Пневмотранспорт – Розрахунок відділення помелу цементу на цементному заводі – Частина 1

Виходячи з таких даних: Energomash Advance – Пневмотранспорт

Продуктивність цементного заводу становить 1,2 мільйона тонн на рік, з виробництвом портландцементу марки 500 з добавками обсягом 20% і сульфатостійкого шлакопортландцементу марки 500 з добавками обсягом 80%. Склад цементної суміші для портландцементу з добавками (цемент №6) містить клінкер – 81%, гранульований доменний шлак – 14%, двоводний гіпс – 5%. Для сульфатостійкого шлакопортландцементу (цемент № 15) склад містить клінкер – 80%, діатоміт – 15%, двоводний гіпс – 5%. Вологість шлаку становить 21%, а діатоміту – 18%. Застосовуються млина розміром 5,2 × 16,5 м, що працюють у закритому циклі. Коефіцієнт заповнення млинів становить φ = 0,26. Тонкість помелу залишку на ситі з сіткою 008 для цементу №6 становить 6%, а цементу №15 – 3%.

Вступ

Цемент – це ключовий матеріал у будівництві, який використовується вже понад 160 років. В останні 60 років було зроблено значні наукові відкриття, які покращили існуючі види цементу та сприяли створенню нових різновидів. Більшість із цих відкриттів припало на долю радянських учених.

В даний час основні види цементу – портландцемент, шлакопортландцемент та пуцолановий цемент. Всі вони виготовляються на основі клінкеру, що виходить у результаті випалу сировинної суміші в печах. Випал відбувається у обертових або вертикальних печах. Оскільки вертикальні печі мають низьку продуктивність, вони використовуються досить рідко.

Випал у печах, що обертаються, може бути сухим або мокрим. При мокрому методі сировинна суміш вводиться в піч у вигляді напіврідкої маси, що містить близько 40% води. При сухому методі сировина, зазвичай попередньо підсушена і подрібнена, подається в піч у порошкоподібному стані.

Мокрий метод виробництва цементу набув найбільшого поширення на вітчизняних заводах. Загальна технологічна схема цього методу включає:

1. видобуток сировини та її доставку на завод;
2. дроблення та мокрий помел сировини;
3. корекцію хімічного складу сировинної маси;
4. підготовку палива для випалу;
5. випал та отримання клінкеру;
6. помел клінкеру та отримання цементу.

Основними сировинними компонентами виготовлення цементу є глина і вапняк. Перевезення сировини до сировинного цеху здійснюється різними видами транспортних систем, такими як стрічкові конвеєри, залізничні та автомобільні транспортні засоби, повітряно-канатні дороги та інші. Вапняк, що надходить у сировинний цех, піддається подрібненню у спеціальних дробарках. Вибір типу дробарки та його продуктивність залежить від продуктивності заводу та фізичних характеристик сировини.

Для подрібнення глини та її змішування з водою використовуються валкові дробарки та глиноболтушки. Процес дроблення вапняку на сучасних заводах поділено на дві стадії. Перша стадія – дроблення у дробарках великого дроблення, де вапняк зменшується до розмірів 200 – 300 мм. Потім слідує друга стадія – дроблення в дробарках дрібного дроблення, де вапняк розбивається на частини розміром 25 – 30 мм.

Після дроблення дрібнодроблений вапняк і глина з водою направляються в кульовий млин для подальшого тонкого подрібнення. Вода подається до млина в такий спосіб, щоб готова суміш мала вологість 36 – 40%. Отриманий шлам транспортується відцентровими насосами до циліндричних басейнів для зберігання. При необхідності корекції хімічного складу шлам перекачується з одного басейну в інший.

Готовий, коригований шлам зберігається у горизонтальних прямокутних чи циліндричних басейнах. Для забезпечення рівномірного перемішування шламу у цих басейнах використовуються пневмомеханічні мішалки. З горизонтальних басейнів шлам прямує до живильників печі. Живильники забезпечують надходження шламу в піч у необхідних кількостях і поступово.

