Produkcja cementu. Materiały do zajęć konwersatoryjnych poprzedzających wycieczkę techniczną do Cementowni Chełm

Transkrypt

1 Produkcja cementu Materiały do zajęć konwersatoryjnych poprzedzających wycieczkę techniczną do Cementowni Chełm Oprac. dr Bogusław Chmiel dr Wiesław Grzegorczyk

2 Terminologia MATERIAŁY WIĄŻĄCE - substancje (mineralne), które w stanie sproszkowanym po zmieszaniu z cieczą (wodą) tworzą plastyczne, łatwe do formowania masy, twardniejące i przechodzące po pewnym czasie w ciało stałe, np. wapno, gips, cement. ZAPRAWY (CERAMICZNE, BUDOWLANE) mieszaniny zawierające materiał wiążący, tworzące po zarobieniu z cieczą (wodą) plastyczne zaczyny i przechodzące po upływie czasu ze stanu plastycznego w ciała stałe. Zaprawy stosowane są zarówno do spajania elementów (budowlanych, konstrukcyjnych), jak i do ich wytwarzania (beton, żelbet, kształtki). SKŁADNIKI ZAPRAW BUDOWLANYCH: materiały wiążące cement, gips, wapno, wypełniacze - kruszywa naturalne: piasek, żwir, otoczaki, tłuczeń, - kruszywa sztuczne: żużel wielkopiecowy, gruz, faza uplastyczniająca woda. pigmenty - substancje barwne, w stanie zdyspergowanym stosowane do wyrobu farb oraz barwienia tworzyw

3 Klasyfikacja materiałów wiążących (zapraw) Kryterium klasyfikacji (1): warunki wiązania i twardnienia powietrzne wiążą i twardnieją oraz zachowują wytrzymałość tylko w powietrzu (wapno, gips, zaprawy magnezowe), hydrauliczne - wiążą i twardnieją w obecności wody; po stwardnieniu odporne na działanie wody (cement ). Kryterium klasyfikacji (2): skład chemiczny wapniowe, siarczanowe, magnezowe, Krzemianowe. Kryterium klasyfikacji (3): sposób pozyskiwania sztuczne, naturalne, Kryterium klasyfikacji (4): sposób otrzymywania: wypalane, spiekane, topione,

4

5 Cement - definicje Definicja technologiczna Cement - to hydrauliczny materiał wiążący, otrzymywany z surowców mineralnych (margiel, wapień, glina) poprzez wypalanie i następne zmielenie otrzymanego spieku. Definicja chemiczna Cement - to złożone mieszaniny (roztwory stałe, kryształy mieszane) krzemianów, tlenków prostych, podwójnych i potrójnych oraz innych związków, głównie wapnia, glinu, krzemu i żelaza

6 Cementy rodzaje (1) romański otrzymywany z margli (66-75% CaCO3), wytapiany w temp oC, CaO całkowicie związany z SiO2 oraz Al2O3 i Fe2O3 występującymi w marglu. portlandzki otrzymywany z mieszaniny surowców: margle, wapienie, gliny w proporcji zapewniającej prawie całkowite związanie CaO; wytwarzany w zakresie temperatur oC. hutniczy - otrzymywany przez zmielenie żużla wielkopiecowego, (>40% CaO, 27-40% SiO2, 10-22% Al2O3). Z żużla wielkopiecowego najczęściej wytwarza się cementy mieszane z cementem portlandzkim.

7 Cementy rodzaje (2) glinowy otrzymywany z boksytu i wapienia (40% CaO, 10% SiO2, 40% Al2O3, 10% Fe2O3) w proporcji zapewniającej powstanie słabo zasadowego glinianu wapnia. cementy pucolanowe - grupa cementów produkowanych z tufów, trasów, pumeksów, glin pucolanowych (skała wulkaniczna z Pozzuoli k.neapolu) (po wypaleniu w oC) - odporne na korozję chemiczną, twardnieją powoli. specjalne, z dodatkami nadającymi określone cechy, np. szybko twardniejący (szczególnie przydatny do prac podwodnych), niskokaloryczny (o niskim cieple hydratacji), biały (o małej zawartości Fe2O3), ekspansywny (z dodatkami zwiększającymi objętość w reakcji z wodą, np. CaO, MgO i CaSO4 * 1/2H2O). magnezjowy (cement Sorela) - MgO+MgCl2 (5:1), dodatki korygujące: MgSO4, CaCl2, wypełniacz (najczęściej wióry z drewna)

