автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Формирование и расчет состава сырьевой шихты для обеспечения минимальных энергозатрат при обжиге клинкера

, ! и

<• - • " • •' ' На правах рукописи

Текучёва Елена Васильевна

Формирование и расчёт состава сырьевой шихты для обеспечения минимальных энергозатрат при обжиге клинкера

Специальность 05.17.11 - Технология керамических, силикатных и тугоплавких неметаллических материалов.

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук в виде научного доклада

Москва 1998г

Работа выполнена в ОАО «Осколцемент», АО «НИИЦЕМЕНТ» и на кафедре химической технологии вяжущих веществ в БелГТАСМ.

Научные руководители:

академик МИА, доктор технических наук, профессор

член-корр. АЕ, доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, с.н.с.

Верднян М.А. Классен В.К.

Кузнецова Т.В. Никифоров Ю.В.

Ведущее предприятие: ЗАО «Белгородцемент»

Защита состоится

декабря 1998г. в

//

часов на заседании

диссертационного совета К 111.03.01 АО «НИИЦЕМЕНТ» по адресу: 107014, г. Москва, 3-й Лучевой просек, 12.

С научным докладом можно ознакомиться в библиотеке АО «НИИЦЕМЕНТ».

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью) просим направлять по адресу: 107014, г. Москва, 3-й Лучевой просек, 12.

Автореферат разослан ¿9 ноября 1998г.

Учёный секретарь диссертационного совета, Кандидат технических наук Г~

Панина Н.С.

Общая характеристика работы Актуальность проблемы. Снижение энергозатрат и повышение активности клинкера с целью снижения себестоимости цемента в условиях резкого сокращения производственных мощностей является актуальной задачей и нуждается в углубленном научном исследовании. Выполнение поставленной задачи для цементных заводов в настоящее время требуется осуществлять без существенных финансовых затрат, что возможно только при условии дальнейшего совершенствования и интенсификации действующих технологических процессов превращения исходного сырья в цемент.

Одним из перспективных направлений, позволяющих решить эту задачу, является оптимизация сырьевой шихты с применением эксергетического анализа в технологии цемента. Особенно остро эта задача стоит для заводов, использующих в качестве карбонатного компонента мела (ОАО «Осколцемент», ЗАО «Белгородский цемент», ОАО «Мальцовский портландцемент», ОАО «Себряковский цемент» и др.).

Традиционный подход к решению задачи оптимизации состава сырьевой шихты путём выбора вида и соотношения компонентов, получаемого через заданные параметры: коэффициент насыщения (КН), силикатный (п) и глинозёмный (р) модули, не позволяет получить нужное решение. При расчёте сырьевой шихты принимается во внимание только «химический фактор» и практически не учитывается при расчёте «технологический фактор», а именно: физико-механические свойства компонентов (размалываемость, плотность, пористость, влажность дисперсность «К» и т.п.), последующее агрегатное и схемное оформление процессов получения шлама и муки, а следовательно, их влияние на степень превращения, движение материала в мельницах, печи, пылевынос го печи «ПВ», перемешивание «П» и другие процессы. Поэтому необходим одновременный учёт физико-химических, физико-механических свойств сырьевых компонентов и конкретных технологий их превращения с единой мерой оценки их потенциальных энергетических характеристик.

Обобщённым показателем свойств этих компонентов и технологий их превращения, комплексно отражающим их энергетические возможности, является эксергетический показатель и соотношение эксергий потоков карбонатной и глинистой составляющих сырьевой шихты [патент №2093486]. Поэтому, оптимизация состава сырьевой шихты на основе применения эксергетического анализа является актуальной.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом госбюджетных и хоздоговорных НИР ОАО «Осколцемент»,АО «НИИЦЕМЕНТ», БелГТАСМ «Разработка высокоэффективных технологий получения цемента и других вяжущих материалов».

Цель работы. Снижение энергозатрат, пылевыноса из печи, повышение активности клинкера путём формирования и расчёта состава сырьевой шихты, её параметров с применением эксергетического анализа в производстве цемента. Для достижения поставленной цели выполнены исследования по следующим направлениям:

- Развитие эксергетического анализа для разработки теоретических основ метода формирования и расчёта состава сырьевой шихты, её параметров в технологии получения цементного клинкера.

- Комплексный анализ физико-химических, . , физико-механических, эксергетических характеристик исходных карбонатных, глинистых, железосодержащих компонентов, охватывающих широкий диапазон свойств шихт, шламов на их основе для большинства цементных заводов. Формирование состава сырьевых шихт с различными видами сырьевых компонентов и различными модульными характеристиками шламов

.......(КН,п,р).

- Определение численных значений эксергетических характеристик . сырьевых шихт. Оценка эффективности сформированных шихт и

эксергетических характеристик шлама на процесс сушки в лабораторных условиях.

-¡Разработка технологического метода формирования оптимального состава сырьевой шихты, её параметров, схемы приготовления шлама и алгоритма реализации метода. Разработка рекомендаций по оптимизации сырьевой шихты и схеме приготовления шлама на её основе.

- Проведение промышленных испытаний оптимальных сырьевых шихт на вращающихся печах мокрого способа производства цемента 5* 185м (ОАО «Осколцемент»),

Научная новизна.

- Развит существующий метод выбора оптимальной сырьевой шихты для производства цемента, выразившийся в применении эксергетического анализа при формировании и расчёте состава сырьевой шихты.

- Сформулированы теоретические основы метода формирования сырьевой шихты в технологии получения клинкера.

- Выполнен комплексный анализ физико-химических, физико-механических, технологических, эксергетических характеристик карбонатных, глинистых, железосодержащих компонентов, сырьевых шихт, шламов и клинкеров на их основе.

- Установлена влияние эксергетических характеристик шихты на свойства шлама при его сушке, чем меньше разница между соотношениями скоростей термической диссоциации карбонатных и алюмосиликатных потоков (ат) и зксергий этих потоков (осе), тем больше область пылеулавливания и меньше область пылеобразования.

