Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

В настоящее время проблема использования производственных отходов является весьма актуальной. Значительный интерес к ней вызван ограниченным количеством запасов отдельных сырьевых ресурсов и стремлением улучшить экологическую обстановку региона. Цементная промышленность является одной из отраслей, на предприятиях которой могут быть использованы большие объемы техногенных материалов. Одним из видов отходов являются шлаки, которые в основном применяются в качестве добавки к цементу при получении шлакопортландцемента [1,2]. Сталеплавильные шлаки Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) гидравлически инертные и потому не могут использоваться как активная минеральная добавка. В то же время по химическому, минералогическому и фракционному составу они могут применяться как компонент сырьевой смеси [3]. Альтернативным решением является использование теплоты расплавленного шлака для частичной тепловой подготовки мела в шлако-меловой смеси, которая предлагается в качестве одного из  сырьевых компонентов при производстве цементного клинкера [4].

По расчетным данным энтальпия шлака при температуре 1550^оС составляет 1676 кДж/кг и включает в себя теплоту кристаллизации Q_кр  -  419 кДж/кг и охлаждения Q_охл - 1257 кДж/кг. Тепловой баланс системы расплавленный шлак + мел и лабораторные эксперименты показали, что при их смешении в соотношении 54 : 46 декарбонизируется до 50% мела. При этом из 1676 кДж/кг используется ~ 50% на следующие процессы: нагрев и испарение воды - 55 кДж/кг, нагрев мела до 900°С - 55 кДж/кг, его частичную диссоциацию - 92 кДж/кг клинкера. Полученную шлако-меловую смесь (37 мас. %) рекомендуется использовать в качестве сырьевого компонента совместно с рядовым шламом, представляющим водную суспензию производственной сырьевой смеси, для получения цементного клинкера.

По предлагаемой технологии рекомендуется вводить до 20% шлака ОЭМК и 17% частично декарбонизированного мела. Это вызвано тем, что при работе ОАО «Осколцемент» на проектную произво-дительность возможно будет в течение 10 лет переработать все имеющиеся отвалы шлака, ежегодное производство которого составляет 600 тыс. тонн. При этом по результатам расчета будет достигаться существенная экономия топлива (табл.1).

Таблица 1. Сравнительные расчеты расходных статей теплового баланса печи по рядовой и шлако-мело-шламовой технологии

Экономия тепла достигается по следующим статьям теплового баланса:

- теплота декарбонизации мела ~ 335 кДж;

- теплота парообразования ~ 582 кДж;

- потери тепла с отходящими газами ~ 503 кДж;

- удельные потери тепла через корпус ~ 126 кДж.

Суммарная экономия тепла при использовании энтальпии расплавленного шлака составила 1525  кДж/кг или 25% от общего расхода тепла. В соответствии с этим производительность печи увеличится на 25% без дополнительной подачи топлива. Однако при этом наблюдалось некоторое снижение качества цементного клинкера, что не обеспечивало выпуск цемента марки 500.

В связи с этим было исследовано влияние предварительной тепловой обработки мела в шлако-меловой смеси на активность клинкера. Для этого синтезировались 5 шлако-мело-шламовых сырьевых смесей с одинаковым химическим и компонентным составами, но с различной степенью декарбонизации мела (табл.2). Шлако-мело-шламовая смесь требует на 1 кг клинкера: шлака - 200 г, частично декарбонизированного мела - 170 г, шлама - 1030 г. Синтез клинкеров  проводился в силитовой печи при температуре 1450˚С с выдержкой 30 минут. Для сравнения при тех же условиях обжигалась рядовая сырьевая смесь. Химико-минералогический состав экспериментального клинкера был близок к рядовому (табл.3).

