СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ОБЖИГА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА ФТОРСОДЕРЖАЩИМ ОТХОДОМ В ПЕЧАХ СУХОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2024 года по МПК C04B7/44 C04B18/04 C04B7/42 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к производству портландцементного клинкера и оптимизации процесса его обжига путем введения фторсодержащего отхода электролитического производства алюминия, и может быть использовано при получении портландцементного клинкера сухим способом.

Наиболее затратным в плане топливно-энергетических ресурсов является обжиг портландцементного клинкера – основной передел производства портландцемента, требующий постоянного поиска путей его оптимизации.

Известен способ получения клинкера белого цемента (патент RU на изобретение № 2752767, опубл. 03.08.2021, бюл. №22). Способ включает в себя приготовление сырьевой смеси, подачу минерализатора, обжиг сырьевой смеси во вращающейся печи сухого способа производства и резкое охлаждение клинкера в воде. Сырьевую смесь предварительно смешивают с пылью пылеулавливающих устройств, а минерализатор 2C₂S⋅CaF₂, подают через пылевую форсунку.

Недостатком известного способа является использование в качестве минерализатора пылевидного материала 2C₂S⋅CaF₂, получаемого путем трехкратного обжига из химических реактивов или природных компонентов высокой чистоты, в том числе флюорита, что влечет за собой дополнительные затраты на синтез минерализатора, а также его повышенный расход от 1,5% до 11%.

Наиболее близким решением по технической сущности, принятым за прототип является способ получения портландцемента по первому пункту (патент RU на изобретение № 2383506, опубл. 10.03.2010, бюл. №7). Известный способ включает получение портландцементного клинкера, содержащего трехкальциевый силикат, двухкальциевый силикат, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит, спеканием исходной сырьевой смеси, включающей кальциевый, алюмосиликатный, железистый компоненты и фторсодержащий минерализатор – фторуглеродсодержащие отходы электролитического производства алюминия, охлаждение и помол клинкера с гипсом. В качестве минерализатора используют фторуглеродсодержащие отходы индивидуально или в сочетании с фторидом кальция. Под фторуглеродсодержащими отходами понимают смесь пыли электрофильтров, шлама газоочистки и хвостов угольной пены или же их индивидуальное использование.

Недостатком прототипа является недостаточная эффективность минерализатора, заключающаяся в высоком расходе топлива для поддержания высокой температуры обжига, что может приводить к пережогу клинкера и снижению качественных показателей портландцемента. Также недостатками является нестабильный химический и фазовый состав смеси фторуглеродсодержащих отходов.

Изобретение направлено на интенсификацию процесса обжига портландцементного клинкера, производимого сухим способом, которая заключается в снижении удельного расхода топлива на обжиг портландцементного клинкера, в снижении температуры обжига, при сохранении качественных показателей готового продукта.

Технический результат достигается тем, что в способе интенсификации процесса обжига портландцементного клинкера состоящего, в основном, из трехкальциевого силиката С₃S, двухкальциевого силиката С₂S, трехкальциевого алюмината C₃А и четырехкальциевого алюмоферрита C₄АF, включающем в себя подготовку сырьевых компонентов, гомогенизацию их с минерализатором, процесс спекания и охлаждение клинкера, при сухом способе производства используют в качестве минерализатора термически обработанный фторсодержащий отход электролитического производства алюминия.

Способ интенсификации процесса обжига при сухом способе производства портландцементного клинкера, состоящего, в основном, из трехкальциевого силиката С₃S, двухкальциевого силиката С₂S, трехкальциевого алюмината C₃А и четырехкальциевого алюмоферрита C₄АF, включает в себя подготовку и гомогенизацию сырьевых компонентов вместе с фторсодержащим отходом с получением сырьевой смеси с влажностью 1%, ее подачу в печную систему, конкретно в циклонный теплообменник между I и II ступенями циклонов, спекание клинкера при пониженной температуре и его охлаждение. В качестве фторсодержащего отхода в данном случае используют электродный бой – фторсодержащий отход электролитического производства алюминия, большую часть которого составляют углерод и криолит – гексафтороалюминат натрия Na₃AlF₆, прошедший предварительную подготовку, которая заключается в термической обработке, позволяющей удалить из его состава – горючую составляющую – углерод. Необходимость данной подготовки вызвана опасностью использования электродного боя в исходном виде при подаче в циклонный теплообменник в область высоких температур, а также возможностью локального превышения оптимальной температуры в циклонном теплообменнике или декарбонизаторе в местах окисления горючей составляющей, что может привести к частичной возгонке фтора. Для реализации предлагаемого способа в сырьевую смесь вводят термически обработанный фторсодержащий отход в количестве 0,25-0,75 вес.% в пересчете на фтор.

