Источник: ЗАО Научно исследовательский центр «ГЦН» — Москва — 2007.
В настоящее время все более и более актуальным становится вопрос экономии топлива. Обжиг портландцементного клинкера является высокоэнергоемким производством. Расход топлива на производство 1 т клинкера по мокрому способу составляет — 200 кг условного топлива.
- по сухому — 130 кг условного топлива
На первый взгляд решение вопроса можно свести к отказу от мокрого способа производства и перевести все заводы на сухой способ. Но в угоду сухому способу нельзя забывать о качестве производимого клинкера. Хорошее качество клинкера зависит от многих факторов и в первую очередь от качества и вида сырья, т.е. от его химического и минералогического состава. Известно, что лучшие клинкера и цементы на их основе получаются из твердого сырья, т.е. из известняка средне- и мелкозернистой структуры. Но запасы высококачественных известняков для производства цемента весьма ограничены, в то время как в России имеются огромные запасы мягкого высококачественного карбонатного сырья — это тонкодисперсные мела с хорошим химическим составом и высокой реакционной способностью.
В России на меловых месторождениях строились заводы мокрого способа производства, которые производят цемент высокого качества. Это Себряковский, Ульяновский и другие заводы.
Качество клинкера обеспечивается не только тонкостью помола смеси, но еще ее гомогенизацией. При производстве сырьевой муки с использованием известняка особых сложностей с гомогенизацией не возникает.
При оценке переработки сухих сырьевых смесей большая часть исследователей констатирует, что тонкомолотая сырьевая смесь гарантирует лучшую ее гомогенизацию и как следствие надежную эксплуатацию печей и получение высококачественного клинкера. Однако отмечено на сухих смесях с использованием известняка, что при хранении сырьевой смеси и в циклонных теплообменниках происходит агломерация частиц материала. Это явление послужило основанием для предложения использования грубомолотой муки.
Еще в 70-х годах прошлого века было отмечено, что при сухом способе производства возникает явление агломерации при приготовлении, хранении, перемешивании и обжиге сырьевой смеси.
Исследования этого явления были проведены Тимашевым на смесях с использованием известняка, также подобным исследованиям были подвергнуты мергель, мел и глина.
Агломерация — это процесс окускования тонких материалов в результате нагрева возникающего в процессе трения .
Как правило сырьевая мука готовится из материалов, содержащих десятки минералов, которые неизбежно характеризуются микронеодноротностью состава и строения. Каждая сырьевая смесь является полидисперсной системой с размером частиц от 3-5 А0 до 200 мкм. В зависимости от гранулометрического состава и формы частиц меняются расстояния между ними и поверхность контактов в системе.
Получение гомогенной смеси разнородных дисперсных материалов осложняется еще и тем, что такой материал является активной системой, способной к саморегулированию своих свойств.
Стремление энергетически насыщенной дисперсной системы к уменьшению удельной поверхности делает неизбежной агломерацию порошков при измельчении, классификации, хранении и других процессах. Агломерация происходит селективно в соответствии с особенностями свойств перерабатываемых материалв. Размеры, форма, плотность и прочность образующихся агломератов зависят от размеров и аутогезионных свойств частиц, а также от условий технологического процесса.
Аутогезия — это частный случай адгезии, обозначающий взаимодействие однородных фаз, определяющийся силами межмолекулярного притяжения и усиливающийся если частицы электрически заряжены.
В порошках могут присутствовать агломераты размером от нескольких микрометров до нескольких сантиметров они нестабильны, имеют невысокую плотность, но тем не менее взаимодействие и сцепление частиц внутри их носят иной характер, чем взаимодействие между агломератами. В результате нарушается однородность смеси, стабильность процессов перемешивания и дозировки порошков.
С этим явлением мы столкнулись в процессе приготовления лабораторных сырьевых смесей путем перемешивания предварительно измельченных компонентов. Тонкодисперсный мел в сырьевой смеси образовывал агломераты размером до 1,5 мм.
