28.01.2003 07:59
Cообщение академика МАИ, к. т. н., заслуженного строителя Российской Федерации Юрия Бурлова, сделанное им на II международном совещании по химии и технологии цемента (4-8 декабря 2001 г., Москва)
Как известно, традиционным способам производства цемента присущи известные недостатки.
Мокрому способу свойственны высокие затраты энергии на производство клинкера, в основном связанные с испарением влаги и высокими капвложениями.
Сухому же - сложность приготовления сырьевой смеси, а также сложность управления процессом производства, которое связано с необходимостью разделения процессов термической обработки материалов в стационарных теплообменниках и вращающейся печи (и соответственно с высокой металлоемкостью и значительными капитальными затратами).
Развитие предлагаемых в последнее десятилетие новых способов получения клинкера (радиационная технология, обжиг в кипящем слое, обработка материала в микроволновой печи) по ряду причин не пошло дальше лабораторных экспериментов.
Одним из перспективных способов в настоящее время является получение клинкера методом плавления. В отличие от известного способа получения плавленого клинкера в конверторах (метод Серова), в данном случае речь идет о получении клинкера в плазменных печах.
В последнее время электродуговые (или электроплазменные) печи широко применяются при производстве огнеупоров, кварцевого стекла, в металлургической промышленности.
Процесс получения плавленых материалов в данных агрегатах технологичен, КПД установок достигает 50-70%, обеспечивается выпуск изделий широкого ассортимента.
Проведенными исследованиями установлена принципиальная возможность плазменной переработки цементного сырья различного химического состава, в том числе техногенных материалов.
Полученные данные послужили основой для изготовления опытно-промышленной печи. Это реактор-сепаратор, на котором отрабатывались технологические параметры производства портландцементного и специальных клинкеров. Реактор многофункционален и может использоваться, в частности, для термической подготовки сырьевых компонентов, завершения эндотермических процессов и обеспечения термовзрыва, синтеза вяжущего в расплаве и селективного извлечения тугоплавких и легкоплавких металлов.
Испытаниями на опытно-промышленной плазменной установке при получении мономинеральных вяжущих, портландцементного клинкера, высокоглиноземистого клинкера и других материалов установлена возможность производства материалов высокого качества. Это связано в первую очередь с тем, что при твердофазовом синтезе цементных клинкеров реакции минералообразования завершаются только при многократном обжиге сырьевых смесей, а наличие расплава в системе резко ускоряет процессы химического взаимодействия оксидов, и синтез минералов происходит в считанные минуты. При этом достигается значительная степень завершенности реакций образования минералов.
Физико-химическими исследованиями полученных материалов установлено, что во всех случаях наблюдается повышенное, до 10% по сравнению с расчетным, содержание фаз-алига в портландцементном клинкере и диалюмината кальция в высокоглиноземистом клинкере.
Это связано с тем, что при высоком градиенте температуры кристаллизации расплава минералы образуются одновременно без взаимной перекристаллизации. Ускоренное формирование минералов обуславливает также и существенную зональность строения крупных кристаллов, что определяет их большую дефектность и тем самым - высокую гидравлическую активность.
Другим важным преимуществом новой технологии является то, что при подаче сырьевой смеси через внутренний канал плазмотрона проходит термическое дробление материала и интенсификация процесса теплообмена, что обеспечивает возможность исключения из технологического процесса операции тонкого измельчения сырьевой смеси.
Получение клинкеров в электроплазменной печи показывает, что по затратам данный способ конкурирует с мокрым способом производства цемента, а в случае использования высокотемпературных отходов промышленности (например, огненно-жидких шлаков) - и с сухим способом.
С увеличением емкости печи и соответственно ее производительности, а также с решением вопросов утилизации тепла отходящих газов и тепла, выделяющегося при охлаждении расплава, удельные энергозатраты могут быть снижены еще в большей степени.
При выпуске специальных клинкеров, таких как высокоглиноземистый, несколько более значительные энергозатраты не оказывают существенного влияния на себестоимость цемента, поскольку она определяется главным образом стоимостью исходных сырьевых материалов.
При использовании в качестве сырьевых компонентов отходов металлургических производств наряду с получением клинкеров (вяжущего) почти на 100% извлекаются и утилизируются редкие и цветные металлы. В этом случае экономическая целесообразность процесса несомненна и очевидна.
Важное значение для получения высококачественного продукта имеет режим охлаждения расплава. Установлено, что оптимальный режим охлаждения достигается при паровоздушной грануляции клинкера. При этом достигается необходимое время для кристаллизации основных фаз и создания напряженно-дефектной структуры клинкерных гранул, что улучшает размолоспособность материала. Размолоспособность плавленых клинкеров незначительно выше по сравнению с материалами, полученными по традиционной технологии. Но могут быть использованы и новые методы помола.
