Способ получения портландцемента Российский патент 2021 года по МПК C04B7/04 

Изобретение относится к технологии получения гидравлических вяжущих материалов на минеральной основе, в частности к технологии получения портландцементов.

Известен пример составов для изготовления цементного клинкера, включающие в качестве сырьевого компонента до 300-500 кг на 1 т клинкера золы ТЭЦ, содержащих повышенное количество окиси кальция [Ю.А. Алехин, А.Н. Люсов "Экономическая эффективность использования вторичных ресурсов в производстве строительных материалов", М., Стройиздат, 1988, с. 65]. Сырьевая масса для приготовления гидравлического вяжущего, полученная этим способом, не обладает высокими механическими свойствами.

Известен способ приготовления вяжущего, включающий измельчение и смешение каменноугольной золы, извести - кипелки, гипса и хлорида щелочного и щелочноземельного металла, при этом сначала совместно измельчают в бегунах в течение 10-15 мин комовую известь-кипелку и 1/4-1/2 часть от общего количества каменноугольной золы, хлорид щелочного металла или щелочноземельного металла, вводят воду затворения до получения влажности 8-13 мас. % и поверхностно-активную добавку из группы дигексилсукционата натрия, моноалкилфенилового эфира полиэтиленгликоля, затем полученную смесь выдерживают в реакторе в течение 6-20 часов, после чего ее перемешивают с гипсом и оставшимся количеством каменноугольной золы при следующем соотношении компонентов, мас. % (на сухое вещество): известь-кипелка 20-30; хлорид щелочного или щелочноземельного металла 0,6-1,0; гипс 3-5; поверхностно-активная добавка 0,05-0,15; каменноугольная зола - остальное. [Патент РФ N 1837053, МПК 5 С04В 7/28, опубликовано 30.08.1993 г.].

Сырьевая масса, полученная для приготовления гидравлического вяжущего не обладает высокими механическими свойствами и характеризуется повышенным временем схватывания. Все это приводит к необходимости дальнейшей корректировки свойств целевого продукта путем введения различных добавок, что значительно усложняет способ получения цемента.

Известен «Способ получения быстротвердеющего сульфатостойкого портландцемента», Патент RU №2255064, опубликованный 27.06.2005, МПК С04В 7/43. Способ получения быстротвердеющего сульфатостойкого портландцемента путем обжига портландцементной сырьевой смеси и дальнейшего помола портландцементного клинкера с добавлением гипса, обжиг портландцементной сырьевой смеси ведут в восстановительной среде до степени восстановления с закалкой полученного портландцементного клинкера в воде от 1450°С и дальнейшим помолом его с добавлением гипса в количестве, не превышающем 3,5 мас. % по SO₃, до удельной поверхности S_уд=2800-3000 см/г.

Известная смесь не позволяет получать цемент прочностью свыше 600 Мпа.

Задачей предлагаемого способа является улучшение качества целевого продукта за счет повышения механических свойств и улучшения технологических показателей получения портландцемента.

Технический результат, заключается в повышении активности цемента, снижением расхода технологического топлива и электроэнергии, улучшении размалываемости цементного клинкера, а также увеличении срока службы футеровки.

Достигается технический результат тем, что способ получения портландцемента, заключающийся в обжиге портландцементной сырьевой смеси в восстановительной среде и дальнейшего помола портландцементного клинкера до удельной поверхности S_уд.=2800-3000 см²/г с добавлением гипса не превышающим 3,5% по SO₃; для образования восстановительной среды внутри капсул клинкера при обжиге портландцементной сырьевой смеси в сырьевую смесь вводят добавки кокса в пределах мас. % 3,5-4 от массы сырьевой смеси с учетом кокса, содержащегося в золошлаковых отходах, являющихся составной частью компонентов сырьевой смеси портландцемента, при этом, образование восстановительной газовой среды при обжиге клинкера регулируется коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,10, обжиг осуществляется при температуре 1450°С в течение 30 минут, быстрое охлаждение цементного клинкера производят в аэрированной воздушно-водной среде.

