Чем мокрый способ производства цемента отличается от сухого? Мокрый способ производства цемента, технология производства.

Визитная карточка города Новороссийска – это едкая пыль от работающих здесь цементных заводов. Экологический ущерб, наносимый окружающей среде цементной промышленностью страны - очевиден, и только модернизация устаревшего оборудования на абсолютном большинстве цементных заводов способна его значительно уменьшить. Но кардинально изменить экономику и экологию производства цемента возможно лишь путем внедрения «сухого» метода его изготовления.

Экономически эффективное и высоконадежное жилищное и промышленное строительство трудно представить без использования недорогих и качественных цементов, позволяющих изготовить из них растворы и бетоны с различными физико-механическими и химико-минералогическими свойствами.

«Цемент – хлеб строительства» - и это бесспорно. Тревожит только то, что о кухне, вернее «пекарне», где готовят «хлеб строительства», более и менее осведомлен довольно узкий круг специалистов строительной сферы.

Цементная промышленность России - это 55 заводов, 49 из них - полного технологического цикла, то есть у каждого из них имеется сырьевая база: карьеры, где добываются глина, известняк и так далее. Лишь однажды, в 1989 году, в Российской Федерации на данной материально-технической базе был достигнут рекордный уровень производства цемента - 89 млн. тонн, которые страна и потребляла.

В 1992 -1993 годах выпуск цемента «провалился до дна» - составил всего 27 млн. тонн. Тем не менее, именно в то время, в цементную промышленность пошли инвестиции западных компаний. В 1992-м году на отечественном рынке появились такие мировые лидеры как Lafarge, Dyckerhoff, Holcim. В 2014 г. цементная промышленность поставила на строительный рынок 59,4 млн. тонн своей продукции.

Дефицит и повышение цен на продукцию вызвали интерес у потенциальных инвесторов из различных регионов России. В прессе и по телевидению, постоянно поднимается тема строительства новых цементных заводов, насколько эти намерения серьезны, покажет время, но отсутствие квалифицированных рабочих, развал цементного машиностроения и элементарный бюрократизм – говорят о том, что цементное производство, по-прежнему будет доступно не многим.

Проблемы цементной промышленности, особенно задачи ее модернизации, в соответствии с общепринятыми экологическими требованиями по энерго- и ресурсосбережению обросли пыльным «смогом» мифов, слухов и домыслов, которые успешно тиражируются в СМИ.

Развеять их в небольшой по объему публикации, дело просто непосильное. Цель статьи - ознакомить как можно больший круг заинтересованных читателей с некоторыми секретами «пекарского искусства» производства цемента.

О понятии «цемент»

В строго энциклопедическом понятии «Цемент » (лат. caementum - «щебень, битый камень») есть искусственное неорганическое вяжущее вещество, являющееся одним из основных строительных материалов.

При взаимодействии с водой, водными растворами солей и другими жидкостями образует пластичную массу, которая затвердевает и превращается в камневидное тело. В основном используется для изготовления бетона и строительных растворов.

Цемент является гидравлическим вяжущим и обладает способностью набирать прочность и во влажных условиях, чем принципиально отличается от некоторых других минеральных вяжущих (гипса, воздушной извести), которые твердеют только на воздухе.

Цемент для строительных растворов - малоклинкерный композиционный цемент, предназначенный для кладочных и штукатурных растворов, изготавливают совместным помолом портландцементного клинкера, активных минеральных добавок и наполнителей.

Римляне, которых полагают первооткрывателями цемента, для получения некоторых его вяжущих свойств подмешивали к извести определённые материалы: пуццоланы (отложения вулканического пепла Везувия); дроблёные или измельчённые кирпичи и затвердевшие отложения вулканического пепла района г. Эйфеля.

В средние века было случайно обнаружено, что продукты обжига загрязнённых глиной известняков по водостойкости не уступают римским пуццолановым смесям и даже превосходят их.

После этого наступил вековой период усиленного экспериментирования. При этом основное внимание было обращено на разработку специальных месторождений известняка и глины, на оптимальное соотношение этих компонентов и добавку новых. Только после 1844 г. пришли к выводу, что помимо точного соотношения компонентов сырьевой смеси, прежде всего необходима высокая температура обжига (порядка +1450° С, 1700 K) для достижения прочного соединения извести с оксидами.

Портландцемент получается при нагревании известняка и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры +1450…+1480 °С. Происходит частичное плавление компонентов, и образуются гранулы клинкера.

Для получения цемента, клинкер размалывают совместно примерно с 5% гипсового камня. Гипсовый камень управляет скоростью схватывания; его можно частично заменить другими формами сульфата кальция. Некоторые технические условия разрешают добавлять при помоле другие материалы.

Выдающийся учёный химик Алексей Романович Шуляченко считается отцом русской цементной промышленности. Широкое применение получила шахтная печь Антонова для обжига и производства клинкера.

В подавляющем большинстве случаев под цементом имеют в виду портландцемент и цементы на основе портландцементного клинкера. В конце ХХ века насчитывалось около 30 разновидностей цемента.

Марки цемента определяются главным образом пределом прочности при сжатии половинок образцов-призм размером 40×40×160 мм, изготовленных из раствора цемента состава 1:3 с кварцевым песком.

Марки выражаются в числах М100 - М600 (как правило, с шагом 100 или 50), обозначающим прочность при сжатии соответственно в 100 - 600 кг/см² (10 - 60 МПа).

Цемент с маркой выше 600 благодаря своей прочности называется «военным» или «фортификационным» и цена его на порядок выше марки 500. Применяется он для строительства военных объектов, таких как бункеры, ракетные шахты и т.п..

Также по прочности в настоящее время цемент делится на классы. Основное отличие классов от марок состоит в том, что прочность выводится не как средний показатель, а требует не менее 95 % обеспеченности (т. е. 95 образцов из 100 должны соответствовать заявленному классу). Класс выражается в числах 30 - 60, которые обозначают прочность при сжатии (в МПа).