8 100% 0% żużel wielkopiecowy tras pucolana SiO2 50% 50% cement hutniczy cement portlandzki z domieszką żużla Al2O 3 gelenit (C2AS) cement portlandzki 100% 0% 100% wapno palone 50% CaO cement glinowy 0% Układ CaO Al2O3 SiO2 diagram Rankina-Fereta

9 Cement portlandzki - produkcja Wynalazca: Joseph Aspdin w 1824 r uzyskał patent na wyrób cementu. Nazwa pochodzi od koloru otrzymanego cementu, który przypominał wynalazcy kolor skał w Portland. Surowiec (wsad): mączka mineralna o składzie gwarantującym całkowite związanie CaO otrzymywana z: wapienia: {CaCO3 (głównie kalcyt), CaCO3 MgCO3, domieszki SiO2, Al2O3 i Fe2O3 (pochodzące z iłów), oraz krzemianów wapniowego i magnezowego, oraz glinokrzemianów} gliny, wapienia marglistego margla, iłołupka {skały bogate w materiał ilasty (produkt wietrzenia glinokrzemianów np. kaolinit) z domieszkami węglanów wapnia i magnezu oraz SiO2} Fe2O3 w postaci rudy żelaza (syderytu FeCO3) i/lub żużli hutniczych dodatków korekcyjnych, np. piasek kwarcowy, pył dymnicowy (uzupełnienie ewentualnego niedoboru SiO2)

10 Cement portlandzki - produkcja Skład wsadu winien spełniać wartości poniższych modułów: Moduł hydrauliczny Moduł krzemianowy Moduł glinowy CaO MH = = 1,9-2,9 SiO 2 + Al2O3 + Fe3O 4 MK SiO 2 = = 2,1-3,5 Al2O3 + Fe3O 4 Al2O3 MG = = 1,0-2,8 Fe3O 4 Zawartości tlenków określone są ułamkiem masowym (%)

11 Przykładowe zestawy surowców do wypału klinkieru cementu portlandzkiego 1 2 kreda 53,42% margiel 46,58% kamień wapienny 88,67% iłołupek 10,06% mułek żelazonośny kamień wapienny 3 1,27% 87,23% iłołupek 5,01% mułek żelazonośny 7,76%

12 Proces technologiczny wytwarzania cementu portlandzkiego przygotowanie surowców - urabianie i rozdrabnianie surowców, - przygotowanie wsadu (sporządzanie mączki metoda sucha lub szlamu metoda mokra ), wypalanie (otrzymywanie klinkieru), mielenie produktu wypału (klinkieru), sporządzanie mieszanek handlowych.

13 kruszenie (łamacz) kru szenie (łamacz) szlamowanie (szlamatory) szlamo wanie (szlamatory) mielenie (młyn y kulowe) mieleni e (mł yny kulo we) wydobycie kre dy wydobycie margla surow iec żelazonośny (np. syderyt) kruszenie (łamacz) kruszenie (łamacz) miel enie homogenizacja na hałdzie homogenizacja na hałdzie dozowanie (zestawianie składu) dozowanie (zestawianie składu) woda korekcja składu (zbiorniki korekcyjne) mielenie (młyn y kulowe) woda komi n py ły dymnicow e (np. elektrowni) komin podgrzewanie mączki piecowej (cyklonowe wymienniki ciepła) o liw a p odpylanie gazów (ele ktrofiltr) wypalanie (piec obrotowy) kalcynacja (kalcynator) odpylanie gazów (elektrofiltr) pył lotny wypalanie (piec obrotowy) w o c ie p y z a g o liw a p powietrze dozowanie (zestawianie składu) mielenie, homogenizacja i suszenie (suszarko-kruszarka) dozowanie mieszanie szlamu (baseny szlamu) o liw a p itz w p e c rą o g chłodzenie klinkieru chłodzenie klinkieru powietrze gips mielenie klinkieru (młyny kulowe) py ły dymnicowe gips magazynowanie cementu (silosy) magazynowanie cementu (silosy) pakowanie (pakownia) Schemat ideowy produkcji cementu metodą mokrą mielenie klinkieru (młyny kulowe) pakowanie (pakownia) Schemat ideowy produkcji cementu metodą suchą m h C L B pyły dymnicowe m h C L B woda surowiec żelazonośny (np. syde ryt) wydobycie margla y z a e c rą o g rz to n y lc a k wydobycie kredy