Кокс вводится в состав сырьевой смеси для повышения активности цемента, снижения расхода технологического топлива, улучшения размалываемости цементного клинкера и увеличения срока службы футеровки. При введении угля в состав сырьевой смеси выделяющийся при горении угля СО₂ повышает парциальное давление углекислого газа в обжигаемой смеси, что смещает процесс разложения известняка в область более высоких температур. При использовании в качестве топливосодержащей добавки кокса, его выгорание начинается при температуре свыше 1000°С. К этому времени основная часть известняка разложилась, что не мешает процессу декарбонизации известняка. Кокс вносит свои особенности при обжиге сырьевых смесей, так как создает восстановительную среду в составе капсул клинкера в период минералообразования. По сравнению с обжигом в обычной окислительной среде образующаяся FeO снижает температуру появления жидкой фазы на 80°С, что создает более благоприятные условия для кристаллизации основных клинкерных минералов. Быстрое охлаждение клинкера аэрированием в воздушно - водной среде препятствует растворению оксида железа (II), образующегося в восстановительной среде, в силикатных минералах и предотвращает нежелательные фазовые и структурные изменения в клинкере, определяя повышенные на 10-15% прочностные показатели портландцемента.

С увеличением доли кокса в составе сырьевой смеси процесс клинкерообразования ускоряется. Кристаллизация клинкерных минералов отчетливая, размер зерен алита 30…40 мкм, белита 10…20 мкм, алюмоферритная стеклофаза распределена равномерно. С введением в шихту кокса повышается пористость спеков с 30 до 40%, что облегчает размол цемента. Активность цемента возросла на 3,1…5,5 МПа в зависимости от дисперсности сырьевой шихты.

При одинаковой степени измельчения шихт без кокса и с коксами снижение удельных затрат энергии во втором случае составляет 15…20%. При введение кокса в сырьевой шлам производительность вращающихся печей повысилась на 15%, удельный расход топлива снизился на 12%, стойкость огнеупорной футеровки возросла в 1,5 раза. Кокс является интенсификатором помола так как ослабляет электрические силы между частицами, кроме того, уголь не смачивается водой и гидрофобизирует твердые частицы сырьевой шихты. Благодаря гидрофобизации предотвращается слипание, коагулирование частиц, что способствует снижению водопотребности шихты. При введении угля на мелющих телах образуется углеродистая пленка, благодаря которой предотвращается налипание шихтовых смесей. Добавка 2…3% кокса сокращает длительность помола в 2 раза. Введение угольного порошка интенсифицирует помол, как при сухом, так и при мокром помоле. С увеличением тонкости помола интенсифицирующий эффект угля повышается, кроме того, введение кокса на 2..3% снижает влажность сырьевых шламов. При введении кокса улучшаются условия службы футеровки вращающихся печей, более ровной и плотной становится обмазка в зоне спекания, при вводе в шлам кокс не повышает его осаждаемость, влажность шлама снижается от 1 до 5%.Число пластичности шламов при введении кокса увеличивается, что способствует лучшей гранулируемости шлама и более высокой прочности гранул. Гранулируемость сырьевой шихты имеет большое значение не только с экологической точки зрения, уменьшая пыление, но и обеспечивает условие теплопередачи в пламенном пространстве, влияет на теплотехническую характеристику печи в целом и является предпосылкой повышения производительности печи.

Таким образом, наличие кокса в сырьевой шихте, повышает качество шлама, создает условие для экономии топлива и повышения производительности помольного и печного оборудования, может вызвать изменение условий клинкерообразования, что оказывает влияние на структуру клинкера, свойства цемента и особенности его гидратации. При определенном количестве горючих частиц в составе кокса обеспечивается получение более высоких прочностных характеристик цемента, полученного из клинкера уже при температуре обжига сырьевой смеси 1400°С с выдержкой 30 мин. Время подъема температуры от 20°С до 1400°С составляет 2 часа. Продукты обжига слегка вспучены.