- Разработан технологический метод оптимизации состава сырьевой шихты, её параметров, схемы приготовления шлама и алгоритм его реализации.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

Определены численные значения эксергетических характеристик сырьевых компонентов, шихт Старооскольского, Себряковского, Щуровского, Брянского, Белгородского цементных заводов, а также соотношения эксергетических значений карбонатного и глинистого потоков (ссе), интенсивностей термической диссоциации соответственно карбонатного и глинистого потоков (От).

- Результаты работы подтверждены промышленными испытаниями при работе на следующих сырьевых шихтах, шламах на их основе:

• Мел СГОКа + глина СГОКа + бокситы Архангельского месторождения + железосодержащие добавки (3 части огарок Уваровских + 1 часть ферросплав «Тулачермет»); КН=0,91; п=2,3; р=1,4; \Ушлама=37,5%; Ro2=2,8%. При этом удельный расход топлива на обжиг клинкера(цт) снижен с 221,2кгу.т./т до 211,1кгу.т./т; активность клинкера(А) повышена с 50,ЗмПа до 52,7мПа; пылевынос из печи(ПВ) снижен с 35т/ч до ЗОт/ч.

• Мел СГОКа + глина СГОКа + глина углистая + железосодержащая добавка( 3 части огарок Уваровских + 1 часть ферросплав «Тулачермет»); КН=0,90; n=2,2; р=1,3; W=39%; Ro2=2,4%. При этом qT снизился с 221,2кгу.т./т до 207,5кгу.т./т; А увеличилась с 50,ЗмПа до 53,7мПа; ПВ снижен с 35т/ч до 26т/ч.

• Мел СГОКа + глина СГОКа + ферросплав «Тулачермет»; КН=0,86; п=2,4; р=0,9; W=39,l%; Ro2=2,61%. При этом qT снизился с 221,2кгу.т/т до 209кгу.т./т; А снизилась с 50,ЗмПа до 49мПа; ПВ снижен с 35т/ч до 24т/ч.

• Мел СГОКа + глина СГОКа + ферросплав «Тулачермет» + Новолштецкий шлак; КН=0,91; n=2,2; р=1,3; W=37,8%; Ro2=2,65%. При этом qT снизился с 221,2кгу.т./т до 208кгу.т./т; А осталась на прежнем уровне - 50,5мПа; Q повышена с 69,4т/ч до 73,3т/ч; ПВ снизился с 35т/ч до 26т/ч.

- Предложена технологическая схема приготовления шлама, предусматривающая различную степень измельчения шламов с низким («Н») и высоким («В») коэффициентами насыщения.

- Получены предложения на проведение аналогичной работы по оптимизации сырьевой шихты от других цементных заводов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзных и Международных конференциях в г. Белгороде, 1987-1997гг; на Всесоюзном научно-техническом совещании в г. Губкине, 1990г; на конференции молодых учёных в г. Харькове, 1986г; на Международном совещании по химии и технологии цемента, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, 199бг;оп the 2-nd Int'l Seminar on Cement, 18-20 November 1996, Iran University of Science & Technology; на XIX Всероссийском совещании начальников лабораторий цементных заводов, 1998г; на технических советах ОАО «Осколцемент», 19901998гг.

Публикации. Материалы диссертации отражены в 29 публикациях, в том числе в полученных 5-ти авторских свидетельствах СССР.

1. Теоретические основы метода формирования и расчёта состава

сырьевых шихт

Для достижения технико-экономических показателей на действующих цементных заводах мокрого способа производства цемента, сравнимых с сухим способом производства цемента, необходимо под одним научным воззрением и типовыми техническими решениями рассматривать в комплексе всю технологическую цепочку «сырьё - шихта - шлам, мука - клинкер - цемент, другие вяжущие», как единый процесс механотермохимических превращений в системе. Первостепенное значение здесь имеет оптимизация состава сырьевых многокомпонентных шихт для получения шлама и термообработанной

тонкомолотой сырьевой муки. Методологической основой оптимизации сырьевых шихт является эксергетический анализ в технологии цемента.

Обобщённым показателем свойств сырьевых компонентов, шихт на их основе и - технологий их превращения, комплексно отражающим их энергетические возможности, является эксергетический показатель и главное, соотношение : эксергий потоков карбонатной и глинистой составляющих сырьевой шихты (аЕ). Показано, что с увеличением эксергий шлама Еш и клинкера Е* расход топлива qт уменьшается (уравнение 1,2) , а активность клинкера Ак увеличивается (уравнение 3,4).

'ят=283-0,168Еш (1) Чт=26993-20,86ЕК (2) ; АК=438+0,122ЕШ (3) АК=254+0Д93ЕК (4)

Отсюда следует, что с теоретической точки зрения оптимальная сырьевая шихта - это такая шихта, полученные шлам или мука, из которой для обычной вращающейся печи или новой обжиговой системы обеспечивают одновременно минимальные энергозатраты при их приготовлении и обжиге, и максимально возможную активность клинкера.

Из эксергетического баланса системы « сырьё-шлам-клинкер» следует, что в общем виде энергозатраты при получении шлама и обжига клинкера определяются, прежде всего, свойствами шлама, которые зависят и регулируются целым рядом параметров, указанных ниже:

{qT, Э, Ак, ПВ}={(свойства шлама) (5)

Свойства шлама =f (сыр. шихта; изм.; перем.); (6)

Е F • -*-/шл ¿-'мах » (7)

ЪЕГ 1Г(ТГ°С) ,1ЛИ aE-OtT; ACX^min (8)

Сыр. шихта = f (вид. комп.; аЕк; ЬЕГ; КН; п; р); (9)

Изм.= f (оборудов.; схема; Ro2;AV); (10)

Оборудов. - f(D;L; L/d3KB; N; ф; р); (И)

Схема =f( разд.; совм.; комбин.; t„,M); (12)

Ro2=f(3; a*Rk; b*Rr); (13)

f aEv \

W= f K ), при растекаемости = const; (14)

1 ЪЕГ J

Перемешив. = ((способа перемеш.; т„еремеш.)» (15)

Обозначения: qт, Э - удельный расход топлива (кгут/т) и электроэнергии (кВт-час/т); Ак - активность клинкера (мПа); ПВ - пылевынос из печи (т/ч); а,Ь — доли карбонатного, глинистого компонентов соответственно; ф - степень заполнения измельчающей средой; р - живое сечение (%); N - число камер в мельнице; О - диаметр.мельницы (м); с!эю) - эквивалентный диаметр зоны измельчения (м); Ь - длина мельницы (м); 11к Дг- соответственно дисперсность

карбонатного, глинистого компонентов; 1к, 1г - интенсивность термической диссоциации соответственно карбонатного, глинистого компонентов.