14 Przygotowanie surowców - urabianie (wydobycie) Kopalnia margla - Rejowiec Kopalnia kredy w Mielniku i Chełmie

15 Przygotowanie surowców urabianie Kopalnie margla Chełm Kopalnie kredy Kopalnia wapienia Kopalnie surowców dla przemysłu cementowego

16 Rozdrabnianie surowców (1) Łamacz szczękowy: a) przekrój; b) schemat

17 Rozdrabnianie surowców (2) a. b. Łamacz walcowy: a) przekrój, b) schemat

18 Homogenizacja surowców metoda sucha Homogenizacja na hałdzie - sposób postępowania

19 Operacje rozdrabniania i homogenizacji surowców w metodzie mokrej do wypalania

20 Operacje rozdrabnianie, homogenizacji i suszenia wsadu w metodzie suchej Wentylator Separator kalcynator Mączka do wypalania Surowce z dozownika Cyklonowe wymienniki ciepła suszarko-kruszarka

21 Wypalanie (otrzymywanie klinkieru) Piec cementowy

22 Rozkład temperatur w piecu obrotowym - do 100 oc 1. strefa suszenia 2. strefa podgrzewania ilastych i rozkładu materiałów oc 3. strefa kalcynacji, czyli rozkładu węglanów oc 4. strefa spiekania oc 5. strefa chłodzenia oc paliwo powietrze surowce mineralne temp. płomienia oC 600oC 800oC o masa minerałów C suszenie podgrzewanie kalcynacja m spiekanie

23 Temperatura gazów i czas przebywania materiału i gazów w piecu cementowym.

24 Węzeł wypalania i chłodzenia klinkieru w metodzie suchej Paliwo kalcynator Chłodnik klinkieru Piec obrotowy

25 Zużycie ciepła na wypał klinkieru w latach

26 Porównanie metod produkcji cementu (1)

27 Porównanie metod produkcji cementu (2) rozdrabnianie głębokie surowca metoda mokra metoda sucha młyny kulowe mielenie na mokro kruszarko-suszarka homogenizacja materiału surowce: brak mieszanina: baseny szlamu korekcja składu sporządzanie wsadu zbiorniki korekcyjne szlamu (kontrolowane zestawianie składu szlamu ze zbiorników) transport materiału wsadowego rozdrabnianie i transportu energochłonność metody surowce: homogenizacja na pryzmie mączka: wymienniki cyklon. kontrolowane dozowanie składników (wagi) hydrauliczny pneumatyczny metoda łatwiejsza zaleta! trudniejsza; specjalne rozwiązania skutecznej separacji fazy nośnej (powietrza) wada! duża (konieczność odparowania wody wada! energia jedynie na podgrzanie surowców zaleta! czasochłonność duża mała gabaryty urządzeń duże małe wydajność z jedn. objętości instalacji mała duża

28 Porównanie metod produkcji cementu (3)

29 Schemat otrzymywania cementu metoda suchą WENTYLATOR ELEKTROFILTR a ow c e i ap k z c mą m h C L B pyły dymnicowe EKSHAUSTOR SEPARATOR y pyłwęglow CYKLONOWE WYMIENNIKI CIEPŁA kreda margiel KALCYNATOR syderyt klinkier SUSZARKOKRUSZARKA PIEC OBROTOWY powietrze Schemat produkcji cementu metodą suchą (Cementownia "Chełm III")

