Вертикальная мельница отличается простотой обработки, компактной конструкцией и небольшой площадью здания. Площадь пола вертикальной мельницы составляет 70% от площади шаровой мельницы. Площадь здания составляет 60% от площади шаровой мельницы. Размещение на открытом воздухе может напрямую снизить инвестиции. Вертикаль имеет сам сепаратор, поэтому нет необходимости в концентраторе порошка и элеваторном оборудовании. Пылевидный газ, образующийся при измельчении, может быть собран пылесборником рукавного типа или электростатическим пылесборником.

Вертикаль работает по принципу измельчения материала в порошок. Низкое энергопотребление, расход порошка в вертикальной мельнице на 20%-30% меньше, чем в шаровой мельнице. Очевидно, что с увеличением влажности сырья расход порошка уменьшится. Вертикальная мельница экономит 30-40% энергопотребления по сравнению с шаровой мельницей. Вертикальная мельница обладает меньшим уровнем шума, чем шаровая, примерно на 20-25 дБ. Кроме того, вертикальная мельница использует закрытую систему и работает под отрицательным давлением, без пыли, в чистой окружающей среде.

Благодаря системе автоматического управления, дистанционному управлению, простоте эксплуатации, обслуживанию масляного цилиндра, повороту поворотного рычага, проще менять корпус ролика и вкладыш, сокращаются потери при простоях.

Основным требованием при измельчении цемента в VRMS является стабилизация слоя измельчения. Внутренняя циркуляция между помольным столом и классификатором в VRMs довольно высока, что приводит к перемещению большого количества мелкозернистых и сильно аэрированных частиц по помольному столу. Благодаря хорошо стабилизированному помольному слою исключаются вибрации мельницы, и работа становится плавной и эффективной. Для достижения желаемого распределения частиц по размерам производятся различные регулировки, такие как повышение давления измельчения, изменение толщины слоя измельчения, вариации в скорости помольного стола и рабочего давления. В дополнение к вышеуказанным операционным этапам для стабилизации слоя в VRMs выполняется разбрызгивание воды на материал перед помольным роликом.

Технологические добавки – интенсификаторы помола часто оказываются лучшим вариантом вместо простого распыления воды для стабилизации слоя, особенно когда продукты измельчаются до более высокой тонкости.

Вертикальная цементная мельница имеет более простую конструкцию и технологический процесс по сравнению с другими типами цементных мельниц. Меньшее количество занимаемых помещений и расположение на открытом воздухе напрямую сократят инвестиции в цементный завод. Кроме того, вертикальная цементная мельница имеет собственный сепаратор, нет необходимости в концентраторе порошка или подъемном оборудовании.

Вертикальная цементная мельница состоит из системы динамического сепаратора, верхний корпус оснащен входной дверью и загрузочным отверстием, роликовым устройством, трансмиссией,  уплотнением, фрикционным кольцом, разгрузочным кольцом, устройством регулирования мельницы, устройством регулирования ветрового кольца, системой давления ролика, защиты направляющей рейки, уплотнительное устройство рулевой тяги, подачи газа в уплотнение подшипника, канавка для подачи масла, уплотнение внутренней воздушной трубы.

В зависимости от типа VRM, на горизонтально вращающемся помольном столе (тарель), также известном как помольная чаша, вращается от 2 до 6 помольных валка (ролика). Валы роликов закреплены на коромыслах. Во время работы помольные ролики прижимаются к вращающемуся помольному столу. На небольших мельницах помольные ролики раньше прижимались с использованием стальных пружин, но на современных крупных мельницах для прижимания роликов теперь применяются гидропневматические устройства. В используемых сегодня валковых мельницах материал для измельчения подается по центру на помольный стол или сбоку, перед помольным роликом.

Центробежные силы переносят материал мельницы под ролики, где он измельчается преимущественно за счет давления и трения (рис.2).

 Слой измельчаемого материала может быть образован за счет бортика на внешнем краю траектории помола. Снаружи бортика имеется воздушное кольцо-жалюзи, позволяющее воздушному потоку уносить измельченный материал.

При работе вертикальной валковой мельницы, двигатель приводит в движение помольный стол, который заставляет помольный ролик (валок) вращаться вокруг своей оси.

Двигатель приводит помольный стол во вращение через редуктор, материал попадает в мельницу через отверстие подачи в центре помольного стола, а горячий воздух поступает в вертикальную мельницу через воздухозаборник. Под действием центробежной силы материал перемещается к краю помольного стола и измельчается помольным роликом при прохождении кольцевой канавки на помольном столе. Измельченный материал поднимается с края стола высокоскоростным воздушным потоком, проходящим через ветровое кольцо. Крупные частицы попадают непосредственно на помольный стол и повторно измельчаются.

Когда материал в потоке воздуха проходит через классификатор, крупный порошок попадает на помольный стол и повторно измельчается под действием вращающегося ротора. Мелкий порошок вместе с воздушным потоком собирается в пылеулавливающем устройстве. Влагосодержащий материал высушивается во время контакта с горячим газом для достижения желаемой влажности.

Рабочий процесс вертикальной цементной мельницы закрыт и производит меньше шума, в нем нет пыли или отходов, которые поднимают пыль, что обеспечивает чистые условия труда и меньшее загрязнение окружающей среды. Кроме того, вертикальная цементная мельница необходима для добавления определенного количества воды в сырье при переработке, что позволяет достичь цели экономии энергии и сохранения чистоты окружающей среды.

На рисунке показан принцип помола в вертикальной роликовой мельнице фирмы Loscheс системой ведущего и опорного ролика

В VRM измельчение происходит за счет сдавления и сдвигающих усилий (трения), которые передаются через помольные ролики. В вертикальной цементной мельнице создается давление с помощью гидравлической системы, давление воздействует на материал между помольным роликом и помольным столом таким образом, чтобы достичь цели измельчения.

На качество цемента сказывается предгидратация частиц цемента, которая может наблюдаться на поверхности частиц, что также отражается на качестве цемента. Изменение микроструктуры частиц в разных влажностных условиях показано на рисунке.

Для регулирования температуры материала в мельницу подается вода, которая испаряясь, понижает температуру корпуса мельницы и материала. В производственных условиях стараются не допускать температуру цемента, выходящего из мельницы выше 100-110⁰С с целью предотвращения полного обезвоживания двуводного сульфата и ложного схватывания цемента.

Для регулирования сроков схватывания цемента при помоле добавляют сульфаты кальция разных модификаций:

• двуводный сульфат кальция (гипс) CaS0₄·2H₂0;
• α-полуводный сульфат кальция (полугидрат) α-CaSO₄·0,5Н₂О;
• β-полуводный сульфат кальция (полугидрат) β-CaSO₄·0,5Н₂О;
• нерастворимый ангидрит (обычно называемый ангидритом) CaS0₄.

Природный гипсовый камень в основном представлен двуводной модификацией CaS0₄·2H₂0. При нагревании CaS0₄·2H₂0 сравнительно легко дегидратируется (обезвоживается) и в зависимости от степени нагревания дает ряд продуктов, значительно отличающихся по своим свойствам. Степень обезвоживания гипса зависит от температуры и длительности нагревания, а также от давления водяных паров. При нагревании уже до 65°С двуводный гипс CaS0₄·2H₂0 начинает медленно переходить в полуводный β-CaSO₄·0,5Н₂О. β-полугидрат представляет собой мелкие кристаллы с нечетко выраженными гранями.

Различные модификации сернокислого кальция имеют кристаллические решетки трех типов: решетки двуводного гипса, полугидрата и ангидрита. Обезвоженные полугидраты имеют ту же решетку, что и полугидрат, а решетка растворимых ангидритов такая же, как и у нерастворимого ангидрита. В связи с этим эти модификации имеют различную скорость растворения в воде при затворении цемента, что определяет время начала и конца схватывания.

