Способ производства цемента и сырьевая смесь для изготовления цементного клинкера (варианты)

 

Изобретение относится к технологии получения гидравлических вяжущих материалов на минеральной основе с использованием техногенных отходов, в частности к технологии получения портландцементов, и может быть использовано для нужд строительной промышленности. Технический результат - улучшение качества целевого продукта за счет повышения механических свойств и улучшение технологических показателей при одновременном упрощении процесса его получения и сокращении трудозатрат. Способ осуществляют путем предварительного измельчения карбонатного компонента смеси, смешивания последнего в присутствии воды с глинистым компонентом и/или хвостами магнитной или электросепарации, полученных после удаления железистой фракции из золошлаковых отходов ТЭЦ, до содержания 4-6 мас. % Fe₂O₃, обжиг полученной сырьевой смеси до спекания с образованием цементного клинкера, охлаждение и измельчение клинкера в присутствии добавок с образованием целевого продукта. Сырьевая смесь для получения цементного клинкера содержит 70-90 мас.% известняка и 10-30 мас.% алюмосиликатного компонента, содержащего глину и/или указанные золошлаковые отходы. 3 с.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к технологии получения гидравлических вяжущих материалов на минеральной основе с использованием техногенных отходов, в частности к технологии получения портландцементов, и может быть использовано для нужд строительной промышленности.

В науке и технике известны сырьевые смеси для получения цементных клинкеров с использованием твердых отходов производства и способы производства цемента на их основе.

Так, например, известны составы 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]. Это позволяет снизить влажность цементного шлама, уменьшить расход топлива на обжиг клинкера и увеличить производительность вращающихся печей.

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 C 04 B 7/28, 1993 г.].

Известная сырьевая масса 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.

Наиболее близкой к предлагаемой является сырьевая смесь для изготовления цемента, содержащая известняковый компонент, золошлаковые отходы ТЭЦ и глину (Л. Я. Гольштейн и Н.П. Штейерт "Использование топливных зол и шлаков при производстве цемента", Л., Стройиздат, 1977, с. 132-133).

Способ получения цементов осуществляют путем предварительного измельчения компонентов смеси, смешивания их друг с другом в присутствии воды, обжигом полученной сырьевой смеси до спекания с образованием цементного клинкера с последующим его охлаждением и измельчением в присутствии корректирующих добавок с образованием целевого продукта. В качестве глины при реализации способа используют глинистый компонент, содержащий оксид магния, оксид серы и оксиды щелочных металлов, в качестве золошлакового компонента используют золошлаковые отходы с содержанием CaO до 25% и дополнительно железосодержащий компонент, содержащий оксид магния и оксид серы. [Патент РФ 2035424, МПК 6 C 04 B 7/38, 1995 г.].

Известный способ проще традиционного за счет сокращения стадии обработки алюмосиликатного компонента в глиноболтушках, однако использование золошлаковых отходов, не прошедших предварительную обработку и содержащих на стадии спекания клинкера повышенное количество железосодержащих соединений, приводит к получению целевого продукта с невысокими механическими и технологическими показателями. Для улучшения качества известного цемента необходимо вводить дополнительные операции на стадии измельчения клинкера и корректировать свойства целевого продукта.

Задача предлагаемого изобретения - улучшение качества целевого продукта за счет повышения механических свойств и улучшения технологических показателей при одновременном упрощении процесса его получения и сокращении сырьевых и трудозатрат.

Поставленная задача достигается тем, что при осуществлении предлагаемого способа получения цемента, включающего смешение карбонатного компонента, золошлаковых отходов ТЭЦ в присутствии воды, обжиг полученной сырьевой смеси до спекания с образованием цементного клинкера в присутствии добавок с образованием целевого продукта, карбонатный компонент предварительно измельчают, а золошлаковые отходы ТЭЦ используют после магнитной или электросепарации при содержании в них 4-6 мас.% F₂O₃.