30 Udział metody mokrej i suchej w produkcji klinkieru w Polsce

31

32 Mielenie klinkieru z dodatkami do pakowania gotowego produktu klinkier, gips, dodatki

33 Schemat funkcjonowania węzła otrzymywania gotowego cementu

34 Mielenie klinkieru z dodatkami do pakowania gotowego produktu klinkier, gips, dodatki

35

36 Możliwości odpylania gazów Ludzki wło s Porównanie wielkości Widzialność: Średnica [µ ] 10µ 50µ Mikroskopem Gołym oki em µ 1 Ultramikrosko pem 0,1 Pył z odlewni Źródła pyłow Zarodniki Pył metalurgi czny Bakterie Dym brunatny Alkalia, tlenki Dymy salmiaku Deszcz Zakres stosowani a różnych urządzeń odpylajacych Dym ze spalin Mgła Cyklony Mycie mo kre Filtry tkaninowe i papierowe Filtry w orkowe Elektrofiltry 0,01

37 gaz odpylony d=0,4 do 0,6 D 20 45o d=0, 2D dr D1 7 o d,3 0 = h D = h D2,5 0 = h gaz zapylony r R

38 Elektrofiltr zasada działania WLOT GAZU elektroda zbierająca cząsteczka g azu elektrod a emisyjn a elektrod a emisyjn a elektron cząstka pyłu zjon izowana cząsteczka gazu e lektroda zb ierająca Schemat usuwania pyłów w elektrofiltrze Pole elektryczne pomiędzy elektrodami

39 Elektrofiltr widok ogólny elektrody emisyjne wylot gazu oczyszczonego elektrody zbiorcze m h C L B wlot gazu zanieczyszczonego usuwanie pyłów Elektrofiltr

40 Emisja pyłu z przemysłu cementowego w latach

41

42 Uzysk ciepła z paliw alternatywnych w przemyśle cementowym w Polsce w latach [%]

43 Składniki cementu: alit Ca3SiO5 (3CaO SiO2 C3S), decyduje o szybkim wzroście wytrzymałości początkowej i stopniowym wzroście wytrzymałości po upływie czasu najważniejszy składnik (zaw. >50%) belit Ca4SiO4 (2CaO SiO2 C2S), celit Ca3Al2O6 (3CaO٠Al2O3 C3A) najszybciej reaguje z wodą brownmilleryt - (Ca4Al2Fe2O10 C4AF) oraz inne: C3S2 (rankinit), CS (wolastonit), C5A3, CA, C3A5, C2F,

44 Wiązanie cementu (1) Wiązanie cementu polega na hydratacji składników cementu oraz reakcjach wtórnych zainicjowanych hydratacją: Celit C3A (Ca3Al2O6; reaguje najszybciej) 3CaO Al2O3 + 6H2O 3CaO Al2O3 6H2O Belit C2S (Ca2SiO4) 2CaO SiO2 + H2O 2CaO SiO2 H2O Alit C3S (Ca3SiO5) 3CaO SiO2 + 2H2O 2CaO SiO2 H2O + Ca(OH)2 Wodorotlenek wapnia reaguje z CO2 Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O oraz z uwodnionym celitem 3CaO Al2O3 6H2O + Ca(OH)2+ nh2o 4CaO Al2O3 12H2O Brownmilleryt C4AF (Ca4Al2Fe2O10) 4CaO Al2O3 Fe2O3 + nh2o 3CaO Al2O3 mh2o + CaO Fe2O3 + (n-m)h2o

45 Wiązanie cementu (2) Regulacja czasu wiązania (przez dodatek gipsu) polega na reakcji uwodnionych związków celitu z gipsem i tworzeniu soli Candlota: 3CaO Al2O3 mh2o + 3CaSO4 2H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O sól Candlota Etapy wiązania cementu: rozpuszczenie w wodzie związków rozpuszczalnych, hydratacja składników z utworzeniem pierwotnej fazy w stanie koloidalnym - powstawanie plastycznej masy, krystalizacja produktów hydratacji - twardnienie plastycznej masy (wzrost i wzajemne przerastanie kryształów).

46 Wiązanie cementu (3)

47 Cementownia Chełm III

48 Cementownia Chełm III

49 Cementownia Ożarów

50

51

52