которая не превышает 10% от себестоимости, ее также невозможно произвести. Реальнее всего она будет осуществляться за счет кредитов и займов. Необходимо привлекать финансово-кредитные ресурсы, выходить на фондовые рынки, искать стратегических партнёров, хоть это и очень сложно. К примеру, чтобы реконструировать хотя бы одно предприятие годовой мощностью в миллион тонн цемента с переводом на сухой способ производства, требуется 60 - 70 млн. долларов.

Хотелось бы отметить еще одну, хоть и не самую важную причину того, что сухой способ производства в России не нашел должного применения. Речь идет о подготовке сырья, которое нужно доводить до необходимой кондиции по сухому способу. Она сложнее, чем технология мокрого способа. Вести процесс обжига в печах с циклонными теплообменниками и декарбонизаторами тоже сложнее, чем во вращающейся печи, оснащенной только цепными завесами. Необходим более строгий контроль за технологическим процессом на всех его переделах, начиная от добычи сырья в карьере и заканчивая помолом цемента. Требуются более квалифицированные кадры. Это серьёзная задача, стоящая перед всеми цементными предприятиями.

Произошла смена поколений кадров на заводах, а послевузовское образование их практически отсутствует. Работа созданного при ОАО «НИИЦемент» учебного центра показывает, что послевузовское обучение, повышение квалификации мастеров, технологов, начальников цехов просто необходимо, так как многие из них не имеют даже соответствующего их должности специального образования.

Россия длительное время являлась лидером в области производства цемента. У нас были самые современные печи, работающие по мокрому способу производства. Сухой способ внедрён нашими цементниками одними из первых в мире. Еще в 1957 г. на Спасском цементном заводе работали вращающиеся печи с циклонными теплообменниками. То были самые прогрессивные технологические решения обжига цементного клинкера. С 1988 г. в г. Невьянске (Урал) работает вполне современная технологическая линия с печью размером 4,5х80 м с циклонными теплообменниками и декарбонизатором мощностью один млн. т клинкера в год.

Но это лишь частные примеры предприятий цементной промышленности. Нужно надеяться, что уже нынешнее поколение отечественных специалистов-цементников будет работать на самом совершенном оборудовании: на печах, работающих по сухому способу производства с холодильниками пятого поколения, на самых современных помольных установках с предизмельчителями и сепараторами последних моделей.

С другой стороны, не надо ориентироваться только на сухой способ. Важно планомерно, настойчиво и продуманно готовить финансовую и техническую почву для его внедрения. Надо быть готовым к тому времени, когда появятся инвестиции.

Применение высокоэффективных теплоизоляционных материалов для футеровки подготовительных зон вращающихся печей также позволит снизить расход топлива на 2-3 килограмма на тонну клинкера.

Дополнительное питание печей техногенными продуктами (шлаками черной и цветной металлургии, золами ТЭС, кремнеземистыми и карбонатными отходами других производств) позволяет не менее чем на 10% повысить производительность печей и соответственно снизить удельный расход топлива.

Вращающиеся цементные печи - уникальные агрегаты, способные использовать в качестве топлива различные горючие отходы других отраслей промышленности. Применение ряда горючих отходов позволяет снизить расход природного топлива при обжиге клинкера на 15-25%. Тема использования отходов в цементной промышленности, и в частности горючих отходов, заслуживает особого внимания.

Оптимизация ассортимента цемента, увеличение выпуска смешанных цементов - также весьма эффективны для снижения расхода топлива. Применение металлургических шлаков и золы уноса ТЭС, пуццолановых добавок тоже очень перспективно. Использование смешанных цементов экономически целесообразно, так как экономится от 10 - 15% клинкера.

Это далеко не полный перечень технологических решений и приемов, позволяющих существенно снизить расход топлива и электроэнергии при производстве цемента, несколько приблизить мокрый способ производства по удельным расходным показателям к сухому, обеспечить хотя бы временно его конкурентоспособность.

Вполне очевидно, что сухой способ производства цемента эффективен и необходим для российской промышленности, но для его успешного внедрения нужны крупные инвестиции, политическая и экономическая стабильность в стране, активная финансово-кредитная политика собственников предприятий, направленная на привлечение нужных инвестиций.

В развитии цементной промышленности на перспективный период в крупном плане необходимо признать приоритетными следующие направления:

- техническое перевооружение и реконструкция заводов с целью обновления основных фондов и доведение доли сухого способа производства цемента до 80-85%;

- обеспечение широкого вовлечения в хозяйственный оборот отходов производства смежных отраслей промышленности;

- подготовка и повышение квалификации специалистов цементной промышленности;

- уменьшение вредных выбросов в атмосферу и улучшение условий труда;

- подготовка цементных предприятий к переходу на использование в качестве технологического топлива угля и горючих отходов промышленности;

- переоснащение машиностроительной базы страны и организация производства цементного оборудования нового поколения.

1. Номенклатура продукции

Портландцементом (ПЦ) называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и гипса и твердеющее в воде и на воздухе. Клинкер получают в результате обжига до спекания сырьевой смеси состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция. Гипс вводят в состав портландцемента для регулирования сроков схватывания. Его содержание должно быть не более 3.5% по SO. Возможно использование природного гипсового камня, фосфогипса и борогипса.

