Способ изготовления высокопрочного и быстротвердеющего алитового портландцемента и технологическая линия для его реализации

Способ изготовления высокопрочного и быстротвердеющего алитового портландцемента и технологическая линия для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к физико-химическим процессам (7С, 7В) и, в частности, к способам получения строительных материалов (7Е). Известны способы получения таких строительных материалов, как керамика, керамзит и цемент (аналог). [Глинка Н.Л. Общая химия. Изд. 20-е испр. - Л.: Химия, 1978. - 720 с. (см. с.517, Цемент); Справочник по строительным материалам и изделиям / Под ред. М.С. Хуторянского. - Киев: Изд. «Будiвельник», 1968. - 800 с. (см. Минеральные вяжущие - гидравлические вяжущие. Портландцементы. с.25…); Строительные материалы. Учеб. для студентов вузов / Под ред. Г.И. Горчакова. - М: Высшая школа, 1982. - 322 с. (см. с.84-99. Цемент. Портландцемент); Технология и свойства специальных цементов / Труды Всесоюзного совещания по химии и технологии цемента. - М: Изд. лит-ры по строительству, 1967 (см. с.414-418, Пути получения высокопрочных цементов на заводах Сибири и Дальнего Востока); Портландцементный клинкер. Ю.М. Бутт, В.В. Тимашов. - М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1967. - см. с.1-250], согласно которым определены:

- сырьевые материалы (известняки и глины);

- влияние строения минералов и пород на их измельчение с указанием формы их химической связи, образование дефектов кристаллов при их измельчении;

- превращение кремнезема при нагревании;

- диссоциация кальцита CaCO₃ при нагревании;

- влияние природы и дисперсности сырьевых материалов на их реакционную способность;

- последовательность и механизм образования минералов портландцементного клинкера при спекании;

- химический состав клинкера в довольно широких пределах (%):

CaO → 62-68; SiO₂ → 20-24; Al₂O₃ → 4-7; Fe₂O₃ → 2-4; MgO → 0,3-4,5; SO₃ → 0,3-1,0; Na₂O+K₂O → 0,4-1,0; TiO₂+Cr₂O₃ → 0,2-0,5; P₂O₅ → 0,1-0,3 и прочие примеси (п.п.п.);

- минералогический состав клинкера (%):

3CaO·SiO₂(C₃S) - 40-65; 2CaO·SiO₂(C₂S) - 15-40; 3CaO·Al₂O₃ - 5-15; 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃ и 2CaO·Fe₂O₃ - 10-20; CaO (своб.) - до 10.

В зависимости от минералогического состава клинкера определены несколько типов портландцемента:

- алитовый - с преобладающим содержанием трехкальциевого силиката 3CaO·SiO₂(C₃S) более 60%, обладающего максимальной прочностью и активностью; образовавшийся при этом алит является соединением неустойчивым и при температуре ниже 1250°C разлагается на белит C₂S и свободную окись кальция СаО. Чистый алит устойчив в диапазоне температур 1250-1900-2070°C. Выше 2070°C алит плавится;

- белитовый - с преобладающим содержанием двухкальциевого силиката 2CaO·SiO₂(C₂S) более 35%; образовавшийся при этом белит устойчив в диапазоне температур 950-1430°C;

- алюминатный - содержащий трехкальциевый алюминат 3CaO·Al₂O₃(C₃A) более 12%.

Отмечается, что алитовые портландцемента наиболее быстро твердеют, отличаются большой прочностью и высоким тепловыделением. Чем тоньше измельчен алитовый портландцемент, тем быстрее нарастает его прочность и тем выше его марка.

Обычно цементные заводы изготавливают портландцементы марок 300, 400, 500, 600 с использованием оборудования для их изготовления по мокрому и сухому способам: для дробления, помола, гомогенизации, обжига до спекания, быстрого охлаждения с получением портландцементного клинкера, тонкого помола клинкера, его расфасовки и систем обеспыливания, отличающиеся значительными габаритами, массой, большой площадью для их размещения и потребляемой мощностью.

В то же время развитие промышленного сборного железобетона поставило перед цементной промышленностью как одну из важнейших задач повышение качества выпускаемого цемента и организацию производства специальных быстротвердеющих и высокопрочных цементов с целью быстрого повышения прочности бетона и снижения расхода цемента на 1 м³ бетона.

