Практический опыт показывает значительное превышение K₂O над Na₂O, а анализ различных составов клинкера показывает, что почти все количество калия и половина количества натрия образуют сульфаты. Оптимальное соотношение SO₃/R₂Oблизко к 1 для низкого испарения серы, поскольку щелочных металлов будет достаточно для образования щелочных сульфатов, а не для образования свободного SO₂. Если SO₃/R₂Oниже 1, сера связана, но имеется избыток щелочи, что приводит к образованию циркуляции щелочей KOH и NaOH в газовой фазе. Если это соотношение больше 1, то в обжигаемом материале печи будет присутствовать некоторое количество серы, которое не будет покрыто щелочами. Избыток серы в сырье для образования CaSO₄ называют избытком SO₃ (excessSO₃), обычно выражаемым как г избытка SO₃ на 100 кг клинкера, и могут быть рассчитаны по уравнению 4.2:

Установлено, что предел избытка серы находится в диапазоне 250-600 г/100 кг клинкера. Нижний предел предназначен для сырой муки с низкой обжигаемостью (высоким значением КН), а верхний - для сырой муки с высокой обжигаемостью (низкий КН). Избыток серы образует CaSO₄, который является наименее термически стабильным сульфатом и будет способствовать более высокому коэффициенту испарения.

Летучесть серы зависит не только от соотношения SO₃/R₂O, но также от условий эксплуатации печи, т.е. от содержания кислорода в атмосфере печи. Дефицит кислорода или местная восстановительная атмосфера в печи увеличивает летучесть серы, поскольку низкий уровень кислорода сдвигает реакцию (4-7).

Установлено, что изменение содержания кислорода на входе в печь изменяет концентрацию SO₂, измеренную в байпасном газе, который отводится от входа в печь. Взаимосвязь между выбросами SO₂ в обход (байпас) и концентрацией O₂ на входе во вращающуюся печь показана на рис. 3.

Рис.3. Взаимосвязь между выбросами SO₂ в байпас и концентрацией O₂ на входе во вращающуюся печь, адаптированная из (Steuch, H. E., andJohansen, V.; Sulfurdioxideemissionfromcementkilns. Rock Product InternationalSeminar, USA, December, 1990)

При более высоких концентрациях O₂ испарение SO₂ подавляется, и выбросы SO₂ в обходной трубе не будут соответствовать концентрации SO₂ на входе материала во вращающуюся печь. Однако, когда уровень кислорода на входе в материал для обжига становится ниже примерно 2 об. %, испарение серы резко возрастает, и выбросы в обход могут значительно увеличиться.

При более низких концентрациях кислорода восстановленные виды серы, такие как H₂S, COS в присутствии углерода и также может образовываться SOCl₂ в присутствии Cl, однако эти частицы не измеряются на цементных заводах.

Температура в зоне горения. Летучесть сернистых соединений возрастает в зависимости от температуры. Термического разложения можно избежать, снизив температуру в зоне горения. Это может быть достигнуто путем придания сырой муке большей химической реакции (способности к сжиганию), что означает более мелкий помол сырой муки или изменение химического состава сырой муки. Если сырая мука обладает низкой способностью к обжигу, для получения клинкера с низким содержанием свободной извести требуются более высокие температуры. Следовательно, сырье с низкой способностью к выгоранию или высокими температурами, перегревающими клинкер, оказывают большое влияние на летучесть серы.

Летучесть серы также может быть изменена углеродом из топлива в материале слоя, что будет дополнительно объяснено в разделах ниже. При стабильных условиях эксплуатации и при наличии достаточного количества щелочи для соединения с вводимой серой летучесть серы может варьироваться от 0,35 до 0,6.

Во время образования конкреций сульфатный расплав может задерживаться во внутренней сердцевине конкреций клинкера. Сульфатный расплав, попадающий в клинкерный холодильник, впоследствии кристаллизуется в клинкере.

Состав сульфатного расплава в конце зоны обжига будет определять смесь соединений, которые затвердеют в соответствии с третичной диаграммой CaSO₄-K₂SO₄-Na₂SO₄. Можно видеть, что существуют три области первичного осаждения, соответствующие CaSO₄, K₂SO₄∙2CaSO₄ (кальциевый лангбейнит) и (K,Na,Ca)SO₄ (афтиталит). Если состав расплава находится в одной из областей выпадения осадков, то виды из этой области выпадут в осадок первыми.

Сера в портландцементном клинкере в основном содержится в виде Na₂SO₄, K₂SO₄, CaSO₄, (Kx, Nay)SO₄ (афтиталит), K₂SO₄∙2CaSO₄ (кальциевый лангбейнит) и в качестве заместителей в основных фазах клинкера, в основном в алите и белите с небольшим содержанием феррита. Для наиболее распространенного портландцемента верхний допустимый предел содержания серы в клинкере, выраженный в SO₃, для обеспечения хорошего качества составляет 1,6 мас.%. %. Более половины серы поступает из сырья и топлива появляется в клинкере, остальное теряется в дымовых газах и в печной пыли.

Большие количества серы, превышающие 2,6 мас. % SO₃ в клинкере, начинают отрицательно влиять на минералообразование клинкера, ингибируя образование алита и способствуя стабилизации белита и свободной извести, содержание которых должно быть ниже 1,5 мас.%. СаО в клинкере. Одной из мер по предотвращению этого явления является добавление фторида кальция (CaF₂) в сырую муку в качестве минерализатора. Это позволяет снизить горение температура, и, следовательно, ускоряется образование алита и улучшается способность к выгоранию. Однако концентрации CaF₂ в клинкере выше 0,25 мас.% отрицательно влияют на свойства цемента, такие как замедление схватывания, снижение ранней прочности и повышение поздней прочности.