Исторический экскурс в цементную промышленность

Промышленное производство цемента России имеет почти двухвековую историю. Однако первое официальное упоминание о нем датируется 17 веком. В письме тогдашнему коменданту Москвы, князю Гагарину, Петр I дает поручение прислать несколько бочек извести. Загадочно, ибо затем слово «Известь» было зачеркнуто и исправлено на «Цементъ». Знатоки строительного материаловедения утверждают что, в данном случае, речь шла об одной из разновидностей цемента, производимым в те далекие времена, а именно о роман-цементе.

Официально же первый цементный завод в России был построен и запущен в эксплуатацию в 1839 г., и производил он портландцемент. Спустя буквально полста лет, Россия выходит на европейский рынок, и занимает в этом секторе одно из ведущих мест, вплоть до начала первой Мировой войны.

Трагические события в стране, революция и гражданская война, «камня на камне» не оставили от цементной промышленности. Стратегический серый продукт приходилось покупать за лес, зерно и валюту. В «громадье планов» великого зодчего товарища Сталина это совершенно не входило.

На фронт восстановления цементной промышленности было брошено все, в том числе и литература. В 1929 году Федором Гладковым был написан роман с одиозным названием «Цемент». Вождю народов он так понравился, что он регулярно цитировал его. Особо нравился ему тезис - «Цемент - хлеб строительства», это выражение стало девизом промышленности строительных материалов.

В период "великих сталинских строек" цемент был одним из важнейших материалов, ибо на них в огромных количествах использовался бетон. А бетон и цемент - неразлучны как лед и вода.

В годы первых пятилеток все цементные заводы были реконструированы, а также параллельно с восстановлением существующих производств, возводили и новые. Безусловно, индустриализация и стремительные темпы строительства новых заводов, только способствовали быстрому воспроизводству цемента.

Великая Отечественная Война, снова остановила развитие цементной промышленности, поскольку большая часть заводов находилась на оккупированных территориях, и часть из них были полностью разрушены. Лишь в 1948 г. цементное производство было восстановлено полностью и вышло на прежний уровень.

И уже в 1962 г. СССР занимает первое место в мире по объему производства цемента. И это логично - ведь именно тогда, безраздельно вступила в свои права эпоха крупнопанельного домостроения. А производство железобетонных панелей полностью привязано к цементу.

В 1989 г. в СССР в полном объеме работало 89 цементных заводов, выпускавших более 140 млн. тонн цемента. Развитие промышленности не стояло на месте, научно исследовательские центры представляли цементную науку во многих городах страны. На нужды цементной промышленности работали более трех десятков машиностроительных заводов, а образовательные учреждения, сотнями выпускали новых специалистов в этой области.

Производство цемента в постперестроечной России

В период распада Советского Союза строительный рынок России вновь переживает кризис. Резкое снижение строительства новых объектов, привело к спаду производства цемента. Лишь к 2000 году, с нормализацией ситуации в стране, возобновили работу Российские цементные заводы.

За период с 2000 по 2015 год, производство цемента, по сравнению с девяностыми годами, выросло на 50%. Хотя в 2002 г. страна вошла в десятку мировых лидеров по потреблению цемента, доля России в мировом производстве составляла не более двух процентов.

Основная доля цемента производится по устаревшему «мокрому» способу. И поскольку нормативный срок эксплуатации цементных заводов составляет не более 30 лет, многие из них приходят в негодность и останавливают производство. А спрос на бетон и цемент тем временем растет.

Сегодня Россия находятся на пороге острого дефицита цемента. В принципе, в некоторых регионах России ощущать нехватку цемента стали уже в 2006 г. По мнению специалистов, в ближайшее время могут возникнуть и проблемы с транспортировкой цемента.

О научно-технологическом процессе изготовления цемента

Как уже было отмечено ранее, научно-технологический уровень процессов изготовления цемента в широкой практической реализации законсервирован на уровне ХХ века.

Вследствие повсеместного использования трубчатых печей с высокотурбулентными воздушными потоками, имеющими большую способность к «захвату» и переносу частиц шихты и спекаемого клинкера, существует чрезмерная нагрузка на фильтры очистки отходящих газов.

Все это приводит к удорожанию фильтров, к их большим размерам и невысокой степени очистки (до 95 – 97%), что при крупнотоннажных производствах цемента делает его экологически опасным, поскольку в сутки выбрасываются десятки и даже сотни килограммов высокодисперсной пыли.

Гомогенизация (полное усвоение) клинкерной шихты, вследствие использования исходных минералов с размерами свыше 3-5 мм, не превышает 75 – 80%, что приводит к непрореагированности компонентов, а это в свою очередь, резко ухудшает физико-механические и химико-минералогические свойства цементов.

Техногенные отходы практически не используются (за исключением гранулированного шлака) – вместо этого требуются существенные средства на добычу кондиционного сырья (разработку карьеров известняка, мергеля, глины).

Затраты энергии на спекания клинкера у большинства цементных заводов на уровне 800 – 1 200 и более ккал/кг клинкера, хотя по калориметрическим расчётам достаточно в 2-3 раза меньше.

Затраты энергии на помол клинкера составляют 35 - 50 кВт/ч на тонну цемента при низкой толщине помола, хотя имеются процессы и оборудование с затратами электроэнергии на порядок меньше и качеством помола лучше – до 15000-25000 см2/г.

Использование в качестве энергоносителей преимущественно дорогих теплоносителей: природного газа, нефтепродуктов или кондиционного угля,- существенно повышает себестоимость производства цемента и, в конечном счете, значительно повышает стоимость жилья, промышленных зданий и сооружений.

О коренном изменении состава оборудования цементных заводов

Анализ указанных недостатков показал, что для их устранения неприменимы традиционные способы модернизации оборудования или добавления новых механизмов – необходимо коренное изменение состава оборудования цементных заводов с иными полезными свойствами и параметрами.