С этой целью режим помола должен выдерживаться в определенных температурно-влажностных условиях.

При определении размеров частиц с помощью ситового метода (в соответствии с которым о размере частиц судят по тому проходит или не проходит частица через ячейку сита), сферические частицы диаметром d и цилиндрические частицы диаметром d и длиной L одинаково хорошо пройдут через ячейку сита размером d, но диаметры эквивалентных сфер будут существенно отличаться. Например, цилиндр диаметром 20 мкм и длиной 100 мкм соответствует эквивалентной сфере диаметром 39 мкм, т.е. практически в два раза больше, чем для сферы диаметром 20 мкм. 

Представление распределения по крупности путем определения размера отверстий такого сита, через которое проходит 80% материала, одним и тем же числом может быть представлено множеством различных распределений, как показано на рисунке.

Графическое представление результатов распределения частиц при равном содержании определенной фракции показывает, что этот метод не является адекватным. Как видно из рисунка, такие условия не отражают реальной картины распределения частиц.

Рекомендуется строить график зависимости количества просеянных частиц от медианного размера отверстий сита, а не от величины ячеек. Сито следует характеризовать его медианной ячейкой, ее доверительным интервалом и стандартным отклонением, полученным при калибровке.

Каждая отрасль определяет свой набор показателей для определения дисперсности порошкообразных материалов, исходя из особенностей технологических переделов.

Удельная поверхность совокупности частиц (S,м²/кг)представляетсобой сумму наружных поверхностей всех частиц, имеющихся в единице его массы. Она зависит от размера, формы и микроструктуры частиц. Для высокодисперсного порошка характерны величины удельной поверхности от единиц до нескольких сотен м²/кг.

По удельной поверхности можно судить о некоторых физико–химических свойствах порошкообразных материалах, в том числе и степени их дисперсности. Увеличение удельной межфазной поверхности приводит к интенсификации химических и физико–химических процессов, протекающих на поверхности порошка, таких как скорость реакции, изменении температуры фазовых переходов, что влечет за собой изменение качества композиционных материалов.

При оценке технологических свойств порошкообразных материалов размер удельной поверхности составляющих их частиц имеет в ряде случаев решающее значение. Так, для российских цементов для транспортного строительства нормирован показатель качества по удельной поверхности в пределах 280–400 м²/кг, а для цементов сульфатостойких – не менее 250 м²/кг. Величина удельной поверхности является также главным показателем, характеризующим расход энергии, затраченной на измельчение.

При расчетах площади поверхности порошкового материала различного гранулометрического состава в первом приближении принимают, что все зерна, входящие в отдельные узкие классы, имеют правильную геометрическую форму (куб, шар, цилиндр) и могут характеризоваться одним средним размером d. Общая расчетная удельная поверхность (т.е. поверхность всех частиц одной весовой единицы данного продукта) Sонаходится суммированием по классам крупности. Для сферических частиц дисперсной фазы удельная поверхность определяется по уравнению:

Расчетные данные по удельным поверхностям для сферических частиц, различающихся по степени дисперсности, приведены в таблице. 

Данные таблицы показывают, что с уменьшением размера частиц дисперсной фазы удельная поверхность резко возрастает.

 Однако удельная поверхность не является определяющей характеристикой тонкости помола, поскольку порошки с различным гранулометрическим составом могут иметь одинаковую удельную поверхность и морфологию кристаллов

На рисунке приведен наглядный пример образцов с различным гранулометрическим составом, но с одинаковой удельной поверхностью по Блейну.

Приведенный пример позволяет оценить, как увеличивается поверхность кубика твердого тела с ребром в 1 см в результате раздробления на кубики одинакового размера с ребром 500 нм. Оказывается, поверхность маленьких кубиков возрастает в 20 тыс. раз.

Щелевые бронеплиты межкамерной перегородки удерживают крупный материал в 1-ой камере и обеспечивают вентиляцию мельницы. Для эффективной работы ширина щелей в межкамерной перегородке при помоле цемента рекомендуется 6 – 7 мм, минимальная суммарная площадь щелей должна быть 15 см²/т производительности мельницы.

Основной проблемой работы 1-ой камеры считается снижение производительности, которое возможно по разным причинам. Причины снижения производительности 1-ой камеры и мероприятия для их устранения приведены в таблице.

Перед началом построения диаграммы распределения мелющих тел по длине мельницы, подготавливают таблицы, в которые будут заноситься результаты.

Всю длину мельницы разбивают на точки через каждый метр, в которых будут отбираться пробы мелющих тел.

По центру оси мельницы из 1-ой камеры отбирается подряд 50 шаров в пробе, которые взвешиваются.  Во 2-ой камере отбирают пробы из 200 шаров.

Далее в каждой пробе измеряют диаметры шаров, и распределяют их по диапазонам размеров: dш±0,5dш. Взвешивают шары, входящие в диапазон, определяют процентное содержание по массе шаров данного диапазона размера от общей массы пробы шаров. Определяют средний диаметр шара в диапазоне, разделив суммарное значение диаметров на количество шаров, определяют средний вес шара, входящих в данный диапазон, разделив общую массу шаров данного диапазона на количество шаров. Результаты записывают в таблицу.

При построении диаграммы шаровой загрузки по оси Х откладывают расстояние в м длины мельницы, начиная от входа материала. По оси У откладывают процентное содержание мелющих шаров определенного размера.

Система автоматической смазки мельниц состоит из двух станций жидкой смазки: производительностью 200 л/мин, обслуживающей редуктор, и производительностью 50 л/мин, обслуживающей подшипники мельницы.

При работе мельницы в составе помольного агрегата для периодической подачи к поверхностям трения воздушных сепараторов дозированных порций смазки устанавливают отдельную систему автоматической густой смазки.

Станции жидкой смазки снабжены контрольно-измерительными приборами: реле давления, электроконтактными термометрами, температурными и поплавковыми реле и термометрами сопротивления.

Поплавковое реле контролирует уровень масла на сливе от подшипников мельницы и уровень масла в отстойниках. Реле давления подает сигналы при понижении давления масла в нагнетательных трубопроводах до 1 кгс/см² и при повышении до 4 кгс/см².

При помощи медных термометров сопротивления лагометрическая установка контролирует температуру масла в нагнетательных трубопроводах станции и температуру охлаждающей воды при входе в холодильник и при выходе из него. Двумя температурными реле, установленными в отстойниках, температура масла поддерживается в пределах 35—45 °С. Электроконтактными термометрами осуществляется дистанционная передача данных о температуре масла в отстойниках.

Для главного привода мельницы установлен синхронный электродвигатель трехфазного тока в защищенном исполнении, для всех вспомогательных механизмов — асинхронные электродвигатели трехфазного тока с короткозамкнутыми роторами в закрытом обдуваемом исполнении.

Мощность установленного электродвигателя шаровой мельницы 3,2 х 15 м — 2000 кВт (при фактически потребляемой 1800 кВт) и мельницы 4 х 13,5 м — 3200 кВт.

Для управления силовым электрооборудованием служат автоматические выключатели и релейно-контакторная аппаратура, поставляемые смонтированными в щиты станций управления.

Установленное на агрегате электрооборудование снабжено необходимыми зажимами для заземления. Пусковая аппаратура в конечных положениях фиксируется во избежание самопроизвольного выключения.