Магнитную сепарацию золошлаковых отходов осуществляют в стандартных магнитных сепараторах в одну, две или три стадии для удаления железистой фракции. Многостадийную магнитную сепарацию ведут путем последовательной обработки отходов соответственно на двух или трех сепараторах, включенных последовательно. Железистые компоненты отделяют, а оставшуюся часть используют в качестве алюмосиликатного сырья при производстве цементного клинкера.

Электросепарацию (электростатическую обработку) золошлаковых отходов осуществляют на стандартных электросепараторах известным способом. Железистую фракцию, содержащую в основном магнетит и гематит, удаляют, а оставшуюся (диэлектрическую) фракцию используют в качестве алюмосиликатного сырья при производстве цементного клинкера.

Предлагаемый способ дополнительно характеризуется тем, что на стадии измельчения клинкера заявляемые золошлаковые отходы ТЭЦ могут быть использованы в качестве гидравлических алюмосиликатных добавок.

Золошлаковые отходы ТЭЦ после проведения магнитной или электросепарации содержат: SiO₂ - 45 - 55%; Al₂O₃ - 12 - 15%; Fe₂O₃ - 4 - 6%; CaO₄ - 6%; MgO - 1 - 2%; SO₃ - 0,17 - 2,0; потери после прокаливания 6 - 16%.

Для осуществления способа предлагается сырьевая смесь цементного клинкера по варианту 1, содержащая известняк и золошлаковые отходы ТЭЦ, при этом золошлаковые отходы ТЭЦ подвергнуты магнитной или электросепарации для удаления из них железистой фракции до содержания 4-6 мас.% Fe₂O₃ при следующем соотношении компонентов на сухие продукты, мас.%: Известняк - 70-90 Указанные золошлаковые отходы ТЭЦ - 10-30 Предлагается также сырьевая смесь цементного клинкера по варианту 2, содержащая известняк, глину и золошлаковые отходы ТЭЦ, при этом последние подвергнуты магнитной или электросепарации для удаления из них железистой фракции до содержания 4-6 мас.% Fe₂O₃ при следующем соотношении компонентов на сухие продукты, мас.%: Известняк - 70 - 90 Указанные золошлаковые отходы ТЭЦ - 3-27 Глина - остальное Предлагаемые составы сырьевых смесей для получения цементного клинкера и способ получения цемента связаны между собой единым изобретательским замыслом как целое и его часть (варианты), что удовлетворяет требованию "Единство изобретения".

Предлагаемые составы цементного клинкера и способ получения цемента на его основе отличаются от известного тем, что в качестве активного алюмосиликатного компонента используют предварительно подвергнутые магнитной или электросепарации золошлаковые отходы ТЭЦ при заявляемом соотношении компонентов. Хвосты золошлаковых отходов вводят на стадии мокрого смешения сырьевых компонентов друг с другом.

Сравнительный анализ предлагаемых составов сырьевой массы для получения цементного клинкера и предлагаемого способа получения цемента с прототипом позволяет сделать вывод об их соответствии критерию "Новизна". Предложенный способ, в отличие от известного, позволяет снизить содержание железосодержащих компонентов до требуемых значений. Использование золошлаковых отходов без предварительного проведения магнитной или электросепарации приводит к повышенному содержания железосодержащих компонентов в составе сырьевой массы, что, в свою очередь, снижает механические свойства целевого продукта и увеличивает время его схватывания.

Использование в заявляемом нами способе метода магнитной или электросепарации позволяет провести частичное извлечение железосодержащих компонентов из золошлаковых отходов ТЭЦ. Оставшиеся в составе золошлаковых отходов следы железистых компонентов обеспечивают необходимое и достаточное их содержание в составе цементного клинкера, что позволяет добиться достижения высоких механических и технологических свойств целевого продукта. Введение заявляемого количества предварительно обработанных золошлаковых отходов в состав сырьевой массы цементного клинкера позволяет получить цемент улучшенного качества. Использование заявляемой сырьевой массы при реализации способа получения цемента позволяет сократить сырьевые и трудозатраты, т.к. исключает необходимость дополнительного введения большого количества и номенклатуры корректирующих добавок на стадии измельчения клинкера.

Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям "Изобретательский уровень" и "Промышленная применимость". Предлагаемый способ получения цемента реализуют следующим образом. Магнитную сепарацию золошлаковых отвальных отходов, содержащих 12 - 19% окислов железа, проводят мокрым или сухим способом. Сухую магнитную сепарацию проводят с помощью трехбарабанного сепаратора марки 168-СЭ или любого аналогичного. Мокрую магнитную сепарацию проводят на двухбарабанных магнитных сепараторах типа 174 - СЭ, трехбарабанном А - СЭ или любом аналогичном.

Электросепарацию проводят на электростатическом барабанном сепараторе любым известным способом.

Портландцемент получают мокрым способом, т.е. подготовку сырьевых материалов ведут в присутствии воды. Известняк дробят в дробилках, после чего его подают в трубные мельницы, где происходит совместное тонкое измельчение известняка и предварительно обработанных методом магнитной или электросепарации золошлаковых отходов ТЭЦ. Из мельниц сырьевой шлам подают в железобетонные резервуары с мешалками или пневматическим перемешиванием смеси, называемых шлам-бассейнами. В шламовых бассейнах производят хранение и корректировку сырьевой смеси, т.е. смешение шламов разного химического состава для получения требуемого соотношения компонентов. Сырьевую смесь обжигают в барабанных вращающихся печах. Печь отапливается угольной пылью, газообразным топливом или мазутом, причем топливо сжигают внутри печи. Сырьевой шлам, подаваемый в печь из шлам-бассейна, движется противотоком горячим топочным газом. При этом последовательно происходит испарение воды, дегидратация минералов, диссоциация известняка и реакции между образующимся основным оксидом CaO и составляющими алюмосиликатного компонента, присутствующими в составе немагнитной части золошлаковых отходов в виде муллита, каолинита и альфа-кварца. В зоне спекания при температуре 1400 - 1450^oC окончательно формируется цементный клинкер. Полученный клинкер охлаждают холодным воздухом в колосниковых холодильниках. Из холодильников клинкер подают на склад, где он вылеживается некоторое время для гидратации свободной извести и связывания ее гидравлическими добавкам. Вылежавшийся клинкер совместно с гидравлическими или инертными добавками и добавкой гипса, регулирующей сроки схватывания, размалывают в шаровых цементных мельницах и отправляют на железобетонные силосы, снабженные аэрирующими днищами.

В качестве гидравлических добавок могут быть использованы любые известные добавки, содержащие активные кремнеземистые компоненты, повышающие водостойкость цементов и способствующие их твердению под водой. В качестве гидравлических добавок в состав цемента могут быть введены заявляемые золошлаковые отходы ТЭЦ, связывающие свободную Ca(OH)₂ в гидросиликаты кальция и повышающие плотность бетона. В цемент могут быть также введены любые известные пластифицирующие добавки, повышающие эластичность и связность цементного теста, известные инертные наполнители - песок, известняк, доломит и кислотостойкие добавки - андезит, бештаунит, гранит и др.

Состав для изготовления цементного клинкера готовят путем смешивания рецептурного количества известняка с рецептурным количеством заявляемых золошлаковых отходов ТЭЦ с влажностью 4-6%, предварительно подвергнутых магнитной или электросепарации для удаления железистой части.

Заявляемый способ и сырьевая масса для изготовления клинкера (варианты) иллюстрируется следующими примерами.

Пример N 1.

