ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА Российский патент 2006 года по МПК C04B7/36 

Изобретение, заявленное в качестве патента, относится к области промышленного производства портландцементного клинкера сухим, полусухим, мокрым и комбинированным способами при утилизации промышленных отходов-осадков очистных сооружений (1-11).

Известные способы производства портландцементного клинкера осуществляют спеканием смеси известняка и глин в примерном соотношении 3:1 соответственно во вращающихся печах при температуре 1380-1450°С. Образующийся после спекания клинкер измельчают, а затем смешивают в разных пропорциях с измельченными шлаками, золой, пуццоланами, гипсом и рядом других добавок. Производство цементного клинкера в Европе в некоторых случаях осуществляют спеканием известняка с предварительно высушенными при температуре 85°С осадками очистных сооружений.

Перечисленные выше способы производства цементного клинкера обладают существенными недостатками, связанными, прежде всего, с высоким расходом теплоносителей. Самым экономичным из них является сухой способ производства цементного клинкера. На производство одного килограмма клинкера сухим способом, по данным (5), расходуют 3218 кДж тепла.

Используемый ЗАО "Дакт-Инжиниринг" способ производства цементного клинкера с применением известняка и высушенного осадка очистных сооружений, который обладает теплотворной способностью в 11 тысяч кДж на килограмм осадка, в связи с этим кажется безальтернативным, поскольку позволяет существенно снизить расход топлива на его производство. Однако применение высушенного осадка и является существенным недостатком этого способа, поскольку для его осуществления необходимо удалить воду из влажных осадков. Для удаления воды из осадка влажностью в 71,0%, из которого можно произвести одну тонну цементного клинкера, необходимо затратить 4826157 кДж тепла, что существенно выше расхода тепла (3762000 кДж), необходимого для получения одной тонны клинкера классическим способом. Таким образом, вместе с затратами на сооружение и эксплуатацию завода по сушке осадка резко снижается экономическая эффективность способа производства портландцемента с применением высушенного осадка.

Предлагаемое изобретение устраняет отмеченные выше недостатки способов производства портландцемента и по экономической эффективности уравнивает между собой все принятые в мировой практике способы производства портландцементного клинкера.

Технический результат изобретения достигается тем, что энергосберегающий способ производства портландцементного клинкера, включающий спекание во вращающейся печи при температуре 1380-1450°С технологической смеси известняка и глинистого материала - осадка очистных сооружений - полей орошения станций аэрации влажностью от 8,0 до 90% (влажного осадка) при весовом соотношении известняка к указанному осадку от 1:0,4 до 1:1,3.

Парадоксальность предлагаемого способа состоит в том, что все энергетические затраты на производство портландцемента компенсируются энергетическими возможностями органических веществ, входящих в состав осадка.

Энергетическая способность органических веществ, входящих с состав осадка очистных сооружений, составляющих около 50.0% массы сухого вещества, достигает 11-19 тыс. кДж на килограмм осадка. Это обстоятельство позволяет без затрат на сушку осадка снизить расход топлива на производство портландцементного клинкера и сделать альтернативными все принятые в мировой практике способы его производства.

Осадки станций аэрации представляют собой мелкодисперсный (около 200 мкм) глинообразный продукт темного цвета общей влажностью до 90.0%. Осадки с полей орошения различных регионов обладают влажностью, которая изменяется в пределах от 8.0 до 97.0%.

Влага осадка представлена водой, связанной с белком микроорганизмов осадка (около 50.0%) и не связанной водой (около 20.0%), распределенной в свободном от сухого остатка осадка объеме.

Типичный химический состав компонентов сырьевой смеси, который может быть использован для производства цементного клинкера с применением осадка станций аэрации, приведен в Таблице 1.

В Таблице 1 приведены и расчетные величины, необходимые для определения состава технологической смеси. В Таблице 2 приведены расчетные нормы сырьевых компонентов технологической сырьевой смеси, необходимых для производства одной тонны цементного клинкера из известняка и суглинка, известняка и осадка станций аэрации.