Агрегат снабжен электрической блокировкой, а также системой управления и автоматики. Благодаря этому пуск агрегата или остановка его обязательно сопровождаются подачей звукового сигнала, а запуск механизмов осуществляется в строгой последовательности от конца рабочего потока до электродвигателя главного привода сепараторной мельницы.

Технологические параметры и производительность мельницы, состояние отдельных механизмов мельницы и ее системы смазки контролируются дистанционно.

Для футеровки трубных цементных мельниц, применяемых в цементной промышленности, изготовляют преимущественно бронеплиты следующих типов (см. рисунок).

Типы профилей футеровочных плит шаровых мельниц: а – одноволновой; б – двухволновой; в – каскадный; г – блочный; д – с подъемной планкой; е – унифицированный; ж – плоский; з – цилиндрический полочного типа из стального проката; и – ступенчатый; к – каблучковый обыкновенный; л – конусно-ступенчатый с каблучковой поверхностью; м – резиновая.

Общий вид бронефутеровки камер мельницы

Для рационального распределения (классификации) мелющих тел по размеру в направлении движения измельчаемого материала используют классифицирующие цилиндрические самосортирующие бронефутеровки полочного типа. Классификация мелющих тел происходит за счет чередования футеровочных плит с выступами и без них и изменения размера выступа. Классификация мелющих тел также происходит при использовании бронеплит конусно-ступенчатой формы с каблучковой поверхностью и конусно-волнистой формы. Самосортировка мелющих тел при использовании конусных плит состоит в самораспределении по длине мельницы шаров разного диаметра. Футеровка устанавливается так, чтобы рабочая поверхность плиты образовывала набор коротких усеченных конусов, которые обращены своим большим основанием в сторону загрузки. Подобное расположение плит гарантирует распределение мелющих тел с уменьшающимся размером в сторону движения измельчаемого материала. В зоне загрузки находятся шары большего диаметра для разрушения кусков крупного размера, а при их удалении от места загрузки располагаются шары меньшей массы, которые необходимы для измельчения мелкокускового материала. Количество таких шаров необходимо большее. Сцепление между материалом, шарами и плитами достигается за счет каблучковой или волнистой поверхности. Размеры каблучков принимают равными диаметру самых больших шаров. Установлено, что футеровки быстро изнашиваются при меньшем диаметре каблучков из-за малого сцепления с шаровой загрузкой. Расстояния между каблучками выбирают исходя из следующего условия: самые малые шары не должны заклиниваться между каблучками.

Одними из самых распространенных футеровочных плит цилиндрической части барабана шаровых мельниц, выпускаемых отечественными заводами, являются ступенчатые футеровки. Резиновая футеровка применяется при следующих условиях эксплуатации мельниц: среда должна быть нейтральной, кислотность pH допускается не более 8-10 единиц; температура среды не выше 80°С; диаметр загружаемых шаров не более 80 мм; размер частиц загружаемого материала на более 20 мм. Массивные защитные резиновые футеровки позволяют экономить сотни тонн дорогостоящих дефицитных хромоникелесодержащих высоколегированных сталей, обеспечивает длительную работу оборудования – в течение заданного межремонтного периода всей линии в целом. Такие футеровки гарантируют снижение шума и создают условия для облегчения труда персонала. В футеровках из резины обычно применяется схема "лифтер - плита", что обусловлено характеристиками износа этого материала.

Футеровки обычно изготавливаются в виде отдельных плит соответствующих размеров. Габаритные размеры футеровочных плит определяются исходя из возможности их подачи внутрь барабана мельницы через люк или загрузочную цапфу, а также масса плит при толщине в пределах 40 – 50 мм; ширине как правило 300 – 400 мм; длине 350 – 500 мм равна 25-60 кг. Различают следующие способы крепления футеровки: болтовой и безболтовой. Чаще всего плита крепится к корпусу мельницы одним или двумя болтами. Особое значение уделяется надежности крепления плиты к корпусу. Безболтовая технология крепления плит предполагает стыковку футеровок за 15 счет краев необходимой высоты отдельных плит друг с другом. Футеровка внутри барабана мельницы укладывается таким образом, чтобы зазоры между плитами, направленные вдоль оси вращения корпуса, составляли прямую линию, а зазоры, идущие поперек корпуса, образовывали зигзагообразную линию. При такой схеме расположения плит исключается возможность перекатывания размалываемого материала вдоль поперечных зазоров и истирания им корпуса мельницы.

Более 2000 мельниц по всему миру оснащены футеровками компании "Christian Pfeiffer" в 1-й и 2-й камере, которые обладают износостойким профилем и новым видом крепления футеровочных плит (система Compact Lining). С помощью многоступенчатой термической обработки футеровок достигается гомогенная, непрерывная структура материала, которая гарантирует высокую износостойкость и прочность футеровки мельницы.

В результате целого ряда серий испытаний "Christian Pfeiffer" оптимизировал форму прогрессивных ступенчатых футеровок до такой степени, что достигается наилучшее измельчение материала мелющими шарами. Характер формы лифтеров сохраняется на протяжении всего срока службы, в связи с чем, эффективность мельницы в течение всего срока эксплуатации также остается постоянной.

Сегодняшние разработки в большей степени касаются резино-металлических футеровок, которые обладают высокой прочностью на растяжение и коррозионной стойкостью.

Одновременно различают два основных типа микроструктуры клинкера.

Гломеробластическая(гломеробластовая) структура - структура кристаллически-зернистых полиминеральных метаморфических пород. Характеризуется кучным расположением главных составных частей породы, скопляющихся в агрегаты мономинерального состава

Рис. 3.4. Микроструктуры клинкеров. Светлые кристаллы -белит (1), коричневые – зерна (2)– алит, темнокричневые – поры (3). Матрикс (промежуточная фаза) – стеклофаза (4).

Для портландцементного клинкера гломеробластическая структура характеризуется неравномерно зернистым распределением кристаллов алита и белита в виде чередующихся групповых скоплений разной величины.

Монадобластическая (геолог. термин MonadoblastischeStruktur) равномерно зернистая) - равномерное распределение поодиночке кристаллов алита и белита по объему зерна без образования скоплений и агрегатов.

Гломеробластическая структура клинкера является результатом плохого усреднения сырья, грубого помола компонентов, присутствия в сырьевой шихте кремнезема в виде кварца, недостаточного или неравномерного обжига. Характерна для клинкеров с низким коэффициентом насыщения.

Монадобластическая структура получается при оптимальных условиях обжига сырьевой смеси, характеризующейся высоким коэффициентом насыщения, минимальным содержанием кварцевых зерен.

Из клинкеров монадобластической структуры получаются цементы более высокой активности (прочности) по сравнению с цементами из клинкеров гломеробластической структуры даже при одинаковом химическом составе.

Так, по рис. 4.2 а) видно, что основные кристаллические зерна алита и белита имеют области скопления кристаллов, в которое входят от 5 до 30 отдельных зерен, тогда как на рис. 4.2 б) зерна алита и белита равномерно распределены по всему полю аншлифа.

Как известно, клинкерное зерно представляет собой поликристалл, механическое разрушение которого может быть хрупким, пластическим или смешанным в зависимости от строения кристаллической решетки. Для металлов, содержащих большое количество свободных электронов, при отсутствии фиксированных связей в некоторых  направлениях характерны пластические деформации. Для ионно-ковалентных кристаллов, к которым относятся и кристаллы клинкера, характерны фиксированные в пространстве связи и вследствие этого хрупкое разрушение.

Как установили В. Ф. Журавлев и М. М. Сычев, микротвердость и хрупкость (диаметр выколки, образующейся при вдавливании алмазной пирамидки) отдельных минералов цементного клинкера различны (метод Виккерса). Наибольшей микротвердостью характеризуются белит и С₄АF, наименьшей хрупкостью – С₄АF. Физические свойства основных клинкерных фаз приведены в табл.(табл. 3).