Наряду с портландцементом выпускают портландцемент с минеральными добавками. Последний, в отличие от портландцемента содержит определенное количество активных минеральных добавок: гранулированных доменных и электротермофосфорных шлаков - до 20%, добавок осадочного происхождения и глиежей - до 10%, прочих активных минеральных добавок - до 15%.

Строительно-технические свойства портландцемента:

Плотность и объемная масса. По плотности можно отличать бездобавочные портландцементы от пуццолановых и шлаковых, так как из всех этих вяжущих портландцемент обладает самой большой плотностью - 3.05 - 3.20 г./см(для пуццолановых и шлаковых ПЦ - 2.7 - 2.9 г./см). Объемная масса порошка ПЦ в рыхлом состоянии равна 900 - 1100 г./л, в уплотненном - 1400-1700 кг/м. Это значение зависит главным образом от тонкости помола ПЦ: чем выше тонкость помола, тем меньше насыпная масса.

Тонкость помола. Ее оценивают двумя показателями: количеством цемента в процентах от навески, проходящей через сито с определенным размером отверстий (метод ситового анализа), и удельной поверхностью зерен. Чем тоньше измельчен цемент, тем больше его пройдет через сито при рассеве и тем соответственно больше будет удельная поверхность. Согласно 7, цемент должен иметь такую тонкость помола, чтобы через сито №008 (размер отверстий 80 мкм) проходило не менее 85% от массы пробы или остаток на сите не превышал 15%. Большинство заводских цементов имеет остаток на сите №008 не выше 8 - 12%. Тонкость помола цемента влияет на скорость его схватывания и твердения, а также определяет степень использования его в растворах и бетонах. Чем больше степень измельчения цемента, тем быстрее происходит твердение.

Водопотребность портландцемента. Для полной гидратации минералов ПЦ необходимо около 22% воды от массы цемента. Нормальная густота цементного теста обычно превышает эту величину на 2 - 4% для портландцементов и на 5-10% для портландцементов с активными минеральными добавками. Количество воды, необходимое для приготовления удобоукладываемой бетонной смеси, как правило, составляет более 40% от массы цемента. Столь значительный избыток химически не связанной воды создает в затвердевшем камне систему пор и капилляров, что приводит к повышению пористости, снижению прочности и морозостойкости, ухудшению других строительных свойств. Уменьшение водопотребности цемента способствует повышению его качества.

Скорость схватывания. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 мин., а конец - не позднее 10 ч от начала затворения. Как слишком быстрое, так и медленное схватывание - существенный недостаток цемента. Если цемент схватывается быстро, то он превращается в камень прежде, чем его успевают использовать. Применение же медленно схватывающихся цементов замедляет темпы строительства.

Прочность портландцемента. Предел прочности при сжатии цементных образцов в возрасте 28 сут. называют активностью (прочностью) цемента. Активность ПЦ положена в основу подразделения его на марки. Цифровое значение марки характеризует предел прочности при сжатии половинок образцов - балочек размером 4040160 мм, приготовленных из раствора 1:3 по массе с нормальным песком при водоцементном отношении 0.4 и испытанных через 28 сут. после изготовления. При этом предел прочности при изгибе для образцов - балочек цемента марок 400; 500; 550 и 600 должен быть через 28 сут. соответственно не менее 5.5; 6.0; 6.2; 6.5 МПа, а прочности при сжатии - соответственно 40, 50, 55 и 60 МПа.

Прочность при растяжении цементного камня примерно на порядок ниже прочности при сжатии. Это связано с особенностями структуры затвердевшего цементного камня.

Равномерность изменения объема цементного камня при твердении. Наличие в ПЦ свободных оксидов кальция и магния может вызвать образование трещин. Это явление называют неравномерностью изменения объема при твердении. Причиной его является увеличение объема CaO и MgO при их взаимодействии с водой и возникновение внутренних растягивающих напряжений в цементном камне.

Тепловыделение. Гидратация цементных минералов - процесс экзотермический, идущий с выделением теплоты. Чем быстрее происходит гидратация ПЦ, тем быстрее и в большем количестве выделяется теплота. Также увеличение тонкости помола ПЦ заметно повышает его тепловыделение, особенно в первые сроки твердения. С увеличением удельной поверхности на каждые 100 см/г тепловыделение повышается в среднем через 1 сут. на 13.4 Дж/г; через 28 сут. - на 8.5 Дж/г; через 90 сут. - на 6.3 Дж/г.

Пуццолановый портландцемент (ППЦ) - Это гидравлическое вяжущее, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, необходимого количества гипса и активной минеральной добавки либо тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно. Содержание активных минеральных добавок в пуццолановом портландцементе по ГОСТ должно составлять (в% массы цемента): добавок вулканического происхождения, обожженной глины, глиежа или топливной золы - не менее 25% и не более 40%; добавок осадочного происхождения - не менее 20% и не более 30%. Количество вводимой в состав цемента активной минеральной добавки зависит от ее активности. Чем она выше, тем меньше добавки надо вводить в состав пуццоланового портландцемента для химического связывания гидроксида кальция, образующегося в процессе гидратации клинкерной части цемента.

Строительно-технические свойства пуццолановых пордлантцементов:

Стойкость пуццоланового и шлакопортландцементов при воздействии пресных, особенно мягких, и сульфатных вод выше, чем портландцементов. В кислых и углекислых водах эти цементы, как и портландцемента, недостаточно стойки.