Під час обертання печі шлам під дією сили тяжіння переміщається до розвантажувального кінця. Гарячі гази рухаються назустріч шламу. Після ряду фізичних та хімічних перетворень шлам переміщається в зону спікання. Тут при температурі 1450 – 1550°C відбувається спікання шламу, перетворюючи його із простої суміші глини та вапняку на цементний клінкер.

Коли клінкер досягає розвантажувального кінця печі, він прямує в холодильник для охолодження. Охолоджений клінкер транспортується і зберігається на клінкерному складі, де зберігаються різні добавки, такі як трепел, шлак, гіпс і т.д. Використовуючи ці добавки можна отримати різноманітні види цементу. Для отримання готового цементу клінкер з добавками поміщається в млини для тонкого помелу. Подача матеріалу до млинів здійснюється за допомогою грейферних кранів.

Для помелу клінкеру використовуються трубні млини діаметром до 3,2 метра та завдовжки до 15 метрів. Під час роботи внутрішній простір цементного млина піддається вентиляції, щоб видаляти вологу та знижувати температуру. Пилоповітряна суміш з млина проходить через фільтр, де тонкий цементний пил уловлюється і осідає.

Готовий цемент зазвичай транспортується з млина в залізобетонні ємності, які називаються силосами, з використанням пневматичних насосів. Звідси цемент може бути поданий безпосередньо до залізничних вагонів – хопри або упакований у спеціальні мішки за допомогою спеціалізованих машин. Крім основного технологічного обладнання, цементні заводи також оснащені допоміжними установками та системами транспортування, включаючи насосні станції та компресорні пристрої.

Асортимент продукції

Асортимент, що випускається в цьому цеху, включає два види цементу: портландцемент з мінеральними добавками марки 500 і шлакопортландцемент сульфатостійкий марки 500.

Портландцемент є сполучним матеріалом, що отримується шляхом подрібнення клінкеру з добавками і гіпсом. При взаємодії з водою він утворює зручнооброблювану масу, здатну твердіти у воді або в повітрі.

Хімічний та мінералогічний склад портландцементного клінкеру характеризується такими характеристиками:

Коефіцієнт насичення кремнезему вапном (КН), який є відношенням кількості оксиду кальцію в клінкері, пов’язаного з кремнекислотою, до її теоретичної кількості для повного зв’язування до трикальцієвого силікату. Значення КН перебуває у діапазоні 0,85 – 0,95.
Силікатний кремнеземний модуль, який є відношенням процентного вмісту кремнекислоти в клінкері до суми процентного вмісту оксидів алюмінію і заліза. Значення РМ перебуває у діапазоні 1,7 – 3,5.
Гліноземний модуль, який є відношенням відсоткового вмісту оксиду алюмінію до відсоткового вмісту оксиду заліза в клінкері. Значення ГМ типових портландцементів перебуває у діапазоні 1 – 2,5.

Портландцемент має певні властивості. Це дрібний порошок сіро-зеленого кольору із питомою вагою 3,25. Об’ємна вага у вільному стані (γ) становить 1220 кг/м3, а в ущільненому стані шляхом вібрації (γуп) – 1780 кг/м3. Кут природного укосу становить 41 – 42°. Характерними рисами портландцементу є швидке наростання міцності, повна повітронепроникність, водостійкість у прісній воді та достатня морозостійкість у бетоні та розчинах.

Важливо, що склад цементу впливає об’ємні деформації. Наявність гідросилікатних гелів у цементному камені, що тверділа, може викликати деформації пов’язані з усадкою або набуханням, що залежить від умов твердіння і мінералогічного складу.

Підтримка тепла є також характеристикою цементу в процесі твердіння. Величина тепловиділення цементу залежить від його складу, тонкості помелу, кількості води та температури навколишнього середовища. Тому точне визначення тепловиділення для цього цементу шляхом розрахунку неможливе.

Водопроникність бетонів та розчинів на портландцементі значною мірою залежить від складу та водоцементного відношення. Морозостійкість та корозійна стійкість також залежать від щільності бетону та складу цементу. Добавки в цемент зменшують морозостійкість та корозійну стійкість, хоча поверхнево-активні та повітровтягуючі добавки можуть поліпшити ці характеристики.