В зоне горения, где слой материала достигает своей максимальной температуры 1450 C, происходит испарение серы с образованием SO₂, K₂SO₄ и/или Na₂SO₄ в газовой фазе. Сульфаты щелочей в газовой фазе транспортируются вместе с горячими газами и пылью вдоль вращающейся печи. Сульфаты щелочей конденсируются на частицах пыли, уносимых печными газами. Продукт конденсации, полученный при температуре от 700 до 800 C, представляет собой расплав, но при более низких температурах конденсация может привести к образованию твердого вещества. Частицы пыли включаются в твердый поток в обжиговой печи, а сульфаты щелочей поступают затем с горячей мукой во вращающуюся печь и частично включаются в сульфатный расплав, тем самым улучшая химическую реакционную способность материала в печи и снижая вязкость из расплава, что может способствовать некоторым реакциям получения клинкера.

Таким образом, во вращающейся печи и кальцинаторе устанавливается внутренний цикл серы, как показано на рисунке. Схематическое изображение, сделанное Нильсеном и Джепсеном (1990) с использованием данных из 12 систем печей предварительного нагрева в США показывает что SO₂, поступающий из печи, поглощается сырой мукой в кальцинаторе и повторно включается в твердый поток, возвращаемый во вращающуюся печь. Ширина линий на схеме пропорциональна массовому расходу. Молярный расход сульфатов на входе в печь составляет примерно в три раза больше молярного расхода на выходе (с клинкером).

Таким образом, вокруг входного отверстия вращающегося печь и кальцинатор с учетом как поступающего материала, так и выходящих из печи газов. Молярный расход сульфатов на входе в печь составляет ок. в три раза больше молярного расхода на выходе (клинкер). Доля серы, выделяющейся в виде SO₂, зависит от соотношения серы и щелочи во вращающейся печи.

Источник www.skb21.ru

В первую очередь на кинетику усвоения оксида кальция влияет коэффициент насыщения КН или LSFсырьевой смеси, определяющий соотношение между оснóвными и кислыми оксидами. Повышение значений КН (LSF) в сырьевой смеси предусматривает повышенное содержание в клинкере C₃S(алита) и необходимость более длительного обжига при высокой температуре. При прочих равных условиях наблюдается прямая зависимость между степенью насыщения клинкера СаО и содержанием в нем СаО _(своб). В практических условиях КН клинкеров задают в интервале 0,90-0,94.

В печах мокрого способа количество СаО_(своб). допускается до 1 мас.%, в печах сухого способа до 2 мас.%.

При 1450 С количество расплава составляет около 20 - 30% и зависит от химического состава обжигаемого материала. С увеличением силикатного модуля nдоля расплава в клинкере уменьшается. Снижение доли расплава ухудшаются условия образования алита, который образуется только в расплаве через растворение части кристаллов белита и оксида кальция по реакции C₂S+СаО→ C₃S.

Повышение содержания SiO₂при постоянном КН (т.е. увеличение значения силикатного модуля n) предусматривает повышенное суммарного содержания силикатных минералов C₃S+ C₂Sи пониженное содержание C₃A+C₄AF. Это делает сырьевые смеси более трудно спекающимися. Чем выше n, тем медленнее протекает процесс связывания СаО в клинкерные минералы.

При n=3…4 получить клинкер практически невозможно. На практике значениеnравно 2,0…2,5.

С повышением глиноземистого модуляpдо 1,4…1,8 реакция усвоения СаО в смесях протекает интенсивно. По мере увеличения pсвыше 1,8 наблюдается снижение реакционной способности смесей вследствие возрастания вязкости жидкого расплава из-за обогащения его оксидом алюминия. При этом наблюдается инконгруэнтное плавление C₃Aпо реакции C₃A→ C₅A₃+СаО+расплав. Т.е. появляется неравновесный СаО, последующее связывание которого требует дополнительного времени.

Диффузия реагентов в расплаве заметно ускоряется. Это главная задача спекания -формирование ценного кристаллического трехкальциевого силиката. Это оправдывает дорогостоящий процесс обжига клинкера при высокой температуре спекания. Примеси, состоящие из алюмината и феррита расплавленной фазы, встраиваются в кристаллические решетки двухкальциевого и трехкальциевого силикатов в виде твердых фаз и образуют твердые растворы минералов. В расплаве при температурах свыше 1400 С растворены все объемы A1₂O₃ и Fe₂О₃. Расплав имеет примерный состав 56% CaO, 7% SiО₂, 23% Al₂О₃ и 14% Fe₂О₃. Кроме того, расплав способствует другим реакциям, например, таким как конверсия крупнозернистого кварца или известняка. Эти реакции могут ускоряться (особенно усвоение кварца) за счет увеличения зоны плавления, снижения вязкости расплава и деградации (разрушения) крупной фракции.

При производстве высокопрочных и быстротвердеющих цементов не рекомендуется обжигать клинкер, содержащий более 65-70% алита и 8% С₃А.

Лучшая активность клинкеров обеспечивается при содержании силикатных минералов в пределах: С₃S + C₂S = 75-78%, C₃S = 54-62%, С₂S = 14-24%. Увеличение содержания в клинкере алита свыше указанных пределов не повышает существенно активность цементов.

В предыдущих постах процессы, протекающие при обжиге клинкера во вращающихся печах, были рассмотрены без учета влияния таких факторов, как структура сырьевых материалов, дисперсность сырья, наличие в сырьевых материалах различных второстепенных компонентов, температурного режима обжига, присутствие минерализаторов.