Водопотребность пуццолановых портландцементов выше, чем у портландцементов, так как на смачивание развитой поверхности минеральных добавок требуется значительный объем воды (нормальная густота пуццоланового портландцемента 28…35%, а обычного портландцемента 22…26%). Вследствие повышенной водопотребности и, следовательно, пористости цементного камня бетоны на пуццолановом портландцементе менее морозостойки, чем на портландцементе.

Водопотребность шлакопортландцемента существенно не отличается от водопотребности обычных портландцементов, но - химически связывается воды меньше, чем при гидратации портландцемента. Это приводит к снижению плотности бетона на шлакопортландцементе и, как правило, морозостойкости по сравнению с бетоном на портландцементе.

Бетоны на пуццолановых цементах характеризуются значительными деформациями усадки и набухания, что связано с повышенным содержанием в цементном камне гелевидных новообразований и развитой сетью мельчайших капилляров. При твердении в воздушно-сухих условиях бетон на пуццолановом портландцементе теряет прочность, что объясняется большой усадкой и «выветриванием» воды из гидратных соединений, т.е. он обладает пониженной воздухостойкостью.

Усадка и набухание шлакопортландцемента приблизительно такие же, как и у портландцемента. Воздухостойкоеть шлакопортландцемента выше, чем пуццоланового портландцемента, но уступает портландцементу.

Пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент применяют для массивных бетонных и железобетонных конструкций подводных и подземных частей сооружений (плотин, шлюзов туннелей, канализационных и водопроводных сетей, фундаментов и т.п.). Широко используют эти цементы в производстве сборных изделий с тепловлажностной обработкой.

2. Технологическая часть

2.1 Описание схемы технологического процесса

При производстве портландцемента по сухому способу полученный после обжига сырьевой муки клинкер охлаждают в холодильниках и подают на склад, на котором создается промежуточный запас клинкера как полуфабриката, обеспечивающего бесперебойный выпуск заводом цемента в случае остановки печей. Кроме того, в клинкере при вылеживании совершается в естественных условиях ряд физико-химических процессов, способствующих повышению качества и стабилизации свойств цемента.

В клинкерных складах размещается также гипс и минеральные добавки. В основном получила применение силосная система хранения клинкера и добавок. Под силосами расположены весовые питатели, которые дозируют на сборный транспортер в заданной пропорции клинкер, гипс и добавки. По мере надобности их подают в бункера цементных мельниц для совместного помола. Для помола клинкера с добавками применяют почти исключительно шаровые мельницы. Клинкер размалывают по открытому или замкнутому циклу с применением одностадийного, а иногда и двухстадийного измельчения.

Большое влияние на производительность мельниц оказывает степень заполнения камер мелющими телами. Обычно камеру грубого измельчения заполняют на 26 - 32, среднего - на 26 - 30 и тонкого - на 24 - 30%.

При помоле материалов наблюдается значительное выделение теплоты, вызывающее нагревание мелющих тел и материала до 120 - 150С и более, что резко отрицательно сказывается на производительности помольных установок. В связи с этим размалывать следует только холодный клинкер. Кроме того, большое значение приобретают приемы, способствующие уменьшению температуры материала при его измельчении. Для этого применяют вентиляцию мельниц, а также впрыскивают в них воду. Иногда используют и орошение водой корпуса мельницы снаружи.

Вентиляция достигается просасыванием через барабан воздуха со скоростью 0.5-0.7 м/с с помощью аспирационной установки, в состав которой входят вентилятор, циклоны, а также рукавные фильтры или электрофильтр. В последних улавливаются тонкие частички, присоединяемые обычно к общей массе продукта.

Измельченный в мельнице материал поступает в сепаратор, где из него выделяются фракции тех размеров, какие требуются для готового продукта, а более крупные частицы направляются снова в мельницу на дополнительное измельчение. Таким образом, из материала непрерывно извлекаются наиболее дисперсные частички, которым особенно присуще свойство агрегироваться и прилипать к мелющим телам и стенкам мельницы. Благодаря этому производительность помольных установок возрастает на 10 - 20%.

Измельченный материал из мельницы в сепаратор подают элеваторами (ковшовыми и др.) или пневматическим транспортом.

Цемент, выходящий из мельничной установки, взвешивают для учета эффективности ее работы, а затем направляют на склады с помощью камерных насосов.

Хранят цемент обычно в железобетонных силосах. Для учета массы цементов при их хранении в силосах принимается насыпная плотность портландцемента 1450 кг/м и пуццоланового портландцемент 1100 кг/м.

2.2 Режим работы цеха

Режим работы цеха определяет количество рабочих дней в году, количество смен работы в сутки и рабочих часов в смене. Режим работы устанавливают в соответствии с трудовым законодательством по нормам технологического проектирования предприятий вяжущих веществ. В соответствии с нормами технологического проектирования для полного использования оборудования работа помольных цехов проектируется трёхсменной по прерывной неделе, что составляет 305 расчётных суток работы в год и 60 суток для профилактического и других видов ремонта оборудования, а также для периодической догрузки и перегрузки мелющих тел в мельницу.

Для определения суточной потребности в материалах нужно годовую потребность разделить на 305 суток, а для определения часовой потребности - суточную потребность в материале на 24 часа.

2.3 Расчет производительности цеха

2.3.1 Сырьевые материалы и топливо

При производстве портландцемента применяют разнообразные материалы, одни из которых идут непосредственно на изготовление клинкера, другие же в виде добавок используются при его помоле (гипс и минеральные добавки).