В связи с этим можно считать, это основной задачей на переделе «сырьё -шихта» является формирование из различного числа имеющихся в заводских условиях сырьевых материалов сырьевой шихты. Блок-схема такого передела с указанием преобразуемого и преобразующих потоков дана на рис.1.

Р р

Цщ

Анализ, выбор компонентов, дробление, транспортировка

к 1 А 1

Еэ

Ет

аЕ, вЕгл

сЕ,

Рис.1 Условная блок-схема подсистемы «сырьё-шихта»

Уравнение энергетического баланса для данной подсистемы в соответствии с общим уравнением Ем+ЕПре0б=Ец+ЕП0Терь, (16)

имеет вид:

Еисх-сыр^Ещ,—Ещ+Епотерь; (17) Епр-Еэ+Еф; (19)

Еисх.сьф=Ек+Ег+Ед; (18) Еш=аЕк+вЕгл+сЕд; (20)

С точки зрения энергопотребления на данном переделе задача заключается в выборе таких компонентов сырьевой шихты и их соотношения, эксергетические значения которых обеспечивают одновременное выполнение условий (7,8). Выполнение условия (7) обеспечивает максимальное значение эксергии сырьевой шихты, а условия (8) - максимальную скорость взаимодействия компонентов на начальной стадии твёрдофазовых реакций клинкерообразования, т.к. обеспечивается равенство соотношения эксергий карбонатного и алюмосиликатного потоков соотношению скоростей термической диссоциации компонентов, составляющих эти потоки.

Анализ уравнений эксергетического баланса (16-20) показывает, что значение эксергии исходной шихты в основном определяется эксергией выбранных компонентов и в меньшей мере зависит от Ещ, в виду её незначительности. Поэтому необходимо стремиться к выбору исходных компонентов, обладающих высокими значениями их эксергии и обеспечивающих условия (7,8). Соблюдение этих условий определяет оптимальный выбор компонентов и параметры сырьевой шихты: КН, влажность(\У), тонкость помола (II). Однозначность решения(7) и (8) свидетельствуют о существовании одного оптимального варианта сырьевой шихты. Но могут иметь место и отклонение от оптимума, достигнуть или приблизиться к которому можно только уже на стадии приготовления сырьевой смеси (шлама или муки). Таким образом, на основе эксергетического анализа показана и обоснована необходимость разработки нового подхода к решению

проблемы оптимизации состава сырьевых шихт, обеспечивающих минимальные энергозатраты при производстве портландцементного клинкера.

2. Комплексная оценка свойств исходных сырьевых компонентов Для исследования были выбраны такие сырьевые компоненты, которые возможны для использования на ОАО «Осколцемент», а также аналогичные и в то же время различающиеся по виду карбонатные, глинистые, железосодержащие компоненты, позволяющие охватить значительное число сырьевых шихт для многих цементных заводов.

В качестве модельных материалов для исследований использовались наиболее разнообразные по природе основные сырьевые компоненты и составленные на их основе шихты, применяемые следующими цементными заводами: Старооскольским, Белгородским, Щуровским, Себряковским, Брянским. Выбранные материалы: карбонатные компоненты - 8 единиц; глинистые компоненты - 10 единиц; железосодержащие добавки - 10 единиц, достаточно представительно отображают многообразие видов типовых сырьевых продуктов, используемых при мокром способе производства цемента.

Все разновидности карбонатных пород разделены на три группы:

1. Мела, применяемые и возможные к применению на ОАО «Осколцемент» - №№1,2,3,4.

2. Мела, используемые на Себряковском, Брянском, Белгородском цементных заводах - №№5,6, 7.

3. Известняк Щуровский - №8.

Выбранные глинистые компоненты разделены также на три группы :

1. Глины, используемые на Старооскольском, Себряковском, Брянском, Белгородском, Щуровском цементных заводах - №№9,10,11,12, 13.

2. Алюминатные добавки, используемые и возможные к применению на вышеперечисленных заводах-№№14,15,16,17.

3. Опоковидные мергели, возможные к использованию на Старооскольском цементном заводе -№18.

Железосодержащие компоненты разделены на две группы:

1. Железосодержащие добавки, применяемые на всех вышеперечисленных

' заводах-№№19,20,21,27.

2. Железосодержащие добавки, возможные к применению на цементных заводах - №№22,23,24,25,26,28.

Были определены физико-химические, физико-механические, эксергетичес-кйе параметры 28 компонентов. Химический анализ выполнялся по ГОСТ 538293; измерения плотности, пористости по методике Остапенко П.Е.; удельной поверхности по £N-196.6; ДТА - на дериватографе системы МОМ; фазовый состав с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-3. Значения эксергий исходных компонентов определялись по данным, приведённым в диссертационной работе Адаменко О.Е.. Расчёт эксергии карбонатного компонента выполнялся по уравнению:

Екар=[(Хсао*ЕсаО+ХА1203*ЕА1203+Хре203*Ере203+Х8Ю2*Е8102+Хм8о*Ем80+ Xsoз•|'Esoз+XR2o*ER¿o+Xшm*Enшl)и'{(l-Xw)+Xw*Ew}]*f/l; (21)

где X - содержание конкретного оксида в смеси; Е - эксергия конкретного оксида; \У — естественнаявл'ажность; £ - фактор компактности -фаз,

количественно определяемый по плотности карбонатного компонента; 1 - коэффициент разветвлённости пор, учитывающий различия в пористости карбонатов. Химический состав сырьевых компонентов приведен в табл.1.

