Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для производства низкотемпературного портландцементного клинкера.

Известен способ получения портландцементного клинкера на установках для обжига, в котором для уменьшения образующихся на установке соединений хлора часть содержащих хлориды газов отводят из газового пространства печи в конденсатор, охлаждают соединения хлоридов в конденсаторе, отводят очищенные газы из конденсатора и возвращают их в газовое печное пространство (Патент РФ №2171129, МПК B01D 53/00, оп. 27.07.2001).

Известный способ направлен на уменьшение содержания соединений хлора для получения клинкера из сырья с повышенным содержанием хлоридов. Однако известно, что хлориды способствуют снижению температуры декарбонизации и температуры плавления сырьевой шихты в процессе получения клинкера обжигом, что может обеспечить значительную экономию используемого для нагрева и обжига шихты топлива.

Известен способ производства портландцементного клинкера, в котором цементные сырьевые материалы предварительно подогревают в преднагревателе (система циклонных теплообменников) до температуры 600-800°С, прокаливают во взвешенном состоянии горячими газами в печи прокаливания до температуры 700-1000°С, обжигают в цементный клинкер во вращающейся печи обжига при температуре 1400-1500°С и затем охлаждают в холодильнике. Некоторое количество прокаленного сырьевого материала с высоким содержанием оксида кальция (СаО) извлекают через стадию прокаливания посредством дополнительного циклона разделения от газов и получают в чистом виде в смеси с небольшим количеством оксидов щелочных металлов. Газы отводят из дополнительного циклона разделения через отдельную систему, содержащую вентилятор (Патент РФ №2387606, МПК С04В 7/36, оп. 27.04.2010).

Недостатком данного способа является высокая температура прокаливания и обжига, что приводит к высокому расходу топлива.

Известен способ получения низкотемпературного портландцемента, принятый в качестве прототипа, в котором низкотемпературный портландцементный клинкер получают из сырьевой смеси путем совместного помола сырьевых компонентов с раствором хлористого кальция (катализатором), обжига шихты с последующим помолом полученного клинкера и специальных добавок, например гипса, при этом, с целью повышения качества цемента, снижения удельного расхода топлива, хлористый кальций вводят в смесь из расчета содержания его 10-20% по отношению к декарбонизированной шихте, а обесхлоривание клинкера производят путем просасывания парогазовоздушной смеси через слой нагретого до 1000-1200°С клинкера (Авторское свидетельство №326152, МПК6 С04В 7/44, оп. 19.01.1972).

Известный способ направлен на снижение удельного расхода топлива путем использования раствора хлорида кальция в качестве катализатора снижения температуры декарбонизации и обжига сырьевой смеси при получении клинкера.

Однако добавление катализатора - хлористого кальция в сырьевую смесь в виде раствора потребует дополнительного количества тепла для последующего извлечения из смеси растворителя хлористого кальция. Также хлориды являются нежелательными компонентами в портландцементе, поэтому необходимо их удалять, при этом хлористый кальций довольно сложно извлечь из готового клинкера, так как он плохо растворим в воде.

Задачей настоящего изобретения является снижение расхода топлива и энергии при получении низкотемпературного портландцементного клинкера.

Вышеуказанная задача решается тем, что в способе получения низкотемпературного портландцементного клинкера путем измельчения цементного сырья, добавления катализатора и последующего обжига шихты в печи обжига, согласно изобретению, в качестве катализатора используют бромид Na или К или смесь бромидов Са, Na, К в количестве 0,1-15% масс. к исходной сырьевой смеси, взятых в сухом виде.

Целесообразно проводить подогрев цементного сырья в циклонных теплообменниках при температуре 600-800°С, кальцинирование в печи обжига при температуре 800-1000°С, а обжиг при температуре 1100°С путем регулирования температуры подачей топлива и/или воздуха по длине печи обжига.

Целесообразно проводить одноступенчатое или многоступенчатое охлаждение клинкера при температуре 30-900°С дымовыми газами и воздухом.