В соответствии с современными представ­лениями все взаимодействия между компонентами сырьевой смеси следует рассматривать как реакции между кислотой и основанием. Основными оксидами в процессах клинкерообразования являются оксиды кальция, магния, натрия и калия. К оксидам, которые проявляют кислые свойства в высокотемпературных условиях, относятся оксиды кремния, алюминия, железа, серы, азота, ионы хлора и пр.

Кинетику взаимодействия между оксидами оценивают по скорости усвоения СаО, либо оксид кальция является одним из оснóвных оксидов, вступающим в реакции клинкерообразования с кислыми оксидами кремния, алюминия и железа с образованием кальциевых солей кремневой, алюминиевой и железистой кислот. Степень завершенности реакций оценивают по содержанию в материале неусвоенного оксида кальция или СаО _(своб). Характер процессов, протекающих в сырьевой смеси, определяется температурой обжига. При этом необходимо обеспечить условия, способствующие получению клинкера с монадобластической микроструктурой, характеризующейся равномерным распределением в его объёме хорошо закристаллизованных зерен алита и белита.

В следующих постах вы узнаете о степени влияния некоторых факторов на кинетику клинкерообразования и качество клинкера.

Контроль реакции прокаливания определяет стабильность работы печи. Из опыта, накопленного с различными типами печей с декарбонизаторами, следует, что существует взаимосвязь между различиями в степени обжига и временем пребывания материала в системе предварительного обжига. Системы с более коротким временем пребывания твердых частиц, как правило, демонстрируют большие колебания прокаливания.

Основные конфигурации систем предварительного обжига связаны с потоком вторичного и третичного воздуха из печи и охладителя соответственно в систему предварительного обжига. Различные конфигурации действующих установок можно резюмировать следующим образом:

I. Вторичный воздух для сжигания из печи полностью поступает в камеру декарбонизатора без какого-либо отдельного канала третичного воздуха от клинкерного холодильника. Таким образом, этот тип декарбонизатора работает с газом для сжигания, обедненным кислородом (10-14%), и подходит только для подачи топлива в меньшем количестве (20-30%).

II. Печные газы не проходят через предварительный декарбонизатор, который использует только горячий третичный воздух из клинкерного холодильника. Печные газы смешиваются с продуктом предварительного обжига перед поступлением в циклон подогревателя.

Это сгорание в декарбонизаторе осуществляется горячим воздухом, содержащим 21% кислорода. Доля топлива в декарбонизаторе может находиться в диапазоне 50-65% от общего расхода топлива на обжиг клинкера.

III. Третичный воздух из клинкерного холодильника и печные газы смешиваются перед декарбонизатором, а затем добавляются к потоку, поступающему в систему. При необходимости эта конфигурация может также предусматривать байпас для печных газов.

IV. При наличии двух потоков циклонных теплообменников для печи, в один поток подаются печные газы, а в другой - газы из декарбонизатора. Третичный воздух из клинкерного холодильника подает воздух для горения в декарбонизатор.

Не вдаваясь в детали конструкции, можно в целом выделить два типа декарбонизаторов: линейные кальцинаторы (ILC) и кальцинаторы отдельной линии (SLC). Основное различие заключается в том, что в ILC печные газы проходят через предварительный кальцинатор, а в SLC - нет.

Другим важным аспектом работы предварительного обжига является температура третичного воздуха. Чем выше температура, тем ниже потребление тепла и стабильнее система обжига. Таким образом, системы печей с декарбонизаторами тесно связаны с конструкцией и эффективностью работы клинкерного холодильника.

Множество вариантов конструкции систем циклонных теплообменников и декарбонизаторов направлены на достижение следующих целей:

• Удовлетворение противоречивых требований по минимизации температуры и уровня кислорода, и полное выгорание топлива;
• Снижение тепловой нагрузки во вращающейся печи;
• Достижение контролируемой степени декарбонизации;
• Сокращение выбросов NOx;
• Использование альтернативных или трудносгораемых видов топлива.

Что касается вышеуказанных целей, и, в частности, последних двух, цементная промышленность разработала конструкции систем для снижения выбросов NOx и для сжигания различных видов топлива в предкальцинаторе.

В результате конструктивных усовершенствований циклонов предварительного нагрева эффективность разделения материала возросла, а перепад давления на циклонный теплообменник существенно уменьшился. Падение давления в циклонах было уменьшено за счет обеспечения больших впускных отверстий, больших выпускных отверстий и наклонных входных полок, а также за счет устранения любых внутренних горизонтальных поверхностей. Разработка высокоэффективных циклонов с низким перепадом давления позволила установить дополнительные ступени теплообменных циклонов для снижения температуры выходящего газа и достижения экономии топлива при незначительном увеличении стоимости установки.

Вращающаяся печь работает по принципу противотока - материала и горячих газов движутся навстречу друг другу.  Выделяют горячий и холодный конец печи.  Холодный конец печи 8 приподнят и входит в пыльную камеру 6, с торца печи по шламопроводу  5 подается жидкий сырьевой шлам.  С горячего конца по форсунке 10  подается топливо, которое сжигается непосредственно в печи. При вращении материал продвигается по печи от холодного конца к горячему. Горячие газы после сжигания топлива носят название отходящие газы, за счет создания разряжения дымососом 2 в пространстве печи продвигаются с горячего конца в холодный конец.

Отходящие из печи газы после очистки в электрофильтрах 3 выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 1. Готовый клинкер из вращающейся печи поступает в холодильник 11, где осуществляется его охлаждение до ~70 С дутьевым воздухом от вентиляторов 14, 15. За счет возвратно-поступательного движения колосников решеток 12 и 13, клинкер транспортируется к разгрузочной части холодильника, далее в дробилку 16 и транспортер 17. Часть воздуха, нагретого клинкером в процессе его охлаждения до ~ 450 С, возвращается в печь в качестве вторичного рекуперационного воздуха, необходимого для горения топлива. Количество вторичного воздуха, засасываемого в печь, регулируется печным дымососом 2. Избыточный воздух из холодильника с температурой ~120 С после очистки в пылеулавливателе 18 удаляется вентилятором 19 и выбрасывается в атмосферу.