Из данных таблиц видно, что на производство одной тонны цементного клинкера с применением осадка станций аэрации известняка требуется на 179 кг меньше, чем при производстве одной тонны клинкера из известняка и суглинка классическим сухим способом. Из данных Таблицы 2 видно также, что для производства одной тонны цементного клинкера из технологической смеси необходимо удалить 1976 кг воды. Предложенным способом воду из технологической смеси удаляют ее нагреванием теплом, которое выделяется при сгорании органических веществ осадка, теплотворную способность которых оценивают в 11000-18750 кДж/кг. Как видно из Таблицы 3, этого количества тепла достаточно для удаления воды из технологической смеси и сокращения расхода теплоносителя, необходимого для спекания смеси в клинкер. Сопоставление результатов, приведенных в Таблице 3, с известными литературными данными (5) дано в Таблице 4. Анализ данных Таблицы 4 показывает, что производство портландцементного клинкера с применением осадка станций аэрации снижает расход энергии, необходимой для спекания технологической смеси, за счет выделения в систему тепла осадка от сгорания органических веществ. Несмотря на высокую влажность технологической массы, превышающую влажность технологической смеси, используемой при мокром способе производства портландцементного клинкера (30.0-40.0%), потребление энергии на производство клинкера ниже, чем в производстве его сухим способом.

Экспертная оценка физико-технических и механических свойств портландцементного клинкера, получаемого из технологической смеси известняка и влажного осадка станций аэрации, приведена в Таблице 5.

Результаты экспертной оценки наглядно показывают возможность получения высококачественного цементного клинкера предложенным способом. Внедрение процесса в промышленное производство портландцементного клинкера позволит решить экологические проблемы регионов и получить строительный материал, отвечающий ГОСТ 23464-79.

Реальная экономия тепла на предприятии мощностью 730000 тонн портландцементного клинкера может составить за счет экономии топлива до 730 тыс. Гкал в год.

Приведенные в заявке расчеты и результаты испытаний образцов цементного клинкера, полученного прокаливанием технологической смеси известняка и влажного осадка станций аэрации, позволяют четко сформулировать формулу изобретения.

Таблица №1
Химический состав сырья и клинкераКомпоненты сырьевой смесиХимический состав компонентов сырьевой смеси, мас.%Производные величиныМ_oМ_аSiO₂Al₂O₃Fe₂O₃CaOMgOп.п.п.Модуль основностиМодуль активности123456789Известняк0.20.250.251.03.043.5--Суглинок71.8213.623.991.020.93.4--Зола осадка станций аэрации46.612.09.49.31.06---Клинкер22.06.03.063.01.5-2.080.27Таблица №2
Расходные нормы сырьевых материалов на производство 1000 кг портландцементного клинкера в зависимости от способа его производстваСырьевые компоненты технологической смеси и производные величиныСпособ производства и расходные нормы сырьевых компонентов, производных величин, кгСухой способСпособ с осадком станций аэрации123Известняк12351056Остаток после прокаливания известняка697.94597.6Суглинок306.32-Остаток после прокаливания суглинка295.9-Масса технологической смеси1541.613880.9*Осадок станций аэрации-2825.1**Вода в осадке-1975.1Сухой осадок-849.4Зола осадка-424.7Соотношение между известняком и компонентом технологической смеси4.030.374Соотношение между компонентом технологической смеси и известняком0.252.7* - Влажность технологической смеси 50.90%
** - Влажность осадка станций аэрации 71.00%

Таблица №3
Основные физико-химические данные и нормативные расходные значения величин, необходимые для производства 1000 кг портландцементного клинкера по способу с применением осадка станций аэрацииРасходные нормы сырьевых компонентов и наименование физико-химических величинРазмерностьЗначение величины123Расход известнякакг1056Расход осадкакг2826Вода в осадкекг1976Сухой осадоккг849.4Масса органических веществкг425Теплотворная способность сухого осадкаккал/кг2640-4500кДж/кг11000-18750Теплота парообразованияккал/моль10.519кДж/моль43.96Количество тепла, необходимое для удаления воды из технологической смесиккал/1976 кг1154583кДж/1976кг4826-157Количество тепла, выделяющееся при сгорании сухого осадкаккал/849 кг с. о*2242495-3822435кДж/849 кг с. о.9343730-15926812Количество тепла, выделяющееся в систему после удаления водыккал/849 кг с.о.1087912-2667852кДж/849 кг с.о.4517573-111000655Расход жидкого топливакг115Теплотворная способность жидкого топливаккал/кг10000-11000кДж/кг41800-45980Количество тепла, выделяющееся при сгорании топливаккал/115 кг1150000-1265000кДж/115кг4807000-5287700Производительность предприятият. клинкера/год730000Расход топлива с применением осадка станций аэрациикг6-115*с.о. - сухого осадка

