Пневмотранспорт – Расчёт отделения помола цемента на цементном заводе – Часть 1

Исходя из следующих данных: Energomash Advance — Пневмотранспорт

Производительность цементного завода составляет 1,2 миллиона тонн в год, с производством портландцемента марки 500 с добавками в объеме 20% и сульфатостойкого шлакопортландцемента марки 500 с добавками в объеме 80%. Состав цементной смеси для портландцемента с добавками (цемент №6) включает клинкер – 81%, гранулированный доменный шлак – 14%, двуводный гипс – 5%. Для сульфатостойкого шлакопортландцемента (цемент № 15) состав включает клинкер – 80%, диатомит – 15%, двуводный гипс – 5%. Влажность шлака составляет 21%, а диатомита – 18%. Применяются мельницы размером 5,2 × 16,5 м, работающие в закрытом цикле. Коэффициент заполнения мельниц составляет φ = 0,26. Тонкость помола по остатку на сите с сеткой 008 для цемента №6 составляет 6%, а для цемента №15 – 3%.

Введение

Цемент – это ключевой материал в строительстве, используемый уже более 160 лет. В последние 60 лет были сделаны значительные научные открытия, которые улучшили существующие виды цемента и способствовали созданию новых разновидностей. Большинство из этих открытий пришлось на долю советских ученых.

В настоящее время основные виды цемента – портландцемент, шлакопортландцемент и пуццолановый цемент. Все они изготавливаются на основе клинкера, который получается в результате обжига сырьевой смеси в печах. Обжиг происходит во вращающихся или вертикальных печах. Поскольку вертикальные печи обладают низкой производительностью, они используются довольно редко.

Обжиг во вращающихся печах может быть сухим или мокрым. При мокром методе, сырьевая смесь вводится в печь в виде полужидкой массы, содержащей около 40% воды. При сухом методе сырье, обычно предварительно подсушенное и измельченное, подается в печь в порошкообразном состоянии.

Мокрый метод производства цемента получил наибольшее распространение на отечественных заводах. Общая технологическая схема этого метода включает:

1. добычу сырья и его доставку на завод;
2. дробление и мокрый помол сырья;
3. коррекцию химического состава сырьевой массы;
4. подготовку топлива для обжига;
5. обжиг и получение клинкера;
6. помол клинкера и получение цемента.

Основными сырьевыми компонентами для изготовления цемента являются глина и известняк. Перевозка сырья в сырьевой цех осуществляется различными видами транспортных систем, такими как ленточные конвейеры, железнодорожные и автомобильные транспортные средства, воздушноканатные дороги и другие. Известняк, поступающий в сырьевой цех, подвергается измельчению в специальных дробилках. Выбор типа дробилки и ее производительность зависит от производительности завода и физических характеристик сырья.

Для измельчения глины и ее смешивания с водой используются валковые дробилки и глиноболтушки. Процесс дробления известняка на современных заводах разделен на две стадии. Первая стадия — дробление в дробилках крупного дробления, где известняк уменьшается до размеров 200 — 300 мм. Затем следует вторая стадия — дробление в дробилках мелкого дробления, где известняк разбивается на части размером 25 — 30 мм.

После дробления мелкодробленный известняк и глина с водой направляются в шаровую мельницу для дальнейшего тонкого измельчения. Вода подается в мельницу таким образом, чтобы готовая смесь имела влажность 36 — 40%. Полученный шлам транспортируется центробежными насосами в цилиндрические бассейны для хранения. При необходимости коррекции химического состава, шлам перекачивается из одного бассейна в другой.

Готовый, корректированный шлам хранится в горизонтальных прямоугольных или цилиндрических бассейнах. Для обеспечения равномерного перемешивания шлама в этих бассейнах используются пневмомеханические мешалки. Из горизонтальных бассейнов шлам направляется в питатели печи. Питатели обеспечивают поступление шлама в печь в нужных количествах и равномерно.

Во время вращения печи, шлам под действием силы тяжести перемещается к разгрузочному концу. Горячие газы движутся навстречу шламу. После ряда физических и химических превращений, шлам перемещается в зону спекания. Здесь при температуре 1450 — 1550°C происходит спекание шлама, превращая его из простой смеси глины и известняка в цементный клинкер.