До последнего времени производство высокопрочного цемента (ВПЦ) с пределом прочности при сжатии в 28-суточном возрасте 700 кг/см² и более не имело в нашей стране промышленного значения и ограничивалось выпуском отдельных опытных партий, а за рубежом производство ВПЦ достигалось за счет применения синтетических смесей специального состава и высокой стоимости. Эпизодический выпуск высокопрочных цементов и отсутствие устойчивых технологических параметров их изготовления не позволяли широко использовать их в строительстве и определять рациональные области их применения, а также отказаться от закупки весьма дорогих импортных сверхпрочных цементов марок 700-900.

Из известных наиболее близкими по технической сущности являются способы подготовки сырьевой смеси, ее сушки, измельчения, обжига до спекания, быстрого охлаждения с получением портландцементного клинкера, его тонкого помола для получения быстротвердеющего и прочного алитового портландцемента и технологической линии для его реализации (прототип), изложенные в [Кравченко И.В., Власова М.Т., Юдович Б.Э. Высокопрочные и особо быстротвердеющие портландцементы. - М: Изд-во литературы по строительству, 1971. - 230 с. (см. 3-155 с); Волжанский А.В. Минеральные вяжущие вещества. - Учеб. для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 464 с]. В этих работах широко представлены отечественные и импортные технологии:

- по составлению рациональной сырьевой смеси указанного выше химического состава, ее сушки и помолу до мелкой дисперсности (мельче 20 мкм согласно патентной литературе) и гомогенизации;

- по внедрению равномерного процесса обжига сырьевой смеси до спекания;

- по быстрому охлаждению смеси по окончанию спекания, в результате чего получают алитовый портландцементный клинкер, который затем размалывают в тонкий порошок.

Так, при изготовлении портландцемента используются следующие типовые технологические процессы, например, в сухом способе используется следующая последовательность технологических процессов [Волжанский А.В. Минеральные вяжущие вещества: Учеб. для вузов. - 4-е издание, перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 464 с. (см. с.178: Технологическая схема изготовления портландцемента по сухому способу)].

Технологическая линия для подготовки, сушки, помола, гомогенизации при равномерном процессе обжига до спекания сырьевой смеси, быстрого охлаждения по окончанию спекания, в результате чего образуется алитовый портландовый клинкер, который затем размалывают в тонкий порошок - прототип [Кравченко И.В., Власова М.Т., Юдович Б.Э. Высокопрочные и особо быстротвердеющие портландцементы.- М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1971. - с.230 (см. с.3-155); Волжанский А.В. Минеральные вяжущие вещества. - Учеб. для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 464 с; Строительные материалы: Справочник / Болдырев А.С.и др.- М.: Стройиздат, 1989. - 567 с. (см. Дробление и тонкое измельчение сырья. - с.81-91; Обжиг клинкера - с.91-111; Пылеулавливающие устройства - с.111-117)] содержит в своем составе значительное количество оборудования. Так, например, значительный интерес для технико-экономического анализа представляют типовые технологические процессы, технические и энергетические характеристики для ряда устройств технологической линии прототипа:

- при сухом способе производства для переработки известняковых пород используются дробилки с одновременной сушкой. За рубежом широкое применение получили дробилки-сушилки «Hazemag». Степень измельчения составляет:

- в щековых дробилках - 4-6;

- в конусных дробилках - 10-20;

- в молотковых двухроторных - 15-20;

- в валковых - 3-4 для твердых пород и 10-15 для слабых и мягких пород.

