СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА
METHOD TO PRODUCE LOW TEMPERATURE PORTLAND CEMENT CLINKER

Изобретение относится  к промышленности строительных материалов и может быть использовано для производства низкотемпературного портландцементного клинкера.
Известен способ получения портландцементного клинкера на установках для обжига, в котором для уменьшения образующихся на установке соединений хлора часть содержащих хлориды газов отводят из газового пространства печи в конденсатор, охлаждают соединения хлоридов в конденсаторе, отводят очищенные газы из конденсатора и возвращают их в газовое печное пространство (Патент РФ №2171129, МПК B01D 53/00, опубл. 27.07.2001).
Известный способ направлен на уменьшение содержания соединений хлора для получения клинкера из сырья с повышенным содержанием хлоридов. Однако известно, что хлориды способствуют снижению температуры декарбонизации и температуры плавления сырьевой шихты в процессе получения клинкера обжигом, что может обеспечить значительную экономию используемого для нагрева и обжига шихты топлива.
Известен способ производства портландцементного клинкера, в котором цементные сырьевые материалы предварительно подогревают в преднагревателе (система циклонных теплообменников) до температуры 600-800°C, прокаливают во взвешенном состоянии горячими газами в печи прокаливания до температуры 700-1000°C, обжигают в цементный клинкер во вращающейся печи обжига при температуре 1400-1500°C и затем охлаждают в холодильнике. Некоторое количество прокаленного сырьевого материала с высоким содержанием оксида кальция (СаО) извлекают через стадию прокаливания посредством дополнительного циклона разделения от газов и получают в чистом виде в смеси с небольшим количеством оксидов щелочных металлов. Газы отводят из дополнительного циклона разделения через отдельную систему, содержащую вентилятор (Патент РФ №2387606, МПК С04В 7/36, опубл. 27.04.2010).
Недостатком данного способа является высокая температура прокаливания и обжига, что приводит к высокому расходу топлива.
Известен способ получения низкотемпературного портландцемента, принятый в качестве прототипа, в котором низкотемпературный портландцементный клинкер получают из сырьевой смеси путем совместного помола сырьевых компонентов с раствором хлористого кальция (катализатором), обжига шихты с последующим помолом полученного клинкера и специальных добавок, например гипса, при этом, с целью повышения качества цемента, снижения удельного расхода топлива, хлористый кальций вводят в смесь из расчета содержания его 10-20% по отношению к декарбонизированной шихте, а обесхлоривание клинкера производят путем просасывания парогазовоздушной смеси через слой нагретого до 1000-1200°C клинкера (Авторское свидетельство №326152, М.кл. C04b 7/44, опубл. 19.01.1972).
Известный способ направлен на снижение удельного расхода топлива путем использования раствора хлорида кальция в качестве катализатора снижения температуры декарбонизации и обжига сырьевой смеси для получения клинкера.
Однако добавление катализатора - хлористого кальция, в сырьевую смесь в виде раствора потребует дополнительного количества тепла для последующего извлечения из смеси растворителя хлористого кальция. Также хлориды являются нежелательными компонентами в портландцементе, поэтому необходимо их удалять, при этом хлористый кальций довольно сложно извлечь из готового клинкера, так как он плохо растворим в воде.
Задачей настоящего изобретения является снижение расхода топлива и энергии при получении низкотемпературного портландцементного клинкера.
Вышеуказанная задача решается тем, что в способе получения низкотемпературного портландцементного клинкера путем измельчения цементного сырья с добавлением катализатора - хлорида кальция, и последующим обжигом шихты в печи обжига, в котором удаление хлора из клинкера проводят путем пропускания парогазовоздушной смеси через слой клинкера, согласно изобретению в качестве катализатора используют смесь хлоридов в количестве 0,2-15% масс. к исходной сырьевой смеси в соотношении: хлорида кальция - 0,1-5% масс.; хлорида натрия - 0,1-5% масс.; хлорида калия - 0,1-5% масс. или в соотношении: хлорида натрия - 01-6% масс., хлорида калия - 0,1-4% масс., взятых в сухом виде, при этом подогрев цементного сырья в циклонных теплообменниках проводят при температуре 600-800°C с последующим кальцинированием в печи обжига при температуре 800-1000°C, обжиг цементного сырья при температуре 1100°C и декарбонизацию проводят в прямотоке цементного сырья и топлива вращающейся печи путем регулирования температуры подачей топлива и/или воздуха по длине печи обжига, причем на выходе из печи обжига дымовые газы подвергают охлаждению и очистке.