Когда клинкер достигает разгрузочного конца печи, он направляется в холодильник для охлаждения. Охлажденный клинкер транспортируется и сохраняется на клинкерном складе, где также хранятся различные добавки, такие как трепел, шлак, гипс и т.д. Используя эти добавки, можно получить разнообразные виды цемента. Для получения готового цемента клинкер с добавками помещается в мельницы для тонкого помола. Подача материала в мельницы осуществляется с помощью грейферных кранов.

Для помола клинкера используются трубные мельницы диаметром до 3,2 метра и длиной до 15 метров. Во время работы внутреннее пространство цементной мельницы подвергается вентиляции, чтобы удалять влагу и снижать температуру. Пылевоздушная смесь из мельницы проходит через фильтр, где тонкая цементная пыль улавливается и оседает.

Готовый цемент обычно транспортируется из мельницы в железобетонные емкости, называемые силосами, с использованием пневматических насосов. Отсюда цемент может быть подан непосредственно в железнодорожные вагоны — хопры или упакован в специальные мешки с помощью специализированных машин. Помимо основного технологического оборудования, цементные заводы также оснащены вспомогательными установками и системами транспортировки, включая насосные станции и компрессорные устройства.

Ассортимент выпускаемой продукции

Ассортимент, выпускаемой в данном цехе, включает два вида цемента: портландцемент с минеральными добавками марки 500 и сульфатостойкий шлакопортландцемент марки 500.

Портландцемент представляет собой связующий материал, получаемый путем измельчения клинкера с добавками и гипсом. При взаимодействии с водой он образует удобнообрабатываемую массу, способную твердеть в воде или в воздухе.

Химический и минералогический состав портландцементного клинкера характеризуется следующими характеристиками:

• Коэффициент насыщения кремнезёма известью (КН), который представляет собой отношение количества оксида кальция в клинкере, связанного с кремнекислотой, к её теоретическому количеству для полного связывания до трехкальциевого силиката. Значение КН находится в диапазоне 0,85 — 0,95.
• Силикатный кремнезёмный модуль, который представляет собой отношение процентного содержания кремнекислоты в клинкере к сумме процентного содержания оксидов алюминия и железа. Значение СМ находится в диапазоне 1,7 — 3,5.
• Глинозёмный модуль, который представляет собой отношение процентного содержания оксида алюминия к процентному содержанию оксида железа в клинкере. Значение ГМ для типичных портландцементов находится в диапазоне 1 — 2,5.

Портландцемент обладает определенными свойствами. Это мелкий порошок серо-зеленого цвета с удельным весом 3,25. Объемный вес в свободном состоянии (γ) составляет 1220 кг/м3, а в уплотненном состоянии путем вибрации (γуп) — 1780 кг/м3. Угол естественного откоса φ составляет 41 — 42°. Характерными чертами портландцемента являются быстрое нарастание прочности, полная воздухонепроницаемость, водостойкость в пресной воде и достаточная морозостойкость в бетоне и растворах.

Важно отметить, что состав цемента влияет на объемные деформации. Наличие гидросиликатных гелей в твердевшем цементном камне может вызвать деформации связанные с усадкой или набуханием, что зависит от условий твердения и минералогического состава.

Поддержание тепла также является характеристикой цемента в процессе твердения. Величина тепловыделения цемента зависит от его состава, тонкости помола, количества воды и окружающей температуры. Поэтому точное определение тепловыделения для данного цемента путем расчета невозможно.

Водопроницаемость бетонов и растворов на портландцементе в значительной степени зависит от состава и водоцементного отношения. Морозостойкость и коррозийная стойкость также зависят от плотности бетона и состава цемента. Добавки в цемент уменьшают морозостойкость и коррозионную стойкость, хотя поверхностно-активные и воздухововлекающие добавки могут улучшить эти характеристики.

Сцепление с арматурой через 28 дней твердения составляет R сц = 50 кг/см2, соотношение Rсц/R28= 0,14.

Портландцемент марки 500 находит применение в следующих областях:

• Изготовление сборных железобетонных конструкций.
• В гидротехнических сооружениях, работающих в пресной воде, а также для внешних частей монолитного бетона массивных сооружений и для плит оболочек, находящихся в зонах с изменяющимся уровнем воды.
• В аэродромном строительстве.
• При бетонных работах с быстрой разборкой опалубки и для зимних бетонных работ методом ‘термоса’ с использованием дополнительного подогрева (пропаривание, электроподогрев).
• В производстве асбестоцементных изделий.
• В дорожном строительстве.