Сырьевыми материалами для производства клинкера служат карбонатные горные породы с высоким содержанием углекислого кальция и глинистые породы, содержащие кремнезем, глинозем и окись железа. В среднем на изготовление 1 т цемента требуется до 1,6 т исходного сырья. Наряду с материалами природного происхождения цементная промышленность во всеувеличивающемся объеме начинает использовать побочные продукты (отходы) разных отраслей промышленности, например доменные шлаки, золы, нефелиновый шлам и др. Имеется также опыт комплексного производства портландцемента и сернистого газа из смесей гипса или ангидрита (сернокислого кальция) с глиной.

Пригодность сырьевых материалов для производства портландцемента устанавливают на основании их всестороннего изучения.

В производстве портландцемента наиболее широко используются известняки и мел, а также мергели. Объемная масса плотных известняков достигает 2400-2700, а меловых пород - 1500-2000 кг/м³. Влажность этих материалов колеблется соответственно в пределах 2-6 и 15-30%.

Известняки и мел содержат до 90% и более углекислого кальция и небольшие количества кварцевого песка, глинистых минералов и др. По химическому составу эти материалы характеризуются преимущественным содержанием окиси кальция (до 50% и более) и С0₂ (до 40% и более). Они содержат также небольшие количества кремнезема, глинозема и др. Содержание окиси магния более 3-3,5% и серного ангидрида более 1-1,3% недопустимо.

При разработке технологической схемы производства портландцемента прежде всего учитывают химический и петрографический состав, а также физические свойства и влажность карбонатных пород.

Мергели, представляющие собой природную смесь мельчайших частиц углекислого кальция и глинистых минералов, являются ценным сырьем. По содержанию СаО, Si0₂, R₂0₃ в расчете на прокаленное вещество они близки к клинкеру. Мергели, в которых содержание СаС0₃ соответствует содержанию его в искусственно составленной сырьевой смеси, называются натуральными. Подобно известнякам и мелу мергели могут резко различаться по физическим свойствам: одни имеют плотную структуру и прочны; другие подобно мелу мягки, рыхлы и влагоемки. Объемная масса мергелей достигает 2200-2500 кг/м³, а влажность - 5-20%.

Глины представляют собой тонкодисперсные осадочные горные породы и легко дают суспензии, когда их разбалтывают с водой. Глины сильно различаются по минералогическому и гранулометрическому составу часто в пределах даже одного месторождения. Нередко они содержат значительное количество включений в виде песка и гравия, что вызывает необходимость предварительного их обогащения.

По минералогическому составу глины характеризуются преимущественным содержанием водных алюмосиликатов и кварцевого песка. Легкоплавкие глины состоят в основном из кремнезема (70-80%), глинозема (3-10%), окиси-железа (3-6%) и небольшого количества карбонатов кальция и магния. В отдельных случаях содержание окиси кальция может достигать 10-25%, а окиси магния - 3-5%. Иногда в глинах присутствуют соединения, содержащие S0₃, Na₂0 и К₂0. Включения веществ, содержащих эти окислы, а также MgO нежелательны и их количество должно быть минимальным. Влажность глин колеблется в пределах 15-25%. Объемная масса комовой глины 1800-2000 кг/м³.

В цементном производстве используются также глинистые сланцы и лёссы. Сланцы характеризуются слоистостью и значительной прочностью.

Нефелиновый шлам получается в виде отхода при производстве глинозема. В нем содержится 25-30% Si0₂, 2-5% А1₂0₃, 3-5% Fe₂0₃, 50-58% СаО и 3-8% других окислов, в частности щелочей (1,5-3%). При таком содержании окиси кальция к этому материалу достаточно добавить лишь 15-20% известняка для получения сырьевой смеси, используемой в производстве портландцемента. Применение нефелинового шлама увеличивает производительность печей на 20-30% и уменьшает расход топлива на 25%.

Доменные шлаки, содержащие до 40-50% окиси кальция, также весьма ценны в производстве портландцемента. Пока их применяют в недостаточном количестве на нескольких цементных заводах, в то время как на их базе возможна организация крупных производств портландцемента.

Поскольку не всегда удается получить клинкер требуемого химического и минералогического состава, изменяя только соотношение между двумя исходными компонентами - известняком и глиной, то применяют корректирующие добавки, содержащие значительное количество какого-либо из недостающих окислов клинкера. Например, содержание Si0₂ увеличивают добавкой высококремнеземистых веществ (трепела, опоки, диатомита или других пород). Недостаточное количество в сырьевой смеси окиси железа компенсируется добавкой колчеданных огарков или железной руды.

Для обжига сырьевых материалов в цементном производстве применяют твердое, жидкое и газообразное топливо. Лучшие виды топлива - жидкое и газообразное: они практически не содержат золы. При использовании твердого топлива зола частично входит в состав клинкера, изменяя соотношение между главнейшими окислами и увеличивая иногда содержание серного ангидрида, что отражается на свойствах цемента.

Отечественные заводы потребляют значительное количество топлива (каменного угля, мазута, природного газа). Стоимость топлива составляет около 40% себестоимости клинкера и до 25% себестоимости готового цемента. Поэтому экономии топлива на цементных заводах уделяется большое внимание.

От вида местного топлива часто зависит выбор конструкции печи. При обжиге в шахтных печах применяют короткопламенные угли, преимущественно антрациты, содержащие небольшое количество летучих (до 3-6%) и обладающие высокой теплотворной способностью (Qh =23000 - -29000 кДж).