Таким образом, кокс вводится в количестве 3,5-4 мас. % сверх массы сырьевой смеси для создания восстановительной среды внутри капсулы клинкера, а создания восстановительной газовой среды избыток воздуха с коэффициентом 1,05-1,10. При большем содержании кокса и низким коэффициенте избытка воздуха (менее 1,05 летучие вещества), выделяемые при нагреве углистых частиц в зоне пониженных температур при недостатке кислорода, уносятся отходящими газами в запечные устройства и могут создаваться взрывоопасные условия в электрофильтрах.

Предлагаемый способ позволяет получить цемент М 600.

Примеры

Компоненты сырьевой смеси портландцемента имеют химический состав, мас. %:

золошлаковые отходы SiO₂=44,60, Al₂O₃=22,75, Fe₂O₃=9,89, СаО=2,34, MgO=1,12, ппп=12,21, прочее=7,09;

известняк SiO₂=2,69, Al₂O₃=1,21, Fe₂O₃=0,15, СаО=51,69, MgO=1,74, ппп=2,75, прочее=2,75;

глина SiO₂=75,04, Al₂O₃=8,00, Fe₂O₃=4,37, СаО=3,26, MgO=1,82, ппп=5,37, прочее=2,14;

железный концентрат, мас. %: (в примерах взят железосодержащий концентрат, полученный в результате магнитной или электросепарации золошлаковых отходов) SiO₂=5,26, Al₂O₃=1,33, Fe₂O₃=87,33, СаО=0,30, MgO=0,14, ппп=2,82, прочее=2,82.

Сырьевая смесь имеет состав компонентов, мас. %: известняк - 81, глина -13,5, золошлак - 4, железный концентрат - 1,5; химический состав, мас. %: SiO₂ - 14,17, Al₂O₃ - 2,99, Fe₂O₃ - 2,41, СаО - 42,4, MgO - 1,69, прочие 2,85, ППП - 33,49. После обжига получают клинкер химического состава, мас. % SiO₂ - 22,11, Al₂O₃ - 4,42, Fe₂O₃ - 3,61, СаО - 63,21, MgO - 2,51, прочие - 4,14. Модульные характеристики клинкера: КН=0,92; п=2,59; р=1,23.

Кокс в примерах (отход производства) получен флотацией золошлаковых отходов отделением несгоревших угольных частиц. Концентрацией примесей, вводимых в состав сырьевой смеси с коксом, можно пренебречь.

Пример 1. Сырьевая смесь портландцементного клинкера измельчается в воде, при этом, влажность по глине допускается не более 20%, по известняку - не более 29%. Полученная шихта в виде суспензии влажностью до 50% поступает в печь для обжига. Для образования восстановительной газовой среды практически воздуха подается больше, чем теоретически необходимо для горения, с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,10. Обжиг производится при t=1450°С в течение 30 минут. Для создания восстановительной среды внутри капсулы клинкера добавляется кокс. При добавке кокса 2,5 мас. % сверх массы сырьевой смеси образуется слабовосстановительная среда внутри капсул клинкера, что приводит недобору прочности портландцемента. Также при коэффициенте избытка воздуха <1,05 создаются взрывоопасные условия в электрофильтрах (табл. 1). Полученный клинкер быстро охлаждается аэрированием в воздушно водной среде и измельчается до удельной поверхности 2800-3000 г/см совместно с гипсом при его добавке в количестве не более 3,5 мас. % по SO₃.

Пример 2. Сырьевая смесь портландцементного клинкера измельчается в воде, при этом, влажность по глине допускается не более 20%, по известняку - не более 29%. Полученная шихта в виде суспензии влажностью до 50% поступает в печь для обжига. Для образования восстановительной газовой среды практически воздуха подается больше, чем теоретически необходимо для горения, с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1.10. Для создания восстановительной среды внутри капсулы клинкера добавляется кокс. Обжиг производится при t=1450°С в течение 30 минут. При добавке кокса 3,0 мас. % сверх массы сырьевой смеси образуется восстановительная среда внутри гранул клинкера, что создает более благоприятные условия для кристаллизации основных клинкерных минералов. При коэффициенте избытка воздуха <1,05 создаются взрывоопасные условия в электрофильтрах (табл. 1). Полученный клинкер быстро охлаждается аэрированием в воздушно водной среде и измельчается до удельной поверхности 2800-3000 г/см² совместно с гипсом при его добавке в количестве не более 3,5 мас. % по SO₃.