Однако применение портландцемента в подводных частях гидросооружений, подвергающихся воздействию морской или минерализованной воды без специальных мер защиты, недопустимо. В таких случаях следует использовать специализированные виды портландцемента, такие как сульфатостойкий, пуццолановый сульфатостойкий и пуццолановый цемент, а также шлакопортландцемент.

Сульфатостойкий портландцемент обладает повышенной устойчивостью в средах, содержащих сульфаты. Он получается путем совместного помола цементного клинкера, гипса и добавок. Для этого типа цемента характерны следующие химические и минералогические характеристики клинкера:

• Содержание трехкальциевого силиката не более 50%.
• Содержание трехкальциевого алюмината не более 5%.
• Глиноземный модуль не менее 0,7.
• Суммарное содержание С3A + С4AF в клинкере не должно превышать 22%.

Для получения сульфатостойкого портландцемента не вводят активные минеральные добавки. При благоприятных условиях в некоторых случаях может быть разрешено добавление небольшого количества таких добавок при помоле, но они должны соответствовать стандартам, предъявляемым к активным минеральным добавкам, либо, если используются гранулированные доменные шлаки, стандартам для таких шлаков.

Сульфатостойкий портландцемент подразделяется на три марки: 400, 500 и 600, исходя из прочностных показателей. Отличительной чертой этого цемента является пониженное тепловыделение, обусловленное умеренным содержанием тепловыделяющих минералов.

Сульфатостойкий портландцемент наиболее рационально использовать для железобетонных и бетонных конструкций, подвергающихся воздействию сульфатов на изменяющемся уровне воды, а также для изготовления свай, опор мостов, молов, действующих в условиях минерализованных вод. Для подводных частей морских и океанских сооружений также допускается использование сульфатостойкого портландцемента, но в некоторых случаях предпочтительнее применять сульфатостойкий пуццолановый портландцемент.

Теоретические основы измельчения материала в шаровых мельницах

Конечный этап производства портландцемента заключается в помоле клинкера.

Клинкер представляет собой полуфабрикат, который нужно измельчить с добавкой гипса и гидравлической добавки, чтобы получить портландцемент.

Одним из важных факторов для портландцемента является степень измельчения, или тонкость помола. Она влияет на прочность и скорость затвердевания цемента.

Измельчение клинкера производится в трубных мельницах с использованием открытого и замкнутого циклов помола. Важной характеристикой является твёрдость клинкера.

Отличительной особенностью измельчения клинкера по сравнению с измельчением сырьевых материалов при сухом способе производства портландцемента является более высокая твёрдость клинкера.

Для достижения нужного качества портландцемента необходим определённый гранулометрический состав.

Тонкость помола измеряется через остаток на сите N 008 и удельную поверхность, которая составляет 8–12% и примерно 2500–3000 см²/г соответственно.

Затраты электроэнергии на измельчение зависят от тонкости помола и повышаются с увеличением тонкости.

Применение замкнутого цикла помола повышает производительность мельницы на 10–20% благодаря отделению мельчайших частиц от общей массы.

Для сепарации цемента используют центробежные сепараторы. Производительность зависит от тонкости помола.

Замкнутая схема помола обеспечивает цемент более высокого качества и физико-механических свойств благодаря однородному зерновому составу и уменьшению среднего размера цементного зерна.

Регулирование сепаратора позволяет получить цемент с заданным зерновым составом и поверхностью.

Обогащение цемента минимальными фракциями, которые задерживаются в фильтрах для очистки аспирационного воздуха мельницы, также способствует получению быстротвердеющего цемента. В процессе производства цемента методом открытого помола, к части цемента добавляется пыль из фильтров.

Для того чтобы предотвратить накопление пыли на мелющих телах и обшивке, используются интенсификаторы помола, такие как уголь и сажа. В настоящее время также практикуется впрыскивание распыленной воды в последнюю камеру мельницы в объеме 0,5–1,0% от массы цемента. Это существенно снижает температуру цемента до 70–80 градусов вместо обычных 100–150 градусов. Вода подается автоматически, когда температура цемента на выходе из мельницы достигает 100–110 градусов.

Снижение температуры также достигается охлаждением корпуса мельницы и интенсивной аспирацией. В процессе аспирации из мельницы удаляются наимельчайшие фракции цемента, которые могут уменьшать энергию размола мелющих тел. Большие объемы холодного воздуха (до 300 м³ на 1 тонну цемента) просасываются через мельницу для охлаждения футеровки корпуса, мелющих тел и цемента.