Алит и белит, имея примерно одинаковую микротвердость, резко различаются по хрупкости. У кристаллов алита больше дефектов структуры, поэтому они значительно более хрупки, чем кристаллы белита; чем больше белита, тем сильнее процессы налипания и агрегирования цемента.

Использование классической теории трещин Гриффитса при рассмотрении разрушения гетерогенных твердых материалов осложняется обстоятельством сложения крупных зерен полиминеральным составом и сложной структурой. Поскольку горная порода, клинкер, керамика являются агрегатами из отдельных минеральных зерен или кристаллов, развивающаяся внутри зерна микротрещина неизбежно выходит на его границу и, следовательно, радиус r устья трещины увеличивается скачком. Поэтому для перехода трещины в другое зерно (кристалл) и дальнейшего ее развития требуется напряжение больше, чем это следует из теории Гриффитса. Таким образом, существует некоторое «барьерное» напряжение, при котором только и возможно развитие трещины в реальном твердом теле. Кроме того, развитие трещин в таком теле происходит преимущественно по контакту минеральных зерен, т. е. по цементирующему материалу.

Разрушение горной породы (с позиций любой теории прочности) определяется действующими в ней напряжениями. Но в силу неоднородного строения пород локальные очаги концентрации напряжений распределены в ее объеме случайным образом. Поэтому прочность и разрушение горных пород рассматривают со статистических позиций. Такой подход оправдан и для большинства других материалов гетерогенного строения.

 Микроструктура клинкера изучается петрографическим методом (микроскопическим анализом) при увеличениях в 10-2500 поверхностных слоев твердых тел, который из ряда известных современных методов фазового анализа силикатных фаз является наиболее точным и доступным. Примеры микроструктуры клинкеров разных производителей приведены на рис. 4.1-4.2.

Рис. 4.1. Микрофотографии клинкеров (различие в цветовой окраске микроструктуры зависит от способа травления поверхности аншлифа) клинкер при увеличении a) 200х, б)400х.  Призматический алит светло-голубой, круглый белит - коричневый, а промежуточная масса - белая.  Равномерное распределение фаз; в) алитовый клинкер с высоким содержанием промежуточной фазы; Темные области промежуточной фазы – алюминаты кальция, более светлые – алюмоферриты; г) неравномерное распределение фаз, включения кристаллов белита голубого цвета в кристаллы алита;

Рис. 4.2. Примеры микроструктур клинкеров

а) плотноупакованные округлые кристаллы белита с неровными краями в форме «пальцев», уходящими в матрицу;

b) микротрещины в кристаллах алита большого диаметра;

c) кластер кристаллов белита, отдельные кристаллы белита встроены в кристаллы алита;

d)сросшиеся кристаллы алита с высоким содержанием промежуточной фазы и отдельным кристаллом белита.

Изображение поверхности аншлифа клинкерной гранулы с помощью микроскопа дает картинку в оттенках серо-голубоватого цвета с четким различием между основными фазами клинкера. Измеренный уровень серого цвета в изображениях с помощью SEM-DSEмикроскопа зависит от коэффициента обратного рассеяния, который является прямой функцией среднего атомного номера Z исследуемой фазы. Как показано в таблице 2, коэффициенты обратного рассеяния для основных фаз клинкера достаточно различны, чтобы можно было идентифицировать фазы петрографическим методом.

Коэффициенты обратного рассеяния белита и алюмината слишком схожи, чтобы их можно идентифицировать по данному показателю. Это различие преодолевается за счет характерных форм кристаллов алюминатной фазы и белита: кристаллы белита имеют округлую форму. В то время как кристаллы алюмината имеют малые размеры и смешаны с кристаллами алюмоферритовой фазы.

Рассмотренные выше теории и концепции прочности основываются на модели тела либо как однородной бесструктурной среды, либо как материала, имеющего структуру, но однородного по всему объему. Горные породы, а также искусственные материалы, такие как керамика, портландцементный клинкер такими телами заведомо не являются. Они сложены различными по свойствам сцементированными минеральными зернами, содержат макродефекты в виде пор и различных включений, а также объекты различного агрегатного состояния (газы, жидкости). В этих условиях детерминированные теории прочности оказываются явно несостоятельными.

Исходя из подобия структуры многокомпонентных полиминеральных горных пород и искусственно синтезированного твердого тела – портландцементного клинкера теоретические вопросы разрушения клинкера на мезо- и микроуровне должны описываться единой теорией разрушения.

Рассмотрим основные положения теорий разрушения композиционных материалов как полиминерального твердого тела, которые можно по аналогии происходящих процессов отнести к разрушению синтетического полиминерального твердого тела – портландцементного клинкера.

Свойства таких твердых тел зависят от минерального состава и макростроения, т.е. от текстуры и структуры.

Структура – это совокупность признаков, описывающих степень связи между частицами твердого тела, их размеры, форму и взаимное расположение. Структура в основном определяется степенью зернистости и размером зерен и подразделяется для горных пород на следующие виды:

• крупнозернистые с зернами более 5 мм;
• среднезернистые – 2-5 мм;
• мелкозернистые – 0,5-2 мм;
• скрытокристаллические менее 0,5 мм.

Текстура горных пород определяет их сложение, то есть каким образом отдельные зерна уложены в образце. По этому признаку текстуры могут быть: плотные, пористые, слоистые и пр. По аналогии с текстурой горных пород можно различать текстуру клинкерных зерен: пористые (низкая степень спеченности) и плотные (спеченные).

Классические законы разрушения Риттингера, Кирпичева-Кика и Бонда установлены на основе положения о квазихрупком разрушении, основой которого является допущение, что константой материала является поверхностная энергия. Это допущение не противоречит механизму разрушения твердых тел, которые не имеют дефектов.

Этот вывод показывает, что вновь образованная поверхность, являясь весьма важной характеристикой зернистого материала, не может служить мерой расхода энергии на измельчение. Отсюда следует, что между вновь образованной поверхностью и затраченной на ее образование энергией нет прямой зависимости, которая предполагается в теории Риттингера. Это и является ее основным недостатком. Путь действия разрушающей силы учтен в удельной работе Ау, определяемой опытным путем.

Эффективность дробления определяется массой раздробленного материала, получаемого при расходе единицы электроэнергии. Она, в основном, зависит от прочности дробимого материала.

В инженерной практике наиболее характерным и универсальным информационным параметром, определяющим сопротивляемость материала измельчению, является эффективность измельчения, которая определяется как количество энергии, израсходованной на одну тонну кондиционного продукта:

где Uэ– количество энергии, израсходованной в единицу времени, кВт·ч; Q– количество материала, измельчённого за промежуток времени, т; βм, βucx– содержание заданного класса крупности соответственно в измельчённом продукте и в исходном материале, %.

В случае постоянного состава измельчаемого материала минимальное значение Е_эф будет свидетельствовать о работе мельницы в оптимальном режиме по параметрам загрузки и производительности.

При измельчении породы с высокой прочностью до состояния сверхтонких порошков в конце измельчения преодолевается прочность, при котором разрушение идет по объему кристалла. Эта прочность соответствует энергии кристаллической решетки. Бондом предложена «третья теория» - «энергокрупностная», по которой работа измельчения пропорциональна среднему геометрическому из объема и поверхности куска:

ГдеD₈₀– характеристический размер исходного материала - размер ячеек сита, через которое проходят 80% из исходного материала, подаваемого на измельчение, мкм; d₈₀- характеристический размер частиц измельченного материала – размер ячеек сита, через которое проходит 80% частиц измельченного материала, мкм.