Получение клинкера сопровождаются сложными физическими и физико-химическими процессами, в результате которых из исходных компонентов образуются спёкшиеся зёрна, состоящие в основном из минералов C₃S, (3-C₂S, С₃А, C₄AF) и стекловидной фазы. Характер процессов, протекающих в сырьевой смеси, определяется температурой обжига. При этом необходимо обеспечить условия, способствующие получению клинкера с монадобластической микроструктурой, характеризующейся равномерным распределением в его объёме хорошо закристаллизованных алита и белита. Этому способствует повышенный коэффициент насыщения сырьевой смеси и оптимальная продолжительность выдержки клинкера в зоне высоких температур.

В последние годы цементные печи начали оснащаться новыми типами горелок.

Все импортные горелки имеют широкий диапазон регулирования процесса горения топлива и длины факела.

Преимущества зарубежных горелок:

• возможность применения различных видов топлива;
• возможность сжигания альтернативного топлива;
• наличие защитной теплоизоляции;
• возможность регулирования формы и температуры факела изменением скорости вылета и завихрением топливно-воздушного потока.

Недостатки:

• усложненная массивная конструкция;
• несколько завышен объем первичного воздуха.

Горелки многоканального типа рассчитаны на сжигание угля, кокса, мазута и природного газа и их смесей, а также альтернативного топлива. Горелки многоканального типа с радиальным и аксиальным газом оснащены двумя типами форсунок: для осевой подачи газа (аксиальный газ) и для тангенциальной подачи газа (радиальный газ). По сравнению с простой одноканальной горелкой современные многоканальные предполагают большие возможности для управления формой факела путем регулирования соотношения между подачей радиального и аксиального газа.

Обеспечение рационального сжигания топлива имеет важнейшее значение при эксплуатации цемент­ных вращающихся печей. Путем регулирования процесса горе­ния можно изменять гранулометрию клинкера и величину об­мазки в зоне спекания, повышать стойкость футеровки и произ­водительность печей, существенно снижать удельный расход тепла.

Для этого необходимо обеспечивать высокий уровень тепло­обмена по всей длине факела и не допускать местного пере­грева футеровки на коротком участке.

 Длина факела определяет размеры зоны обжига в печи, локальную теплонапряженность футеровки и условия образования обмазки на ней. При обеспечении оптимальных характеристик факела (длины, температуры, теплоотдачи) с учетом соблюдения требуемой температуры обжигаемого материала в зоне обжига печи устраняется локальный перегрев и износ футеровки печи, достигается максимальная светимость факела и равномерный нагрев сырья, повышается производительность агрегата, снижается удельный расход тепла и улучшаются показатели качества конечного продукта.

Опыт эксплуатации вращающихся печей показывает, что эффективность их работы в значительной степени зависит от рационального сжигания большого количества топлива, которое в свою очередь, зависит от совершенства его смешения с окислителем и от температуры подготовки смеси к горению. Оптимизация режима сжигания топлива во вращающейся печи связана с количеством воздуха, подводимого в зону горения, и является одним из главных факторов, определяющих снижение удельного расхода тепла на процесс обжига, повышение производительности агрегата и уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу при условии обеспечения требуемых показателей качества сырьевой смеси на выходе.

 Для ведения экономного режима сжигания топлива следует устанавливать такой режим, который бы обеспечивал необходимую температуру обжига без химического и механического недожога топлива. Практика сжигания различных видов топлива показывает, что обеспечить горение топлива без химического недожога при коэффициенте избытка воздуха α=1 не удается даже при его высококачественном смешении и высокой температуре горения (1600-1700  С). Опытным путем установлено оптимальными являются значения α= 1,03 ± 0,02 для условий работы вращающихся обжиговых печей.

 Тепловая работа вращающейся печи и вспомогательного оборудования в большой степени зависит от организации процессов горения. Создание необходимых физико-химических параметров оказывает прямое влияние на качество продукта, а эффективность работы печи в заданном режиме в конечном итоге влияет на расход топлива и себестоимость продукции. Для обеспечения оптимальной работы вращавшейся печи необходимо обеспечить полное горение топлива с минимальным избытком воздуха, наряду с высокой степенью теплообмена между газом и обжигаемой сырьевой смесью. Правильный выбор горелочного устройства и его эксплуатация позволяют обеспечить совершенное смешение топлива с воздухом и получить факел необходимых параметров в соответствии с технологическим процессом и условиями работы печи.

Назначение огнеупорной футеровки - изолировать стальной корпус от высоких температур внутри печи и защитить его от коррозионных свойств обрабатываемого материала, а также защита корпуса печи от истирающего воздействия обжигаемого материала.

Она может состоять из огнеупорного кирпича или литого огнеупорного бетона, или может отсутствовать в зонах печи, температура которых ниже приблизительно 250 °C. Выбор огнеупорного материала зависит от температуры внутри печи и химической природы обрабатываемого материала. В некоторых процессах, таких как производство цемента, срок службы огнеупора продлевается за счет сохранения покрытия из обрабатываемого материала на огнеупорной поверхности. 

Толщина футеровки обычно составляет от 80 до 300 мм. Типичный огнеупор способен поддерживать перепад температур между его горячей и холодной поверхностями до 1000 C. Температура корпуса должна поддерживаться ниже 350 C, чтобы защитить сталь от повреждений, а непрерывные инфракрасные сканеры используются для раннего предупреждения о "горячих точках", указывающих на разрушение огнеупора.