Таблица 2. Степень декарбонизации мела после тепловой обработки

Таблица 3. Характеристика шлака и клинкера

C₃S - Ca₃SiO₅; C₂S - CaSiO₄; C₃A - Ca₃Al₂O₆; C₄AF - Ca₄Al ₂Fe₂O₁₀

Минералогический состав свидетельствует, что в экспериментальном клинкере преобладают трудноспекаемые высокоосновные силикаты кальция. В то же время усвоение оксида кальция в шлако-мело-шламовой смеси происходит активней, чем в рядовой. Это обусловлено высокой реакционной способностью шлака водного охлаждения, связанной с его фазовым составом, который в основном представлен гидросиликатом кальция - Сa2SiH2O5, кальциймагниевым силикатом - Ca5MgSi3O12, вюститом - FeO, брусситом - Mg(OН)2 и портландитом - Са(ОН)2.

Неожиданным оказалось то, что при одинаковом химическом составе исходных смесей прочностные свойства клинкеров, полученных при различной степени декарбонизации мела, значительно различаются, особенно, в начальные сроки твердения (табл.4). Причем зависимость активности от степени предварительной декарбонизации мела носит экстремальный характер.

Таблица 4. Зависимость гидратационной активности клинкера  от количества  декарбонизированного мела в сырьевой смеси

Так, в 28 суточном возрасте твердения активность клинкера №1 на основе сырьевой смеси с недекарбонизированным мелом составляет 46,9 МПа. При увеличении доли декарбонизированного мела до 5%, активность клинкера несколько повышается и составляет 48,6 МПа. Максимальное значение активности клинкера, 58,7 МПа, достигается при содержании в сырьевой смеси до 8,5% декарбонизированного мела. Дальнейшее повышение доли диссоциировавшего мела снижает активность клинкеров №4 и №5 соответственно до 54,8 и 49,6 МПа, но при этом обеспечивается выпуск цемента марки 500.

Таким образом, при вводе шлака до 20% и частичной декарбонизации мела за счет теплоты расплавленного шлака можно обеспечить производство высококачественного цемента марки 500, увеличить выпуск высокомарочного цемента на 25%, а также полностью утилизировать текущие и отвальные шлаки ОЭМК в объеме 7 млн. тонн. При этом мощность завода увеличится на 600 тыс. тонн цемента в год без увеличения расхода топлива.

Предлагаемая шлако-мело-шламовая технология в результате частичной замены карбоната кальция шлаком и снижения удельного расхода топлива дополнительно обеспечит снижение выброса углекислого газа в атмосферу с 860 до 720 кг/т клинкера или на 0,85% на каждый процент введенного шлака, что имеет важнейшее экологическое значение, особенно с учетом Киотского соглашения.

ВЫВОДЫ

1. Использование расплавленного шлака в смеси с частично декарбонизированным мелом в качестве сырьевого компонента при производстве цементного клинкера обеспечит до 25% экономии тепла. При этом выпуск цемента на ОАО «Осколцемент» увеличится на 600 тыс. тонн в год без дополнительного потребления топлива.
2. Предлагаемая шлако-мело-шламовая технология позволит снизить выброс углекислого газа в атмосферу с 860 до 720 кг/т клинкера и утилизировать весь производимый шлак ОЭМК, что улучшит экологическую обстановку региона.
3. При введении в печь до 20% шлака и 8,5% декарбонизированного мела обеспечится получение высокоактивного клинкера и выпуск цемента марки 500.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Копелиович В.М., Здоров А.И., Златковский А.Б. Утилизация промышленных отходов при производстве цемента // Цемент.- 1998.-  №3.- С. 35-39.
2. Пащенко А.А., Мясникова Е.А., Евсютин Ю.Р. Энергосберегающие и безотходные технологии получения вяжущих веществ-  Киев: Вища школа, 1990.- 223 с.
3. Дроздов А.А., Шилова И.А., Классен В.К., Текучева Е.В. Характеристика шлака Оскольского электрометаллургического комбината. //Вестник БГТУ.- 2005.- №10.- С. 344-348.
4. Классен В.К., Шилова И.А. Исследование возможности использования теплоты расплавленного шлака при синтезе портландцементного клинкера //  Сб. докладов 62-й Всерос. конф. «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика».- Самара, 2005.- Ч. 1.-  С. 294-296