СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ОБЖИГА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА ФТОРСОДЕРЖАЩИМ ОТХОДОМ В ПЕЧАХ МОКРОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2025 года по МПК C04B7/02 

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 мокрым способом.

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

Известен способ интенсификации процесса обжига портландцементного клинкера минерализаторами (патент RU на изобретение № 2 633 620, опубл. 10.03.2010, бюл. №7). Способ осуществляют путем введения активных ингредиентов – минерализаторов, как в печь мокрого способа производства, так и комбинированного. В известном способе во вращающуюся печь подают одновременно сырьевую смесь и уловленную пыль электрофильтров, а минерализаторы, предварительно измельченные, постоянно подают через пылевую форсунку в область температур материала 845-1228°С.

Недостатками известного способа является использование в качестве минерализаторов одного из вариантов – фтористого кальция CaF₂, фтористого натрия NaF, гипса CaSO₄⋅2H₂O, оксида титана TiO₂ или оксида магния MgO – которые являются соединениями с различными химическими свойствами, способными оказать различное влияние на характеристики получаемого продукта. К тому же большая часть приведенных соединений характеризуется высокой себестоимостью или ограниченностью запасов. Также недостатком является вдувание холодного воздуха при подаче минерализатора с горячего конца печи.

Наиболее близким решением по технической сущности, принятым за прототип является способ получения портландцемента по первому пункту (патент RU на изобретение № 2 383 506, 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 мокрым 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 мокром способе производства портландцементного клинкера используют в качестве минерализатора фторсодержащий отход электролитического производства алюминия в исходном виде.

Способ интенсификации процесса обжига при мокром 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 сырьевых компонентов с получением однородного сырьевого шлама, гомогенизацию его с фторсодержащим отходом, подачу во вращающуюся печь, спекание клинкера при пониженной температуре и его охлаждение. В качестве фторсодержащего отхода в приведенном способе используют электродный бой – фторсодержащий отход электролитического производства алюминия, большую часть которого составляют углерод и криолит – гексафтороалюминат натрия Na₃AlF₆. Для реализации предлагаемого способа в сырьевой шлам вводят фторсодержащий отход в количестве 0,25-0,75 вес. % в пересчете на фтор. При этом углеродная составляющая фторсодержащего отхода действует как выгорающая добавка, принося дополнительное тепло в печную систему, а минеральная составляющая вступает в химическую реакцию с компонентами сырьевого шлама.

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 Na₃AlF₆. Согласно заявленному способу фторсодержащий отход – электродный бой – для применения в мокром способе производства портландцемента используют в исходном виде. Состав исходного фторсодержащего отхода представлен в таблице 2.

Таблица 2

Химический состав боя электродного, %

SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO SO₃ TiO₂ F⁻ K₂O Na₂O Г. Ч. 0,4-0,5 14,0-15,0 0,8-1,0 0,8-1,0 0,2-0,3 2,0-2,2 0-0,01 24,0-25,0 0-0,20 21,0-22,0 34,0-35,0

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 сырьевую смесь без добавления минерализующих добавок.

Из четырех полученных сырьевых смесей готовили прессованные образцы, которые в дальнейшем партиями обжигали в лабораторной печи в интервале температур 1250–1450°С с изотермической выдержкой в течение 15 минут и дальнейшим резким охлаждением на воздухе.

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, только за счет минерализующего эффекта фтора в составе электродного боя, при введении его в сырьевую смесь в количестве 0,5-0,75 вес. %,

Дополнительное снижение расхода топлива возможно за счет введения в составе исходного электродного боя горючей составляющей, которая при нагревании во вращающейся печи будет окисляться и вносить дополнительное тепло в печную систему, как и основной вид топлива. По данным, полученным дифференциально сканирующей калориметрией, углерод, входящий в состав электродного боя, при окислении способен выделять 10300 кДж/кг. Предварительные расчеты на основе удельного расхода электродного боя и его калорийности позволяют оценить эффективность от использования фторсодержащего отхода электролитического производства алюминия, которая заключается в снижении удельного расхода топлива и составляет 2,5…7,2% пересчитать от общего удельного расхода топлива.,

Пример реализации изобретения (таблица 3, образец 4).

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 0,75 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 1375°С.

Результаты исследований подтверждают, что фторсодержащий отход электролитического производства алюминия оказывает минерализующий эффект при обжиге портландцементного клинкера, что позволяет снизить температуру обжига на 75°С при использовании электродного боя в количестве 0,75 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 мокрым способом с использованием исходного фторсодержащего отхода на 4,0…9,5%;

- снижение удельного теплонапряжения на футеровку вращающихся печей мокрого 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 мокрым способом. Техническим результатом является интенсификация процесса обжига портландцементного клинкера, производимого мокрым 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 портландцементного клинкера, состоящего, в основном, из трехкальциевого силиката С₃S, двухкальциевого силиката С₂S, трехкальциевого алюмината C₃А и четырехкальциевого алюмоферрита C₄АF, включает подготовку и гомогенизацию сырьевых компонентов - карбонатного, алюминатного, силикатного и железистого совместно с фторсодержащим отходом электролитического производства алюминия - электродным боем, спекание и охлаждение клинкера. Приготовленную сырьевую смесь подают на спекание во вращающуюся печь мокрого способа производства клинкера, при этом электродный бой используют в исходном виде в количестве 0,5-0,75 вес. % в пересчете на фтор от исходной сырьевой смеси. 4 табл.

Способ интенсификации процесса обжига портландцементного клинкера, состоящего, в основном, из трехкальциевого силиката С₃S, двухкальциевого силиката С₂S, трехкальциевого алюмината C₃А и четырехкальциевого алюмоферрита C₄АF, включающий подготовку и гомогенизацию сырьевых компонентов - карбонатного, алюминатного, силикатного и железистого совместно с фторсодержащим отходом электролитического производства алюминия - электродным боем, спекание и охлаждение клинкера, отличающийся тем, что приготовленную сырьевую смесь подают на спекание во вращающуюся печь мокрого способа производства клинкера, при этом электродный бой используют в исходном виде в количестве 0,5-0,75 вес. % в пересчете на фтор от исходной сырьевой смеси.