При получении клинкера во вращающихся печах применяют топливо с теплотворной способностью не ниже 23000 кДж, содержащее 15-30% летучих, обеспечивающих надлежащую длину факела горения в печи и скорость сгорания. Зольность топлива может колебаться в пределах 10 - 20%. В связи с трудностью получения топлива с постоянным содержанием летучих применяют смеси короткопламенных и длиннопламенных углей. Это несколько осложняет производство, но позволяет создать устойчивый режим обжига.

Твердое топливо подают во вращающуюся печь в виде пыли. Это позволяет получить золу в дисперсном виде. Крупные частички топлива могут не успеть сгореть полностью и попасть в клинкер, что снижает его качество; кроме того, это сопряжено с потерей топлива и увеличением его расхода.

Зола в высокодисперсном виде полно и равномерно усваивается клинкером. Поэтому топливо следует размалывать до тонкости, характеризуемой остатком на сите №008 не более 8-12%. При этом степень измельчения топлива устанавливают в зависимости от содержания в нем летучих и золы. Чем больше летучих в топливе, тем грубее может быть помол; многозольное топливо требует более тонкого помола. Пылеугольную смесь подготовляют в специальных комбинированных установках для одновременной сушки и помола угля.

Углевоздушные смеси подвержены взрывам вследствие разогревания и самовоспламенения скоплений угля в трубопроводах и бункерах. Их следует проектировать и устанавливать так, чтобы предотвращалось образование «мертвых» зон и мешков, где могла бы скапливаться пыль. В трубопроводах, бункерах и других элементах установки следует предусматривать специальные клапаны. Образующиеся при взрыве газы через клапаны вырываются из замкнутой системы, что предотвращает ее разрушение.

Цементные заводы, оснащенные вращающимися печами и расположенные в районах с развитой нефтедобывающей промышленностью, в качестве топлива применяют мазут, теплотворная способность которого достигает 33500 - 42000 кДж/кг.

Мазут подают в печь насосами под давлением до 2 - 2,5 МПа (изб.) и распыляют с помощью форсунок. Для снижения вязкости его предварительно подогревают до 70 - 75°С.

Используется в цементной промышленности и природный газ - эффективный вид топлива. Применение газообразного топлива, характеризующегося теплотворной способностью 33 500-37000 кДж/кг, способствует увеличению производительности печных агрегатов, уменьшению расхода топлива (5%) и электроэнергии (10%), повышению производительности труда на 7-10%. Вместе с тем его применение требует серьезного экономического обоснования с учетом использования для изготовления многих высокоэффективных синтетических материалов (мономеров, пластмасс, волокон и т.п.).

2.3.2 Контроль производства цемента

Получать любой продукт, в том числе и цемент, на современных заводах можно только при строгом соблюдении всех технологических требований и правил и осуществлении производственного цикла при установленных оптимальных режимах работы всех механизмов и установок. Большое значение при этом имеет контроль производства, в процессе которого:

определяют качество исходных материалов и соответствие их свойств требованиям норм и технических условий;

выявляют свойства материалов и полуфабрикатов на всех стадиях производства и устанавливают их соответствие тем показателям, которые обеспечивают получение продукции требуемого качества;

наблюдают за работой приборов, механизмов и установок в заданных оптимальных режимах, обеспечивающих качественную переработку материалов при наилучших технико-экономических показателях;

определяют свойства получаемого цемента и их соответствие требованиям стандарта.

Контролировать производство нужно систематически на всех стадиях с помощью современных методов и приборов, обеспечивающих точность и возможность автоматизации контрольных операций. Быстрое вмешательство в ход производственных процессов позволяет устранять отклонения от заданных режимов и параметров и оптимизировать их.

Действенность производственного контроля зависит:

от правильного выбора мест отбора проб и определения технологических параметров (температура, влажность, подвижность смесей и т.д.);

от соответствия свойств пробы свойствам материала;

от периодичности отбора проб, их величины. В настоящее время созданы способы автоматического отбора проб материалов в процессе их переработки. При этом частота операций отбора проб и величина последних зависит от степени однородности материалов, размера потока, гранулометрии (при кусковых материалах) и других условий.

Исходные материалы контролируют по химическому составу, содержанию СаС0₃ (титр) в известняке, влажности сырья.

В сырьевом отделении проверяют состав смесей, тонкость их измельчения, влажность, текучесть и однородность титра. При производстве цементов становится обычным также контроль содержания в сырьевых смесях CaO, Si0₂, А1₂0₃ и Fe₂O_s. Химический анализ клинкера и цемента производится по ГОСТ 5382-73.

Качество клинкера определяют часто по его объемной массе, которая при правильном составе сырьевой смеси и надлежащем обжиге во вращающейся печи (мокрый способ) колеблется обычно в пределах 1550-1650 г/л.

Определяют также количество свободной окиси кальция, которое не должно превышать 1% для обычного клинкера и 0,2-0,3% для быстротвердеющего.

Контроль при помоле клинкера с добавками сводится к проверке соотношения по массе между клинкером, гипсом и другими компонентами, соответствия степени измельчения цемента нормативам, контролю температуры клинкера и получаемого продукта и к другим определениям. Цемент должен быть принят отделом технического контроля завода по ГОСТ 22236-76.