Зчеплення з арматурою через 28 днів твердіння становить R ц = 50 кг/см2, співвідношення R ц/R28 = 0,14.

Портландцемент марки 500 знаходить застосування у таких областях:

• Виготовлення збірних залізобетонних конструкцій.
• У гідротехнічних спорудах, що працюють у прісній воді, а також для зовнішніх частин монолітного бетону масивних споруд і для плит оболонок, що знаходяться в зонах із рівнем води, що змінюється.
• У аеродромному будівництві.
• При бетонних роботах з швидким розбиранням опалубки та для зимових бетонних робіт методом ‘термосу’ з використанням додаткового підігріву (пропарювання, електропідігрів).
• У виробництві азбестоцементних виробів.
• У дорожньому будівництві.

Однак застосування портландцементу в підводних частинах гідроспоруд, що піддаються дії морської або мінералізованої води без спеціальних заходів захисту, є неприпустимим. У таких випадках слід використовувати спеціалізовані види портландцементу, такі як сульфатостійкий, сульфатостійкий пуццолановий і пуццолановий цемент, а також шлакопортландцемент.

Сульфатостійкий портландцемент має підвищену стійкість у середовищах, що містять сульфати. Він виходить шляхом спільного помелу цементного клінкеру, гіпсу та добавок. Для цього типу цементу характерні такі хімічні та мінералогічні характеристики клінкеру:

• Зміст трикальцієвого силікату трохи більше 50%.
• Зміст трикальцієвого алюмінату трохи більше 5%.
• Глиноземний модуль щонайменше 0,7.
• Сумарний вміст С3A + С4AF у клінкері не повинен перевищувати 22%.

Для отримання сульфатостійкого портландцементу активні мінеральні добавки не вводять. За сприятливих умов у деяких випадках може бути дозволено додавання невеликої кількості таких добавок при помелі, але вони повинні відповідати стандартам, що пред’являються активним мінеральним добавкам, або, якщо використовуються гранульовані доменні шлаки, стандартам для таких шлаків.

Сульфатостійкий портландцемент поділяється на три марки: 400, 500 і 600, виходячи з показників міцності. Відмінною рисою цього цементу є знижене тепловиділення, зумовлене помірним вмістом тепловиділяючих мінералів.

Сульфатостійкий портландцемент найбільш раціонально використовувати для залізобетонних і бетонних конструкцій, що піддаються впливу сульфатів на рівні води, що змінюється, а також для виготовлення паль, опор мостів, молів, що діють в умовах мінералізованих вод. Для підводних частин морських і океанських споруд також допускається використання сульфатостійкого портландцементу, але в деяких випадках краще застосовувати сульфатостійкий портландцемент пуццолановий.

Теоретичні основи подрібнення матеріалу у кульових млинах

Кінцевий етап виробництва портландцементу полягає у помелі клінкеру.

Клінкер є напівфабрикатом, який потрібно подрібнити з добавкою гіпсу і гідравлічної добавки, щоб отримати портландцемент.

Одним з важливих факторів для портландцементу є ступінь подрібнення або тонкість помелу. Вона впливає на міцність та швидкість затвердіння цементу.

Подрібнення клінкеру проводиться у трубних млинах з використанням відкритого та замкнутого циклів помелу. Важливою характеристикою є твердість клінкеру.

Відмінною особливістю подрібнення клінкеру в порівнянні з подрібненням сировинних матеріалів при сухому способі виробництва портландцементу є більш висока твердість клінкеру.

Для досягнення потрібної якості портландцементу необхідний певний гранулометричний склад.

Тонкість помелу вимірюється через залишок на ситі N 008 і питому поверхню, яка становить 8-12% і приблизно 2500-3000 см 2 /г відповідно.

Витрати електроенергії на подрібнення залежать від тонкості помелу та підвищуються зі збільшенням тонкості.

Застосування замкнутого циклу помелу підвищує продуктивність млина на 10–20% завдяки відокремленню найдрібніших частинок від загальної маси.

Для сепарації цементу використовують відцентрові сепаратори. Продуктивність залежить від тонкості помелу.

Замкнена схема помелу забезпечує цемент вищої якості та фізико-механічних властивостей завдяки однорідному зерновому складу та зменшенню середнього розміру цементного зерна.