Таблица 1

Химический состав исходных сырьевых компонентов

№. п. п Сырьевые компоненты Содержание оксидов, масс %

8Ю2 А1203 Ге203 Сао MgO ппп БОз к2о 2

; > * 1.. Карбонатаьй компоненты ■■ ; н-'.'^'Н:"^'; ■ ■ изии;'

1 Мел СГОКа, 4-й уступ 3,73 0,60 0,27 52,31 0,30 41,11 0,16 0,01 98,49

2 Мел СГОКа, 3-й уступ 1,67 0,28 0,15 54,64 0,12 42,65 0,07 0,06 99,64

3 Мел СГОКа, 2-й уступ 2,48 0,36 0,17 54,11 0,10 42,19 0,08 0,09 99,58

4 Мел СГОКа, 1-й уступ 2,09 0,30 0,17 54,38 0,10 42,54 0,08 0,08 99,74

5 Мея Себряковскшг 2,01 0,70 0,32 54,82 0,33 42,19 - - 100,3 7

6 Мел Брянский 4,59 0,55 0,48 51,18 0,29 41,07 0,09 - 98,25

7 Мел Белгородский 1,33 0,51 0,31 54,07 0,29 42,85 - - 99,36

8 Известняк Шуровский 2,20 0,39 0,05 49,46 2,02 42,43 - - 96,55

• --; Глинистые компоненты' - '."'.."!':.'."' ■ '

9 Глина СГОКа 68,15 13,05 4,53 1,63 1,20 6,84 0,1 1,6 97,1

10 Глина Себряковская 59,08 12,49 5,61 7,01 3,24 10,27 - 2,28 99,93

И Глина Брянская 63,54 15,01 6,62 2,39 1,80 8,93 0,1 1,70 100,09

12 Глина Белгородская 68 13,98 4,64 1,9 1,24 8,42 0,07 1,22 99,47

13 Глина Щуровская 42,07 12,25 4,93 14,35 1,98 19,99 . - 95,57

14 Глина Семилукская 35,76 22,75 1,46 2,84 0,36 37,23 0,04 0,15 100,61

15 Бокситы Арханг-е 24,40 45,46 7,33 4,42 0,21 14,79 1,65 0,12 98,38

16 Сланец ЛГОКа 53,40 20,04 11,53 0,88 0,69 8,11 0,10 3,20 97,95

17 Зола Себряковская 43,64 17,21 14,16 3,33 2,20 16,61 - 3,48 100,63

18 Опоковидные мергели 41,11 5,14 2,41 24,28 0,88 22,07 0,46 1,27 97,62

г ; ; Железосодержащие компоненты . . ;

19 Ферросплав «Тулачермет» 15,0 1,84 41,17 10,20 2,46 - 9,32 0,17 80,16

20 Огарки Себряковские 18,75 4,24 56,25 3,12 1,57 - - - 83,93

21 Огарки Уваровские 11,17 2,79 68,93 3,40 0,81 - 3,43 0,40 90,93

22 Огарки Каменск-Шахтинские 15,46 3,18 69,04 2,11 1,33 - 1,90 0,36 93,38

23 Шлам-брикет Новолипецкий 3,71 0,67 79,54 12,53 1,15 - 0,84 0,24 98,68

24 Пыль ОЭМКа 7,56 2,53 56,89 10,30 5,57 3,93 0,87 1.7 89,35

25 Пыль колошниковая 14,40 4,78 40,57 11,07 2,20 13,01 11,90 1,77 100,7

26 Железосод-я доб. №1 8,94 2,76 50,37 6,39 5,94 1,97 4,25 1,05 81,67

27 Железосод-я доб. №2 8,94 2,90 63,82 6,16 3,35 1,97 4,50 1,1 92,74

28 Железосод-я доб. №3 12,21 4,02 56,16 6,55 1,66 1,54 9,66 0,32 92,12

Железосодержащая добавка №1 состоит из: 1 части огарок Уваровских и 1 части пыли ОЭМК ; добавка №2 из 1 части огарок Уваровских и 1 части пыли колошниковой ; добавка №3 из 1 части огарок Уваровских и 1 части шлам-брикета Новолипецкого.

Все отобранные карбонатные компоненты содержат от 49 до 55% СаО и от 1 до 4% БЮг- Глины характеризуются различным содержанием БЮг - от 42 до

68%; А1203 - от 12 до 15% и СаО - от 1 до 14%. Состав железосодержащих компонентов необычайно разнообразен, содержание ГегОз изменяется от 40 до 80%, причём оксид железа представлен Бе20з (огарки, ферросплав) или БеО, Без04 (шлам-брикет, пыль ОЭМК). Содержание А120з в алюминатных добавках колеблется от 17 до 45%, 8Ю2 - от 24 до 53%, Ре203 - от 2 до 14% и представлены каолинитом, монтмориллонитом и бёмитом. •

При незначительном различии по химическому составу карбонатные компоненты неодинаковы по физическим свойствам, так влажность колеблется от 10,1 до 28,5%. Наиболее плотный - мел 1, 2 уступа СГОКа и известняк Щуровский, соответственно они имеют минимальную пористость. Карбонатные компоненты обладают различными температурными границами декарбонизации: от 680-9б0°С в меле №1 до 760-1000°С в меле №6. Эксергия карбонатного компонента изменяется от 200(Щуровский) до 220 кДж/кг (Белгородский) и максимальной эксергией обладает мел №7, характеризующийся наибольшей пористостью. Опоковидный мергель характеризуется высокой эксергией, равной 360 кДж/кг в результате наличия глинистых компонентов. При исследовании 207 проб мелов Стойленского, Белгородского, Копанищенского, Логовского месторождений была подтверждена взаимосвязь эксергии карбонатного компонента с его физико-механическими характеристиками. Наибольшей эксергией обладают мела с наименьшей влажностью и наибольшей пористостью. Так эксергией более 300 кДж/кг обладают мела с влажностью 12% и пористостью 50-^60%.

Алюмосиликатные компоненты в зависимости от минералогического состава характеризуются более широким температурным интервалом реакции дегидратации глинистых минералов. Их эксергия изменяется от 530(Щуровская) до 1б24кДж/кг(бокситы) и определяются в основном содержанием А120з и Бе203. Эксергия железосодержащих компонентов изменяется от 78б(ферросплав) до 1472кДж/кг(шлам-брикет) и определяется в основном содержанием Ре20з.