Агломерация частиц в сухих сырьевых смесях происходит как в процессе помола, так и при хранении сырьевой муки.
При измельчении одновременно с диспергированием происходит агломерация однородных частиц, обусловленная наличием свободных связей, возникающих при механическом воздействии на частицы. В результате при достижении определенного предела удельная поверхность порошка остается стабильной, а при длительном измельчении возможно некоторое ее снижение из-за образования в процессе агломерации молекулярно-плотных структур, устойчивых к внешним воздействиям.
При сухом способе производства сырьевая мука после помола подается в смесительные силосы, представляющие собой цилиндрические железобетонные или металлические резервуары, в которых сырьевая мука тщательно перемешивается, состав ее усредняется и корректируется. Тщательно прокорректировать и перемешать сухую сырьевую муку в силосах труднее, чем шлам в бассейнах.
При хранении сырьевой смеси в свободно насыпанном состоянии сцепление частиц из-за шероховатости их поверхности и сил трения незначительно. Однако и здесь может возникнуть прочная связь между отдельными зернами при контакте наиболее активных участков.
В формировании аутогезионных контактов (притяжения однородных частиц) принимают участие молекулярные (ван-дер-ваальсовы), электрические, механические и кулоновские силы. Величина молекулярной компоненты аутогезионных сил зависит от формы и размеров частиц, а так зазоров между ними. Электрические силы возникают в результате донорно-акцепторных процессов с образованием электрического слоя, обусловленного электрической неоднородностью поверхности соприкасающихся частиц. Кулоновские силы, в отличии от электрических , определяются предварительным (природным) зарядом частиц, а не теми процессами, которые происходят в зоне контакта. Механические силы обеспечиваются зацеплением частиц.
От материала частиц зависит величина ван-дер-ваальсовых и электрических сил, а от их упругопластических свойств - площадь и прочность контактов. Форма частиц влияет как на прочность контактов. Так и на их число.
В работах Тимашева были определены аутогезионные характеристики компонентов цементной сырьевой смеси, по которым можно оценить склонность материалов к агломерации. Так для глин и мелов эти показатели в 4-5 раз выше, чем для известняка. Аутогезионные характеристики порошкообразных материалов должны учитываться при проектировании и эксплуатации соответствующего технологического оборудования.
Текучесть сырьевых смесей имеет прямую зависимость от аутогезионных характеристик материалов ее составляющих и их способности адсобировать влагу из воздуха. Отмечено, что в присутствии влаги прочность аутогезионных контактов возрастает при соответствующем снижении подвижности порошков. Это связано как с увеличением площади контактов вследствие образования мостиков жидкости между частицами, так и с возникновением капиллярных сил, стягивающих частицы за счет отрицательного гидростатического давления.
Подвижность сырьевых смесей можно варьировать путем снижения их влажности и загрубления помола до определенного предела.
Для получения гомогенных смесей необходимо препятствовать образованию аутогезионных контактов и разрушать их в случае возникновения. Эта задача решается, как правило путем аэрации порошкообразных материалов. Однако при этом возможно нарушение однородности их химического состава, особенно при существенных различиях зерен по размерам и плотности. Условия перемешивания улучшаются с повышением скорости вдуваемого воздуха.
Тонко дисперсные смеси менее подвижны, чем грубодисперсные, так как с уменьшением размера частиц увеличивается число контактов, в которых действуют силы аутогезии и трения, и сопротивление порошкообразного материала сдвиговому разрушению повышается.
Нежелательная агломерация порошкообразных материаловможет быть подавлена путем применения поверностно-активных веществ (ПАВ), адсорбирующихся на поверхности контакта частиц и снижающих их свободную энергию. Добавки ПАВ , повышающие текучесть смеси. Могут быть как гидрофильными - СПД, СДБ, так и гидрофобными - мылонафт. Преимущество последних заключается в том, что они препятствуют адсорбции паров воды и снижают капиллярную компоненту аутогезионных сил.