Регулювання сепаратора дозволяє отримати цемент із заданим зерновим складом та поверхнею.

Збагачення цементу мінімальними фракціями, які затримуються у фільтрах для очищення аспіраційного повітря млина, також сприяє отриманню цементу швидкотвердіючого. У процесі виробництва цементу методом відкритого помелу до частини цементу додається пил з фільтрів.

Для того щоб запобігти накопиченню пилу на тіл, що мелють, і обшивці, використовуються інтенсифікатори помелу, такі як вугілля і сажа. В даний час також практикується впорскування розпорошеної води в останню камеру млина обсягом 0,5-1,0% від маси цементу. Це суттєво знижує температуру цементу до 70–80 градусів замість звичайних 100–150 градусів. Вода подається автоматично, коли температура цементу на виході з млина досягає 100-110 градусів.

Зниження температури також досягається охолодженням корпусу млина та інтенсивною аспірацією. У процесі аспірації з млина видаляються найменші фракції цементу, які можуть зменшувати енергію розмелювання тіл, що мелють. Великі обсяги холодного повітря (до 300 м³ на 1 тонну цементу) просмоктуються через млин для охолодження футерування корпусу, тіл, що мелють, і цементу.

Охолодження цементу має кілька цілей: скорочення часу його витримування на складі, запобігання відпустці гарячого цементу (що призводить до швидкого затвердіння та обмежує його використання в бетоні) та покращення продуктивності млина.

Щоб домогтися охолодження цементу, використовуються спеціальні холодильники, які являють собою вертикальні герметичні або горизонтальні шнеки, зрошувані водою. Цемент перемішується лопатями в ході переміщення шнеком, що сприяє його охолодженню при контакті з холодним корпусом шнека.

Якість помелу та продуктивність цементного млина істотно залежать від вибору асортименту тіл, що мелють.

Технологічна схема проектованого цеху

Структура технологічного процесу в цеху молотьби клінкеру містить наступні етапи: зберігання вихідних компонентів (клінкера, добавок, гіпсу) у спеціальних силосах, висушування вологих добавок для досягнення необхідної вологості продуктів, точне дозування компонентів на живильниках та дозаторах, щоб забезпечити бажаний склад цементу необхідного гранулометричного складу, охолодження цементу до температури 60–70ºС, щоб уникнути розкладання гіпсу, а також зберігання та відправлення цементу в автомобільні або залізничні цистерни.

У виробничому цеху знаходиться 40 залізобетонних силосів, призначених для збереження клінкеру, добавок, гіпсу та цементу. Пересування цих компонентів між силосами, сушильною камерою та млинами здійснюється за допомогою пневмокамерних насосів та конвеєрів із стрічковою системою. Для завантаження цементу транспортні засоби використовується пневматичний метод.

Розрахунок матеріального балансу виробництва

Річна продуктивність заводу:

ПЦ 500: 1200000 × 0,2 = 240000 тонн на рік;

СПЦ 500: 1200000 × 0,8 = 960 000 тонн на рік;

Клінкер для ПЦ 500: 240000 × 0,81 = 194 400 тонн на рік;

для СПЦ 500: 960 000 × 0,80 = 768 000 тонн на рік;

всього клінкеру 194 400 + 768 000 = 962 400 тонн на рік;

шлак (сухий) для ПЦ 500 240000 × 0,14 = 33600 п.р.

шлак (вологі) для ПЦ 500 33600 × 1,21 = 40656 п.р.

діатоміт (сухий) для СПЦ 500 960000 × 0,15 = 144000 п.р.

діатоміт (вологий) для СПЦ 500 144000 × 1,18 = 169920 п.р.

гіпсовий камінь для ПЦ 500 240 000 × 0,05 = 12000 п.р.

для СПЦ 500 960 000 × 0,05 = 48000 п.р.

всього гіпсового каменю 12000 + 48000 = 60000 п.р.