Во-первых, для снижения количества выбросов пыли и преобразования цементного производства в экологически безопасное следует отказаться от рукавных фильтров и электрофильтров (которые «пропускают» до 3-5% пыли в выбросах) и перейти к фильтрам с качеством очистки на порядок лучшим – например, водным фильтрам (скрубберам) со степенью отчистки отходящих газов от пыли до 99,7%.

Во-вторых для повышения качества помола следует применять принципиально новое помольное оборудование (например мельницы центробежно - ударного типа) позволяющее достичь гарантированного и заданного размера измельчаемых частиц цемента, которые только и успевают перейти в раствор при приготовлении бетонов.

В-третьих, для оперативного контроля содержания в исходном сырье компонентов клинкера необходимо применить анализаторы, работающие в реальном масштабе времени и совместимые с АСУТП комплекса – например, рентгеноструктурные анализаторы.

В-четвертых, следует внести изменения в технологический процесс приготовления шихты: исходные компоненты необходимо не только точно дозировать, но и добиваться максимально возможной степени гомогенизации шихты с предварительным тонким помолом компонентов.

В-пятых, необходимо применить оборудование для существенного снижения энергозатрат на спекание клинкера и/или использовать «вторичное тепло» – вовлечь в технологический процесс энергию, содержащуюся в отходящих газах и спечённом клинкере, которая в существующих цемзаводах рассеивается в окружающую среду.

В-шестых, необходима полная автоматизация цементных заводов – это позволит существенно снизить трудозатраты в себестоимости производства и иметь возможность оперативной переналадки на выпуск цементов с различными физико-механическими и химико-минералогическими свойствами в связи с изменяющимися потребностями рынка или сырьевыми компонентами.

В-седьмых, полная автономность цементного производства и независимость от энергокоммуникаций может быть достигнута при выработке электроэнергии для привода механизмов и газа для спекания клинкера из твердых горючих ископаемых, например, каменного или бурого угля, горючих сланцев.

Такое решение позволит также:

Существенно снизить затраты на приобретение энергоносителей, поскольку стоимость электроэнергии и газа, получаемых из указанных горючих ископаемых, значительно ниже, чем предлагают монополисты – «Газпром» и поставщики электроэнергии;

Избежать оплаты «за подключение» к сетям электро- и газоснабжения, которая в настоящее время является практически препятствием развития новых производств;

Не тратить время и средства на проектирование сетей и прокладку сетей, а также их «согласование» во множестве инстанций.

Простота –дороже воровства

Как известно изготовление цемента происходит в два этапа - производство клинкера (обожженная смесь известняка и глины), это 70% себестоимости конечного продукта и измельчение его вместе с гипсом и активными минеральными добавками.

Главное при этом - получить сырьевую смесь постоянного состава. Готовят ее двумя основными способами - «мокрым» и «сухим». При «мокром» способе тонкое измельчение сырьевой смеси производят в водной среде с получением шихты в виде водной суспензии - шлама влажностью 30–50%. При «сухом» способе сырьевую шихту готовят в виде тонкоизмельченного сухого порошка, поэтому в процессе помола или перед его началом сырьевые материалы высушивают.

Первый способ проще, поэтому именно он лег в основу советской цементной промышленности. Второй требует более сложного и капризного оборудования. Однако он позволяет обеспечить более высокую производительность печного агрегата и строить более мощные печи.

«Будущее, конечно, за цементными заводами “сухого” производства. Расход топлива, причем самого дорогого - газа, на российских цементных заводах, работающих по «мокрому» способу в два раза выше среднемирового. Чтобы соответствовать требованиям природоохранного законодательства, необходимы постоянные инвестиции в реконструкцию производств. При этом себестоимость цемента, произведенного по старым технологиям, в разы выше, чем себестоимость продукции с “сухого” производства, выбросы в атмосферу которого в разы ниже» , - говорит генеральный директор «Базэлцемента» Вячеслав Шматов.

Перспективы «торжества « сухого способа производства цемента

Для строительного комплекса России основополагающие значение цементной промышленности не есть виртуальное понятие, ибо оно практически зримо, товарно весомо и материально торгуемо. Так уж сложились внешние и внутренние обстоятельства нашей страны, что цементные заводы по уровню технологических и технических решений остаются на периферии технического прогресса.

В июне этого года объем производства цемента в России составило 4.7 млн тонн в месяц, что несмотря на кризисные явления, несколько выше, чем в тот же период 2013 года. Выросли и объемы производства цемента «сухим» способом.

Дальнейшее развитие этого наиболее интересного с точки зрения экономики и экологии способа производства цемента в России будет зависеть от трех обстоятельств.

Первое - какую позицию займет государство. Последние несколько месяцев по рынку ходит упорный слух, что с 1 января 2016 года на крупнейшие федеральные и региональные стройки цемент смогут поставлять только те заводы, которые производят его «сухим» способом.

Второе обстоятельство - развитие конкуренции на рынке. «Можно ожидать, что постепенно мы придем к такому положению вещей, когда потребители просто не будут покупать продукцию тех компаний, которые злостно нарушают экологическое законодательство. И у них не останется выбора: либо они разорятся, либо будут перестраивать свою работу. Понятно, что на это потребуются годы, но такова общемировая тенденция», - говорит ведущий эксперт УК «Финам менеджмент» Дмитрий Баранов.

Третье обстоятельство - оборудование.

Отечественная промышленность оборудование для «сухого» способа изготовления цемента не производит вообще. Поэтому на «Невьянском цементнике» еще с 1980-х работают технологии японских компаний Onoda и Kawasaki, Верхнебаканский цементный завод комплектуется датской компанией FLSmidth, на «Мордовцементе» используются фильтры General Electric.

Потому сейчас необходимо или срочно создавать производство такого оборудования в России, что пока еще возможно по отдельным позициям либо полностью обнулять ввозные пошлины на него.