3. Охрана труда на цементных заводах

При большой насыщенности предприятий цементной промышленности сложными механизмами и установками по добыче и переработке сырья, обжигу сырьевых смесей и измельчению клинкера, перемещению, складированию и отгрузке огромных масс материалов, при наличии большого количества электродвигателей особое внимание должно уделяться при проектировании заводов и при их эксплуатации созданию благоприятных и безопасных условии для работы трудящихся. Охрана труда должна осуществляться в полном соответствии с «Правилами по технике безопасности и производственной санитарии на предприятиях цементной промышленности».

Следует подчеркнуть, что поступающие на предприятия рабочие должны допускаться к работе только после обучения их безопасным приемам работы и инструктажа по технике безопасности. Ежеквартально надо проводить дополнительный инструктаж и ежегодно - повторное обучение по технике безопасности непосредственно на рабочем месте.

На действующих предприятиях необходимо оградить движущиеся части всех механизмов и двигателей, а также электроустановки, приямки, люки, площадки и т.п. Должны быть заземлены электродвигатели, а также разного вида электрическая аппаратура. Необходимо предусматривать соответствующие устройства и установки подъемно-транспортных механизмов для безопасного ведения ремонтных работ.

Установку по сушке и помолу угля, трубопроводы, сепараторы, бункера для хранения пыли вследствие взрывоопасное надо оборудовать предохранительными клапанами. Установки по приготовлению угольной пыли должны работать под разрежением. Температура аэроугольной смеси при выходе из мельницы не должна превышать для тоших углей 100, подмосковных - 80, длиннопламенных и бурых - 70° С. Нельзя подсушивать пыль до влажности ниже гигроскопической.

Обслуживание дробилок, мельниц, печей, силосов, транспортирующих и погрузочно-разгрузочных механизмов должно осуществляться в соответствии с правилами безопасной работы у каждой установки.

Большое внимание следует уделять на предприятиях обеспыливанию воздуха и отходящих газов печей и сушильных установок с целью создания нормальных санитарно-гигиенических условий труда. В соответствии с санитарными нормами проектирования промышленных предприятий концентрация в воздухе помещений цементной и остальных видов пыли не должна превышать 0,04 мг/м³. Содержание в воздухе окиси углерода не допускается более 0,03, сероводорода - более 0,02 мг/м³. В воздухе, выбрасываемом в атмосферу, концентрация пыли не должна быть более 0,06 г./м³. При нормальной эксплуатации пылеочистных систем содержание пыли в выбрасываемом воздухе составляет 0,04-0,06 г./м³.

Для создания нормальных условий труда все помещения цементных заводов надо обеспечивать системами искусственной и естественной вентиляции.

Этому в большой мере способствует герметизация тех мест, где происходит пылевыделение, а также отсос воздуха из бункеров, течек, дробильно-помольных механизмов, элеваторов и т.п. В зависимости от мощности и величины различных механизмов и интенсивности пылевыделения рекомендуются следующие объемы воздуха (м³/ч), отсасываемого от;

щековых и молотковых дробилок……………. 4000-8000

элеваторов……………………………… 1200-2700

бункеров………………………………… 500-1000

мест перегрузки материалов ………………..300-3500

упаковочных машин………………………. 5000

Воздух, отбираемый из цементных мельниц, очищают с помощью рукавных или электрофильтров. В том и другом случаях при значительной концентрации пыли в аспирируемом воздухе необходимо устанавливать перед ними циклоны. При этом важно не допускать просасывание через 1 м² ткани фильтров более 60-70 м³ воздуха в 1 ч. Для очистки воздуха, отсасываемого из камер сырьевых мельниц, обычно устанавливают циклон и электрофильтр, соединенные последовательно. Воздух из сепаратора мельниц и головок элеваторов для очистки пропускается через рукавный фильтр.

Отходящие газы цементных печей подвергаются очистке для предотвращения загрязнения воздушного бассейна и территории, окружающей завод. Для этого устанавливают электрофильтры. Если же отходящие газы содержат значительное количество пыли (более 25-30 г/м³), то их сначала пропускают через батарею циклонов.

Производственные процессы на цементных заводах сопровождаются шумом, возникающим при работе многих механизмов и характеризующимся зачастую высокой интенсивностью, превышающей допустимую норму (90 дБ). Особенно неблагоприятны в этом отношении условия работы персонала в помещениях молотковых дробилок, сырьевых и цементных мельниц, компрессоров, где уровень звукового давления достигает 95-105 дБ, а иногда и более. Поэтому необходимо осуществление мероприятий по снижению шума у рабочих мест. К их числу относятся такие, как применение демпфирующих прокладок между внутренней стенкой мельничных барабанов и бронефутеровочными плитами, замена в сырьевых шаровых мельницах стальных плит резиновыми. При этом звуковое давление снижается на 5-12 дБ. Укрытие мельниц и дробилок шумоизолирующими кожухами, облицовка источников шума звукопоглощающими материалами также дает хороший эффект (снижение на 10-12 дБ).

4. Расчёт материального баланса производства

портландцемент производство цех сухой

включает определение потребностей отделения (цеха помола) в каждом исходном компоненте (клинкер, гипс, добавки) в расчёте на сухое вещество, а также в состоянии естественной влажности в год, сутки и час. В соответствии с нормами технологического проектирования для полного использования оборудования работа помольных цехов проектируется трехсменно по прерывной неделе, что составляет 305 расчётных суток работы в год и 60 суток - для профилактического и других видов ремонта оборудования, а также для периодической догрузки и перегрузки мелющих тел в мельнице.