В качестве карбонатного компонента используют известняк по ТУ 21-34-2-90 с содержанием MgO не более 3% и влажностью 2-3%. Известняк загружают в щековую дробилку СМД-111 для грубого размола кусков до размера не более 200 мм с последующей подачей на сырьевую мельницу для тонкого помола при влажности 35-37%. Размолотый известняк подают в шламовый бассейн вместе с предварительно обработанными золошлаковыми отходами ТЭЦ. Золошлаковые отходы ТЭЦ, представляющие собой кислые отвальные золы со шлаковых полей Рефтинской ТЭЦ, после проведения мокрой магнитной сепарации при напряжении 750 Э содержат муллита (3Al₂SiO₂) более 50 мас. %, каолинита (AI₂SiO₅·(OH)₄) до 28 мас.%, α-кварца (SiO₂) до 28 мас.%, суммарное количество фракции оксидов железа до 6 мас.%, потери после прокаливания, TiSi₂, Mg₂Ca и AlO(OH) до - 14%. Сырьевые компоненты дозируют в соответствии с заявляемым рецептурным соотношением: составов по варианту 1- N 1, 2 и 3. В шламовом бассейне сырьевые компоненты перемешивают в присутствии воды и подают во вращающуюся печь для обжига и спекания с образованием клинкера. Полученный клинкер охлаждают и направляют в цементные мельницы для размола и дополнительного введения корректирующих и активных добавок при перемешивании. В качестве корректирующих добавок используют гипс, в качестве активных добавок используют трепел. Наличие и количество добавок определяется видом и маркой целевого цемента. В табл. 1 приведены данные, иллюстрирующие заявляемые составы для изготовления клинкера.

Пример N 2.

Осуществляют аналогично примеру 1. На стадии подготовки сырья размолотый известняк подают в шламовый бассейн вместе с предварительно обработанными золошлаковыми отходами ТЭЦ и глинистым компонентом. Указанные сырьевые компоненты дозируют в соответствии с заявляемым рецептурным соотношением: составов по варианту 2 - N 4, 5 и 6. Данные, иллюстрирующие заявляемые составы для изготовления клинкера, приведены в табл. 1.

В табл. 2 приведено сопоставление получаемых марок цемента с использованием клинкера заявляемых составов и по прототипу. Цементы получены при сопоставимых условиях.

Из представленных данных видно, что использование предлагаемых составов для изготовления цементного клинкера позволяет решить поставленную задачу. Получаемый клинкер соответствует ГОСТ 10178-85. Цемент, получаемый из клинкера, приготовленного согласно заявляемым рецептурам, соответствует ГОСТ 6613-86 и относится к маркам ПЦ - 300 - ПЦ - 500. Цемент, получаемый из клинкера по прототипу, соответствует марки ПЦТО - 100. Таким образом, использование заявляемого клинкера позволяет получить цемент достаточно высокого качества. Кроме того, пониженное содержание железосодержащих компонентов в исходном сырье позволяет устранить необходимость дополнительного введения специальных корректирующих добавок, что в свою очередь приводит к упрощению процесса и сокращению сырьевых и трудозатрат.

Формула изобретения

1. Способ получения цемента, включающий смешение карбонатного компонента, золошлаковых отходов ТЭЦ в присутствии воды, обжиг полученной сырьевой смеси до спекания с образованием цементного клинкера, охлаждение и измельчение клинкера в присутствии добавок с образованием целевого продукта, отличающийся тем, что карбонатный компонент предварительно измельчают, золошлаковые отходы ТЭЦ используют после магнитной или электросепарации, при содержании в них 4 - 6 мас.% Fe₂O₃.

2. Сырьевая смесь для изготовления цементного клинкера, содержащая известняк и золошлаковые отходы ТЭЦ, отличающаяся тем, что она содержит золошлаковые отходы, подвергнутые магнитной или электросепарации, содержащие 4 - 6 мас.% Fe₂O₃, при следующем соотношении компонентов на сухое вещество, мас. %: Известняк - 70 - 90
Указанные золошлаковые отходы ТЭЦ - 10 - 30
3. Сырьевая смесь для изготовления цементного клинкера, содержащая известняк, глину и золошлаковые отходы ТЭЦ, отличающаяся тем, что используют золошлаковые отходы, подвергнутые магнитной или электросепарации, содержащие 4 - 6 мас.% Fe₂O₃, при следующем соотношении компонентов на сухое вещество, мас.%:
Известняк - 70 - 90
Указанные золошлаковые отходы ТЭЦ - 3 - 27
Глина - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 20.08.2008

Извещение опубликовано: 20.08.2008        БИ: 23/2008

---