Другим, очень важным, преимуществом новой технологии является возможность комплексной переработки техногенных материалов, в частности, совместное получение сплавов цветных металлов и клинкера. Исследования, проведенные на опытно- промышленной печи, подтвердили принципиальную возможность совместного получения цементного клинкера и сплавов цветных металлов.
В качестве материалов были выбраны отработанный вольфрамоникелевый катализатор и мел. Основой катализатора является оксид алюминия (80% массы). В нем также содержатся вольфрам (17%) и никель (3%).
Состав сырьевой смеси рассчитывали таким образом, чтобы в процессе плавки получался высокоглиноземистый клинкер и ферросплав, содержащий 32% вольфрама и 5,5% никеля. Данный сплав служит лигатурой при получении вольфрамосодержащих сплавов.
Отработанный катализатор был выбран также из-за того, что этот материал является одним из наиболее сложных для выплавки металлов. Тугоплавкие металлы (Ni, W) плавятся при температурах 1478 и 3200╟С соответственно, а их сплав имеет температуру плавления 1540╟С при условии содержания в этом сплаве вольфрама до 32%. В процессе экспериментов подача сырьевой смеси осуществлялась через один полый электрод, а через другой электрод для стабилизации плазмы подавали азот.
При существенно низкой себестоимости (учитывая высокую стоимость извлекаемых металлов) получаемый таким образом высокоглиноземистый клинкер по своему химическому составу и физико-механическим свойствам соответствует клинкеру для получения ВГЦ-70.
Важными с точки зрения комплексной переработки материалами являются шлаки промышленных производств, а также "хвосты" золотоизвлекательных фабрик.
Таким образом, полученные результаты экспериментальной отработки новой технологии позволяют проектировать мобильное, гибкое и экологически чистое производство, добиваясь значительного снижения затрат на капитальное строительство (и максимального - объемов выбросов пыли и газов) и используя нетрадиционное сырье.
Установка изготавливается индивидуально на каждый вид отходов и монтируется вблизи отвалов.
Принципиальная технологическая схема представлена на рисунке.
Сырьевые материалы в виде отходов промышленных предприятий и дополнительных компонентов, необходимых для получения вяжущего заданного состава, подаются в приемные бункеры (1), оснащенные дозаторами. Затем сдозированная смесь поступает в дробильно-сушильное отделение (2), где происходит ее измельчение до 5 мм, усреднение и подсушка. После усреднения сырьевая смесь поступает в плазменную печь (3). Подача материала осуществляется прямо через плазмотроны в рабочее пространство печи, где происходит термическое дробление, плавление и синтез вяжущего. Клинкерный расплав на выходе из печи поступает в гранулятор (4), где гранулируется и охлаждается до температуры 600╟С. С целью утилизации вторичного тепла отходящие газы и возгоны металлов поступают в установку (7) для утилизации углекислого газа, который перерабатывается в сухой лед. Тугоплавкие металлы оседают в донной части и периодически сливаются в установку (8). Легкоплавкие металлы возгоняются и улавливаются в рукавных фильтрах (5). Энергоснабжение технологической линии осуществляется от силового блока (6).
Использование плазмы при термообработке материалов обеспечивает максимальную для современного состояния техники концентрацию энергии и интенсификацию технологических процессов.
Незначительный по сравнению с обычными процессами тепловой обработки материалов, в которых используются органическое топливо, расход технических газов позволяет применять современные высокопроизводительные способы пылеулавливания и газоочистки. Высокая температура в реакционной зоне разлагает на молекулярном уровне вредные вещества, нейтрализует концерогены типа диоксинов и бензопиренов, уничтожает неприятные запахи технологических газов. Наличие эффекта термического дробления компонентов, вызванного высоким температурным градиентом, снижает требования к механическому измельчению сырьевых материалов и исключает из технологической схемы сырьевые шаровые мельницы.
Гомогенизация сырьевых компонентов в расплаве обуславливает высокую реакционную способность сырьевой смеси, ускорение процессов минералообразования и, как следствие, высокое качество вяжущего. Возможность полной безотходной утилизации отходов металлургической промышленности в виде шлаковых расплавов, а также утилизации шлаковых отвалов (при этом осуществляется селективное разделение металлов при одновременном получении вяжущих материалов), обуславливает высокую экономическую, экологическую и энергосберегающую значимость предлагаемой технологии.
Создание модульной системы комплектования технологической линии позволяет с низкими капитальными затратами организовывать заводы по переработке техногенных отходов производительностью по клинкеру 10 тыс. т в год и с более низкими капитальными затратами.
Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ
(c)строительство и недвижимость
Новые тесты для старых строительных материалов
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.