1. Производительность завода в год 1400 тыс. т, в том числе портландцемента М 400 - 308000 т, а пуццоланового ПЦ М 300 - 1092000 т.

В год необходимо:

а) для портландцемента:

клинкера 308000 * 0,86 = 264880 т;

опоки 308000 * 0,09 = 27720 т;

гипса 308000 * 0,05 = 15400 т;

б) для пуццоланового ПЦ:

клинкера 1092000 * 0,65 = 709800 т;

опоки 1092000 * 0,30 = 327600 т;

гипса 1092000 * 0,05 = 54600 т;

2. Расчёт на сутки:

а) портландцемента 308000:305 = 1009,836 т;

для его получения необходимо:

клинкера 264880:305= 868,459 т;

опоки 27720:305= 90,885 т;

гипса 15400:305= 50,492 т;

б) пуццоланового ПЦ 1092000:305 = 3580,328 т;

для его получения необходимо:

клинкера 709800:305= 2327,213 т;

опоки 327600:305= 1074,098 т;

гипса 54600:305= 179,016 т;

3. Расчёт на час:

а) портландцемента 1009,836:24 = 42,077 т;

для его получения необходимо:

клинкера 868,459:24= 36,186 т;

опоки 90,885:24= 3,787 т;

гипса 50,492:24= 2,104 т;

б) пуццоланового ПЦ 3580,328:24 = 149,181 т;

для его получения необходимо:

клинкера 2327,213:24= 96,967 т;

опоки 1074,098:24= 44,754 т;

гипса 179,016:24= 7,459 т;

Сводная таблица материального баланса производства

Вид цемента	Цемент, т	Клинкер, т	Гипс, т	Опока, т сухой / влажный
	год	сутки	час	год	сутки	час	год	сутки	час	год	сутки	час
ПЦ М 400	308000	1009,836	42,077	264880	868,459	36,186	15400	50,492	2,104	27720/34927,2	90,885/114,515	3,787/4,772
ППЦ М 300	1092000	3580,328	149,181	709800	2327,213	96,967	54600	179,016	7,459	327600/412776	1074,098/1439,275	44,754/56,39
Итого	1400000	4590,164	191,258	974680	3195,672	133,153	70000	229,508	9,563	355320/447703,2	1164,983/1553,79	48,541/61,162

4.1 Расчет силосного склада

Силосные склады - железобетонные цилиндрические ёмкости с одним или двумя разгрузочными отверстиями, размером не менее 800 мм.

Для железобетонных силосов унифицированы четыре диаметра: 3,6,12 и 18 м. Высота цилиндрической части может быть различной и выбирают её с учётом максимальной расчётной высоты подачи цемента пневматическим транспортом.

Принимаем: диаметр - 18,0 м; высота 33,0 м; ёмкость силоса - 3000 м³

Геометрический объём V (в м³) силосного склада для каждого компонента составляет:

где А - производительность завода по цементу, любой расход клинкера, гипса, добавки, т/г.; C_h - число суток нормированного запаса; г - средняя насыпная масса материала, т/м; К₃ - коэффициент заполнения силоса, обычно принимаемый 0,9.

Число суток нормативного запаса принимают для клинкера - 4-10, активных минеральных добавок и гипса - 15-30; цемента - 10-20. Чем выше производительность цеха, тем меньше запас исходных материалов и продукции.

Размер силосных банок рекомендуется принимать одинаковым для клинкера, гипса и добавок.

В силосных складах хранятся только сухие материалы (остаточная влажность 1-2%). Насыпная масса сухих материалов составляет: для гипса - 1,35 т/м³; клинкера 1,5-1,65 т/м³; опоки 0,8-1,0 т/м³; портландцемента - 1,45 т/м³; пуццоланового портландцемента - 1,2 т/м³. Для каждого вида цемента силосы рассчитывают отдельно; для клинкера, гипса и добавок, исходя из годовой потребности суммарно для обоих видов цемента.

для цемента:

а) для портландцемента

V_C=(308000*10) / (365*1,45*0,9)=6466,173 м³;

Число силосов при Ш18 м, высоте 33,0 м. и объёме одного силоса 3000 м³, n₁=3 шт.;

б) для пуццоланового ПЦ:

V_C=(1092000*10) / (365*1,2*0,9)=27701,674 м³;

n₂=10 шт.;

для сырьевых материалов:

а) для клинкера

V_C=(974680*6) / (365*1,6*0,9)=11126,484 м³;

n₃=4 шт. при силосе с Ш18 м; h=33,0 м. и V=3000 м³;

б) для гипса

V_C=(70000*20) / (365*1,35*0,9)=3156,886 м³;

исходя из количества мельниц по технологическим соображениям, принимаем n₄=3 шт.;

в) для опоки

V_C=(355320*20) / (365*0,9*0,9)=24036,530 м³;

n₅=9 шт.;

Общее количество силосов - 29 шт.

4.2 Расчет производительности и количества шаровых мельниц

1. Основным оборудованием помольного отделения являются трубные (шаровые) мельницы, с размерами 3,2*8,5 м. Определяем расчётную производительность мельницы Q (т/ч) по формуле:

Q=6,45*V_n*vD_C*(m/V_n)^0,8*K*b*q,

где V_n - полезный объём мельницы, м³; D_C - диаметр мельницы в свету, м; m - масса мелющих тел, т; K - коэффициент, который принимается равным 1 при открытом цикле и 1,1-1,2 при замкнутом цикле; b - удельная производительность мельницы, в т/кВт*час потребляемой мощности; q - поправочный коэффициент на тонкость помола.