Таким образом, впервые выполнен эксергетический анализ широкой гаммы сырьевых компонентов, являющихся типовыми для большинства цементных заводов. Применительно к сырьевой базе АО «Осколцемент» установлено, что по эксергетической характеристике меловой поток отличается от глинистого, что вызывает необходимость достижения соответствия эксергии потоков между собой.

3. Формирование составов сырьевых шихт и исследование их

свойств

Численное значение параметров физико-химических, физико-механических и , эксергетических характеристик выбранных исходных компонентов позволили сформировать 19 сырьевых шихт с учётом различных видов компонентов и различных модульных характеристик шлама(табл.№2).

Оценка свойств сырьевых шихт осуществлялась по кинетике усвоения СаОсв; по интенсивности процесса агрегирования шламов методом определения удельной массы шлама на цепях в зависимости от влажности шлама; по эксергетическим характеристикам шихты (табл.№3). Первые 5 шихт являются типовым и для Старооскольского, Брянского, Белгородского, Щуровского заводов и характеризуются близкими модульными характеристиками. Как

показали расчёты, эксергия шихт различна. Наибольшей эксергией, равной 340кДж/кг, обладает Старооскольская шихта(1), наименьшей -Щуровская 299кДж/кг(3). Целесообразно рассматривать эксергетическую характеристику шихт по Да=аг-аЕ, которая для Щуровской шихты является максимальной 0,7. Исследование процесса минералообразования по кинетике усвоения СаОС8 показывают, что шихта №3 является наименее реакционноспособной, содержание СаОсв при 1450°С без выдержки составляет 4,2%. Следует отметить шихты Брянского(2), Белгородского(4) и Себряковского(5) заводов, характеризующихся низким Да, как наиболее реакционноспособные. Ввод в Старооскольскую шихту бокситов(б), глины Семиукской(7), мергеля(8,9) приводит к изменению эксергетических характеристик, Еш можно увеличить до 434кДж/кг при замене части мела мергелем(8), но при этом Да не уменьшается и реакционная способность смеси не улучшается. При вводе бокситов, Семилукской глины Да уменьшается до 0,4; 0,3 соответственно и улучшается реакционная способность этих шихт -содержание СаОсв при 1450°С составляет в шихте 6 - 0,4%, в шихте 7 - 0%.

Таблица 2

Компонентный состав сырьевых шихт

№ шихты Номер компонента - %

1 1-75,66 9-17,97 16-3,86 27-2,51

2 6-81,89 11-15,26 15-1,36 21-1,48

3 8-71,79 13-25,72 19-2,49

4 7-75,79 12-22,56 21-1,65

5 5-77,14 10-18,32 17-3,08 20-1,46

6 1-77,87 9-17,38 15-1,83 27-2,91

7 1-77,05 9-16,49 14-3,55 27-2,91

8 1-75,27 9-6,85 16-9,44 18-6,85 27-9,60

9 1-71,56 16-11,8 18-15,37 27-1,27

10 1-75,49 10-16,65 16-6,88 20-0,98

11 1-62,74 13-19,21 19-18,05

12 1-64,49 13-22,76 19-12,79

13 1-62,24 13-18,16 19-19,60

14 6-81,72 9-5,57 16-11,61 27-1,11

15 7-77,60 9-13,16 16-7,0 27-2,25

16 8-80,14 9-14,05 14-2,32 19-3,49

17 8-77,33 9-10,32 14-7,15 19-5,20

18 8-80,02 9-15,45 14-0,12 19-4,41

19 5-78,94 9-13,70 16-5,15 27-2,21

Как видно, наибольшее влияние на реакционную способность шихты оказывает Да, которая должна стремится к минимальной величине(Да-»пип) в заводских условиях при отсутствии возможности введения дополнительного компонента эксергию шихты можно повысить изменением КН,п,р, но при этом Да-»пип.

Характеристика шихт и кинетика /своения СаО

ТаблицаЗ

шихты КН N Р Ещ, кДж/кг «Е ат Да Содержание СаОсв, (%), при температуре, °С

1300 1450

1 0,91 2,35 1,35 340 1,1 1,7 0,6 : 22,3 .2,2

2 0,92 2,30 1,3 315 1,4 1,6 0,2 6,3 0,5

3 0,92 2,20 1,49 299 1,1 1,8 0,7 11,9 4,2-

4 0,89 2,46 1,35 328 1,2 1,6 0,4 8,7 0,7

5 0,91 2,35 1,35 305 1,2 1,7 0,5 2,8 0

6 0,91 2,35 1,35 340 1,2 1,6 0,4 8,1 0,4

7 0,91 2,35 1,35 320 1,4 1,7 0,3 6,6 0

8 0,91 2,35 1,35 434 1,1 1,6 0,5 12,6 : 2,3

9 0,91 2,35 1,35 333 0,95 1,6 0,75 13,2 2,2

10 . 0,91 2,35 1,35 341 0,97 1,8 0,83 11,9 2,7

11 0,96 1,0 0,32 378 1,3 1,8 0,5 2,6 1,0

12 0,96 1,25 0,48 360 1,2 1,8 0,6 6,1 1,5

13 0,96 0,94 0,29 384 1,4 1,8 0,4 0,4 0

14 0,91 2,3 1,4 325 1,2 1,7 0,5 5,8 0,5

15 0,91 2,3 1,3 340 1,2 1,7 0,5 7,7 2,2

16 0,97 0,6 1,22 295 1,5 1,7 0,2 15,4 6,1

17 0,92 2,0 1,22 325 1,2 1,8 0,6 .14 1,1

18 0,97 2,6 0,90 290 1,6 1,7 0,1 7,8 0,9

19 0,9.1 2,35 1,35 332 1,3 1,7 0,4 7,0 0

Для исследования технологических свойств сырьевых пшхт(ПВ) были проведены лабораторные исследования процесса агрегирования модельных шламов на установке БелГТАСМ, представляющей модель холодного конца печи с цепями. . Все модельные шламы приготавливались с влажностью, обеспечивающей растекаемость шлама 55мм. 5 литров шлама заливалось в установку, через которую пропускался горячий воздух, температура которого измерялась до и после установки. Каждые 20 минут из установки вынималась цепь с прилипшим шламом и определялась удельная масса шлама на цепи тм/тц. Постепенно увеличивался вес шлама на цепях, и после критической величины начиналось освобождение цепей от высохшего шлама. Эксперимент заканчивался при полном освобождении цепей от материала. Все кривые имеют одинаковый характер, налипание материала и сбрасывание, однако критическая влажность у всех шламов различна и изменяется от 28 до 18%(рис.2). Следует выделить два участка на кривых; 1 - зона до критической влажности (зона пылеулавливания) и 2 - зона после критической влажности (зона пылеобразования). Чем быстрее и при большей влажности происходит сход материала с цепей, тем вероятнее образование гранул и тем меньше зона пылеобразования, Впервые обнаружена взаимосвязь между поведением шлама при высушивании и его эксергетическими характеристиками.