Бонд ввел понятие «индекс работы» Wi- по существу удельную энергоемкость измельчения. W_i-энергия, затрачиваемая на измельчение 1 короткой тонны (907 кг) сплошного материала «бесконечного» размера до 100 мкм, кВт⋅ч/т.

Теория Бонда может рассматриваться как эмпирический метод группирования промышленных и лабораторных данных, при котором использование «индекса работы» обеспечивает некоторую степень экстраполируемости и интерполируемости результатов для известных материалов и аппаратов.

В законах Риттингера, Кирпичева-Кика и Бонда все уравнения имеют одно неизвестное в виде коэффициента пропорциональности, выступающего в качестве удельной энергоемкости разрушения и легко определяемого конечного результата в виде вновь образованной поверхности. Поэтому все перечисленные формулы обобщаются в уравнение:

Формула Риттингера (5) получается при n=2, формула Кирпичева-Кика (7) ̶ при n=1, формула (11)  ̶ при n=1,5. Коэффициенты пропорциональности в этих уравнениях (энергетические параметры) зависят от прочности материала. Величина n, т. е. число приемов разрушения, необходимых для получения из тела размером D частиц размеромd, при степени однократного разрушения а₀ определяется следующим образом: после n- кратного разрушения тела получается аn₀ частиц размером d. 

Тогда, работу измельчения можно выразить и через размер измельчаемых частиц (I):

Существуют следующие схемы измельчения: 

Таким образом, количественная оценка показателя размалываемости по какой-либо простейшей характеристике – твердости, прочности, величине временного сопротивления сжатию и т.д., оказалась явно неудовлетворительной. Одно из свойств лучше способствует разрушению методом раздавливания, другие – измельчению ударом, третьи – истиранием. Поэтому размалываемость не может измеряться какой-либо физической величиной.

Технологическими показателями процесса измельчения являются степень и эффективность измельчения. Степень измельчения – это отношение размеров кусков материала до и после измельчения.

Где d и V- размер и объем кусков до (с индексом «н») и после измельчения (с индексом «к»). Вопрос о том, по размеру какого куска (наибольшего, среднего или наименьшего) выбирать значения d_н, V_н, d_ки V_к,остается до настоящего времени нерешенным.

В зависимости от величины сопротивления при раздавливании, материалы классифицируют по твердости: мягкие (менее 10 МПа); средней твердости (10-50 МПа); твердые (более 50 МПа); весьма твердые (более 100 МПа).

При анализе механизма разрушения образцов необходимо учитывать целый ряд факторов: кристаллическую структуру, твердость, упругость, пористость, структуру породы, складывающуюся из разных минералов, наличие трещиноватости, влаги и т.д.

В зависимости от физико-механических свойств материалов рекомендуется применять следующие способы воздействия при измельчении.

Раздавливающие способы применяют при крупном и среднем измельчениях, истирание – при тонком измельчении.

Наиболее энергоемким является способ тонкого измельчения истиранием.

Тонкость помола – один из основных факторов, позволяющих управлять свойствами цементов на основе клинкера определенного минералогического состава и вещественного состава цемента.

Помол цемента относится к одному из энергозатратных технологических переделов, они могут достигать от 38 до 43% от общих затрат на производство 1 тонны цемента.

На рисунке изображена доля энергетических затрат на производство цемента (по данным IEA, MorganStanleu)

Для определения энергозатрат при измельчении твердых материалов в предложенных моделях технологических систем напрямую не используются такие показатели как твердость, прочность и размалываемость материала. Но, согласно теории разрушения горных пород, эти показатели относятся к прочностным характеристикам твердого тела.

Прочность твердых тел, в широком смысле – их свойство сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под воздействием внешних нагрузок (в узком смысле – сопротивление разрушению), определяется типом химических соединений (молекулярным, атомным или атомно-молекулярным).

Твердость – свойство материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации или разрушению при внедрении в поверхностный слой материала другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела - индентора.

Размалываемость– мера удельного расхода энергии, которая требуется для уменьшения с исходного размера до определенного размера частиц единицы массы материала.

В горно-обогатительной промышленности принят термин «измельчаемость», в цементной – «размалываемость», в энергетической – «размолоспособность. Последний термин явно неудачен, т.к. он больше обозначает способность размалывать, но не размалываться. Термин «измельчаемость» может включать оценку эффективности процессов как дробления, так и тонкого измельчения.

Таким образом, в дальнейшем в работе мы будем использовать термин «размалываемость».

Размалываемость материала – это мера способности материала противостоять силам измельчения.

Термин «размалываемость» используется для оценки потребности в энергии для измельчения материала до заданной крупности. Одновременно этот показатель позволяет классифицировать материалы в соответствии с легкостью, с которой они измельчаются. Количественная характеристика размалываемости материалов имеет важное практическое значение, так как она необходима для расчетов размеров и числа мельниц при проектировании и для установления норм производительности мельничных агрегатов, находящихся в эксплуатации.

Сущность силового условия на микроуровне состоит в том, что по фронту излома должны быть преодолены молекулярные силы сцепления. В случае хрупкого разрушения это означает, что местные растягивающие напряжения должны достичь молекулярной разрывной прочности.

Размалываемость является технической характеристикой, которая зависит от физических свойств измельчаемого материала, от способа и условий размола, а также заданной тонкости помола продукта. Следовательно, размалываемость отражает работу, затраченную на измельчение материала исходной крупности до заданной тонкости продукта.

Поддержание качества клинкера на должном уровне требует осуществления оперативного контроля параметров продукта, но точное определение качества производится физико-механическими испытаниями после длительного интервала времени, когда происходит твердение образцов. Вследствие длительного промежутка времени определения качества клинкера лабораторными методами, качество клинкера определяют по содержанию в нем свободной окиси кальция, гранулометрическим характеристикам, то есть используются косвенные методы.

Высокотемпературные цветные камеры и оптические пирометры обычно используются для предоставления оператору непрерывных изображений печи. Поскольку печь и конвейеры, занимающие центральное место в процессе, являются движущимися, бесконтактное измерение температуры с использованием инфракрасных методов уже давно признано более эффективным способом достижения поставленных целей.

Стандартной практикой является использование термометра соотношения, который подходит для температур в диапазоне от 1000-2600 ° C. Термометр отношения выдает два выходных сигнала с немного разными длинами волн, которые усредняются процессором сигналов для получения истинной температуры продукта независимо от любого временного препятствия на пути обзора. Сигнальные процессоры последнее поколение является многоканальным и способно принимать сигналы от нескольких инфракрасных термометров.

Повреждения корпуса печи и внутренней огнеупорной футеровки из-за чрезмерно высоких температур и теплового удара можно избежать, контролируя температуру корпуса с помощью инфракрасного сканера вместе с вращающимся зеркалом и сопутствующей электроникой. Система устанавливается на расстоянии 30-40 м и может производить до 1000 измерений. Выходные сигналы передаются на компьютер, содержащий электронику и программное обеспечение для сбора данных, который отображает цветное тепловое изображение, представляющее распределение температур вдоль корпуса печи и расположение холодных и горячих.

Идентификация скола обмазки в зоне обжига по результатам контроля температуры корпуса печи, температурная развертка высвечиваются на экране контроля температуры корпуса печи в разных зонах.

Существует несколько запатентованных экспертных систем, которые доказали свою ценность в оптимизации процесса сжигания, и они используют измеренные значения в дополнение ко многим другим входным данным процесса. В конечном счете, управление процессом осуществляется путем регулировки подачи в печь, расхода топлива и скорости вентилятора с принудительной тягой. Одновременный контроль подачи и скорости печи обеспечивает надлежащее объемное наполнение материалом (примерно, 7-12% от общего объема печи). Температура подаваемого газа и уровень кислорода на входе заданы на уровне 1000°C и 2% соответственно. Весь процесс управления печью, конечно же, связан с составом сырьевой муки, топлива и клинкера, определяемым заводской лабораторией.