«Минприроды подготовило ряд законопроектов в части изменения нормирования воздействия на окружающую среду за счет внедрения лучших доступных технологий, основанных на последних достижениях науки и техники. Важным условием их успешной реализации должны стать экономические стимулы. Предприятия, активно инвестирующие в модернизацию, энергосбережение, экологически чистые технологии, вправе рассчитывать на преференции. Например, затраты на проведение природоохранных мероприятий должны учитываться при определении платы за негативное воздействие на окружающую среду. Предприятиям, вставшим на путь модернизации, необходимо льготное кредитование и налоговые послабления», - считают в «Евроцемент групп».

Заключение

Очевидно, что разумное сочетание карающих и поощряющих методов, используемых государством, должно подтолкнуть производителей цемента к строительству новых «сухих» заводов и постепенному выводу «мокрых» производств из эксплуатации. Возможно, через три-пять лет этот процесс примет в России необратимую форму.

Текст: Владимир Иванов, Сергей Санников

На сегодняшний день цемент является наиболее востребованным и популярным строительным материалом, без которого невозможна ни одна стройка. Но мало кто знает технологию производства цемента , а ведь эти знания могут быть весьма полезными. Цемент — это искусственный материал, который получают в результате соединения гипса, глины, известняка и различных минеральных добавок.

В общем виде процесс создания цемента происходит следующим образом:

Первоначально происходит добыча сырья и его транспортировка на завод. Затем сырьевой материал дробят и перемалывают. После этого приготавливается сырьевая смесь. Далее идет получение клинкера (т.е. обжиг сырьевой смеси). И последним этапом является помол клинкера, добавление в него различных необходимых добавок. Однако данный процесс может происходить по различным технологиям. Рассмотрим подробнее конкретные технологии производства цемента.

При производстве цемента мокрым способом сырьем для производства клинкера является твердый известняковый и мягкий глинистый компоненты. Сперва происходит очень тщательное измельчение сырья, ведь только из мельчайших частичек можно получить по-настоящему однородный клинкер. Измельчение сырья происходит в несколько этапов, ведь зачастую исходные размеры сырьевых материалов достаточно большие, и сперва приходится пропускать большие куски через дробилки, а потом полученные мелкие кусочки пропускают через мельницы или болтушки (обязательно с большим количеством воды), это зависит от исходных материалов. Например, глинистый материал перемалывают в мельницах, а мел — в болтушках. Но, в конце концов, все исходные материалы направляются в мельницы и перемалываются вместе, это позволяет получить очень однородный состав сырьевого шлама. При этом соотношение глиняного шлама и известняка является необходимым для получения определенного клинкера. Но из-за особенностей химического состава сырья пропорции все равно получаются не очень точными, и для получения необходимого химического состава применяются специальные бассейны, в которых и происходит корректировка состава.

Шлам, приготовленный мокрым способом, является сметанообразным и имеет в своем составе 35-45% воды. Далее смесь подается в печь. Печь представляет собой длинный, до 200 метров, стальной барабан, диаметром до 7 метров, покрытый изнутри огнеупорным кирпичом. Такая громадная печь в сутки может выдавать до 3.000 тонн клинкера. Печь устанавливается под уклоном, и с верхнего холодного конца подается шлам, а с нижнего горячего конца подается топливо. Печь вращается и шлам постепенно продвигается к выходу, при этом температура становится все больше и в месте горения топлива может достигать 17.000 градусов. При такой температуре происходят химические реакции и образовывается клинкер. Одновременно с этим газы, образованные горением топлива, движутся вверх по барабану, подогревая продвигающийся материал. Из печи клинкер помещается в холодильник. После этого он поступает на помол. Крупные куски клинкера подвергаются дроблению до зерен с максимальным размером 1см, это делается для облегчения работы мельниц. В мельницах клинкер измельчается вместе с различными гидравлическими и другими добавками и гипсом. Гидравлические добавки сами по себе являются пористыми, содержание влаги в них может достигать более 30%, поэтому перед помолом происходит сушка. Одновременное измельчение в мельницах позволяет достигнуть отличной однородности, что является одним из важнейших параметров качества цемента. После мельниц цемент транспортируется на склады, где дожидается отправки потребителю.

Технология производства цемента сухим способом в принципе схоже с технологией производства мокрым способом. Главным образом рассмотрим отличия, а помол цемента, подготовка добавок, хранение цемента — все аналогично.

После дробления известняка и глины их высушивают до 1% влажности и перемалывают в сырьевую муку. Для сушки сырья используются либо сушильные барабаны (при раздельной сушке), либо специальные мельницы (при одновременной сушке), где оба компонента перемалываются и при этом сушатся. Последний способ применяется на большинстве заводов т.к. является наиболее эффективным.

Для подправки химического состава сырьевой муки при производстве цемента сухим способом используются не бассейны, а корректирующие силосы, в которых смесь перемешивается при помощи сжатого воздуха. Для первичного нагревания смеси используются специальные циклонные теплообменники (обычно в количестве 4 штук, соединенных между собой газоходами длиной до 70 метров, в которых смесь находится не более 30с и нагревается до температуры 800 градусов, при этом вся влага из нее испаряется). Затем сырьевая мука поступает в печь, где происходит окончательное образование клинкера. Из печи клинкер поступает в холодильник и далее на клинкерный склад.

Используя технологию производства цемента полусухим способом нужно знать, что приготовление сырьевой муки не отличается от сухого способа. Но особенностью является то, что дальше мука проходит грануляцию в специальных установках — грануляторах, и далее в виде гранул 1-2 см и влажностью до 16% идет на обжиг.

Обжиг гранул происходит в специальных коротких вращающихся печах с установленными кальцинаторами (кальцинатор представляет собой решетку, которая движется со скоростью до 50 м/ч), гранулы лежат на решетке и находятся под воздействием нагретого в печи газа, при этом гранулы декарбонизируются на 20-30% и нагреваются до температуры 900 градусов. После частичной декарбонизации гранулы подаются в печь, где и завершается процесс образования клинкера.

Если при производстве сырьевой муки в нее добавляются частички угля, то обжиг можно производить в шахтных печах (шахтная печь представляет собой вертикальную шахту, где топливо подается с нижнего конца, а сырьевые гранулы подаются сверху). В таком случае частички угля внутри сырья сгорают, что вызывает дополнительный нагрев гранул. Выгрузка полученного клинкера производится внизу шахты, после чего он отправляется на склад.