По производительности, потребляемой мощности, массе наилучшие характеристики имеют молотковые двухроторные дробилки, например С-691: при размере загружаемых кусков в 600 мм производительность составляет 200 т/ч, мощность двигателя - 75 кВт, масса дробилки 24,5 т (без массы электрооборудования) против щековой дробилки ЩКД8: производительность - 160-250 м³/ч, мощность электродвигателя - 175 кВт, масса - 140 т;

- для контроля тонкости помола сырьевой муки и шлама применяют сита №02 и №008 (с размером квадратных ячеек 0,2 и 0,08 мм). Породы размельчают до размера не более 25 мм;

- тонкое измельчение сырья производят в трубных мельницах размерами 4,2×10; 4×13,5; 3×14; 3,2×8,5; 3×8,5 м. На цементных заводах Европы, работающих по сухому способу, для помола сырьевых смесей применяют валковые и роликовые мельницы типа «Loesche». Технические характеристики трубных шаровых мельниц 3×14 м: размеры барабана: диаметр 3200 мм, длина 15020 мм, мощность электродвигателя 1500 кВт, общая масса мельницы без мелющих тел и электродвигателя - 180 т, производительность мельницы при тонкости помола 8-10% остатка на сите №008 при сухом помоле известняка - 80-150 т/час;

- в настоящее время во всех странах, включая Россию, клинкер получают по сухому способу, что позволяет снизить затраты топлива на 30-40% по сравнению с мокрым способом. При сухом способе применяются более короткие вращающиеся печи с отношением длины к диаметру L_n/D_n=35-20, оснащенные дополнительными запечными теплообменными устройствами. Крупным усовершенствованием сухого способа производства явилось внедрение циклонных теплообменников реакторами-декарбонизаторами.

Основные технические характеристики вращающихся печей при сухом способе производства типоразмера 5×75 м: производительность - 1600-1800 т/сутки; расход условного топлива на обжиг клинкера - 3517 кДж/кг (840 ккал/кг); масса печи с теплообменником - 1360 т; мощность электродвигателя - 240 кВт, количество газов на выходе печи - 45000 м³/ч;

- тягодувный вентилятор типа BM-2-/750-IIV: производительность - 40000 м³/ч; напор - 3730 Па; температура - 150°C; мощность электродвигателя - 100 кВт;

- техническая характеристика дымососов: производительность - 360000 м³/ч; напор при температуре 200°C - 1960 Па; масса дымососа - 13,8 т; мощность электродвигателя - 250 кВт;

- техническая характеристика колосниковых холодильников типа «Волга-35СА1»: производительность - 35 т/ч; температура клинкера при поступлении в холодильник - 1200-1300°C; температура клинкера при выходе из холодильника - 100-150C; длина колосниковой решетки - 2520 мм; толщина слоя клинкера на решетке - 150-300 мм; мощность электродвигателя - 440 кВт; масса холодильника без футеровки - 145 т;

- Помол клинкера.

Тонкий помол клинкера без добавок и с добавками должен осуществляться с учетом влияния условий измельчения на гранулометрический состав высокопрочных и быстротвердеющих цементов. При производстве высокопрочных цементов подбирается такая схема помола и механический режим работы оборудования, которые обеспечивают возможность получения необходимой удельной поверхности при оптимальном гранулометрическом составе цемента и максимальной производительности по готовому продукту. Одной из таких схем является двухстадийный помол в мельницах крупного и тонкого измельчения. Ниже приведено влияние удельной поверхности и зернового состава цемента на его прочность:

Удельная поверхность, см2/г	Содержание в % по весу зерен размером	Прочность
0-5 мкм	5-30 мкм
2650-3000	7-10	43-48	марка 600
3500-4000	12-18	57-62	марка 700
5300-6500	25-30	70-75	марка 800-900

Удельный расход энергии при помоле до удельной поверхности 2650-3000 см²/г составляет 25 кВт·ч/т, а для удельной поверхности 5300-6500 см2/г - 75 кВт·ч/т.

Клинкер перед помолом подвергается предварительному дроблению обычно в конусных или молотковых дробилках, которые устанавливаются в колосниковых холодильниках для дробления крупных кусков на выходе вращающейся печи.

Далее измельчение клинкера осуществляется в двухкамерных мельницах размером 2,4×10,6 м, работающих в замкнутом цикле с двумя центробежными сепараторами модели «Полидор».

В пылеулавливающих устройствах применяют циклоны, рукавные фильтры типа РП, РВ, ФРКД4 и электрофильтры типа ЭГА значительных размеров и потребляемой мощности [Строительные материалы: Справочник / Болдырев А.С.и др. - М.: Стройиздат, 1989. - 567 с. (см. с.110-116: Пылеулавливающие устройства)].