Для управления электроприводами механизмов холодильника предусмотрено дистанционное управление cпульта оператора системы обжига с необходимыми электрическими блокировками и местное управление без блокировки. Дистанционное управление с автоматическими блокировками является основным видом управления. Местное управление предусматривается только для наладочных и ремонтных работ. Переключатели видов управления расположены в распределительном пункте.

Блокировка для работы колосникового холодильника имеет особенно важное значение, так как неисправности в схеме могут привести к аварийному выходу из строя колосниковой решетки и, следовательно, печного агрегата в целом. При остановке холодильника печь должна быть обязательно остановлена, и подача клинкера в холодильник прекращена. Печь должна быть обязательно остановлена и при выходе из строя вентиляторов острого и общего дутья.

Применение современных технических средств автоматизации и приборов контроля технологических величин, и разработка на их основе автоматизированных систем управления процессом обжига с применением методов теории управления, увеличивает объем производимой продукции, повышает энергоэффективность производства, снижает колебания качественных параметров клинкера. улучшая тем самым конкурентоспособность предприятия.

Для визуализации всех процессов и параметров управления в центре управления процессами установлены несколько мониторов, позволяющих оператору отслеживать и управлять всеми  процессами. Причем мнемосхемы могут быстро переключаться на экране в зависимости от необходимости воздействия на тот или иной процесс. Для наглядности на рисунках представлены мнемосхемы процесса обжига во вращающейся печи.

На рисунке ниже представлена мнемосхема обжига во вращающейся печи  с 5-ю ступенчатым циклонным теплообменником и предкальцинатором с одновременным выводом параметров охлаждения клинкера с охладителем отходящих газов.

Возле каждой контрольной точки имеется окно, в котором отражается значение контролируемого параметра. При выходе параметра за контрольные значения система может подавать цветовой или звуковой сигнал.

Дистанционное диспетчерское управление производством подразумевает контроль технологических процессов и оборудования с помощью контрольно-измерительных приборов и датчиков. Сигналы передаются на преобразующие измерительные приборы, на исполнительные механизмы, которые управляются регулирующими дросселями.

Данные приборов и датчиков выводятся на экран компьютера пульта оператора, которые установлены в центре управления процессами (ЦУП). В описании схемы указываются всегда верхний и нижний пределы каждого параметра. Автоматизированные системы дают возможность производить действия по управлению технологическими процессами: закрывать и открывать задвижки на подаче шлама и топлива, изменять положение шиберов дымососов для изменения тягодутьевого режима печи, управлять работой приводов, вращающих цементную печь и пр.

На цементных производствах, где применяются современные средства автоматизации, все еще главную роль в управлении занимает оператор, на которого возлагаются функции принятия решения на основе информации, формируемой на пульте управления. При этом возможны ошибки в силу человеческого фактора. Создание полностью автоматической системы управления печью обжига с использованием инженерных методов автоматизации затрудняется тем, что процессы в печи являются достаточно сложными с точки зрения математического описания.

Поддержание определенного соотношения между количеством подаваемого воздуха и топлива, необходимого для горения, является непременным условием получения максимальной температуры факела, а, следовательно, и повышается экономичность процесса горения. Если количество воздуха подается больше, чем необходимо для горения, то температура факела становится ниже и происходит пережог топлива. При подаче меньшего количества воздуха температура факела уменьшается и происходит неполное сгорание топлива. В обоих случаях из-за нарушения указанного соотношения, для получения оптимальной температуры горения необходимо осуществлять управление технологическим процессом. Необходимое соотношение воздуха и природного газа устанавливается с помощью датчика этих регуляторов расхода. Расход первичного воздуха и газа измеряется сужающимися устройствами и измеряются измерительными приборами. Автоматическая система регулирования подачи воздуха полностью обеспечивает экономичное горение топлива.

В печи с циклонными теплообменниками имеются механизмы следующих трех групп: механизмы питания печи сырьевой мукой, обжига и охлаждения; тягодутьевые механизмы и механизмы пылеулавливания и транспортирования уловленной пыли. Для управления этими механизмами предусматривается дистанционное управление с блокировкой с пульта оператора печи, являющееся основным видом управления. И местное управление (без блокировки), которым пользуются только при проведении наладочных и ремонтных работ. На период розжига печи предусмотрено деблокированное управление отдельными механизмами печного агрегата (в том числе главным приводом печи и вентилятором первичного воздуха). С деблокированного управления на блокированное переводят на ходу без остановки механизмов. Работа главного привода печи сблокирована с работой системы смазки. Вспомогательный привод печи используют только при ремонтных работах. Для него применено местное управление.

Управляют встряхивающими механизмами электрофильтров и включают высоковольтные агрегаты электрофильтров со щита управления подстанции электрофильтров с одновременной сигнализацией об их работе на пульте оператора печи. При этом электроды электрофильтров встряхивают автоматически по заданной программе в соответствии с режимом встряхивания.

При нарушении нормальной работы системы смазки автоматически включается резервный маслонасос. Если после включения резервного насоса нормальная работа смазки не восстанавливается, то с выдержкой времени отключается электродвигатель привода печи. При превышении уровнем сырья в бункере заданного предела прекращается подача сырьевой муки из отделения смесительных силосов.

Для обеспечения нормальной работы агрегата имеется сигнализация: предпусковая звуковая; состояния механизмов (сигнальные лампы горят ровным светом при работе механизмов и не горят совсем при нормальной их остановке; при аварийной остановке лампы мигают); превышения температуры колосниковой решетки горячей зоны холодильника; превышения верхнего уровня сырья в бункере.

Качество клинкера в форме содержания свободной окиси кальция в нем на выходе печи в силу сложности и длительности лабораторного измерения оценивают по температурам в зонах печи, поскольку процесс изменения СаОсв прямо зависит от температуры. Для этого строят систему управления печью как распределенным объектом, разбивая печь на зоны и выделяя переменные по каждой зоне, характеризующие протекающие физико-химические процессы.

При разработке автоматизированной системы управления печью обжига как единым агрегатом в обязательном порядке учитываются взаимные связи между данными процессами, которые накладываются друг на друга. Назначение системы автоматического регулирования состоит в обеспечении стабилизации качества обжига, снижении расхода топлива и ручного труда.

Различают следующие методы автоматизированного контроля и управления производством в зависимости от целей управления и возможности автоматизации:

1. автоматизированный контроль технологического процесса;
2. дистанционное диспетчерское управление технологическими процессами и агрегатами;
3. автоматическое регулирование и автоматизированное управление.

Они и определяют основные мероприятия при проведении управления вращающейся печью:

• подбор оптимального химического и минералогического состава клинкера в сырьевой смеси, обеспечивающего необходимые условия для высокоэффективной работы печи и стабильности процесса;
• выбор рационального режима работы теплообменных устройств для интенсивного теплообмена и снижения потерь теплоты;
• отработка рационального режима сжигания топлива, обеспечивающего экономное его расходование и интенсивность высокотемпературных процессов;
• выбор оптимальных режимных параметров всей печной системы и отработка методов управления процессами.

Выделяют следующие технологические величины и переменные, характеризующие процесс обжига, которые используются при автоматическом контроле и управлении:

• температура и разрежение отходящих газов;
• температура материала по зонам печи (чаще всего измеряют температуру в зоне подогрева, кальцинирования и спекания);
• расход, температура, давление и калорийность газообразного топлива;
• гранулометрический состав клинкера;
• нагрузка на главном приводе печи;
• содержание СО₂, О₂, NO_xи СО в отходящих газах.