Производство цемента комбинированным способом

Особенностью данной технологии производства цемента является то, что подготовка материала для обжига производится по мокрому способу, а непосредственно обжиг проходит по схеме полусухого производства.
Шлам, имеющий влажность 35-45%, пройдя корректировку химического состава, подается в барабанный или дисковый вакуумфильтр, в котором происходит процесс обезвоживания. Влажность смеси при этом падает до 20%. Далее в полученную смесь добавляется пыль, которую улавливают фильтры печи, это предотвращает слипание материала и снижает влажность примерно до 14%. Обжиг производится в печах, применяемых при полусухом способе производства цемента. Все остальные производственные операции аналогичны операциям производства цемента мокрым способом.

При мокром способе производства цемента значительно возрастает расход тепла, однако присутствие воды в мельницах облегчает измельчение материалов. При природной влажности исходного сырья более 10% наиболее целесообразным видится использовать мокрую технологию производства цемента.

Также мокрый способ наиболее оптимален, если для создания цемента применяется два мягких материала, ведь измельчить их можно банально размешав в воде. Сухой способ применяется, когда влажность сырья не превышает 10%. Если исходный материал довольно пластичный — предпочтение можно отдать полусухой технологии производства цемента, ведь в таком случае получаются прочные гранулы. Раньше был наиболее распространен мокрый способ производства цемента, но последнее время все более и более популярным становится сухой способ.

7.1. Способы производства портландцемента

Производство портландцемента включает ряд технологических операций, которые можно разделить на две основные группы. Первая - это операции по производству клинкера, вторая - измельчение клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с другими добавками, т. е. приготовление портландцемента. Получение клинкера - наиболее сложный и энергоемкий процесс, требующий больших капитальных и эксплуатационных затрат. Доля клинкера в стоимости портландцемента достигает 70-80 %. Производство клинкера состоит из добычи сырьевых материалов, дробления, помола и смешивания их в определенном соотношении, обжига сырьевой смеси и магазинирования клинкера.

Комплекс операций по получению из клинкера портландцемента включает следующие технологические процессы: дробление клинкера, сушку минеральных добавок, дробление гипсового камня, тонкое измельчение клинкера совместно с активными минеральными добавками и гипсом, складирование, упаковку и отправку цемента потребителю.

Даже в пределах одного месторождения химико-минералогический состав сырья меняется в широких пределах. Поэтому получение сырьевой смеси постоянного состава - сложная задача. С другой стороны, перерабатываемое цементной промышленностью сырье отличается не только составом, но и физико-техническими свойствами (влажностью, прочностью и т. д.). Для каждого вида сырья должен быть выбран такой способ подготовки, который обеспечивал бы тонкое измельчение и равномерное перемешивание компонентов шихты с минимальными энергетическими затратами. Это послужило причиной появления в цементной промышленности трех способов производства, отличающихся технологическими приемами подготовки сырьевых смесей: мокрого, сухого и комбинированного При мокром способе тонкое измельчение сырьевой смеси производят в водной среде с получением шихты в виде водной суспензии - шлама влажностью 30-50%. При сухом способе сырьевую шихту готовят в виде тонкоизмельченного сухого порошка, поэтому перед помолом или в процессе его сырьевые материалы высушивают. Комбинированный способ может базироваться как на мокром, так и на сухом способе приготовления шихты. В первом случае сырьевую смесь готовят по мокрому способу в виде шлама, а затем обезвоживают на фильтрах до влажности 16-18 % и подают на обжиг в печи в виде полусухой массы. Во втором варианте сырьевую смесь готовят по сухому способу, а затем гранулируют с добавкой 10-14 % воды и подают на обжиг в виде гранул диаметром 10-15 мм. Каждый способ производства может быть реализован в виде нескольких технологических схем, отличающихся как последовательностью операций, так и видом используемого оборудования. Выбор конкретной технологической схемы, определяется свойствами перерабатываемого сырья (твердостью, однородностью, влажностью).

Мокрый способ производства. На отечественных цементных предприятиях при подготовке сырьевой смеси по мокрому способу в большинстве случаев используют твердый карбонатный (известняк) и мягкий глинистый (глина) компоненты. Принципиальная технологическая схема получения портландцемента представлена на схеме 1.

Известняк как более твердый материал предварительно подвергается дроблению, а пластичная глина измельчается в присутствии воды в специальных аппаратах (болтушках или мельницах-мешалках). Окончательное тонкое измельчение с получением однородной смеси известняка, глиняного шлама и корректирующих добавок происходит в шаровых трубных мельницах. Хотя компоненты дозируют в мельницы в заданном соотношении, из-за колебаний их химико-минералогических характеристик не удается получить в мельнице шлам состава, отвечающего установленным параметрам. Поэтому необходима специальная технологическая операция по корректировке его состава. После проверки соответствия состава шлама заданным показателям его подают на обжиг во вращающуюся печь, где завершаются химические реакции, приводящие к получению клинкера. Затем клинкер охлаждается в холодильнике и поступает на склад, где также хранятся гипс и активные минеральные добавки. Эти компоненты предварительно должны быть подготовлены к помолу. Активные минеральные добавки высушивают до влажности не более 1 %, гипс подвергают дроблению. Совместный тонкий размол клинкера, гипса и активных минеральных добавок в шаровых трубных мельницах обеспечивает получение цемента высокого качества. Из мельниц цемент поступает в склады силосного типа. Отгружают его либо навалом (в автомобильных и железнодорожных цементовозах), либо упакованным в многослойные бумажные мешки.

При приготовлении шлама из двух мягких (мела и глины) и двух твердых компонентов (известняка и глинистого мергеля) последовательность основных технологических операций не меняется. Однако особенности свойств измельченного сырья и стремление к выбору наименее энергоемких технических решений обусловливают существенные отличия способов измельчения компонентов. При использовании двух мягких компонентов принципиальная технологическая схема будет такой, которая показана на схеме 2.