Факторы, влияющие на стойкость футеровки:

Высокая стойкость футеровок обеспечивается за счет создания обмазки из обжигаемого материала на поверхности кирпича. Для обеспечения образования обмазки на футеровке важное значение имеет содержание в нем низкоплавких оксидов Al₂O₃ и  Fe₂O₃.

Содержание Al₂O₃  и Fe₂O₃  в сырьевой смеси обеспечивает получение вязкой жидкой фазы, которая легко прилипает к футеровке (оптимальное содержание в материале Al₂O₃ = 3,5 - 3,7%, Fe₂O₃ = 2.6 – 2.9 %).

Содержание тугоплавкого материала SiO₂ в составе глинистых минералов не оказывает никакого влияния, т. к. при t 500 С происходит разложение минералов глины с образованием аморфных оксидов и аморфного SiO₂, который легко вступает в реакцию с оксидом кальция. Если же в материале имеется SiO2 в формекварца крупнокристаллического, который плохо вступает в реакции минералообразования, то требуется повышенная температура обжига, что снижает стойкость футеровки.

Коэффициент насыщения должен находиться в оптимальном интервале (КН=0,91).  При увеличении КН спекание сырья затрудняется и требуется более высокая температура в печи, что снижает стойкость футеровки. При пониженном КН<0,91 образуется легкоспекаемая сырьевая смесь, поэтому уменьшается длина зоны спекания и появляется избыточная жидкая фаза, что требует более стабильного режима обжига. Перегрев приводит к тому, что расплавляется обмазка, а небольшое снижение температуры может привести к выпуску брака. Поэтому в этих условиях часто возникает колебание температуры футеровки, что приводит к сколу кирпича и его разрушению.

Значение силикатного модуля тоже должно находиться в оптимальном интервале  n=2,3.

Примеси в сырьевой смеси Na₂O, K₂O=1%, MgO=2,5%  повышает стойкость футеровки.

Основные способы повышения стойкости футеровки:

1. использование качественного огнеупора;
2. качественное выполнение футеровочных работ;
3. оптимальный состав обжигаемого материала;
4. исключение резких теплосмен огнеупорной футеровки в печи;
5. оптимальный режим горения топлива (рациональный факел);
6. соблюдение рационального режима розжига печи.

Теплообменные устройства предназначены для снижения расхода топлива и должны обеспечивать:

• интенсивный теплообмен межу материалом и газовым потоком;
• рациональное продвижение материала на различных участках;
• образование и сохранение гранул материала;
• предотвращение образования колец в печи;
• пониженное сопротивление газовому потоку;
• низкий пылеунос.

После частичного высыхания шлама и достижения критической влажности материал ссыпается с цепей, при этом обеспечивается регенеративный теплообмен, когда цепь нагревается в газовом потоке в верхнем положении и отдает тепло материалу при погружении в него.

В качестве оценочных критериев цепных теплообменников применяют:

1. Способ навески: гирляндная, свободновисящая, комбинированная, коврик, шторка;
2. Длина цепной завесы;
3. Масса цепной завесы;
4. Удельная масса цепной завесы – отношение массы цепей  к массе клинкера за час;
5. Поверхность цепной завесы;
6. Удельная поверхность цепной завесы – отношение поверхности цепей к массе клинкера за час;
7. Коэффициент плотности завесы – отношение поверхности цепей к поверхности футеровки;
8. Длина цепи;
9. Просвет под цепями;
10. Вид цепей: круглозвенные, овальные;
11. Диаметр звена цепи D_ц, мм;
12. Диаметр прута цепи d_ц, мм;
13. Масса 1 м цепей, кг/м;
14. Поверхность 1 м цепей, м²/м.

При подборе схемы цепную завесу в зависимости от свойств материала делят на 3 участка: текучего, вязко-пластичного и сыпучего состояния. Первый участок в основном выполняет функцию фильтра подогревателя, т.е. улавливает пыль из газового потока и поэтому здесь следует создавать уплотненную навеску. На втором участке для снижения газодинамического сопротивления завесы и предотвращения образования колец необходимо ускорять движение материала и поэтому навешивать тяжелые крупнозвенные цепи с d_ц≈30 мм и D_ц≥ 120 мм под небольшим углом (45-50 градусов) к оси печи. На третьем участке в области сыпучего материала для интенсификации теплообмена и увеличения срока службы цепей следует замедлять его движение путем увеличения угла линии навески до 70 градусов и создания подпора материала с помощью «шторок». Это обусловлено тем, что в области регенеративного теплообмена при малом слое и времени пребывания цепи в нем она не успевает отдать необходимое тепло материалу и перегревается в газовом потоке. Если же шлам не склонен к образованию гранул, то из-за пониженного теплообмена в свободной части печи, на участке от цепей до зоны спекания можно нагреть его не на ~1200 С, как в предыдущем случае, а всего на ~900 С.

Преимущество гирляндной завесы заключается в более интенсивном теплообмене, пониженном расходе цепей и способности формировать гранулы. Недостатком является ограниченный коэффициент плотности (k_F ≤ 4), сложность навески и эксплуатации. При обрыве нескольких концов цепи спутываются, образуют комья и вследствие того, что они не опускаются в материал, исключаются из теплообмена. Преимущество свободновисящей завесы заключается в простоте навески, возможности создавать большую плотность, пониженном газодинамическом сопротивлении и возможности регулировать скорость движения материала в ней. Недостатками являются пониженный теплообмен, большая масса и предотвращение грануляции материала.