Недостатком способа и технологической линии, взятых за прототип, является то, что способ изготовления высокопрочного, быстротвердеющего цемента отличается сложным составом трудоемких и затратных технологических процессов, нестабильностью качества (марочностью) высокопрочного быстротвердеющего цемента, невысокой экологической чистотой по пыли и вредным выбросам, а используемое оборудование для обжига, спекания, охлаждения и помола клинкера в технологической линии для реализации способа отличается значительной металлоемкостью, энергоемкостью, длительностью процесса изготовления готовой продукции и значительной площадью занимаемой территории все более дорогостоящей земли.

Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение технологических процессов изготовления сверхпрочного, быстротвердеющего цемента, уменьшение металлоемкости, энергоемкости, длительности изготовления готовой продукции, повышение качества и стабильности параметров (повышенной марочности цемента) и экологичности технологических процессов.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в нем также осуществляется подача природного сырья: известняка или мела и кремнеземсодержащего компонента указанного выше (с.1) химического состава с карьера с помощью экскаватора и автотранспорта, их дробление с сушкой, совместный помол с сушкой в мельнице, гомогенизацию в смесительных силосах (складах), декарбонизацию смеси мела или известняка и кремнеземсодержащего компонента, обжиг во вращающейся печи, охлаждение клинкера, его помол, складирование, упаковку и отправку цемента в мешках, вагонах, автотранспортом потребителю, согласно предлагаемому изобретению, осуществляют подачу с карьера с помощью экскаватора и автотранспорта наиболее кальцинированного природного мела или известняка с высоким содержанием (92-98%) углекислого кальция (CaCO₃) и незначительным содержанием примесей типа MgCO₃, Al₂O₃ и Fe₂O₃ и др., а вместо кремнеземсодержащего компонента- чистый кварцевый песок с высоким содержанием двуокиси кремния (SiO₂) 92-98% и небольшим содержанием примесей на утепленные склады, при этом каждая из указанных смесей поступает на свою линию обработки, включающую расположенные в технологической последовательности отдельно для известняка или мела - грохот для разделения известняка или мела на крупные (до 600 мм) и мелкие (до 25 мм) куски для уменьшения массы на дробление, предпочтительно молотковая двухроторная дробилка повышенной производительности, меньшей массы и потребляемой мощности и с высокой степенью измельчения (15-20), например, С-691: при размере загружаемых кусков в 600 мм производительность составляет 200 т/ч, мощность двигателя - 7,5 кВт, масса дробилки 24,5 т (без массы электрооборудования) против щековой дробилки ЩКД8: производительность- 160-250 м³/ч, мощность электродвигателя - 175 кВт, масса - 140 т (степень измельчения составляет: в щековых дробилках - 4-6; в валковых - 3-4), емкость с мелкой фракцией (до 25 мм) известняка или мела с второго выхода грохота и выхода с молотковой двухроторной дробилки с предварительной их сушкой за счет приточно-вытяжной вентиляции.

Получаемая со склада меловая или известковая масса подвергается сушке до 1-3% влажности в сушильных барабанах путем подачи в них отходящих рекупированных газов из обжиговой печи.

При влажности 1-3% меловая или известковая масса засыпается в шаровые мельницы, где происходит ее помол до крупности 0,01 мм с одновременной их сушкой до 0,5% влажности. Из шаровой мельницы меловая или известковая масса поступает в мельницу тонкого помола (до 1 мкм). Полученная меловая или известковая масса подается пневмотранспортом в расходный бункер.

Одновременно с процессом подготовки меловой или известковой массы происходит погрузка экскаватором природного кварцевого песка с содержанием в нем двуокиси кремния (SiO₂) 92-98% и доставка его автотранспортом в другой цеховой склад сырья, где песок предварительно просушивается за счет работы приточно-вытяжной вентиляции. Затем поступающий со склада кварцевый песок поступает в вибрационный грохот для отсева примесей, а затем в сушильный барабан для сушки до влажности 1-3% с последующим его помолом в шаровых мельницах до крупности 0,01 мм с одновременной его досушкой до 0,5% влажности. Из шаровой мельницы кварцевый песок поступает в мельницу тонкого помола до размера частиц до 1 мкм. Полученный таким образом кварцевый песок подается пневмотранспортом в цеховой расходный бункер кварцевого песка тонкого помола.