Такая технологическая схема позволяет эффективно использовать способность мягкого сырья распускаться в воде. Применение мощного современного оборудования для предварительного измельчения сырья (например, мельниц «Гидрофол») позволяет отказаться от его дробления. Однако на стадии предварительного измельчения часть сырья остается недоизмельченной, и получение шлама также должно завершаться в шаровой трубной мельнице.

При использовании двух твердых компонентов принципиальная технологическая схема приобретает новый вид (см. схему 3).

В данной технологической схеме повышенная твердость глинистого сырья обусловливает необходимость его предварительного дробления. Тонкое измельчение всех компонентов происходит в одну стадию в шаровой мельнице. Очевидно, что этот вариант технологической схемы связан с большими трудностями получения однородной тонкодисперсной смеси и большим расходом энергии.

В водной среде облегчается измельчение материалов и улучшается их перемешивание. В результате снижается расход электроэнергии (при мягком сырье экономия может достигать 36 МДж/т сырья) и получается более однородная шихта, что, в конечном счете, приводит к росту марки цемента. Кроме того, при мокром способе упрощается транспортировка шлама и улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. Сравнительная простота мокрого способа и возможность получения высокомарочной продукции на сырье пониженного качества обусловили его широкое распространение в цементной промышленности нашей страны. В настоящее время этим способом выпускается около 85 % клинкера.

В то же время введение в шлам значительного количества воды (30-50 % массы шлама) обусловливает резкое повышение расхода теплоты на ее испарение. В результате расход теплоты, при мокром способе (5,8- 6,7 МДж/кг) на 30-40 % выше, чем при сухом способе. Кроме того, при мокром способе возрастают габариты и соответственно металлоемкость печей. Исходя из этого в нашей стране принято решение прекратить проектирование и дальнейшее наращивание мощностей по выпуску портландцемента мокрым способом.

Сухой способ производства. Последовательность технологических операций производства портландцемента сухим способом такая же, как и при мокром, однако при подготовке сырьевых смесей имеются существенные отличия, зависящие от влажности и твердости сырья. При переработке сырья повышенной твердости и умеренной влажности принципиальная технологическая схема имеет вид, представленный на схеме 4.

Высокая твердость измельчаемых материалов требует предварительного их дробления. Тонкое измельчение материалов может производиться при влажности не более 1 %. В природе такое сырье практически не встречается, поэтому обязательная операция сухого способа производства - сушка. Желательно совмещать ее с размолом сырьевых компонентов. На большинстве новых предприятий, работающих по сухому способу производства, в шаровой трубной мельнице совмещаются процессы сушки, тонкого измельчения и перемешивания всех компонентов сырьевой смеси. Из мельницы сырьевая смесь выходит в виде тонкодисперсного порошка - сырьевой муки. В железобетонных силосах производятся корректировка ее состава до заданных параметров и гомогенизация перемешиванием сжатым воздухом. Готовая сырьевая смесь поступает на обжиг. Вращающиеся печи сухого способа производства оборудованы запечными теплообменными устройствами (циклонными теплообменниками). В них за несколько десятков секунд сырьевая смесь нагревается до 700-800°С, дегидратируется и частично декарбонизируется. Завершается обжиг клинкера во вращающейся печи.

Необходимость экономии расхода топлива вынуждает перерабатывать по сухому способу материалы со все более высокой влажностью. Технологическая схема производства портландцемента из такого сырья выглядит следующим образом (см. схему 5).

Предварительное измельчение материалов повышенной влажности при сухом способе целесообразно осуществлять в мельницах самоизмельчения типа «Аэрофол», позволяющих перерабатывать сырье с влажностью до 25 %. Однако полностью высушиться сырье при этом не успевает и в шаровой мельнице одновременно с доизмельчением крупных частиц и получением однородной сырьевой смеси производится ее досушка.

Приготовление сырьевой смеси в виде порошка усложняет технологическую схему. Увеличивается число энергоемкого оборудования, более «капризного» при эксплуатации. Сложнее при сухом способе обеспечить санитарные условия и охрану окружающей среды. Но решающим его преимуществом является снижение расхода теплоты на обжиг клинкера до 3,4-4,2 МДж/кг. Кроме того, на 35-40 % уменьшается объем печных газов, что соответственно снижает стоимость обеспыливания и дает больше возможностей по использованию теплоты отходящих газов для сушки сырья.

Важнейшее преимущество сухого способа - более высокий съем клинкера с 1 м 3 печного агрегата. Это позволяет проектировать и строить печи по сухому способу в 2-3 раза более мощные, чем по мокрому. В целом по технико-экономическим показателям сухой способ превосходит мокрый. При использовании мощных печей он обеспечивает снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера примерно вдвое, рост годовой выработки на одного рабочего примерно на 40 % и уменьшение себестоимости продукции на 10 % и сокращение капиталовложений при строительстве предприятий на 50 %. Это обусловило интенсивное его распространение в мировой цементной промышленности. Широкое внедрение сухого способа производства - важнейшая задача, стоящая перед цементной промышленностью нашей страны. Доля прироста мощностей сухого способа в отрасли за период 1986-1990 гг. составит около 80 %.

Однако надо учитывать, что возможности применения сухого способа ограничены влажностью перерабатываемого сырья. Переработка сырья с влажностью более 20-25 % по сухому способу связана с высокими расходами теплоты на сушку, и этот способ становится неэкономичным.

Комбинированный способ производства. Наиболее перспективна технологическая схема комбинированного способа производства, представленная на схеме 6.