Вращающиеся печи выполнены в виде трубы с соотношением длины к диаметру ≈37. Вращающаяся печь имеет наклон от 2,5 до 4,5%. Привод вращает печь вокруг своей оси со скоростью от 0,5 до 4,5 оборотов в минуту. Сочетание наклона и вращения трубы приводит к медленной транспортировке материала по ней. Время нахождения материала в печи от 2 до 2.5 час.

Все длинные и некоторые короткие печи оснащены внутренними теплообменными устройствами для улучшения теплопередачи и продвижения влажного материала.

В качестве внутренних теплообменных устройств во вращающихся печах применяют металлические цепные завесы, а также ячейковые теплообменники различных конструкций. В печах мокрого способа производства для обезвоживания шлама влажностью 35—45 % применяют цепные завесы, обладающие развитой поверхностью, способствующие не только испарению влаги, но также транспортированию материала и предотвращению образования шламовых колец внутри корпуса печи.

При вращении печи на начальном участке цепи покрываются пленкой шлама, которой непосредственно передается тепло от газового потока конвекцией. По мере сушки шлам постепенно теряет способность налипать на элементы теплообменных устройств, которые в этом случае выполняют функции регенераторов, воспринимая тепло от газов и передавая его материалу. В районе расположения теплообменных устройств продвижение материала вдоль корпуса печи замедляется, вследствие чего повышается заполнение печи материалом, а также увеличивается поверхность теплообмена. В то же время улучшается перемешивание материала, в результате чего выравнивается его температура по объему и по сечению печи, увеличиваются разности и перепад температур между газами и обжигаемым материалом, материалом и поверхностью теплообменников, что также способствует интенсификации теплообмена.

Цепная завеса положительно влияет не только на теплообмен материала, но и на образование пыли и ее улавливание, так как в той зоне, где цепи покрыты слоем влажного шлама, на них оседает большая часть пыли, содержащаяся в газовом потоке. Таким образом,  цепная завеса является одновременно и пылеулавливателем.
Существуют различные способы навески цепей: свободновисящая и гирляндная. Если цепи крепятся к корпусу печи одним концом, то такая завеса является свободновисящей, а если двумя концами – гирляндной. Выбор вида навески определяется свойствами сырья. Если шлам способен создавать гранулы и сохранять их по всей печи, то рекомендуется гирляндная завеса. Если же сырье не способно к грануляции, то предпочтение имеет свободновисящая завеса. Это обусловлено тем, что после цепей в свободной части печи теплопередача от газового потока к материалу для гранул приблизительно на 25% выше, чем для пылевидной фракции. Поэтому в этих условиях навешивается трехзаходная перекрещивающаяся гирляндная завеса, способствующая образованию гранул, и на выходе из цепей поддерживается температура материала ~95ºС и влажность ~5%.

Подготовка сырьевой смеси начинается с дробления сырьевых материалов. Мягкое сырьё проходит стадии дробления и измельчения в мельницах «Гидрофол». Окончательное измельчение производится в трубных шаровых мельницах. Влажность сырьевого шлама колеблется от 36% до 45% и зависит от водоудерживающей способности и способности к размучиванию мела и глины.

 На заводах мокрого способа применяют два метода приготовления сырьевого шлама: порционный и полупоточный.

При порционном методе шлам готовится небольшими порциями от 300 до 800 м³, которые направляются в разные шламовые бассейны. Порции шлама отличаются по содержанию в нем карбонатной и глинистой  породы (так называемым титром шлама). После определения в лаборатории химического состава шламов (титров), рассчитывают пропорции, в которых они сливаются в третий бассейн.

Полупоточный способ приготовления сырьевого шлама заключается в корректировании состава шлама, который поступает в шламбассейн большой емкости, по мере его наработки с учетом его химического состава.

При сухом способе дробленые сырьевые материалы высушиваются и измельчаются в специальных помоль­ных агрегатах. Современные передвижные дробилки, устанавливаемые на карьерах, могут совмещать первую и вторую стадии дробления, измельчая материал до крупности 25 мм. Далее сырьевые компоненты поступают на усреднительный склад шатрового или продольного типа. Усреднение химического состава поступающих на склад материалов происходит вследствие того, что сам материал при загрузке укладывается в штабель послойно, а при разгрузке отбирается из штабеля вразрез слоями.

Отдельные компоненты после предвари­тельной гомогенизации дозируются в соответствии с проектным химическим составом сырьевой смеси и подаются к сырьевой мельнице через питающие бункеры и весовые ленточные дозаторы. Химический анализ сырьевой смеси, выходящей из мельницы, позволяет судить о необходимости корректирования ее состава. Окончательный помол и сушка выполняются в сушилке-дробилке при использовании более влажного и мягкого сырья.

Валковые мельницы ра­ботают в замкнутом цикле с сепараторами, которые встраивают в верхнюю часть кожуха. В установках с валковыми мель­ницами благодаря высокой кратности циркуляции мате­риала можно использовать в большом объеме отходящие печные газы и измельчать сырье влажностью до 30% с дополнительной подачей горячих газов.

Измельченный продукт выносится из мельницы в потоке газов и поступает в осадительную ка­меру, где улавливается и осаждается крупка; затем он направляется в два параллельных циклона, служащих для осаждения тонких фракций материала.

 Окончательное усреднение сырьевой муки происходит в смесительных силосах различной конструкции. Поочередная подача сжатого воздуха под аэрируемое днище силоса, разделенное на квадранты, создает условия для эффективного перемешивания муки.

Наблюдения за соответствием технологических процессов нормативным параметрам приготовления сырьевой смеси осуществляется с помощью системы контроля на каждом переделе. Лаборатории с помощью современных анализаторов (например, RFA) могут быстро обнаруживать изменения в составе сырьевой смеси и управлять ими, регулируя дозировку компонентов.

