ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА СЫРЬЕВОЙ ШИХТЫ НИЗКОТЕМПЕРА-ТУРНОГО ЦЕМЕНТА НА ОСНОВЕ ТОПЛИВОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ

Полный текст

Одним из перспективных направлений снижения энергетических затрат в промышленности строительных материалов является широкое вовлечение в технологический оборот крупнотоннажных топливосодержащих отходов углеобогащения (ОУ), которые образуются при обогащении каменных углей гравитационным способом на центральных углеобогатительных фабриках. Указанные отходы достаточно стабильны по химико-минералогическому составу и содержат топливные включения в количестве до 10-20 % и более по массе, что предопределяет выраженные теплотворные свойства последних [1, 2]. Это позволяет отнести ОУ к ценному минеральному сырью для производства обжиговых строительных материалов, в первую очередь вяжущих веществ, как наиболее энергоемкого и потребляемого продукта. В последние годы исследованию свойств вяжущих низкотемпературного обжига на основе природных и искусственных смесей посвящен целый ряд работ [3-9]. Одним из возможных вариантов эффективного решения данной задачи является способ получения гидравлического вяжущего посредством обжига А. А. Рязанов, В. М. Латыпов, А. Н. Рязанов, В. А. Рязанова 69 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 при 900-1100 °С двухкомпонентной сырьевой шихты, состоящей из карбонатного компонента и гравитационных отходов углеобогащения в установленных соотношениях по массе, реализация которого в промышленных условиях предполагает: - двухфункциональное использование ОУ в качестве топливного и сырьевого компонента; - получение низкотемпературного спека в процессе совместного обжига карбонатной породы с ОУ при максимально возможной энергетической сбалансированности процесса декарбонизации и частичного спекания за счет реализации теплотворных свойств топливных остатков золы. Сырьевая шихта известково-глинитного цемента (ИГЦ) на основе отходов углеобогащения является двухкомпонентной механической смесью, состоящей из карбонатного компонента и топливосодержащих ОУ. Таким образом, содержание одного из компонентов находится в прямой зависимости от содержания другого, а выход ИГЦ (В) можно определить по формуле B  CaO  MgO  S  П1(1 x1)  C(1 x2), %, (1) где CaO  MgO - содержание указанных оксидов в шихте, %; S - суммарное содержание в шихте SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, K2O, Na2O, R2O3, %; П1 - приведенные потери при прокаливании известняка, % по массе шихты; С - содержание в шихте углеродистых частиц, %; x1 - степень декарбонизации известняка при обжиге, выраженная в долях единицы; x2 - степень выгорания органики, выраженная в долях единицы. Выход вяжущего по массе можно определить по формуле (2) где К - масса карбонатной породы на 1 т шихты, кг; О - масса отходов на 1 т шихты, кг; П1 - потери при прокаливании карбонатного компонента, % по массе; П2 - потери при прокаливании ОУ, % по массе; x1 и x2 - то же, что и в формуле (1). В практических расчетах удобнее пользоваться коэффициентами выхода каждого из сырьевых компонентов и : (3) (4) где - коэффициент выхода извести; - коэффициент выхода минеральной части ОУ; К, О, ПК, ПС, х1 и х2 - то же, что и в формулах (1), (2). Суммарное содержание известковой (И) части и минеральной части ОУ (О1) в вяжущем будет определяться расходом карбонатного компонента (К) и ОУ (О), а также потерями их массы при обжиге: И  О1  K  O . (5) Задаваясь требуемым соотношением извести и отходов в конечном продукте, расход карбонатного компонента (К) и отходов (О) на приготовление 1 т вяжущего можно определить по формулам: (6) (7) Важным моментом в решении задачи оптимизации сырьевого состава являлся правильный выбор пределов варьирования соотношением исходных компонентов, в основу которого были положены следующие теоретические предпосылки. Было принято допущение, что в результате низкотемпературного обжига шихты при 1000 - 1100 °С конечный продукт будет состоять в основном из определенного количества свободной CaO метаморфизированного глинистого вещества отходов. В связи с этим граничные соотношения сырьевых компонентов устанавливались по предельно допустимому содержанию оксида кальция в вяжущем, исходя из условия обеспечения его гидравлических свойств при достаточной воздухостойкости. Анализ литературных данных [10] показал, что воздухостойкость известково-пуццолановых композиций обеспечивается при содержании в их составе не менее 20 % по массе СаОсв. В то же время для сохранения гидравлических свойств содержание СаОсв + МgOсв в известьсодержащих вяжущих ограничивается 50 % по массе. Таким образом, содержание СаОсв в вяжущем должно находиться в пределах 20-50 % по массе. Зная химический состав сырьевых компонентов, активность вяжущего (А) по содержанию СаОсв + МgOсв с учетом степени декарбонизации известняка и выгорания органики можно установить (8) где все обозначения те же, что и в формуле (1). Задаваясь процентным содержанием по массе компонентов в шихте - известняка (ОУ) от 20(80) до 60(40) и принимая степень декарбонизации известняка х1 и выгорания органики х2, равной 1, можно определить теоретическое максимально возможное содержание СаОсв + МgOсв в вяжущем. Расчетная зависимость между соотношением сырьевых компонентов в шихте и содержанием СаОсв в ИГЦ показана на рис. 1. Из анализа представленной зависимости следует, что минимальному, из условия обеспечения воздухостойкости, содержанию оксида кальция в ИГЦ, равному 20 % по массе, соответствует шихта с содержанием отходов и известняка соответственно 75 и 25 % в зависимости от показателей п.