Такая схема позволяет использовать преимущества подготовки сырьевой смеси по мокрому способу и одновременно снизить расход теплоты на обжиг. При этом почти на 30 % уменьшается расход топлива и примерно на 10% - капитальные затраты по сравнению с мокрым способом, но на 15-20 % повышается расход электроэнергии. Такая схема - наиболее реальный путь снижения расхода топлива предприятиями, работающими на сырье высокой влажности. В настоящее время в стране ведутся работы по переводу предприятий с мокрого способа производства на комбинированный. Наиболее сложным при этом является создание и внедрение надежных и высокопроизводительных аппаратов для фильтрации шлама. При базировании комбинированного способа производства на приготовлении сырьевой смеси сухим способом технологическая схема будет такой, которая показана на схеме 7.

Принципиальное отличие этой схемы от схемы сухого способа - это появление дополнительной технологической операции - грануляции сырьевой смеси, осуществляемой с добавкой 10-14 % воды в специальных аппаратах - тарельчатых грануляторах. Гранулированную смесь с размером зерен 10-15 мм обжигают в шахтных печах или печах с конвейерными кальцинаторами. Этот способ требует несколько большего, чем сухой, расхода теплоты, необходимой на испарение введенной при грануляции воды; не всякая сырьевая смесь способна давать прочные гранулы, не разрушающиеся при обжиге; сложна конструкция используемых печных агрегатов. В то же время обжиг гранулированного сырья позволяет стабилизировать режим работы печей, улучшить теплообмен, повысить качество клинкера.

Таким образом, каждый способ производства портландцемента имеет свои достоинства и недостатки. Преобладание того или иного способа в разных странах определяется технико-экономическими особенностями развития цементной промышленности.

Цемент пользуется огромной популярностью в строительстве. Его применяют как самостоятельно, так в качестве компонента многих строительных составов (к примеру, в производстве железобетона и бетона). Изготовление цемента – дорогостоящий и энергоемкий процесс. Заводы размещают в непосредственной близости к месту добычи сырья, из которого в дальнейшем будет создаваться продукт.

Производство цемента включат 2 этапа:

• получение клинкера,
• измельчение клинкера и введение добавок.

На получение клинкера приходится приблизительно 70% себестоимости стройматериала.

Начинается все с добычи сырьевых материалов. Как правило, добыча известняка осуществляется путем сноса части горы, после которого открывается слой желто-зеленого известняка. Глубина залегания известнякового слоя – приблизительно 10 м, толщина – в среднем 0,7 м. После того, как сырье доставлено на завод, производится обжиг в специальной печи при температуре +1450°С, в результате которого получают клинкер.

На второй стадии производства цемента осуществляют дробление клинкера, гипсового камня, сушка добавок. Затем производится помол клинкера вместе с добавками и гипсом. Гипс добавляют в размере 5% от общей массы, добавки вводят в зависимости от типа смеси.

Однако, учитывая тот факт, что технические и физические характеристики сырьевого материала могут отличаться, для каждого типы сырья предусмотрен свой способ подготовки.

Способы производства цемента:

• мокрый,
• сухой,
• комбинированный.

Изготовление цемента мокрым способом

Мокрый способ предусматривает изготовление цемента с применением карбонатного компонента (мела) и силикатного компонента (глины). Также используются железосодержащие добавки (пиритные огарки, конверторный шлам и пр.). Влажность мела не должна быть более 29%, а влажность глины – не выше 20%. Называется этот способ производства цемента тому, потому что измельчение сырья осуществляется в воде, на выходе образуется шихта в виде суспензии на водной основе. Влажность шихты – 30-50%. Далее производится обжиг шлама в печи, в результате которого выделяется углекислота. Образовавшиеся шарики-клинкеры перемалывают в тонкий порошок под названием цемент.

Данный способ по праву считается наиболее экономически выгодным. Особенность его в том, что на всех стадиях используются материалы только в сухом состоянии. Выбор схемы производства цемента определяется химическими и физическими характеристиками сырья. Наиболее востребованным признано изготовление материалов во вращающихся печах, в котором используются глина и известняк.

После того, как глина и известняк прошли измельчение в дробилке, их сушат до требуемого состояния (влажность - не более 1%). Просушка и измельчение производиться в сепараторной машине, после чего смесь отправляется в циклонные теплообменники, где находится не боле 30 секунд. Далее идет стадия, на которой производиться обжиг сырья с дальнейшим перемещением в холодильник. Затем клинкер направляется на склад, где происходит его перемалывание и фасовка. Подготовка гипса и добавок, а также хранение и транспортировка цемента идентичны тем, которые производятся при мокром способе.

Комбинированный вариант производства цемента

Шлам получают «мокрым» способом, после чего смесь обезвоживается в специальных фильтрах до того момента, пока уровень влажности не достигнет 16-18%. Далее сырье отправляют на обжиг. Второй вариант комбинированного способа производства цемента предусматривает сухое изготовление сырьевой массы, в которую затем вводят 10-14% воды и гранулируют. Размер гранул не должен превышать 15 мм. Далее производится обжиг.

Для каждого способа производства используют свое оборудование и определенную последовательность операций.

Современные производства ориентируют деятельность на получение материала сухим методом. Его по праву считают будущим цементной промышленности.

Производство цемента относится к рентабельным, но затратным и энергоемким отраслям, требующим значительных первоначальных вложений. С приобретением оборудования проблем не возникает, надежные и доступные комплексы с единым циклом поставляет Китай. Выбор технологии зависит от вида используемого сырья и тепловых мощностей завода, в настоящее время цемент изготавливают сухим, мокрым и комбинированным способом, первый из них считается самым экономичным.

Простейшая схема включает следующие действия:

• Добыча и транспортировка сырья.
• Помол и подготовка компонентов.
• Обжиг клинкера.
• Помол до порошкообразного состояния, ввод гипса и других примесей.
• Фасовка.

На первые три этапа приходится до 75 % от общей величины затрат на производство цемента: чем ближе расположен карьер, тем ниже себестоимость выпускаемой продукции.

Обзор способов производства

Основные отличия заключаются в подготовке клинкера – смеси из известняков и глин, обеспечивающих преобладание силикатов кальция. Чем выше их доля в составе, тем качественнее получается вяжущее, к примеру, в портландцементе она достигает 80 %. Размол и смешивание компонентов проводится разными методами: измельчением в воде, в сухом состоянии с помощью воздуха или совмещением этих процессов. К нетрадиционным методикам подготовки сырья относят производство бесклинкерного вяжущего по так называемой холодной технологии без длительного обжига.