Эффективное усреднение обеспечивает стабильность параметров сырьевой смеси перед процессом обжига и высокое качество клинкера.

Минеральное  сырье для цемента должно давать оксиды, необходимые для клинкера. Отдельные сырьевые материалы обычно содержат более одного оксида. Первичное сырье - это материал, который всегда используется в относительно больших количествах конкретным заводом.

 Для устранения незначительных недостатков в одном или нескольких оксидах в первичном сырье могут быть добавлены вспомогательные вещества или “корректирующие добавки”, как правило, высокой чистоты.

При оценке качества сырьевых компонентов учитывается не только потенциальный вклад каждого материала в содержание основных оксидов (CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃), но и содержание нежелательных микроэлементов. Такие оксиды называются второстепенными или примесными.

Большая часть сырья для производства клинкера поступает из открытых карьеров. Запасы основного сырья должны быть достаточными по крайней мере для 50-летней эксплуатации цементного завода. При выборе места строительства цементного завода обязательно учитывают расположение месторождения карбонатного сырья и глинистого сырья. Транспортировка основных сырьевых материалов на большие расстояния (более нескольких километров), как правило, исключается.

Цементное сырье геохимически безвредно, поэтому такие методы, как кислотный дренаж выработанных карьеров, как правило, не применяется. В целом, проблемы с добычей цементного сырья в основном связаны с шумом, вибрацией и пылью от взрывных работ (обычно не выполняемых ежедневно) и транспортировочного оборудования (в основном, для перевозки на короткие расстояния), а также с эстетическими соображениями.

Способ добычи определяется в основном физическими свойствами сырья и глубиной его залегания. Твёрдые породы добывают преимущественно с помощью буровзрывных работ, а мягкие - прямой экскавацией. Прямая экскавация как способ разработки карьера более проста, безопасна и особенно эффективна в случае использования мощных роторных экскаваторов.

Обжиг цементного клинкера по мокрому способу производится в длинных вращающихся печах с отношением длины к диаметру L/D≈ 37.

Схема вращающейся печи мокрого способа производства:

1 - дымосос; 2 - электрофильтр; 3 - шлампитатель; 4 - теплообменные устройства в виде цепных завес; 5 - бандаж; 6 - корпус печи; 7 - привод печи; 8 - роликоопора; 9 - горелка для подачи топлива; 10 - колосниковый клинкерный холодильник.

Наибольшее распространение в последние десятилетия прошлого столетия получили вращающиеся печи диаметр 5 м и длиной 185 м с колосниковым холодильником «Волга-75» производительностью 72-75 т/ч при условном расходе топлива 201 кг/т клинкера. В настоящее время в цементном промышленности РФ эксплуатируются вращающиеся печи мокрого способа следующих типоразмеров:

Вращающиеся печи мокрого способа эксплуатируются длительное время от 30 до 60 лет. Они практически не подвергаются модернизации и обновлению.

Первый завод по сухому способу  в СССР был построен в  1957г. с вращающейся печью 3,6/51,9 с циклонными теплообменниками и производительностью клинкера 139 т/ч.

Различие в производительности печей обусловлены типом циклонных теплообменников (в основном количеством ступеней и диаметром циклонов) и типом декарбонизатора.

Портландцементная шихта включает карбонатный и глинистый компоненты в соотношениях 75-80% и 25-20%, соответственно. Кроме того, в её состав обычно входят корректирующие добавки:

• железосодержащие (огарки, колошниковая пыль);
• глиноземистые (бокситы);
• кремнезёмистые (кварцевый песок, опока).

Их вводят для обеспечения заданного соотношения оксидов в сырьевой смеси, что способствует получению клинкера с необходимым минералогическим составом. Количество корректирующих добавок обычно не превышает 5%, поэтому они существенно не влияют на основные физические свойства сырьевых смесей. Отсюда следует, что выбор способа производства будет определяться видом и свойствами карбонатного (известняк, мел, известковый туф, известняк– ракушечник, высокоосновный мергель и пр.) и глинистого (глины, глинистые сланцы, лёсс и пр.) сырья. Разные породы существенно отличаются друг от друга по плотности, твёрдости, влажности и однородности состава.

Мокрый способ может оказаться более выгодным при мягких, пластичных, хорошо размучивающихся сырьевых материалах, обладающих обычно высокой влажностью (20-30% и более). Такое сырьё легко диспергируется в водной среде в болтушках и мельницах-мешалках, в результате чего достигается экономия электроэнергии. Мокрый способ более целесообразен и при естественной влажности сырья более 18%, поскольку в этом случае при сухом способе требуются высокие затраты на предварительную подсушку сырьевых материалов.

При наличии твердых сырьевых компонентов умеренной влажности (известняка, глинистого мергеля), которые могут быть измельчены только в мельницах, производство портландцемента может быть организовано по сухому способу. Сухой способ целесообразен также при ограниченной топливной базе в районе завода и высокой стоимости топлива.

Преимущества и недостатки мокрого способа производства:

Преимущества:

1. Затраты на размол сырья в присутствии воды значительно ниже. Ряд сырьевых материалов (мел, глина) обладают способностью легко размучиваться в воде. В процессе помола сырья пленки воды оказывают расклинивающее действие в микротрещинах диспергируемого материала.
2. Транспортировка, усреднение и корректировка сырьевого шлама осуществляются легче, чем сырьевой муки.
3. При мокром способе образуется меньшее количество пыли (меньше затраты на пылеулавливание).
4. Печи мокрого способа просты и надежны в эксплуатации, имеют высокий коэффициент использования.
5. Возможность хорошей гомогенизации шлама (эксплуатационные свойства печей позволяют использовать сырье пестрого химического состава).