Целесообразно дымовые газы из печи предварительно охладить, а затем подать в аппарат охлаждения клинкера для их очистки от оксидов серы, оксидов щелочных металлов и хлоридов путем адсорбции частицами клинкера.
Целесообразно проводить одноступенчатое или многоступенчатое охлаждение дымовых газов при температуре 30-900°C.
Целесообразно проводить одноступенчатое или многоступенчатое охлаждение клинкера при температуре 30-900°C дымовыми газами и воздухом.
Целесообразно дымовые газы после охлаждения клинкера частично или полностью направить на дегидратацию сырья.
На фиг. показана принципиальная схема получения низкотемпературного портландцементного клинкера, где:
1 - дробилка;
2 - железобетонные силосы для корректировки состава;
3, 4, 5, 6 - циклонные теплообменники (зона прогрева сырьевой шихты);
7 - поток хлорида кальция;
8 - поток хлорида натрия;
9 - поток хлорида калия;
10 - смеситель для приготовления катализатора;
11 - форсунки для подачи топлива в печь обжига и декарбонизации;
12 - подача воздуха в печь обжига и декарбонизации;
13 - прямоточная вращающаяся печь обжига;
14 - зона декарбонизации сырьевой шихты;
15 - питающий вход воздуха во вращающуюся трубу печи;
16 - топливоподатчик;
17 - зона обжига печи;
18 - поток дымовых газов;
19 - устройство забора воздуха;
20 - вентилятор;
21 - воздушный холодильник для охлаждения дымовых газов и нагрева воздуха;
22 - водяной холодильник для охлаждения дымовых газов;
23 - фильтр грубой очистки (осадитель пыли);
24 - поток осажденной пыли;
25 - аппарат охлаждения клинкера дымовыми газами и воздухом с хемосорбированием оксидов серы, хлоридов и щелочных металлов;
26 - поток водяного пара;
27 - вентилятор;
28 - дымовая труба;
29 - поток воздуха;
30 - поток клинкера;
31 - коллектор воздуха.
Способ получения низкотемпературного портландцементного клинкера осуществляют следующим образом.
Исходное сырье - известняк или другой кальцийсодержащий материал, совместно с глиной или другим материалом подобного функционального назначения, подвергают предварительному дроблению и размолу сырьевых компонентов с последующей сушкой и подогревом в дробилке 1. Затем сырьевые материалы направляют в виде тонкодисперсного порошка - сырьевой муки, в железобетонные силосы 2, где производят корректировку ее состава до заданных параметров и гомогенизацию перемешиванием со сжатым воздухом.
Далее однородную сырьевую смесь подвергают предварительному подогреву до 600-800°C с частичной и/или полной дегидратацией в циклонных теплообменниках 3, 4, 5, 6 с последующим прокаливанием и обжигом в обжиговой печи 13, где сырьевую смесь нагревают до 800-1100°C, подвергая при этом окончательной дегидратации, декарбонизации и обжигу в печи.
После теплообменников 3, 4, 5, 6 в сырьевую смесь вводят катализатор, приготовленный путем смешения хлоридов кальция 7, хлоридов натрия 8 и хлоридов калия 9 в смесителе 10, взятых в виде порошка или гранул.
Все процессы в обжиговой печи 13 производят за счет самостоятельного сжигания топлива через форсунки 11 и топливоподатчики 16 с подводом воздуха 29 через коллектор 31 устройства 12 и 15.
Топливо (газообразное, и/или жидкое, и/или твердое размельченное) сернистое или высокосернистое подают через форсунки 11 с того же конца печи, что и сырьевую смесь, а также через топливоподатчики 16. Зажигание твердого или тяжелого жидкого топлива могут производят от факела, работающего на газообразном или жидком топливе (на рисунке не показан). Клинкер декарбонизируют и обжигают в длинной вращающейся трубчатой печи 13 (в зонах декарбонизации 14, обжига 17), которую обычным способом устанавливают с возможностью вращения вокруг своей собственной оси и располагают с легким наклоном, поэтому сырьевая смесь в процессе обжига непрерывно транспортируется вдоль обжиговой печи 13 к ее концу.
На выходе из прямоточной вращающейся печи обжига 13 полученный клинкер 30 и клинкерную пыль отделяют от дымовых газов 18.
Дымовые газы 18 сначала охлаждают до температуры 200-900°C в воздушном холодильнике 21 за счет нагрева воздуха для сжигания топлива в печи 13, забираемого через устройство забора воздуха 19 вентилятором 20, а затем доохлаждают в водяном холодильнике 22 до температуры 30-800°C.