п.п. (П2) базовых отходов. В то же время максимально допустимому содержанию СаОсв в ИГЦ (50 % по массе) соответствует сырьевая смесь с содержанием известняка 60 % по массе. Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 70 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Ввиду достаточно широкого диапазона допустимого содержания в вяжущем свободного оксида кальция, расчет состава сырьевой шихты, а также оценку энергетической эффективности процесса обжига предлагается производить также с учетом значения коэффициента энергетической эффективности Кэ (9): (9) где QУД ТР - удельная энергоемкость процесса обжига шихты, кДж/кг (10); QО - теплотворная способность ОУ, кДж/кг; mУД О - удельное содержание ОУ в шихте, кг. QУД ТР  [(m1gДCaCO3  m2gДMgCO3  m3gДГ.ОУ  gШ) (gГ  QУД ЭКЗ)], кДж/кг, (10) где gДMgCO3 - удельный расход тепла на диссоциацию MgCO3 - 1314,6 кДж/кг; gДCaCO3 - удельный расход тепла на диссоциацию CaCO3 - 1779,4 кДж/кг; gДГ.ОУ - удельный расход тепла на дегидратацию глинистого вещества в отходах углеобогащения - 460,5 кДж/кг; m1, m2, m3 - удельное содержание CaСO3, MgСO3 и глинистой части ОУ в сырьевой смеси соответственно; gШ - теплота, затрачиваемая на нагрев сырьевой шихты: gШ  mШcШT, (11) mШ - масса сырьевой шихты, кг; cШ - средняя удельная теплоемкость сырьевой шихты при заданной температуре обжига Т (°С), кДж/кг °С; QУД ЭКЗ - удельная теплота, выделяемая при образовании искусственных минералов: -2CaO·SiO2  CaO·Al2O3   2СаО·Fe2O3  MgO·Al2O3  419 кДж/кг; gГ - теплосодержание смеси газов, равное сумме теплосодержаний, составляющих смесь газообразных продуктов реакций декарбонизации: gГ  (m1CO2·cCO2  m2CO2·cH2O)·t, (12) где t - температура продуктов сгорания, °С; m1CO2 , m2CO2 - удельный выход CO2, соответственно CaСO3, MgСO3, м3/кг, cCO2, cH2O - массовая теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кг °С. Удельное содержание отходов в шихте при Kэ 1 (условие обеспечения самообжига шихты): (13) Содержание отходов в 1 т шихты: (14) Содержание отходов в 1 т цемента: (15) где КВ - коэффициент выхода вяжущего (0,7-0,8). Требуемый расход натурального топлива на обжиг 1 т шихты (при Kэ 1) составит: (16) где QТ Н - теплотворная способность используемого вида топлива, кДж/кг. В пересчете на 1 т вяжущего расход натурального топлива составит: (17) Графическая интерпретация зависимости коэффициента энергетической эффективности Kэ от содержания отходов ОУ в шихте представлена на рис. 2. Содержание отходов в шихте, % масс. 1 - П2=28 %; 2 - П2=26 %; 3 - П2=23 %; 4 - П2= 19 % Рис. 2. Зависимость коэффициента энергетической эффективности Кэ от содержания ОУ в двухкомпонентной шихте Содержание известняка (ОУ) в шихте, % по массе Содержание угольных остатков в ОУ: 1-25 %; 2-18 %; 3-10 % по массе Рис. 1. Расчетное содержание СаОсв в ИГЦ в зависимости от состава шихты (П1= 43 %) А. А. Рязанов, В. М. Латыпов, А. Н. Рязанов, В. А. Рязанова 71 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 Как следует из графика (рис. 2), энергетический (тепловой) баланс процесса обжига сырьевых составов, характеризующихся Kэ 1, обеспечивается за счет энергопотенциала самой шихты и не требует использования технологического топлива при установившемся процессе. Выводы. Разработанная методика расчета количественного состава двухкомпонентной сырьевой шихты известково-глинитного цемента низкотемпературного обжига на основе известняка и гравитационных отходов углеобогащения позволяет корректировать количество вводимых в шихту отходов как по активности получаемого гидравлического вяжущего, так и по условию обеспечения энергетической сбалансированности процесса обжига за счет энергопотенциала ОУ, в зависимости от их теплотворной способности. Ключевым параметром предлагаемой методики является коэффициент энергетической эффективности Kэ. Целью расчета является подбор сырьевого состава с Kэ 1. При этом условии возможен самообжиг шихты при установившемся процессе с полным исключением технологического топлива из производственного цикла.

Об авторах

Антон Александрович РЯЗАНОВ

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Валерий Марказович ЛАТЫПОВ

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Александр Николаевич РЯЗАНОВ

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Виктория Альбертовна РЯЗАНОВА

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Список литературы

Дополнительные файлы