50 40 30 20

Влажность, %

50 <0 30 20 10

Влажность, %

Рис. 2 Изменение удельной массы шлама на. цепях при высушива.нии.

Старооскольские шламы различного компонентного состава(1,8,9) имеют критическую влажность при 33-35%, малую зону пылеулавливания и высокую

Да=0,6-0,73. Введение в шихту бокситов и Семилукских глин (6,7) снижает критическую влажность до 21-27%, значительно увеличивает зону пылеулавливания и улучшает эксергетическую характеристику Да=0,4;0,3. Следует особо отметить поведение Себряковского (5),Брянского (2), Белгородского (4) шламов. У них максимальная величина удельной массы шлама на цепях, большая площадь зоны пылеулавливания и малая зона пылеобразования. Подтверждается зависимость: при малой величине Да шлам характеризуется большой областью пылеулавливания. Сырьевая смесь №19 занимает промежуточное положение и характеризуется низкой удельной массой на цепях и в равной степени налипанием и сбрасыванием материала с цепей.

Так установлена взаимосвязь между эксергетической характеристикой Да и поведением шлама при высушивании, чем ниже Да , тем больше область пылеулавливания, меньше область пылеобразования и тем вероятнее будет меньше пылевынос из печи. Для Старооскольского завода являются оптимальными шихты №6,7 с введением бокситов и Семилукской глины. 4. Применение эксергетического метода для разработки технологической схемы приготовления шлама По результатам исследования разработан технологический метод формирования и расчёта состава сырьевой шихты для обеспечения минимальных энергозатрат при обжиге клинкера. Блок-схема выбора оптимальной сырьевой шихты и схемы её превращения дана на рис.3. Видно, что необходимые технологические и технические решения зависят от соотношения значений эксергий для карбонатного и глинистого потоков. Например, если значение аЕк=ЬЕг соответствуют условию (7,8), то целесообразна их совместная обработка; если аЕк>ЬЕг, то возникает необходимость достижения большей степени превращения глинистого компонента, вплоть до его замены в первом случае и, наоборот, карбонатного -во втором, что требует раздельного способа их подготовки. Для условий Старооскольского цементного завода, в случае использования модельной с/шихты №1 и с/шихт №№6,7 - аЕк>ЬЕ,.. В связи с этим были проведены лабораторные исследования по определению влияния тонкости помола шлама с высоким ICH («В») и низким КН («Н») на реакционную способность сырьевой шихты и прочность клинкера.

Для этого на основе сырьевых компонентов (мел и глина СГОКа, сланец ЛГОК, ферросплав, шлам-брикет) были приготовлены сырьевые смеси №№20+23 с применением «Н» и «В» шламов с различной степенью их тонкости помола:

- Шлам с «В» КН и тонкостью помола (остаток на сите №02) -14%.

- Шлам с «В» КН и тонкостью помола (остаток на сите №02) - 22%.

- Шлам с «Н» КН и тонкостью помола (остаток на сите №02) -1,5%.

- Шлам с «Н» КН и тонкостью помола (остаток на сите №02) - 0,5%.

А также приготовлен контрольный шлам на основе «Н» и «В» с равным остатком на сите №02 - 3,3%. Образцы-таблетки из сырьевых шихт 20+24 подвергли обжигу в печи с силитовыми нагревателями при температуре Т =1280,1420°С с выдержкой при максимальной температуре 40 мин., затем в

спёках определили СаО св. Кинетика спекания сырьевых шламов 20+24 приведены в таблице №4.

Виды компонентов

Кар Гл

Ф-Х Ф-М

Бе

Минер, состав

ДТА

Возможные композиции шихт

I

Приведенные шиты (КН,п,р,) + уаг

Эксергические характеристики компонентов, шихт, шламов, клинкеров, патент №2093486

%Кар/ % Г» уаг

а,> СХ2 > а3

1 ■

а2

а3

К

кг-^л К^Тл

5 ^ г

ШЩ Шл2 Щл3

1 ' 1

КН; Пь Рь 1*008» Ре,

Перемешивание

Патент №2104251

дкн 0,005

Кц; 1 г

печь

Кл

41 1 Э; А,|

Рис 3. Блок-схема выбора оптимальной сырьевой шихты и схемы её превращения.

Полученные клинкера (спёки) смололи с гипсовым камнем и изготовили образцы (1х1х1)-10"2м в растворе 1:3 для определения активности через 3-е и 28 суток. Результаты определялись как средние из 6 образцов (таблица 4). Гидратационная активность клинкера из контрольного шлама(24) составляет 28,5 через 3 суток и 49,2мПа через 28 суток. Следует подчеркнуть, что клинкера №22,23, приготовленные на основе 2-х шламовых потоков: крупномолотого

шлама «В» и тонкомолотого шлама «Н», с остатком готового шлама 5,15,8% обладают более высокой гидратационной активностью, как в 3, так и в 28 суток-11з=40,6-43,6мПа; 1^=52,3-54,ОмПа.