В качестве исходной сырьевой смеси используется смесь состоящая из карбонатного, алюминатного, силикатного и железистого компонентов, рассчитанная на получение рядового портландцементного клинкера. Характеристика сырьевой смеси представлена в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика исходной сырьевой смеси

Химический состав исходной сырьевой смеси, % SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO ППП Сумма 14,69 3,14 2,76 44,41 34,99 100 Модульные характеристики КН n p 0,93 2,49 1,14

В качестве фторсодержащего отхода используют электродный бой – фторсодержащий отход из отвалов техногенных отходов предприятия по производству алюминия, например, Красноярского края, большую часть которого составляют углерод и криолит – гексафтороалюминат натрия Na₃AlF_6. Согласно заявленному способу фторсодержащий отход – электродный бой – для использования в сухом способе производства портландцемента подвергают предварительной термической обработке. Состав фторсодержащего отхода после термической обработки представлен в таблице 2.

Таблица 2

Химический состав боя электродного, %

SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO SO₃ TiO₂ F⁻ K₂O Na₂O Г. Ч. 0,6-0,7 21,0-22,0 1,3-1,4 1,0-1,2 0,4-0,5 3,0-3,2 0-0,02 38,0-39,0 0-0,30 32,0-33,0 -

В состав сырьевой смеси фторсодержащий отход вводят в количестве от 0,25 вес.% до 0,75 вес.% в пересчете на фтор. Добавку не вводят в количестве менее 0,25 вес.% по причине недостаточной эффективности, и в количестве более 0,75 вес.% с целью недопущения образования избыточного количества щелочных соединений в клинкере и перерасхода фторсодержащего отхода. В качестве контрольного образца использовали сырьевая смесь без добавления минерализующих добавок.

Качественную оценку заявленного способа оценивают по полноте усвоения свободного оксида кальция в клинкерные минералы путем исследования каждого образца этилово-глицератным методом. Результаты исследования приведены в таблице 3.

Таблица 3

Влияние вводимого фторсодержащего отхода на количество свободного оксида кальция в продуктах обжига

№п/п
образца Количество ФС-добавки, вес.% Температура обжига, °С 1250 1300 1325 1350 1375 1400 1450 1 0 27,784 21,879 15,363 3,265 1,959 0,653 0,163 2 0,25 19,939 11,452 5,551 1,636 0,653 0,327 0 3 0,5 15,036 4,898 2,454 0,818 0,163 0 0 4 0,75 11,429 3,922 1,963 0,164 0 0 0

Анализ полученных в процессе обжига образцов показал, что использование фторсодержащего отхода предложенным способом способствует завершению процессов клинкерообразования с полным усвоением свободной окиси кальция в температурном интервале 1375-1450°С при том, что в сырьевой смеси без добавления фторсодержащего отхода процессы клинкерообразования при температуре 1450°С протекают не в полной мере, о чем говорит присутствие неусвоенного оксида кальция в количестве 0,163%. Следовательно, предложенный способ интенсификации процесса обжига клинкера позволяет снизить температуру на 50-75°С при введении термически обработанного фторсодержащего отхода в сырьевую смесь в количестве 0,5-0,75 вес.%.

Пример реализации изобретения (таблица 3, образец 3).

Готовят сырьевую смесь с использованием фторсодержащего отхода электролитического производства алюминия. Сырьевая смесь состоит из карбоната кальция (79,56 г), оксида кремния (IV) (14,49 г), оксида алюминия (3,18 г), оксида железа (III) (2,77 г). В качестве фторсодержащего отхода электролитического производства алюминия используют электродный бой в количестве 0,5 г в пересчете на фтор.

Усредненную с фторсодержащим отходом сырьевую смесь подвергают прессованию в цилиндрические образцы диаметром 2 см и массой 2 г. Образцы обжигают партиями в лабораторной печи со скоростью нагрева 6 град/мин в интервале температур 1250–1450°С с изотермической выдержкой в течение 15 минут и дальнейшим резким охлаждением на воздухе.