Если в процессе помола применяются добавки, то производительность мельниц увеличивается на 10-15%.

D_C - диаметр мельницы в свету равен заданному диаметру мельницы за вычетом толщины брони футеровки мельницы, которую условно можно принять равной 0,05 м.

D_C=D-2*0,05=3,2-2*0,05=3,1 м;

При расчёте полезного объёма мельницы следует учесть, что в мельнице есть по крайней мере одна перегородка, ширина которой 0,2 м. Поэтому из длины мельницы L, надо вычесть 0,2. Тогда полезная длина мельницы L_n=L - 0,2=8,5-0,2=8,3 м;

Значения поправочного коэффициента на тонкость помола q по остатку на сите

Остаток на сите 008, %	q
9,0	0,950
7,0	0,865

Значения удельной производительности (b) следует принимать:

при помоле пуццолановых портландцементов в пределах - 0,038-0,04;

остальных портландцементов - 0,036-0,038.

Массу мелющих тел рассчитывают оп формуле:

m=3,77*ц*D²_C*L_n=3,77*0,28*3,1²*8,3=84,198 т;

где ц - коэффициент заполнения мельницы, указанный в задании; D_C - диаметр мельницы в свету, м; L_n - полезная длина мельницы, м.

Производительность мельниц рассчитывается отдельно для каждого вида цемента, так как их тонкость помола (q) и размалываемость (b) разные.

N_M=6,45*V_n*vD_C*(m/V_n)^0,8 - полезная мощность мельницы, кВт.

V_n=(р*D²_C*L_n) / 4 = (3,14*3,1²*8,3) / 4 = 62,614 м³;

N_M=6,45*62,614*v3,1*(84,198/62,614)^0,8=900,925 кВт.

Для портландцемента М 400

Q^I=900,925*0,036*0,950*1,2=36,974 т/ч.

Для пуццоланового ПЦ М 300

Q^II=900,925*0,038*0,865*1,2=35,536 т/ч.

2. По часовой производительности мельницы с учётом режима работы помольного отделения можно рассчитать число мельниц, необходимое для обеспечения заданной производительности отделения. Количество мельниц для помола каждого вида цемента определяется по формуле:

n_1,2 = A¹₂ / (8760*K_u* Q^I,II),

где 8760 - число рабочих часов в году; A¹₂ - годовая производительность завода по заданному виду цента; K_u - коэффициент использования рабочего времени мельницы (0,85); Q^I,II - часовая производительность мельницы по заданному виду цемента.

а) для портландцемента М 400

n₁ = 308000 / (8760*0,85*36,974) = 308000 / 275308,404 = 1,119;

б) для пуццоланового ПЦ М 300

n₂ = 1092000 / (8760*0,85*35,536) = 1092000 / 264601,056 = 4,127;

Общий парк цементных мельниц определяют, складывая n₁ и n₂, т.е.

n_общ =n₁+n₂=1,119+4,127=5,246

принимаем n_общ =5 шт.

3. Наряду с производительностью для мельниц надо определить критическую и рабочую частоты вращения и требуемую мощность электродвигателя мельницы. Критическая недопустимая частота вращения мельницы определяется в рад/с и об/мин по формулам

n_кр = 4,05 / vD_C= 4,05 / v3,1=2,30 рад/с;

n'_кр = 42,3 / vD_C= 42,3 / v3,1=24,02 об/мин;

Оптимальная рабочая частота вращения

n_опт = 3,07 / vD_C= 3,07 / v3,1=1,74 рад/с;

n'_опт = 32 / vD_C= 32 / v3,1=18,17 об/мин;

4. Мощность электродвигателя (N) для вращения мельницы в кВт с учётом коэффициента полезного действия рассчитывают по формуле

N= (0,2*m*D_C*n'_опт) / з,

где з - механический коэффициент полезного действия привода, учитывающий потери на преодоление трения в подшипниках приводного механизма и цапфах. Для мельниц с периферийным приводом - з =0,83-0,85.

N= (0,2*84,198*3,1*18,17) / 0,85 = 1115,911 кВт.

С учётом пускового момента полученную мощность электродвигателя (N) надо дополнительно увеличить на 10-15%.

N_уст=1,15*N=1,15*1115,911= 1283,297 кВт.

4.3 Подбор сепараторов

Для мельниц, работающих в замкнутом цикле, необходимо подобрать диаметр сепаратора. По большей производительности мельницы подбираем центробежный сепаратор производительностью 37 т/час в количестве 2 шт. на мельницу d_наруж=5 м; d_внутр=3,6 м; высота = 8,55 м; мощность электродвигателя N_qb=47 кВт.

Суммарная производительность сепараторов должна быть на 20% выше производительности мельниц.

Общее количество сепараторов на весь парк цементных мельниц - 10 шт.

4.4 Расчет сушильного отделения

Сушку активных минеральных добавок производят в сушильных барабанах, вихревых сушилках и сушилках «кипящего слоя». При расчёте сушильного барабана используется величина объёмного напряжения количества влаги (в кг), испаряемой с 1 м³ сушильного пространства.

Количество испаряемой влаги W (в кг), подлежащей испарению из диатомита за час работы барабана, составляет:

W = ((W₁-W₂) / (100-W₁)) * Q_опоки, кг/час;