1. Особенности мокрого способа.

Суть этого варианта заключается в раздельной первичной обработке сырья: мела, глины, конверторных шламов или других содержащих железо добавок. Их дробят на фракции до 10 мм и замачивают в воде. Влажность у каждого компонента своя: у глины – в пределах 20 %, мела – 29, шлама – до 70. Их соединение и перемешивание происходит на мельнице в состоянии суспензии до максимальной однородности. Итоговая влажность полученной массы лежит в пределах 30-50 %, в таком виде она поступает в шлюмбассейн для контроля и корректировки состава, после чего подается в печь для обжига.

Мокрый способ использовался практически на всех заводах бывшего СССР, его основным плюсом является возможность корректировки состава и контроля за характеристиками. Шихтовая масса на выходе имеет однородную структуру, что положительно сказывается на качестве цемента. К недостаткам относят значительные затраты на подготовку клинкера: фракции проходят стадию дробления 2-3 раза, размачиваются в болтушках, перемешиваются в мельнице, и долго выпариваются, на все это процессы уходит много энергоресурсов.

2. Преимущества сухого изготовления.

Все исходные компоненты дробятся без смачивания, их высушивают в сепарационных барабанах перед поступлением на мельницу. После помола сухая смесь (влажность не превышает 1 %) подается в силосные станции, где одновременно проводится окончательное смешение с помощью сжатого воздуха и корректировка химического состава. Формировка клинкера происходит в шнеках, из-за ввода насыщенной водой глины его влажность не нулевая, но перед обжигом она не превышает 13 %. Это позволяет снизить тепловые расходы на испарение из него воды в 1,5-2 раза. Однородность смешивания при этом остается высокой, способ идеально подходит для портландцемента и других качественных сортов.

Сухой метод подразумевает применение печей любого типа, но максимальный эффект наблюдается при обжиге во вращающихся и шахтных агрегатах. Главным преимуществом является возможность проведения декарбонизации компонентов вне основной зоны нагрева, в идеале – за счет использования энергии уходящих газов. Подразумевает включение в схему циклонных теплообменников перед декарбонизатором, в печь клинкер поступает уже без углекислот и предварительно подогретый. Это позволяет уменьшить зону нагрева у шахтных печей, размеры оборудования и занимаемую им площадь.

Сухая технология – наиболее экономичный способ производства, остальные стадии проводятся по стандартной схеме (обжиг, охлаждение, помол, добавление гипса и примесей, фасовка). Он требует тщательной подготовки сырья – достижения однородности. Воду добавляют исключительно с целью корректировки состава и получения удобных для запекания гранул, вся нагрузка по смешиванию приходится на системы подачи сжатого воздуха.

3. Комбинированная схема.

Возможны два варианта совмещения мокрого и сухого способа: подготовка и перемешивание шлама во влажном состоянии с последующим выпариванием до 18 %, или дробление и соединение по второй технологии с вводом незначительной доли воды для формирования гранул размером около 10-15 мм. В первом случае в схему включают специальные фильтры-испарители, для обжига чаще всего используется вращающаяся печь. Заключительные этапы ничем не отличаются от мокрого и сухого способа.

4. Бесклинкерное изготовление.

В качестве сырья помимо известняка применяются не глины, а отходы металлургической промышленности: доменные шлаки, зольная пыль. Дорогостоящее производство клинкера, обязательное для портландцемента, пропускается, все компоненты смешиваются в сухом виде и подвергаются расплаву. Полученный шлак размалывается до порошкообразного состояния и соединяется с активными и зольными добавками. Производство бесклинкерного цемента сухим способом (еще один термин – «холодным») позволяет значительно снизить затраты на термообработку. В отличие от клинкера, обжигаемого довольно длительное время в печах при температуре не ниже 1400°, шлак расплавляется в разы быстрее.

К плюсам относятся сокращение расходуемых энергоресурсов и линии оборудования, возможность переработки отходов металлургии и упрощенная схема подготовки и обработки сырья. Бесклинкерное изготовление выигрывает у традиционного в плане экологичности и себестоимости в 2-3 раза. Получаемое вяжущее придает бетону особую стойкость к износу и воздействию агрессивных сред. Дополнительным преимуществом служит более низкая температура гидратации растворов на их основе. Качество продукции при проявляется лишь при условии тонкого помола шлаков и тщательной дозировки компонентов.

Целесообразность собственного производства

В домашних условиях приготовить качественный цемент невозможно, размолотые и растворенные в воде известняк и зола пригодны разве что для замазки швов или фиксации мелких деталей (при условии добавления жидкого стекла). Для создания вяжущего, соответствующего нормам ГОСТ, и с маркой прочности выше М200 требуется линия оборудования, включающая дробилки, транспортеры для подачи сырья, мельницы, дозаторы, сортировочные, гранулирующие, клинкерную и шнековые машины, барабанную печь, охладитель и пакетирующие станки. Для обслуживания цементного завода требуются силы как минимум 40 человек, характерно высокое потребление энергоресурсов.

Основным поставщиком оборудования является Китай, фирмы-реализаторы предлагают как отдельные машины, так и полностью укомплектованные линии. Претензий к надежности агрегатов и качеству изготавливаемого портландцемента нет. Начальная стоимость мини-завода составляет не менее 1000000 рублей, для размещения потребуется площадь от 30000 м2. Но несмотря на значительные первоначальные вложения этот бизнес относится к рентабельным из-за востребованности данного стройматериала. Средняя себестоимость 1 т цемента – от 800 до 1000 рублей, а реализации – от 3500 до 4000.

Рентабельность во многом зависит от качества и доступности сырья, близости карьеров и степени развития маркетинговой сети. При полном цикле заводы выпускают от 330 т/сутки, что означает свыше 60000 рублей чистой прибыли в день.