На чертеже показана принципиальная схема получения низкотемпературного портландцементного клинкера, где:

1 - дробилка;

2 - железобетонные силосы для корректировки состава;

3, 4, 5, 6 - циклонные теплообменники (зона прогрева сырьевой шихты);

7 - поток бромида кальция;

8 - поток бромида натрия;

9 - поток бромида калия;

10 - смеситель для приготовления катализатора;

11 - форсунки для подачи топлива в печь обжига и декарбонизации;

12 - подача воздуха в печь обжига и декарбонизации;

13 - прямоточная вращающаяся печь обжига;

14 - зона декарбонизации сырьевой шихты;

15 - питающий вход воздуха во вращающуюся трубу печи;

16 - топливоподатчики;

17 - зона обжига печи;

18 - поток дымовых газов;

19 - устройство забора воздуха;

20 - вентилятор;

21 - воздушный холодильник для охлаждения дымовых газов и нагрева воздуха;

22 - водяной холодильник для охлаждения дымовых газов;

23 - фильтр грубой очистки (осадитель пыли);

24 - поток осажденной пыли;

25 - аппарат охлаждения клинкера дымовыми газами и воздухом с хемосорбированием оксидов серы, хлоридов и щелочных металлов;

26 - поток водяного пара;

27 - вентилятор;

28 - дымовая труба;

29 - поток воздуха;

30 - поток клинкера;

31 - коллектор воздуха.

Способ получения низкотемпературного портландцементного клинкера осуществляют следующим образом.

Исходное сырье - известняк или другой кальцийсодержащий материал совместно с глиной или другим материалом подобного функционального назначения подвергают предварительному дроблению и размолу сырьевых компонентов с последующей сушкой и подогревом в дробилке 1. Затем сырьевые материалы направляют в виде тонкодисперсного порошка - сырьевой муки в железобетонные силосы 2, где производят корректировку ее состава до заданных параметров и гомогенизацию перемешиванием со сжатым воздухом.

Далее однородную сырьевую смесь подвергают предварительному подогреву до 600-800°С с частичной и/или полной дегидратацией в циклонных теплообменниках 3, 4, 5, 6 с последующим прокаливанием и обжигом в обжиговой печи 13, где сырьевую смесь нагревают до 800-1100°С, подвергая при этом окончательной дегидратации, декарбонизации и обжигу в печи.

После теплообменников 3, 4, 5, 6 в сырьевую смесь вводят катализатор, приготовленный путем смешения бромидов кальция 7, бромидов натрия 8 и бромидов калия 9 в смесителе 10, либо в качестве бромида натрия или калия (8 или 9), взятый в виде порошка или гранул.

Все процессы в обжиговой печи 13 производят за счет самостоятельного сжигания топлива через форсунки 11 и топливоподатчики 16 с подводом воздуха 29 через коллектор 31 в устройства 12 и 15.

Топливо (газообразное, и/или жидкое, и/или твердое размельченное) сернистое или высокосернистое подают через форсунки 11 с того же конца печи, что и сырьевую смесь, а также через топливоподатчики 16 в одном направлении. Топливоподатчики находятся между зоной декарбонизации 14 и обжига 17. Зажигание твердого или тяжелого жидкого топлива производят от факела, работающего на газообразном или жидком топливе (на рисунке не показан). Клинкер декарбонизируют и обжигают в длинной вращающейся трубчатой печи 13 (в зонах декарбонизации 14, обжига 17), которую обычным способом устанавливают с возможностью вращения вокруг своей собственной оси и располагают с легким наклоном, поэтому сырьевая смесь в процессе обжига непрерывно транспортируется вдоль обжиговой печи 13 к ее концу.

На выходе из прямоточной вращающейся печи обжига 13 полученный клинкер 30 и клинкерную пыль отделяют от дымовых газов 18.

Дымовые газы 18 сначала охлаждают до температуры 200-900°С в воздушном холодильнике 21 за счет нагрева воздуха для сжигания топлива в печи 13, забираемого через устройство забора воздуха 19 вентилятором 20, а затем доохлаждают в водяном холодильнике 22 до температуры 30-800°С.