Меловая или известковая масса и кварцевый песок тонкого помола из расходных бункеров обжигаются отдельно друг от друга в своих обжиговых каналах с последующим их смешением в общем вихревом обжиговом канале и горячим прессованием с целью получения гранулированного клинкера.

Обжиг меловой или известковой массы проводится в две стадии. На первой стадии решается задача по предварительному нагреву меловой или известковой массы до 150°C. В этом интервале температур удаляется остаточная физическая влага (100-150°C), затем при 200-250°C освобождается химически связанная вода, а при 500°C происходит выгорание органических примесей, при температуре 500-700°C происходит декарбонизация примеси углекислого магния (MgCO₃→MgO+CO₂), при температуре 700-1000°C осуществляется основной процесс декарбонизации углекислого кальция (CaCO₃→CaO+CO₂), при этом масса полученной окиси кальция составляет 60%, а CO₂ - 40% от массы CaCO₃. Первая стадия обжига происходит в вертикальном обжиговом канале высотой до 3 м путем подачи меловой шихты приводным дозатором из расходного бункера. Меловая или известковая масса движется сверху вниз под действием собственного веса по наклонным зигзагообразным плоским каналам.

Внизу обжигового канала углекислого кальция установлена эжекционная многосопловая газовая горелка с индивидуальным смесителем природного газа и обогащенного кислорода (до 92-98%) в установке разделения воздуха на кислород и азот в соотношении 21,8% и 78%. В результате при сгорании природного газа в практически чистом кислороде значительно повышается температура пламени (до 2200°C), уменьшается объем газового потока сгорания (в 3-4 раза), что в значительной мере влияет на снижение размеров обжигового канала, а отсутствие вредных выбросов NO_X улучшает экологию производства цемента. Движение газов снизу вверх противоположно движению меловой или известковой массы сверху вниз и осуществляется с невысокой скоростью в пределах 0,5-1,0 м/с. В результате гравитационного падения меловой или известковой массы по наклонным зигзагообразно установленным каналам происходит нагрев меловой или известковой массы до температуры декарбонизации углекислого кальция в пределах 700-1000°C.

В результате поэтапного пересыпания по наклонным зигзагообразным плоским каналам в процессе гравитационного падения (3-6 с) происходит ее поэтапный нагрев до температуры 1000°C. За это время при движении меловой или известковой массы сверху вниз происходят следующие физико-химические процессы: удаляется остаточная физическая влага (100-150°C), затем при 200-250°C освобождается химически связанная вода, а при 500°C происходит выгорание органических примесей, при температуре 500-700°C происходит декарбонизация примеси углекислого магния (MgCO₃→MgO+CO₂), при температуре 700-1000°C осуществляется основной процесс декарбонизации углекислого кальция (CaCO₃→CaO+CO₂) с поглощением энергии в 396 ккал/кг согласно [Воробьев X.С., Мазуров Д.Я. Теплотехнические расчеты цементных печей и аппаратов. - М.: Госиздат «ВШ», 1962. - 350 с. (см. с.137 «Тепловые эффекты и теоретический расход тепла», табл.28)], результатом которых является образование паров воды и углекислого газа, полученных при декарбонизации и сгорании природного газа в кислороде, которые, проходя через расходный бункер, нагревают меловую или известковую массу в нем; с бункера газы направляются дымососом в теплообменник для подогрева воздуха для вентиляции, а с выхода теплообменника - в гидрозатвор для очистки газов от пыли и паров воды и далее углекислый газ направляется на утилизацию.

Внизу на выходе вертикальной обжиговой печи окись кальция, имея постоянный химический состав в виде окиси кальция CaO, захватывается горячим газовым потоком с выхода второй многосопловой эжекционной горелки, образованным при сгорании природного газа с обогащенным кислородом воздуха (92-98%) с температурой 2200°C, движется по спирали этого горизонтального канала длиной до 3 м со скоростью 2-3 м/с, нагреваясь до температуры 1600°C в конце канала. Кроме того, в конце горизонтального канала обжиговой печи осуществляется сужение сечения канала с целью обеспечения увеличения скорости газового потока совместно с окисью кальция CaO до скорости 5-7 м/с.