Охлаждение цемента имеет несколько целей: сокращение времени его выдерживания на складе, предотвращение отпуска горячего цемента (что приводит к быстрому затвердеванию и ограничивает его использование в бетоне) и улучшение производительности мельницы.

Чтобы добиться охлаждения цемента, используются специальные холодильники, которые представляют собой герметичные вертикальные или горизонтальные шнеки, орошаемые водой. Цемент перемешивается лопастями в ходе перемещения по шнеку, что способствует его охлаждению при контакте с холодным корпусом шнека.

Качество помола и производительность цементной мельницы существенно зависят от выбора ассортимента мелющих тел.

Технологическая схема проектируемого цеха

Структура технологического процесса в цехе молотьбы клинкера содержит следующие этапы: хранение исходных компонентов (клинкера, добавок, гипса) в специальных силосах, высушивание влажных добавок для достижения необходимой влажности продуктов, точное дозирование компонентов на питателях и дозаторах, чтобы обеспечить желаемый состав цемента, помол до необходимого гранулометрического состава, охлаждение цемента до температуры 60–70ºС, чтобы избежать разложения гипса, а также хранение и отправку цемента в автомобильные или железнодорожные цистерны.

В производственном цехе находится 40 железобетонных силосов, предназначенных для сохранения клинкера, добавок, гипса и цемента. Передвижение этих компонентов между силосами, сушильной камерой и мельницами осуществляется при помощи пневмокамерных насосов и конвейеров с ленточной системой. Для загрузки цемента в транспортные средства используется пневматический метод.

Расчёт материального баланса производства

Годовая производительность завода:

ПЦ 500: 1200000 × 0,2 = 240000 тонн в год;

СПЦ 500: 1200000 × 0,8 = 960000 тонн в год;

Клинкер для ПЦ 500: 240000 × 0,81 = 194400 тонн в год;

для СПЦ 500: 960000 ×0,80 = 768000 тонн в год;

всего клинкера 194400 + 768000 = 962400 тонн в год;

шлак (сухой) для ПЦ 500 240000 × 0,14 = 33600 т.г.

шлак (влажный) для ПЦ 500 33600 × 1,21 = 40656 т.г.

диатомит (сухой) для СПЦ 500 960000 × 0,15 = 144000 т.г.

диатомит (влажный) для СПЦ 500 144000 × 1,18 = 169920 т.г.

гипсовый камень для ПЦ 500 240000 × 0,05 = 12000 т.г.

для СПЦ 500 960000 × 0,05 = 48000 т.г.

всего гипсового камня 12000 + 48000 = 60000 т.г.

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

Суточная производительность цемента:

ПЦ 500 240000 / 365 =657,354 т. сутки

СПЦ 500 960000 / 365 = 2630,137 т. сутки

Клинкер 962400 / 365 = 2636, 712 т. сутки

Шлак сухой 33600 / 365 = 92,054 т. сутки

Шлак влажный 40656 / 365 = 111, 386 т. сутки

Диатомит сухой 144000 / 365 = 394,520 т. сутки

Диатомит влажный 169920 / 365 = 465,534 т. сутки

Гипс 60000 / 365 = 164,383 т. сутки

Расход материала в час

ПЦ 500 657,354 / 24 = 27,390 т. час

СПЦ 500 2630,137 / 24 = 109,589 т. час

Клинкер 2636,712 / 24 = 109,589 т. час

Шлак сухой 92,054 / 24 = 3,835 т. час

Шлак влажный 111,386 / 24 = 4,641 т. час

Диатомит сухой 394,520 /24 = 16,438 т. час

Диатомит влажный 465,534 / 24 = 19,397 т. час

Расчёт объёма гипсового склада

Геометрический объём Vc м. куб силосного склада для каждого компонента

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

где ρн — средняя насыпная масса материала, т/м³
А – производительность завода по данному цементу, либо расход клинкера, гипса, добавки, т/год
Кз – коэффициент заполнения силоса, обычно принимается 0,9.

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

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

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

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

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

Из утверждённых ГОСТом РФ размеров силосов, выбираем для хранения цемента силосы:

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

Общее количество 16 силосов.

Такое количество выбрано из соображения более быстрой погрузки железнодорожных составов.

Силосы для клинкера:

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

Выберем размер силоса 12×19,8 V = 1700 м³

Количество силосов для клинкера n = ( 7324 ) / ( 1700 ) = 4,3

Примем количество силосов для клинкера 5шт.

Силосы для гипса:

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

примем количество силосов для гипса 2 шт.

Силосы для диатомита:

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

Силосы для шлака:

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

примем количество силосов 2 шт.