Клинкер, выходящий из печи 13, направляют для охлаждения в аппарат 25, где осуществляют двухступенчатое охлаждение дымовыми газами 18, поступающими через воздушный холодильник 21, водяной холодильник 22 и фильтр 23 до температуры 500-900°С на первой ступени и до температуры 30-800°С на второй ступени. Здесь же в режиме псевдоожиженного слоя проводят адсорбцию предварительно подвергшихся грубой очистке осаждением дымовых газов, при этом оставшиеся в дымовом газе и не вошедшие в состав клинкера при обжиге бромиды и оксиды щелочных металлов и оксиды серы хемосорбируют на охлаждаемый клинкер. Для доочистки готового клинкера от бромидов кальция, бромидов натрия и бромидов калия в аппарат 25 подают водяной пар 26.

Вновь нагретые дымовые газы 18, очищенные от оксидов серы и других нежелательных вредных веществ, направляют через вентилятор 27 в дымовую трубу 28.

Дымовые газы 18 после охлаждения клинкера из аппарата 25 направляют в циклонные теплообменники 3, 4, 5, 6. Оксиды серы, образующиеся при сжигании топлива, сорбируются на вновь поступающие сырьевые материалы, с которыми затем поступают в печь обжига 13.

По ходу продвижения в печи сырья и топлива в печь дозируют топливо через топливоподатчик 16 и окислитель (воздух) через окружающий вращающуюся трубу печи питающий вход 15, направляя при этом в пространство печи, что позволяет регулировать температурный профиль по длине прямоточной вращающейся обжиговой печи и создавать необходимые температурные зоны. Количество топливоподатчиков 16 и окружающих вращающуюся трубу печи питающих входов 15 определяется на стадии проектирования печи, исходя из материально-теплового баланса.

Вышеописанный способ пригоден для использования сырья и топлива с относительно высоким содержанием сернистых (S до 5-10% масс.) и щелочных соединений (до 5-10% масс.).

Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого способа изготовления низкотемпературного портландцементного клинкера в прямоточной вращающейся обжиговой печи в сравнении с использованием катализатора - раствора хлористого кальция (по прототипу).

В качестве топлива используется нефтяной кокс с теплотворной способностью 35301 кДж/кг, содержащий, % масс.: 89,1% углерода; 3,9% водорода; 3,8% серы; 3,2% - зола, азот, кислород, следы хлора.

Пример 1 (по прототипу):

На общую массу (100%) известняка и глины дополнительно взято, % масс.: CaCl₂ - 7,58%.

Получено 65,7% клинкера, основную массу которого образуют, % масс.: C₃S - 56,2; C₂S - 14,1; C₃F - 12,1; C₄F - 6,6; C₂FS - 1,8, а также растворенные в клинкере в небольших количествах: Na₂O, K₂O, СаО, CaCl₂, MgO, SO₃, SO₂ и другие соединения.

Пример 2:

На общую массу (100%) известняка и глины дополнительно взято, % масс.: CaBr₂ - 4,18%, NaBr - 2,22%, KBr - 1,18%.

Получено 66,2% клинкера, основную массу которого образуют, % масс.: C₃S - 55,6; C₂S - 14,7; C₃F - 12,1; C₄F - 6,6; C₂FS - 1,9, а также растворенные в клинкере в небольших количествах: NaBr, KBr, CaBr₂, Na₂O, K₂O, СаО, MgO, SO₃, SO₂ и другие соединения.

Пример 3:

На общую массу (100%) известняка и глины дополнительно взято, % масс.: NaBr - 4,22%, KBr - 3,36%.

Получено 66,2% клинкера, основную массу которого образуют, % масс.: C₃S - 56,3; C₂S - 14,1; C₃F - 12,2; C₄F - 6,6; C₂FS - 1,7, а также растворенные в клинкере в небольших количествах: NaBr, KBr, CaBr₂, Na₂O, K₂O, СаО, MgO, SO₃, SO₂ и другие соединения.

Полученный цемент соответствует ГОСТу 10178-85 для цементов ПЦ-Д0, ПЦ-Д5, ПЦ-Д20, ШПЦ марки 500.

Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет получить портландцементный клинкер при пониженной температуре обжига сырья на 4,45-10,2% и тем самым снизить расход топлива на декарбонизацию и обжиг клинкера в печи примерно на 5,5-8%, а также повысить выход готовой продукции - клинкера.