На входе печи всегда имеются неконтролируемые возмущения, которые возникают из-за изменения свойств сырья, внешних условий либо других неучитываемых факторов. Для компенсации неконтролируемых возмущений, измеряются промежуточные переменные, такие как температуры по зонам печи, учитывается гранулометрия клинкера, то есть косвенно определяются показатели качества клинкера и отслеживаются значимые параметры технологического процесса.

Если переменные покидают интервал нормального протекания процесса, то это свидетельствует о нежелательных режимах, это требует управления всей системой. При этом в силу случайного характера возмущений измеряемые технологические величины являются стохастическими процессами. По результатам измерений рассчитывается необходимое количество тепла, изменяется тягодутьевой режим, либо корректируются другие управляющие воздействия для компенсирования этих возмущений. Соответственно управляющие воздействия как реакция на входные случайные изменения тоже будут носить стохастический характер, что позволяет применять методы статистической динамики для идентификации математической модели.

Процесс обжига клинкера характеризуется тем, что во вращающейся печи обжига происходят взаимосвязанные физические и химические превращения вещества, тепломассобменные процессы, происходит движение материала от холодного конца к горячему концу печи, происходит сжигание топлива в самом пространстве печи. Приведенные процессы являются достаточно сложными.

 Так, например, процессы горения топлива, движения газов и материала, теплообмена и физико-химических превращений сырьевой смеси тесно связаны между собой и каждый из них имеет решающее значение. Производительность печей, удельный расход топлива зависят не только от конструктивных и технологических исходных характеристик, но и от режима работы.

Форсирование режима до известного предела повышает производительность, но увеличивает унос материала, температуру отходящих газов, удельный расход теплоты. Дальнейшее форсирование может привести к сокращению производительности из-за большого уноса при одновременном резком увеличении удельного расхода теплоты.

Уменьшение нагрузок печей против оптимальных также расстраивает их работу: происходит смещение зон, пересушка материала и т.д. Например, процесс декарбонизации, с выделением СО₂ воздействует на процесс сжигания топлива как углекислотный огнетушитель, тем самым изменяя форму факела, что в свою очередь влияет на разложение СаСО₃. Или, например, при возникновения сильного пыления клинкера пропускная способность холодильника уменьшается, что негативно влияет на тягодутьевой режим и может привести к еще большему пылению.

Таким образом, можно сказать, что при управлении вращающейся печью обжига нельзя отдельно воздействовать на какой-либо процесс или параметр, а нужно учитывать взаимозависимость технологических величин.

Современные клинкерные склады представляют собой круговой силос с механизированными системами разгрузки или шатровый склад. Загрузка склада осуществляется пересыпным устройством с реверсивным транспортером, установленным на вращающемся мосту.

Силос клинкера шатрового типа емкостью 138800 т предназначен для хранения кондиционного клинкера. Выгрузка клинкера из склада осуществляется через 16 разгрузочных узлов, из которых 12 – с механизированным приводом и еще 4 с ручным. Разгрузочные узлы оборудованы штанговыми и прижимными шиберами. Далее клинкер подается ковшовым транспортером в соответствующий бункер цементной мельницы.

Система разгрузки клинкера из силоса может включать стержневые и секторные затворы, что реализовано практически на всех заводах сухого способа России.

Силос некондиционного клинкера емкостью 800 т используется для хранения клинкера, получающегося вследствие нарушения технологического процесса и не отвечающего требованиям внутризаводских норм. Дополнительно силос некондиционного клинкера оснащен системой погрузки с телескопическим погрузчиком в железнодорожные вагоны.
Переключение между загрузкой силоса некондиционного клинкера и силоса клинкера шатрового типа осуществляется при помощи пересыпной течки. При загрузке силоса некондиционного клинкера клинкер через течку пересыпную поступает напрямую в силос. При загрузке силоса клинкера шатрового типа клинкер из пересыпной течки через запорный шибер поступает на транспортер ковшовый ячейковый и далее в силос. При загрузке клинкера в открытый склад клинкер с транспортера ковшового ячейкового через течку пересыпную и шибер запорный поступает на транспортер ковшовый ячейковый и далее на склад.

Обеспыливание точек пересыпки клинкера с транспортеров ковшовых ячейковых в пересыпную течку, а также аспирация силоса некондиционного клинкера осуществляется фильтром рукавным. Уловленная пыль через ячейковый роторный затвор возвращается либо через клапан реверсивный в силос некондиционного клинкера, либо на транспортер ковшовый ячейковый. В случае остановки ячейкового роторного затвора срабатывает светозвуковая сигнализация, и поступает сигнал на центральный пульт управления (ЦПУ). Периодически для очистки фильтровальных рукавов производится обратная продувка сжатым воздухом.

Вариант устройства шатрового склада клинкера и силосного склада добавок представлен на рисунке. 

Из склада клинкер в цементные мельницы подаётся двумя ленточными конвейерами по подземным галереям. По проекту клинкер загружают на конвейер весовыми дозаторами СБ - III с лентой повышенной термостойкости. Выдача клинкера со склада на ленточный конвейер осуществляется через шесть отверстий в полу склада. В шатровом складе имеется бульдозер, который подает клинкер из “мертвых зон”.

Гранулированные шлаки доставляются на завод в железнодорожных вагонах грузоподъемностью 50 - 70 т и разгружаются на базисные склады (V = 60 тыс. м³), позволяющие иметь месячный запас шлака. С площадки хранения базисного склада шлак бульдозером сталкивается в приемный бункер, из которого по ленточному конвейеру (B = 1000 мм; L = 185 м) подается в сушильное отделение.

Гипс, также привозимый железнодорожным транспортом на базисный склад (V = 15 тыс. м³), разгружается в приемный бункер, откуда поступает на ленточный конвейер (B = 800 мм; L = 107,4 м) и транспортируется в бункера гипса (V = 100 м³, 2 шт.) на складе добавок, которые обеспечивают запас гипса на 19 часов работы двух мельниц.

Клинкер, выйдя из холодильника через распределительную течку и запорные клапаны, попадает на ковшовый ячейковый транспортер и поступает в силосы клинкера. Температура клинкера, попадающего на транспортер колеблется от 70 до 150^°С.

Ковшовые транспортеры применяются в качестве технологического транспорта цементного производства для подъема материала под углом до 60-85°С от начального до конечного пункта без промежуточной загрузки и разгрузки. Материал перемещается с помощью ковшей, укрепленных через равные промежутки (или сомкнутых между собой) на бесконечном тяговом органе - цепи или ленте.

Ковшовый  транспортер для клинкера. Заполнение ковшей на 25…70%.

На цементных заводах, построенных до 1970 г., клинкер хранится на открытых складах. Склад представляет две опорные стены, на которых крепятся пути для мостового грейферного крана.

На складе одновременно хранятся минеральные добавки (доменный шлак, зола уноса, известняк и гипс). Примерное расположение материалов на складе показано на рисунке ниже. Пролет грейферного крана 60…76,2 м определялся размерами обслуживаемого транспортного поля, а объем грейфера вместимостью 0,25…3 м³. Высота штабеля материала достигает 25 м. количество обслуживающих мостовых грейферных кранов должно быть не менее  двух.

Дозировка в данном случае идет по объему. Зная насыпную плотность каждого компонента, технолог рассчитывает количество ковшей для загрузки для каждого типа цемента. Например, для бездобавочного цемента на каждые 8 ковшей клинкера подается один ковш гипса. В бункере и при дальнейшем передвижении материала в мельницу компоненты перемешиваются.