Таблица 4

Влияние схемы приготовления сырьевого шлама на минералообразование и __активность клинкера__

№ п/п Остаток на сите №02,% Содержание СаОсв, %, при температуре, °С Прочность на сжатие, Мпа

В Н Шлам 1280 1420 3 суток 28 суток

20 22 1,5 8,5 17,4 6,8 26,1 47,9

21 22 0,5 7,9 12,9 6,3 28,0 48,0

22 14 1,5 5,8 9,8 3,9 40,6 52,3

23 14 0,5 5,1 9,0 2,7 43,9 54,0

24 3,3 3,3 3,3 11,3 4,9 28,5 49,2

Даже увеличение тонкости помола «В» шлама до 22% позволяет получать клинкер, близкий к активности контрольного клинкера. Итак, при разработке технологической схемы приготовления шлама применён эксергетический метод анализа, позволяющий по соотношению эксергий карбонатного и глинистого потоков рекомендовать совместный, раздельный или комбинированный способ подготовки шлама.

5. Промышленные испытания исследуемых шихт

На Старооскольском заводе на вращающихся печах 5x185м были использованы шламы, приготовленные на основе сырьевых шихт №6 (мел и глина СГОКа, бокситы Архангельского месторождения, огарки, ферросплав) и №7 (мел и глина СГОКа, глина Семилукская, огарки, ферросплав). Кроме того, в целях оптимизации традиционной заводской сырьевой смеси №1 проведены её промышленные испытания с модульными характеристиками КН=0,86; п=2,39; р=0,91(25) и вводом Новолипецкого шлака(26), позволяющие повысить её эксергетические характеристики. Средние результаты промышленных испытаний сведены в таблицу №5.

Введение бокситов, особенно Семилукской глины позволило повысить производительность печи на 1,2т и снизить удельный расход условного топлива с 221,2 до 207,5 кгу.т./т. Следует отметить подтверждение результатов лабораторных исследований по снижению пылевыноса из печи с 35 до 26 т/ч и повышению гидратационной активности цемента с 50,3 до 53,7мПа.

Введение шлака в сырьевую шихту позволяет снизить Да до 0,2, что приводит к снижению расхода топлива с 221,2 до 208 кгу.т./т и пылевыноса с 35 до 26 т/ч. Увеличение эксергии глинистого потока путём снижения КН до 0,86 приводит к снижению Да до 0,1; к снижению Ят до 209кгу.т./т и пылевыноса до24т/ч. Таким образом разработан и подтверждён в промышленных условиях технологический метод формирования и расчёта

состава сырьевой шихты, её параметров, схемы алгоритм его реализации.

превращения и

• Таблица 5

Результаты промышленных испытаний.

№ шихт Компонен. Состав Шихт Ж, % &02> % кн П Р Ещ Да р. т/ч Чт> кг/т пв, т/ч Ак, мПа

1 Мел, глина СГОК, сланец ЛГОК, огарки, ферросплав 37,5 3,3 0,91 2,3 1,3 340 0,6 69,4 221,2 35 50,3

6 Мел, глина СГОК, огарки, ферросплав, бокситы 37,5 2,8 0,91 2,3 1,4 340 0,4 70,1 211,1 30 52,7

7 Мел, глина СГОК, огарки, ферросплав, глина Семилукская 39 2,4 0,90 2,2 1,3 320 , 0,3 70,6 207,5 26 53,7

25 Мел, глина СГОК, ферросплав 39,1 2,6 0,86 2,4 0,9 311 0,1 71 209 24 49,0

26 Мел, глина СГОК, сланец ЛГОК, шлак, ферросплав 37,8 2,7 0,91 2,2 1,3 311 0,2 73,3 208 26 50,5

Общие выводы

1. Выполнен комплексный анализ физико-химических, физико-механических, технологических, эксергетических характеристик карбонатных, глинистых, железосодержащих компонентов, сырьевых шихт, шламов на их основе, являющихся типовыми для большинства цементных заводов. На основе проведённого анализа Показана и обоснована необходимость разработки нового подхода к решению проблемы оптимизации состава сырьевых шихт, обеспечивающих минимальные энергозатраты при получении портландцементного клинкера.

2. Развит существующий метод выбора оптимальной сырьевой, шихты для производства цемента, выразившийся в применении эксергетического анализа при формировании и расчёте состава сырьевой шихты.

3. Определены численные значения эксергетических характеристик сырьевых компонентов, шихт, шламов на их основе. Оценена эффективность сформированных шламов в лабораторных условиях. Показано:

- взаимосвязь эксергии карбонатного компонента с его физико-механическими параметрами - плотностью, пористостью и влажностью, наибольшей эксергией обладают карбонатные компоненты с наименьшей влажностью и наибольшей пористостью;

- реакционная способность сырьевых шихт коррелируется со значениями осей ах, удовлетворяющих условию (8). Наиболее высокой реакционной способностью обладают исследуемые сырьевые шихты №№2,4,5,6,7,13,14,19, для которых характерны минимальные значения

- Да-разницы между соотношением интенсивности термической диссоциации карбонатного потока к алюмосиликатному потоку ат и соотношением эксергии карбонатного потока к алюмосиликатному потоку аЕ;

- взаимосвязь между эксергетической характеристикой Да и свойствами шлама при сушке. При Да=0,2-0,5(с/шихты№№2,4,5,6,7,13>14,19) зона пылеулавливания значительно больше зоны пылеобразования.

4. Разработан технологический метод оптимизации состава сырьевой шихты, её параметров, схемы приготовления шлама и алгоритм реализации метода,заключающийся в:

a) определении числа принципиально возможных к использованию альтернативных сырьевых компонентов;

b) определении количественных значений эксергий этих компонентов и выполнении этапа оптимизации состава сырьевой шихты по условию:

ЕМах 5

= или аЕ=ат; да-»тш;

ЪЕГ 1Г(ТГ°С)

c) формулировании требований по приготовлению сырьевого шлама (муки), предусматривающую совместную, раздельную или комбинированную обработку компонентов, схем приготовления, учитывая соотношение эксергий карбонатного и глинистого потоков-при а*Ек=Ь*Ег необходим совместный помол сырьевых компонентов; при а*Ек/Ь*Е[>1 - раздельный помол компонентов с большей степенью дисперсности глинистого потока; при*Ек/Ь*Ег<1 - раздельный помол компонентов с большей степенью дисперсности карбонатного потока.