Все выше сказанное в большей степени относится к сырьевым смесям на основе известняка, размеры частиц которых можно регулировать тонкостью помола и держать на уровне 40-50 мкм. Для сырьевых смесей на основе тонкодисперсных мелов размер частиц которых примерно на 80% составляет 3-9 мкм, т.е. в 5-10 раз тоньше, ситуация усложняется. Как было сказано, мел , по своей природе имеет большую способность к аутогезионным контактам. Смеси на мелах имеют меньшую подвижность. Разрушение образующихся агломератов мела в сырьевой смеси путем аэрации малоэффективно, из-за более высокой прочности аутогезионных контактов и больших затрат энергии на аэрацию, чем для смесей на основе известняка.
Непосредственным следствием усиления аутогезионной способности сырьевых смесей на основе мела является как их агломерация во взвешенном состоянии, так и образование приваров на стенках запечных теплообменников. Селективное извлечение из сырьевой смеси материала с повышенной аутогезионной способностью ведет к изменению ее химического состава и нарушению однородности.
Использование ПАВ потребует дополнительных исследований. Примерно количество ПАВ может составлять 0,5% от количества сырьевой смеси, что для завода производительностью 1 млн т клинкера в год составит 7,5 тыс тонн ,т.е. несколько эшелонов в год, плюс дополнительные капитальные вложения на строительство отделения по хранению, транспортировке и дозированию ПАВ. При этом надо учитывать, что вещества используемые в качестве ПАВ являются агрессивными и дорогостоящими.
Исходя из того, что стихийная агломерация порошков является неизбежной необходимо это учитывать при выборе технологии приготвления сырьевой смеси.
В ЗАО "НИЦ "Гипроцемент-Наука" был проведен эксперимент по изучению зависимости распределения агломератов мела в сырьевых смесях от условий перемешивания. С этой целью были приготовлены 3 сырьевые смеси из одинаковых сырьевых материалов (мел месторождения из Воронежской области, суглинок и пиритные огарки). Компоненты были предварительно размолоты в одинаковых условиях и из них составлены три сырьевые смеси. Первая смесь была перемешена на валках в течение 2-х часов, вторая в таких же условиях перемешивалась 4 часа, третья смесь после перемешивания на валках в течение 2-х часов была перемешена с этиловым спиртом, что модулирует мокрый способ помола.
Из опытных смесей были отобраны по 4 точечные пробы на химический анализ. Результаты анализа представлены в таблице 1:
Таблица 1
Анализ полученных данных показывает, что смесь 3 имеет более равномерный химический состав.
Затем смеси были обожжены в высокотемпературной печи при 1390оС. На фотографиях полученных спеков смесей 1 и 2 заметны гнезда материала белого цвета (свободной окиси кальция) и эти спеки имеют пористую структуру, в то время как спек полученный из смеси 3 имеет равномерно плотную структуру нормально обожженного клинкера .
Этот эксперимент наглядно (в макро форме) подтверждает результаты исследований полученные Тимашевым и другими исследователями на уровне изучения явления агломерации, аутогезии и измерений прочности аутогезионных контактов материалов для производства цемента.
Мы считаем, что в силу природных факторов мелов, а именно их высокую склонность к аутогезии и высокую естественную влажность готовить сырьевые смеси по сухому способу нельзя. Смеси на основе мела приготовленные по сухому способу будут неоднородными и качество клинкера будет очень низким.
При решении проблемы использования мела представляется целесообразным так организовать процесс производства, чтобы сырьевая смесь подготавливалась по мокрому способу, который обеспечивает высокую степень гомогенизации, отсутствие агломератов и высокое качество клинкера. При мокром способе приготовления сырьевой смеси затраты электроэнергии на помол значительно ниже, чем при сухом помоле, упрощается корректировка и транспортирование сырьевого шлама.
Для снижения расхода топлива на обжиг клинкера можно использовать полусухой способ, с использованием пресс-фильтров, которые позволят снизить влажность смеси поступающей на обжиг.