Клинкер, выходящий из печи 13, направляют для охлаждения в аппарат 25, где осуществляют двухступенчатое охлаждение дымовыми газами 18, поступающими через воздушный холодильник 21, водяной холодильник 22 и фильтр 23, до температуры 500-900°C на первой ступени и до температуры 30-800°C на второй ступени. Здесь же в режиме псевдоожиженного слоя проводят адсорбцию, предварительно подвергшихся грубой очистке осаждением дымовых газов, при этом оставшиеся в дымовом газе и не вошедшие в состав клинкера при обжиге хлориды, оксиды щелочных металлов и оксиды серы хемосорбируют на охлаждаемый клинкер. Для очистки готового клинкера от хлоридов кальция, хлоридов натрия и хлоридов калия в аппарат 25 подают водяной пар 26.
Вновь нагретые дымовые газы 18, очищенные от оксидов серы, и других нежелательных вредных веществ направляют через вентилятор 27 в дымовую трубу 28.
Дымовые газы 18 после охлаждения клинкера направляют в циклонные теплообменники 3, 4, 5, 6. Оксиды серы, образующиеся при сжигании топлива, сорбируются на вновь поступающие сырьевые материалы, с которыми затем поступают в печь обжига 13.
По ходу продвижения в печи сырья и топлива в печь дозируют топливо через топливоподатчик 16 и окислитель (воздух) через окружающий вращающуюся трубу печи питающий вход 15, направляя при этом в пространство печи, что позволяет регулировать температурный профиль по длине прямоточной вращающейся обжиговой печи и создавать необходимые температурные зоны. Количество топливоподатчиков 16 и окружающих вращающуюся трубу печи питающих входов 15 определяется на стадии проектирования печи исходя из материально-теплового баланса.
Вышеописанный способ пригоден для использования сырья и топлива с относительно высоким содержанием сернистых (S до 5-10% масс.) и щелочных соединений (до 5-10% масс.), а также хлоридов (до 2000 мг/т топлива).
Ниже приведены примеры осуществления прототипа и предлагаемого способа изготовления низкотемпературного портландцементного клинкера в прямоточной вращающейся обжиговой печи.
В качестве топлива используется нефтяной кокс с теплотворной способностью 34903 кДж/кг, содержащий, % масс: 89% углерода; 4% водорода; 4% серы; остальное: зола, азот, кислород, следы хлора.
Основными минералами, входящими в состав получаемого низкотемпературного портландцементного клинкера, являются:
3
- CS - трехкальциевый силикат (алит);
2
- CS - двухкальциевый силикат (белит);
3
- СА - трехкальциевый алюминат;
4
- CAF - четырехкальциевый алюмоферрит.
Пример 1 (прототип):
2
На общую массу (100%) известняка и глины дополнительно взято, % масс.: СаС1 - 7,58%.
3
2
3
4
2
2
2
3
2
Получено 65,7% клинкера, основную массу которого образуют, % масс.: CS - 56,2; CS - 14,1; СА - 8,6; CAF-12,2 и, растворенные в клинкере, в небольших количествах: NaO, KO, СаО, СаС1, MgO, SO, SO и другие соединения.
Пример 2 (предлагаемый способ):
2
На общую массу (100%) известняка и глины дополнительно взято, % масс.: СаС1 - 4,18%, NaCl - 2,22%, КС1 - 1,18%.
3
2
3
4
Получено 65,3%  клинкера, основную массу которого образуют, % масс.: CS - 56,0; CS - 14,3; СА - 8,5; CAF - 12,2 и, растворенные в клинкере, в
2
2
2
3
2
небольших количествах: NaCl, KCl, CaCl, NaO, KO, CaO, MgO, SO, SO и другие соединения.
Пример 3 (предлагаемый способ):
На общую массу (100%) известняка и глины дополнительно взято, % масс.: NaCl - 4,22%, КС1 - 3,36%.
3
2
3
4
2
2
2
3
2
Получено 65,5% клинкера, основную массу которого образуют, % масс.: CS - 56,1; CS - 14,3; СА - 8,7; CAF -12,2 и, растворенные в клинкере, в небольших количествах: NaCl, КС1, СаС1, NaO, KO, CaO, MgO, SO, SO и другие соединения.
Такой цемент соответствует ГОСТу 10178-85 для цементов ПЦ-ДО, ПЦ-Д5, ГЩ-Д20, ШПЦ марки 500.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить портландцементный клинкер при пониженной температуре обжига сырья, что позволяет снизить расход топлива на декарбонизацию и обжиг клинкера в печи примерно на 3-8%.