Пример 3. Сырьевая смесь портландцементного клинкера измельчается в воде, при. этом, влажность по глине допускается не более 20%,по известняку - не более 29%. Для образования восстановительной газовой среды практически воздуха подается больше, чем теоретически необходимо для горения, с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1.10. Обжиг производится при t=1450°С в течение 30 минут. При добавке кокса 3,5 мас. % сверх массы сырьевой смеси образуется восстановительная среда внутри гранул клинкера, что создает более благоприятные условия для кристаллизации основных клинкерных минералов. При коэффициенте избытка воздуха <1,05 создаются взрывоопасные условия в электрофильтрах (табл. 1). Полученный клинкер быстро охлаждается аэрированием в воздушно водной среде и измельчается до удельной поверхности 2800-3000 г/см³ совместно с гипсом при его добавке в количестве не более 3,5 мас. % по SO₃.

Пример 4. Сырьевая смесь портландцементного клинкера измельчается в воде, при этом, влажность по глине допускается не более 20%,по известняку - не более 29%. Полученная шихта в виде суспензии влажностью до 50% поступает в печь для обжига. Обжиг производится при t=1450°С в течение 30 минут. Для образования восстановительной газовой среды практически воздуха подается больше, чем теоретически необходимо для горения, с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,10. При добавке кокса 4,0 мас. % сверх массы сырьевой смеси образуется восстановительная среда внутри капсул клинкера, что создает более благоприятные условия для кристаллизации основных клинкерных минералов, однако при этом, в цементном клинкере не происходит полного выгорания кокса. При коэффициенте избытка воздуха <1,05 создаются взрывоопасные условия в электрофильтрах (табл. 1). Полученный клинкер быстро охлаждается аэрированием в воздушно водной среде и измельчается до удельной поверхности 2800-3000 г/см² совместно с гипсом при его добавке в количестве не более 3,5 мас. % по SO₃.

Изобретение относится к технологии получения гидравлических вяжущих материалов на минеральной основе, в частности к технологии получения портландцементов. Способ включает обжиг портландцементной сырьевой смеси в восстановительной среде и дальнейший помол портландцементного клинкера до удельной поверхности S_уд=2800-3000 см²/г с добавлением гипса, не превышающим 3,5% по SO₃. Для образования восстановительной среды внутри капсул клинкера при обжиге сырьевой смеси в нее вводят добавки кокса в пределах 3,5-4 мас. % сверх массы сырьевой смеси с учетом кокса, содержащегося в золошлаковых отходах, являющихся составной частью компонентов сырьевой смеси портландцемента. Образование восстановительной газовой среды при обжиге клинкера регулируется коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,10, обжиг осуществляется при температуре 1450°С в течение 30 минут, быстрое охлаждение цементного клинкера производят в аэрированной воздушно-водной среде. Повышается активность цемента, снижается расход технологического топлива и электроэнергии, улучшается размалываемость цементного клинкера, увеличивается срок службы футеровки. 1 табл.

Способ получения портландцемента, заключающийся в обжиге портландцементной сырьевой смеси в восстановительной среде и дальнейшем помоле портландцементного клинкера до удельной поверхности S_уд=2800-3000 см²/г с добавлением гипса, не превышающим 3,5% по SO₃, отличающийся тем, что для образования восстановительной среды внутри капсул клинкера при обжиге портландцементной сырьевой смеси в сырьевую смесь вводят добавки кокса в пределах 3,5-4 мас. % сверх массы сырьевой смеси с учетом кокса, содержащегося в золошлаковых отходах, являющихся составной частью компонентов сырьевой смеси портландцемента, при этом образование восстановительной газовой среды при обжиге клинкера регулируется коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,10, обжиг осуществляется при температуре 1450°С в течение 30 минут, а время подъема температуры от 20 до 1400°С составляет 2 часа, быстрое охлаждение цементного клинкера производят в аэрированной воздушно-водной среде.