перевірка 962400 + 33600 + 144400 + 60000 = 1200000 (правильно)

Добова продуктивність цементу:

ПЦ 500 240000 / 365 = 657,354 т. добу

СПЦ 500 960000/365 = 2630,137 т. добу

Клінкер 962400/365 = 2636, 712 т. добу

Шлак сухий 33600/365 = 92,054 т. добу

Шлак вологий 40656/365 = 111, 386 т. добу

Діатоміт сухий 144000/365 = 394,520 т. добу

Діатоміт вологий 169920/365 = 465,534 т. добу

Гіпс 60000/365 = 164,383 т. добу

Витрата матеріалу за годину

ПЦ 500 657,354/24 = 27,390 т. год

СПЦ 500 2630,137/24 = 109,589 т. год

Клінкер 2636,712/24 = 109,589 т. год

Шлак сухий 92,054/24 = 3,835 т. год

Шлак вологий 111,386/24 = 4,641 т. год.

Діатоміт сухий 394,520/24 = 16,438 т. год.

Діатоміт вологий 465,534/24 = 19,397 т. год.

Розрахунок обсягу гіпсового складу

Геометричний об’єм Vc м. куб силосного складу для кожного компонента

ПЦ 500 Vпц = (АСн) / (365 × Ρн × Кз) = (240000 × 10) / (365 × 1,45 × 0,9) = 5039 м³.

де ρн – середня насипна маса матеріалу, т/м³
А – продуктивність заводу з цього цементу, чи витрата клінкеру, гіпсу, добавки, т/год
Кз – коефіцієнт наповнення силосу, зазвичай приймається 0,9.

СПЦ 500 Vспц =(АСн)/(365 × ρн × Кз) = (960000×10) / (365×1,45×0,9) = 20154 м³

Клінкера Vкл = ( 962400×4 ) / ( 365×1,5×0,9 ) = 7812 м³

Шлаку Vш = ( 40656×15 ) / ( 365×0,5×0,9) = 3713 м³

Діатомита Vд = ( 169920×15 ) / ( 365×0,9×0,9 ) = 8621 м³

Гіпса Vг = ( 60000×15 ) / ( 365×1,35×0,9 ) = 2029 м³

З затверджених ГОСТом РФ розмірів силосів, вибираємо для зберігання цементу силоси:

Для ПЦ 500 12×19,8 м V = 1700 м3, 4 шт. VΣ = 5100 м³
Для СПЦ 500 12×19,8 V = 1700 м3, 12 шт. VΣ = 22100 м³

Загальна кількість 16 силосів.

Така кількість вибрано з міркування швидшого навантаження залізничних складів.

Силоси для клінкеру:

Vк = ( 962400×4 ) / ( 365×1,6×0,9 ) = 7324м³

Виберемо розмір силосу 12×19,8 V = 1700 м³

Кількість силосів для клінкеру n = ( 7324 ) / ( 1700 ) = 4,3

Приймемо кількість силосів для клінкеру 5шт.

Силоси для гіпсу:

Vг = (60000×15) / (365×1,35×0,9) = 2029 м³, n = (2029) / (1700) = 1,19

приймемо кількість силосів для гіпсу 2 шт.

Силоси для діатоміту:

Vд сухий = (144000×15) / (365×1,1×0,9) = 7300 м³, n = (7300) / (1700) = 5 шт.

Силоси для шлаку:

Vш сухий = (33600×15) / (365×0,5×0,9) = 3068 м³, n = (3068) / (1700) = 1,8.

приймемо кількість силосів 2 шт.

Загальна кількість силосів: Для цементу N6 4 шт., N 15 12 шт.

Розміром 12×19,8 м загальною кількістю 16 штук.
Для клінкеру 12×19,8 м 5 штук
Для гіпсу 12×19,8 м 2 штуки
Для діатоміту 12×19,8 м 5 штук
Для шлаку 12×19,8 м 2 штуки
Загальна кількість силосів – 30 штук.

Розрахунок сушильного відділення

Необхідність висушування активних мінеральних добавок, які молотяться разом із клінкером, обумовлена їхньою підвищеною вологістю. Гранульовані шлаки, отримані з доменного процесу, також містять значну кількість вологи, тому що їх гранулюють у спеціальних водних басейнах з шламу. Волога, що є в добавках, починає взаємодіяти з клінкерною складовою цементу, що може серйозно погіршити якість продукції через небажану попередню гідратацію. Крім того, дрібно подрібнений матеріал збирається на поверхні тіл, що мелять, броньових плит і перегородок млина, перешкоджаючи або навіть повністю блокуючи процес подрібнення.