Основными выбросами из цементных печей являются CO₂, клинкерная пыль, NO_x и SO₂ — все остальные выбросы незначительны и иногда специфичны для некоторых установок.

Усредненные данные по выбросам из цементных печей составляют в расчете на 1 кг клинкера в граммах:

• CO₂  =835;
• SO₃=0,5;
• NO_x=2,5;
• цементная пыль=25.

Мировая общественность в первую очередь озабочена выбросом CO₂, который возникает из-за декарбонизации известняка (50-55%), сжигания топлива (40-45%) и потребления электроэнергии (до 10%).

В процессе производства, по оценкам материального баланса процесса, на метрическую тонну клинкера при обжиге известняка выделяется около 535 кг CO₂ и около 330 кг CO₂ при сжигании топлива, что приводит к прямым выбросам 835 кг CO₂ на метрическую тонну клинкера.

Промышленность в целом приняла следующие ключевые рычаги для сокращения выбросов CO₂:

• Сведение к минимуму использования клинкера в составе цемента (ввод минеральных добавок);

• Расширение использования альтернативных видов топлива;

• Повышение энергоэффективности работы печного агрегата;

• Выработка электроэнергии с использованием отработанного тепла;

• Постепенное внедрение возобновляемых источников энергии.

Кроме того, изучается возможность улавливания и рециркуляции CO₂.

Что касается выбросов пыли, то мировые стандарты устанавливают пределы содержания пыли в отходящих газах до 30-50 мг/нормальный м³ (Нм³). Благодаря усовершенствованным электрофильтрам и эффективным тканевым фильтрам промышленность соблюдает предельные нормы. Образование оксидов азота (NO_x) связано с высокой температурой пламени в печи, и NO является основным компонентом (около 95%) так называемого термического NO_x. Количество выбросов NO_x увеличивается, если топливо, сжигаемое в печи с предкальцинаором, содержало большое количество азота. Поскольку большая часть NO преобразуется для NO₂ в атмосфере выбросы указаны как NO₂ на кубический метр отходящих газов. Измеренные значения выбросов NO_x показали диапазон 300-2000 мг/Нм³, но в большинстве случаев выбросы превышают глобальный предел в 500-800 мг/Нм³. В этом случае важно принять меры по сокращению выбросов, и разрабатываемые новые технологии включают установку горелок с низким содержанием NO_x, ступенчатое сжигание топлива и селективное некаталитическое восстановление оксида азота. Выбросы SO², как правило, ниже 300…500 мг/Нм3, но в некоторых случаях может быть и выше. Высокие выбросы SO₂ часто объясняются сульфидами, содержащимися в сырье, которое окисляется при температуре от 370 до 420°C в предкальцинаторе и циклонном теплообменике.

В таких случаях может потребоваться внедрение технологии десульфуризации дымовых газов путем введения гидроксида кальция.

Помимо вышеуказанных основных выбросов, возможны незначительные выбросы нескольких органических соединений, таких как диоксины и фураны, полихлорированные бифегилы, полициклические ароматические углеводороды, группа BTEX (бензол, толуол, этилбензол и ксилол) и неорганические кислоты, такие как HCl и HF, которые  могут поступать из системы обжига. Выбросы тяжелых металлов также встречаются в процессе производства клинкера. Эти выбросы редко превышают нормы, установленные во всем мире. Когда они обнаруживаются в избытке, исследование сырья и топлива становится важным для выявления источников и их соответствующего устранения.

Выбросы органических соединений стали более важными с использованием альтернативных видов топлива, и соблюдение норм выбросов имеет важное значение.

Источник www.etwinternational.ru

Удельный расход тепла при производстве клинкера варьируется от 2900…3150–750 кДж/кг клинкера в печах сухого способа производства производительностью от 4000 до 7000 тонн в сутки, оборудованных прекальцинатором (декарбонизатором) с циклонными теплообменниками. Существуют производственные установки с лучшим или худшим потреблением тепла, в зависимости от их возраста, конструкции, сырья, топлива и местных условий.

Для стадии пирообработки от циклонного теплообменника до клинкерного холодильника при определении удельного расхода тепла преобладают следующие факторы:

Циклонный теплообменник:

• перепад давления в теплообменнике;
• эффективность верхних циклонов;
• запыленность газов, выходящих из теплообменника;
• температура газов, выходящих из теплообменника;
• эффективность вентилятора теплообменника;
• удельная потребляемая мощность вентилятора циклонного теплообменника.

Предварительный кальцинатор (предкальцинатор):

• процентное содержание топлива, подаваемого в предкальцинатор от общего расхода топлива на обжиг;
• достигнутая степень декарбонизации;
• время выдержки в предкальцинаторе;
• температура на выходе из предкальцинатора;
• перепад давления в камере предкальцинатора;
• CO на выходе из предкальцинатора;
• удельный объем предкальцинатора, включая воздуховоды;
• удельная тепловая нагрузка в предкальцинаторе (млн кДж/ч/м³).

Вращающаяся печь:

• производительность в тоннах/сутки;
• объем печи;
• тепловые нагрузки в зоне горения;
• степень наполнения материалом;
• время нахождения материала в печи;
• среднее время между полной сменой огнеупоров;
• скорость вращения и наклон печи.

Клинкерный холодильник:

• удельная производительность на площадь колосниковой решетки в тоннах/сутки;
• температура клинкера, выходящего из холодильника;
• эффективность рекуперации тепла;
• температуры вторичных и третичных воздушных потоков;
• температура вентиляционного воздуха;
• охлаждающий воздух в Нм³/кг клинкера;
• толщина слоя клинкера на решетке;
• удельное энергопотребление холодильника с его вспомогательными устройствами, такими как решетки, вентиляторы, измельчитель клинкера и т.д.

Как уже отмечалось, экономия тепла в различных печных системах зависит главным образом от размера, количества ступеней циклонного теплообменника, скорости перепуска печного газа, если таковой имеется, состава сырьевой смеси и типа топлива.

Кроме того, печь с  предкальцинатором и печь без предкальцинатора с одинаковым количеством ступеней  циклонного теплообменника могут не иметь большой разницы в удельном расходе тепла. Это связано с тем, что в системе циклонных теплообменников печи более низкие потери излучения от циклонов компенсируются значительно более высокими потерями излучения от печи. В печах с предкальцинатором это соотношение обратное.

Что касается удельного энергопотребления, то элементами оборудования, требующими наибольшей мощности в системе обжига, являются двигатели вентиляторов отходящих газов из печной установки, двигатели вентиляторов  колосникового холодильника и приводной двигатель печи.

Потребляемая мощность вытяжных вентиляторов в основном зависит от общей потери давления в системе печи. Основная часть этого перепада давления происходит в циклонных теплообменниках. Этот перепад давления может уменьшаться за счет увеличения размеров циклона теплообменника, но для данной геометрии теплообменика для стабильной работы необходим определенный минимальный перепад давления.

Вообще говоря, общее удельное энергопотребление системы обжига с предкальцинатором и с колосниковым холодильником будет выше, чем у системы обжига без предкальцинатора.

Для системы циклонных теплообменников с перепадом давления 400 мм рт. ст. удельное энергопотребление оценивается в 9 кВт*ч/т клинкера, а для системы с предкальцинатором аналогичной конфигурации, но с перепадом давления 520 мм рт. ст. удельное потребление электроэнергии оценивается в 16 кВтч/т.

Несмотря на это различие, система печей с предкальцинатором является предпочтительным вариантом для современных крупнотоннажных установок по производству цемента из-за ее многочисленных преимуществ.