5. Разработан алгоритм оптимизации дисперсности сырьевого шлама ОАО «Осколцемент» путём раздельного измельчения шлама с «Н» и «В» КН. Показано, что дисперсность шлама с «Н» КН должна быть выше дисперсности шлама с «В» КН и составляет: 11о2(«Н»)=0,5-ь1,5%; Ко2(«В»)=14°/о, при общей дисперсности готового шлама Ко2=5,1-5,8% .

6. Результаты работы внедрены на вращающихся печах Старооскольского цементного завода. При работе вращающихся печей на сырьевых шламах:

- Мел СГОКа + глина СГОКа + бокситы Архангельского месторождения + железосодержащие добавки (3 части огарок Уваровских + 1 часть ферросплав «Тулачермет»); КН=0,91; п=2,3; р=1,4; WШлaмa-37,5%; 11о2=2,8%. При этом удельный расход топлива на обжиг клинкера^т) снижен с 221,2кгу.т./т до 211,1кгу.т./т; активность клинкера(А) повышена с 50,ЗмПа до 52,7мПа; пылевынос из печи(ПВ) снижен с 35т/ч до ЗОт/ч.

- Мел СГОКа + глина СГОКа + глина углистая + железосодержащая добавка( 3 части огарок Уваровских + 1 часть ферросплав «Тулачермет»); КН=0,90; п=2,2; р=1,3; W=39%; Ко2=2,4%. При этом снизился с

17 .-■<,:

221,2кгу.т./т до 207,5кгу.т./т; А увеличилась с 50,ЗмПа до 53,7мПа; ПВ , снижен с 35т/ч до 26т/ч.

- Мел СГОКа + глина СГОКа + ферросплав «Тулачермет»; КН=0,86; п=2,4; р=0,9; W=39,l%; Ro2=2,61%. При этом qT снизился с 221,2кгу.т/т до 209кгу.т./т; А снизилась с 50,ЗмПа до 49мПа; ПВ снижен с 35т/ч до 24т/ч.

- Мел СГОКа + глина СГОКа + ферросплав «Тулачермет» + Новолипецкий шлак; КН=0,91; n=2,2; р=1,3; W=37,8%; Ro2=2,65%. При этом qT снизился с 221,2кгу.т./т до 208кгу.т./т; А осталась на прежнем уровне 50,5мПа; Q повышена с 69,4т/ч до 73,3т/ч; ПВ снизился с 35т/ч до 2бт/ч.

7. Получены предложения на проведение аналогичной работы от других цементных заводов.

Содержание диссертации изложено в 29 работах. Основные из них:

1. Классен В.К., Брыжик A.B., Классен А.Н., Текучёва Е.В., Хлусов В.Б. Способ производства цементного клинкера// A.C. №1583379, 18.05.1987г.

2. Вердиян М.А., Брыжик A.B., Тынников И.М., Бачурин В.В., Скворцов Ю.А., Нетёсин А.Д., Текучёва Е.В., Федосеев Д.Ф. Способ обжига клинкера // A.C. №1495323,13.07.1987г.

3. Вердиян М.А., Брыжик A.B., Тынников И.М., Скворцов Ю.А., Нетёсин А.Д., Бачурин В.В., Головин E.H., Назин В.В., Текучёва Е.В., Федосеев Д.Ф. Способ регулирования процесса обжига клинкера // А.С.№147511, 22.12.1988г.

4. Канаев В.К., Опалейчук Л.С., Озерова И.В., Анпилов М.А., Текучёва Е.В. Способ приготовления цементного сырьевого шлама // A.C. №1682338, 3.01.1989г.

5. Классен А.Н., Текучёва Е.В. Использование вскрышного мергеля СГОКа для производства цемента // Международная конференция г. Белгород, 1995г., ч,1

6. Классен В.К., Журавлёв П.В., Текучёва Е.В. Использование шлака ОЭМК в производстве цемента// Международная конференция г. Белгород, 1995г.

7. Брыжик A.B., Кудрявцев В.П., Рубежанский A.B., Текучёва Е.В., Балашов С.Б., Перескок С.А., Журавлёв П.В. Влияние металлургических шламов на когезионные свойства шламов и процесс обжига клинкера // Международная конференция г. Белгород, 1997г.

8. Осокин А.П., Альбац Б.С., Акимов В.Г., Панюшкин В.Н., Брыжик A.B., Текучёва Е.В. Разработка малоэнергоёмкой технологии портландцемента из низкоосновных смесей // Международная конференция г. Белгород, 1997г.

9. Пыркова И.В., Классен В.К., Беляева В.И., Текучёва Е.В. Гидратационная активность клинкера в зависимости от железосодержащего компонента // Международная конференция г. Белгород, 1997г.

10.-11.Вердиян М.А., Бобров Д.А., Адаменко O.E., Текучёва Е.В., Воронин A.B., Фидельман В.Г. Эксергетический анализ при снижении энергозатрат в технологии цемента//ж. Цемент, №5-6,4.3-4,1995г.

12.-13. Вердиян М.А., Каушанский В.Е., Адаменко O.E., Шевинский Я.С., Текучёва Е.В., Фидельман В.Г. Оптимизация состава сырьевой шихты для обеспечения минимальных энергозатрат при обжиге клинкера // ж. Цемент и его применение, №9-10, ч.1-2,1997г.

М.Вердиян М.А., Третьяков В.Н., Текучёва Е.В. и др. Раздельный, совместный и комбинированный способы измельчения твёрдых тел в одной мельнице //Доклады I Международного IX Всесоюзного совещания по химии и технологии цемента, Москва. - 1996.

15.Вердиян М.А., Каушанский В.Е, Текучёва Е.В. и др. Методика оптимизации состава сырьевой шихты, обеспечивающая снижение энергозатрат при обжиге клинкера// Труды Международной конференции, Белгород. - 1997. -ч.4.

16.Текучёва Е.В., Тынников И.М. Новый подход к выбору составов сырьевых шихт, технологических систем помола шлама // Тезисы докладов XIX Всероссийского совещания начальников лабораторий цементных заводов, Москва. -1998.

.-7

Подп.впеч. 19.11.1998 Заказ №35 Объём 1.0 п.л. Тираж 100 «Техполиграфцентр» МАДИ, Москва, Ленинградский пр., 64.