Недостатки:

1. Высокий удельный расход тепла на обжиг клинкера. Сырьевой шлам для обеспечения его гидротранспорта должен иметь влажность 34-42%. Для нагревания и испарения такого количества воды требуется 1800-2200 кДж/кг клинкера тепла или 30-35% теплового баланса печи. Вследствие этого длинные вращающиеся печи мокрого способа на половину своей длины работают как сушильные агрегаты. Поэтому эффективность работы таких печей низкая.
2. Низкая производительность печей.
3. Низкая производительность труда, большие эксплуатационные затраты, высокая себестоимость продукции.

Преимущества и недостатки сухого способа производства:

Преимущества:

1. Низкие затраты топлива при обжиге клинкера.
2. Ниже объем отходящих из печи газов на 30-40%.
3. Использование тепла отходящих газов на сушку сырьевых материалов.
4. Высокая производительность печных агрегатов и помольных установок.
5. Не используется при приготовлении сырья вода.

Недостатки:

1. Повышенные затраты электроэнергии на 1 тонну цемента из-за большого числа воздуходувок, вентиляторов, сепараторов и пр.

Основные клинкерные минералы – это кальциевые соли слабых кислот (кремневой, алюминиевой и железной). В составе клинкерных минералов Alи Fe обладают амфотерными свойствами.

Минералы силикаты – трехкальциевый силикат 3CaO·SiO₂ (С₃S) и двухкальциевый силикат 3CaO·SiO₂ (С₂S).

Минералы - плавни – трехкальциевый алюминат 3CaO·Al₂O₃ (C₃A) и четырехкальциевый алюмоферрит 3CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃ (C₄AF).

В силикатной промышленности для удобства написания формул приняты сокращенные обозначения: СаО – С; SiO₂ - S; Al₂O₃ – А; Fe₂O₃ - F.

Различают расчетный минералогический состав и фактический (фазовый) состав клинкера.

Расчетный минералогический состав предполагает образование соединений в соответствии с формулами трекальциевого силиката 3CaO·SiO₂ (С₃S); двухкальциевого силиката 3CaO·SiO₂ (С₂S), трехкальциевого алюмината 3CaO·Al₂O₃ (C₃A) и четырехкальциевого алюмоферрита 3CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃  (C₄AF). Расчет проводится по результатам химического анализа клинкера, определяющим содержание отдельных оксидов по формулам Богга:

3СаО·SiO₂=4.07(CaO-CaO_св) – 7,6(SiO_2- SiO_2св)-6,7 Al₂O₃-1.42Fe₂O₃

 2 СаО⋅SiO₂=8.6 SiO₂ +5.07 Al₂O₃+1.07 Fe₂O₃ – 3.07 CaO

3СаО· Al₂O₃ =2.65(Al₂O₃-0.64 Fe₂O₃)

4СаО·Al₂O₃ Fe₂O₃=3.04 Fe₂O₃

R₂O=Na₂O+0.65K₂O

Фактический (фазовый) состав клинкера рассматривают как фазы и соединения переменного состава. Состав алита и белита рассматривают с позиций образования твердых растворов. Так при кристаллизации трехкальциевого силиката мольное отношение СаО/SiO₂ может достигать 3,13. А при кристаллизации двухкальциевого силиката СаО/SiO₂>2,4.  Кроме этого в кристаллическую решетку этих соединений могут внедряться примесные элементы, такие как Mg, Na, Fe, Al,

Поэтому, фазу трехкальциевого силиката с примесями MgOи Al₂O₃ называют алитом.

Для двухкальциевого силиката характерен полиморфизм в зависимости от температуры устойчивости и примесных оксидов, входящих в решетку. Фазы, которые входят в состав клинкера (α-C₂Sи β- C₂S) называют белитом.

Установлены фазы C₃A, которые кристаллизуются в кубической и орторомбической форме. Эти фазы определяют скорость образования эттрингита и тем самым, скорость потери подвижности и совместимость цемента с пластифицирующими добавками, вводимыми в бетонные смеси.

Минерал C₄AF (браунмиллерит) один из составов серии твердых растворов алюминатов в ферритах.  Состав алюмоферритной фазы в клинкере определяется режимом охлаждения клинкера и отношением Al₂O₃/Fe₂O₃. В промышленных клинкерах у алюмоферритной фазы соотношение Al₂O₃/Fe₂O₃ колеблется в пределах от 2,2 до 2,3 и имеет состав, находящийся в пределах C₆AF₂- C₆A₂F. Алюмоферритная фаза промышленных клинкеров может содержать до 3 мас.% K₂O, 4% MgOи 7% SiO₂.

Фактический минералогический состав клинкера зависит от:

1. сырьевых компонентов и наличия примесных оксидов в составе сырьевой шихты;
2. коэффициента насыщения КН и модульных характеристик;
3. способа производства (мокрый, сухой, комбинированный);
4. тонкости помола сырьевых компонентов;
5. режима обжига и охлаждения клинкера.

Фактический минералогический (фазовый) состав определяют методами:

• петрографического анализа (микроструктура клинкера, размеры и форма кристаллов алита и белита, пористость, расположение кристаллов);
• рентгенофазового анализа (фазовый качественный состав);
• дифракционным методом (фазовый количественный состав).

Примеры определения фазового состава:

1. Петрографический метод – подсчет количества зерен алита и белита;

2. Фазовый состав клинкера по результатам рентгенофазового метода (качественный метод);

3. Фазовый состав клинкера по результатам дифракционного анализа (количественный метод).

Следует отметить, что в паспорте качества, который выдается на каждую партию цемента, указывается расчетный минералогический состав.