Итого количество силосов: Для цемента N6 4 шт., N 15 12 шт.

Размером 12×19,8 мобщим количеством 16 штук.
Для клинкера 12×19,8 м 5 штук
Для гипса 12×19,8 м 2 штуки
Для диатомита 12×19,8 м 5 штук
Для шлака 12×19,8 м 2 штуки
Общее количество силосов 30 штук.

Расчёт сушильного отделения

Необходимость высушивания активных минеральных добавок, которые молотятся вместе с клинкером, обусловлена их повышенной влажностью. Гранулированные шлаки, полученные из доменного процесса, также содержат значительное количество влаги, так как их гранулируют в специальных водных бассейнах из огненожидкого шлама. Влага, присутствующая в добавках, начинает взаимодействовать с клинкерной составляющей цемента, что может серьезно ухудшить качество продукции из-за нежелательной предварительной гидратации. Кроме того, мелко измельченный материал собирается на поверхности мелющих тел, броневых плит и перегородок мельницы, препятствуя или даже полностью блокируя процесс измельчения.

Поскольку в цементных составах 6 и 15 содержатся разные виды добавок, расчет процесса сушки будет проводиться отдельно для доменных шлаков с влажностью 21% и для диатомита с влажностью 18%.

Производительность сушильного барабана для шлака

Выход высушенного шлака

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

где Q – количество материала, нуждающегося в сушке ( по высушенной массе ), т/час;

Выход влаги Qwш

Qwш = Qобщ (Wн/(100 – Wн)-Wk/(100 – Wk)) = 1,065×

×(21/(100 – 21) – 1/(100 – 1)) = 0,272 кг/сек.

где Wн – начальная влажность материала,%
Wк – конечная влажность материала, % (0,5 – 1,0 %).

Производительность сушильного барабана для диатомита.

Выход высушенного диатомита:

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

Выход влаги

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

Определение рабочего объёма сушильного барабана для шлака и выбор его по таблицам.

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

Где А – удельный паросъём, кг/(м³ч), для шлака 55 – 60 кг/(м³ч), для остальных материалов А = 45 – 55 кг/(м³ч).

Время прохождения материала через сушильный барабан:

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

= (120×500×0,2×(21 – 1)/( 55×(200×( 21 -1))) = 24,2 минуты.

где ρ – средняя насыпная плотность материала, кг/м³,
β – коэффициент заполнения барабана в долях единицы, β = 0,2.

Необходимая мощностьпривода для вращения барабана N (кВт):

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

где – D, L диаметр и длина барабана, м
n частота вращения выбранного барабана
ρ средняя насыпная плотность 500 кг/м³
δ коэффициент учитывающий вид теплообменных устройств в барабане, δ = 0,04 – 0,07 для лопастного теплообменника или при навеске цепей, и δ = 0,01 – 0,02 для ячейково – сепараторного теплообменника.

Из выпускаемых сушильных барабанов наиболее оптимальным является СМЦ – 440.

Размеры барабана:

D = 2,2 м, L = 14 м, V = 53 м³

Наклон барабана 1-4%

Производительность по сухому материалу 14 т/ч,Частота вращения барабана 3,6 об/мин, Мощность привода двигателя 36 кВт, Масса 35 тонн, Влажность материала: На входе 22 %, На выходе 3 %/

Определение рабочего объёма сушильного барабана для сушки диатомита и выбор его по таблицам.

Рабочий объём сушильного барабана для диатомита

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

где А – удельный паросъём кг/(м³×ч) = 45 – 55 кг/(м³×ч)

Время прохождения через сушильный барабан τ

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

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

где – β коэффициент заполнения барабана = 0,1 – 0,25;
ρ средняя насыпная плотность материала = 900 – 1100 кг / м³

Мощность привода для вращения барабана N (кВт)

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

где Dб, Lб диаметр и длина барабана,
n число оборотов выбранного барабана об/мин,
δ коэффициент, учитывающий вид теплообменных устройств = 0,01 – 0,02 Из выпускаемых сушильных барабанов подходит СМЦ – 429, имеющий характеристики:

Диаметр барабана 2,8 м, Длина барабана 14 м, Наклон барабана 5 %, Производительность по 20 – 25 т/ч сухому материалу, Частота вращения барабана 4,68 об \мин,Мощность привода двигателя 55 кВт, Масса 62,4 т, Влажность материала: на входе 20 – 22 %, на выходе 1 – 8 %