Таблица №5
Экспертная оценка физико-технических и механических параметров качества портландцементного клинкера, производимого с применением осадков станций аэрации при температуре 1380°С-1450°С*Номер образца цементного клинкера**Удельная поверхность,
см²/гНормальная густота, %Растекаемость, ммСроки, часы, схватыванияПредел прочности балочек, МПа, при изгибе и сжатии в возрасте, суткиНачалоКонец37281234567891268026.21103³⁰5⁴⁰1.9/9.73.6/28.54.8/38.72262024.21253³⁰6²⁰2.95/13.24.9/31.55.9/42.03269025.41203²⁰5⁵⁰2.26/12.53.7/30.05.2/39.14265026.11103²⁰5⁴⁵2.5/12.73.6/28.55.5/41.05270024.81153²⁵5⁵⁵2.0/11.53.8/29.55.3/40.56269525.21123³⁵5⁴⁰2.9/12.83.9/31.05.2/407262526.21203³⁰5⁵⁰2.6/13.04.9/31.55.8/41.58268025.51103²⁵6⁰⁰2.8/12.94.0/31.05.1/39.59270524.81153³⁰5⁵⁵2.85/13.04.1/32.05.0/39.810271025.21203³⁵5⁵⁰2.9/13.13.6/29.04.9/40.0* Физическая плотность образцов, г/см³, изменяется в пределах 3.0-3.2; насыпная масса в рыхлом и уплотненном состоянии в среднем составляет соответственно 1.15 г/см³ и 1.5 г/см³
** Образцы 1-3 приготовлены из сырьевой смеси при соотношении известняк: осадок очистных сооружений 1:0,374, образцы 4-6 - при соотношении 1:1, образцы 7-10 - при соотношении 1:1,3.

Список научно-технической и патентной литературы, использованной в патентном поиске над изобретением: Энергосберегающий способ производства портландцементного клинкера№АвторНазваниеИздание1Венюа М.Технологические схемы производства цементовМ., "Стройматериалы", 19802Горчаков Г. И.Строительные материалыМ., 19863 Цемент и его применение №120044Тейлор, Хэл Ф.Химия цементаМ., "Мир", 19965Гольдштейн Л.Я.Производство цементов путем утилизации промышленных отходовЛ., "Стройиздат", 19856Шевцов А.М.Патент №206584519967Шевцов А.М.Патент №207413419978Бутт Ю.М., Волконский Б.В., Егоров Г. Б.Справочник цементовЛ.,19809Вердиян М.А., Бобров Д.А., Вердиян А.М.Научные основы технологии цементаМ.,200010 Structure and performance of cementsLondon, New York, 198311 Моя Москва. Журнал столичной жизни, №72004

Изобретение относится к области производства портландцементного клинкера сухим, полусухим, мокрым и комбинированным способом. Энергосберегающий способ производства портландцементного клинкера включает спекание во вращающейся печи при температуре 1380-1450°С технологической смеси известняка и глинистого материала - осадка очистных сооружений - полей орошения станций аэрации влажностью от 8,0 до 90% при весовом соотношении известняка к указанному осадку от 1:0,4 до 1:1,3. Технический результат - экономия известняка, топлива и энергии при производстве клинкера, удешевление производства портландцемента, решение экологических проблем регионов за счет утилизации осадков очистных сооружений в широком диапазоне влажности. 5 табл.

Энергосберегающий способ производства портландцементного клинкера, включающий спекание во вращающейся печи при температуре 1380-1450°С технологической смеси известняка и глинистого материала - осадка очистных сооружений - полей орошения станций аэрации влажностью от 8,0 до 90% при весовом соотношении известняка к указанному осадку от 1:0,4 до 1:1,3.