Оскільки в цементних складах 6 і 15 містяться різні види добавок, розрахунок процесу сушіння проводитиметься окремо для доменних шлаків з вологістю 21% та для діатоміту з вологістю 18%.

Продуктивність сушильного барабана для шлаку

Вихід висушеного шлаку

Qбш = (1000×Q)/3600 = (1000×3,835)/3600 = 1,065 кг/с

де Q – кількість матеріалу, що потребує сушіння (за висушеною масою), т / год;

Вихід вологи Qwш

Qwш = Qзаг (Wн/(100 – Wн)-Wk/(100 – Wk)) = 1,065×(21/(100 – 21) – 1/(100 – 1)) = 0,272 кг/с

де Wн – початкова вологість матеріалу,%
Wк – кінцева вологість матеріалу % (0,5 – 1,0 %).

Продуктивність сушильного барабана для діатоміту.

Вихід висушеного діатоміту:

Qбд = 1000×Q / 3600 = 1000×16,438 / 3600 = 4,566 кг /с

Вихід вологи

Qwд = Qбд×(Wн/(100 – Wн) – Wk/(100 – Wk)) = 4,566×(18/(100–18) – 1/(100 – 1)) = 0,956 кг/с

Визначення робочого об’єму сушильного барабана для шлаку та вибір його за таблицями.

V = 3600×Qwш/А = 3600×0,272/55 = 17, 8 м³

де А – питомий паросем, кг/(м³), для шлаку 55 – 60 кг/(м³), для інших матеріалів А = 45 – 55 кг/(м³).

Час проходження матеріалу через сушильний барабан:

τ = (120×β×ρ×(Wн – Wk))/(А(200×(Wн – Wk))) = (120×500×0,2×(21 – 1)/( 55×(200×( 21 -1))) = 24,2 хв

де ρ –середня насипна щільність матеріалу, кг/м³,
β – коефіцієнт заповнення барабана у частках одиниці, β = 0,2.

Необхідна потужність приводу для обертання барабана N (кВт):

N = 0,0013×Dб³×Lб×n×ρ×δ = 0,0013×2,2³×14×3,6×500×0,02 = 7 кВт

де – D, L діаметр та довжина барабана, м
n частота обертання вибраного барабана
ρ середня насипна щільність 500 кг/м³
δ коефіцієнт враховує вид теплообмінних пристроїв у барабані, δ = 0,04 – 0,07 для лопатевого теплообмінника або при навішуванні ланцюгів, і δ = 0,01 – 0,02 для осередково – сепараторного теплообмінника.

З сушильних барабанів, що випускаються, найбільш оптимальним є СМЦ – 440.

Розміри барабану:

D = 2,2 м, L = 14 м, V = 53 м³

Нахил барабана 1-4%

Потужність приводу двигуна 36 кВт, Маса 35 тонн, Вологість матеріалу: На вході 22 %, На виході 3 %/

Визначення робочого об’єму сушильного барабана для сушіння діатоміту та вибір його за таблицями.

Робочий об’єм сушильного барабана для діатоміту

Vд = 3600 Qwд / А = 3600×0,95 / 45 = 76,48 м³

де А – питома парос’я кг/(м³×год) = 45 – 55 кг/(м³×год)

Час проходження через сушильний барабан τ

τ = 120×β×ρ×(Wн – Wк ) / (А×(200 – (Wн – Wк))) =

=120×0,2×1100×(18 – 1)/ (45×(200 – (18 – 1))) = 54,50 хв.

де – коефіцієнт заповнення барабана = 0,1 – 0,25;
ρ середня насипна щільність матеріалу = 900 – 1100 кг/м³

Потужність приводу для обертання барабана N (кВт)

N = 0,0013×Dб³×Lб×n×ρ×δ = 0,0013×2,8³×14×4,68×1100×0,02 = 41,13 кВт