Расчетные химический и минералогический составы получаемого клинкера приведены в таблице 4.

Таблица 4

Характеристика синтезированного клинкера

Расчетный химический состав, % Расчетный фазовый состав, % SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO Сумма С₃S C₂S C₃A C₄AF 22,6 4,83 4,25 68,31 100 67,85 13,62 5,59 12,92

Полноту протекания процессов образования клинкерных минералов в продуктах обжига оценивают по усвоению свободного оксида кальция в клинкерные минералы путем исследования каждого образца этилово-глицератным методом. Результат показывает, что свободный оксид кальция полностью усваивается при температуре 1400°С.

Результаты исследований подтверждают, что фторсодержащий отход электролитического производства алюминия оказывает минерализующий эффект при обжиге портландцементного клинкера, что позволяет снизить температуру обжига на 50°С при использовании электродного боя в количестве 0,5 вес.% в пересчете на фтор.

Таким образом с помощью предложенного способа интенсификации процесса обжига портландцементного клинкера фторсодержащими отходами обеспечивается:

- снижение температуры обжига портландцементного клинкера на 50-75°С при вводе добавки фторсодержащего отхода в количестве 0,25 - 0,75 вес.%;

- полнота образования основных клинкерных минералов трехкальциевого силиката С₃S, двухкальциевого силиката С₂S, трехкальциевого алюмината C₃А и четырехкальциевого алюмоферрита C₄АF, о чем свидетельствует отсутствие свободного оксида кальция в продуктах обжига;

- снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера при производстве портландцемента сухим способом с использованием термически обработанного фторсодержащего отхода на 3,0…4,5%;

- снижение удельного теплонапряжения на футеровку вращающихся печей сухого способа производства, что должно обеспечить повышение срока ее службы;

- эффективная утилизация фторсодержащих отходов электролитического производства алюминия с расширением базы добавок, используемых в производстве портландцементного клинкера;

- экономически выгодная замена дефицитных, традиционно используемых минерализующих добавок, таких как фторид кальция.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к производству портландцементного клинкера и оптимизации процесса его обжига, и может быть использовано при получении портландцементного клинкера сухим способом. Техническим результатом является интенсификация процесса обжига портландцементного клинкера, производимого сухим способом, которая заключается в снижении удельного расхода топлива на обжиг портландцементного клинкера, в снижении температуры обжига, при сохранении качественных показателей готового продукта. Способ интенсификации процесса обжига клинкера, состоящего, в основном, из трехкальциевого силиката С₃S, двухкальциевого силиката С₂S, трехкальциевого алюмината C₃А и четырехкальциевого алюмоферрита C₄АF, включает в себя подготовку и гомогенизацию сырьевых компонентов совместно с фторсодержащим отходом электролитического производства алюминия с последующим процессом спекания и охлаждением клинкера. В качестве фторсодержащего отхода электролитического производства алюминия используют электродный бой, содержащий горючую составляющую - углерод и криолит - Na₃AlF₆, прошедший термическую обработку для окисления горючей составляющей, после чего электродный бой в составе сырьевой смеси поступает в печную систему сухого способа производства клинкера, а именно в циклонный теплообменник между I и II ступенями, в количестве 0,25–0,75 вес.% в пересчете на фтор от исходной сырьевой смеси, а процесс спекания осуществляют при температуре 1375-1450°С. 4 табл.

Способ интенсификации процесса обжига клинкера, состоящего, в основном, из трехкальциевого силиката С₃S, двухкальциевого силиката С₂S, трехкальциевого алюмината C₃А и четырехкальциевого алюмоферрита C₄АF, включающий в себя подготовку и гомогенизацию сырьевых компонентов совместно с фторсодержащим отходом электролитического производства алюминия с последующим процессом спекания и охлаждением клинкера, отличающийся тем, что в качестве фторсодержащего отхода электролитического производства алюминия используют электродный бой, содержащий горючую составляющую - углерод и криолит - Na₃AlF₆, прошедший термическую обработку для окисления горючей составляющей, после чего электродный бой в составе сырьевой смеси поступает в печную систему сухого способа производства клинкера, а именно в циклонный теплообменник между I и II ступенями, в количестве 0,25–0,75 вес.% в пересчете на фтор от исходной сырьевой смеси, а процесс спекания осуществляют при температуре 1375-1450°С.