Обжиг кварцевого песка проводится во втором вертикальном обжиговом канале длиной до 3 м путем подачи его приводным дозатором из расходного бункера кварцевого песка тонкого помола (до 1 мкм). Во втором обжиговом канале кварцевый песок тонкого помола движется сверху вниз под действием собственного веса также по наклонным зигзагообразным плоским каналам. Внизу второго обжигового канала кварцевого песка (SiO₂) установлена эжекционная многосопловая газовая горелка с индивидуальным смесителем природного газа и обогащенного кислорода (92-98%) в установке разделения воздуха на кислород и азот. Здесь также при сгорании природного газа в практически чистом кислороде достигается температура пламени до 2200°C, уменьшается объем газового потока сгорания природного газа в кислороде (в 3-4 раза), что обеспечивает значительное снижение размера обжигового канала, отсутствие вредных выбросов NO_X и в целом значительное улучшение экологии производства цемента.

В месте меняющегося сечения горизонтального вихревого газового канала печи обжига окиси кальция до температуры 1600°C сверху подходит вертикальный обжиговый канал кремневого песка, который непрерывно из своей нижней части подает обожженный тонко помолотый кремневый песок с температурой 1300°C.

В результате вихревого движения газового потока окиси кальция происходит смешение этой окиси кальция с обожженным кремневым песком, падающим сверху с меньшей скоростью на данный газовый поток с окисью кальция, что и обеспечивает требуемое для образования алита (3CaO·SiO₂) соотношение массы окиси кальция к массе кремневого песка как 3:1. Полученная в вертикальном обжиговом канале и нагретая в горизонтальном обжиговом канале до температуры 1600°C окись кальция после смешения с кремневым песком (SiO₂) с температурой 1300°C и соотношением массы окиси кальция к массе кремнезема 3:1 имеет температуру 1450-1480°C и скорость движения 2,5-3 м/с, а в результате активного перемешивания в общем вихревом канале длиной до 3 м в конце канала получается однородная смесь окиси кальция (CaO) и кремневого песка в соотношении 3:1. В процессе движения и активного вихревого перемешивания окиси кальция и кварцевого песка начинаются экзотермические реакции новообразований 3CaO+SiO₂ с образованием алита 3CaO·SiO₂ с выделением энергии 111 ккал/кг [Воробьев X.С., Мазуров Д.Я. Теплотехнические расчеты цементных печей и аппаратов. - М.: Госиздат «ВШ», 1962. - 350 с. (см. с.137 «Тепловые эффекты и теоретический расход тепла»)].

Далее однородная смесь окиси кальция и кремневого песка в соотношении 3:1 и с температурой 1450-1480°C поступает в пресс горячего прессования для получения цементного клинкера. При этом конструкция пресса по горячему прессованию однородной смеси окиси кальция и кварцевого песка позволяет осуществлять непрерывную ее приемку и прессование в цементный клинкер за счет двухсекционной конструкции пресса, которая позволяет за время цикла прессования в 20 секунд в одной секции пресса, во второй секции пресса происходит накопление однородной смеси, и наоборот.

Цементный клинкер прессуется в форме гранулированных пластин толщиной 25-30 мм и диаметром 400-500 мм с прессовым усилием 0,1-0,25 кг/см² при температуре 1450-1480°C и коэффициентом прессования 5-10.

Все внутренние поверхности пресс-формы находятся под постоянным индукционным подогревом с обязательным автоматическим контролем процесса прессовки, в том числе температуры 1450-1480°C.

Прессование осуществляется сверху вниз, а вышеуказанные температурные и механические режимы являются благоприятными для ускорения образования клинкера «алита» (3CaO·SiO₂) как за счет дополнительной энергии экзотермической реакции новообразований 3CaO+SiO₂ в алит 3CaO·SiO₂ с выделением энергии в 111 ккал/кг (указанной выше) и дополнительной энергии получаемого расплава эвтектической смеси окиси кальция и кварцевого песка, что вызывает значительный рост температуры водороднй смеси окиси кальция и кварцевого песка, скорости полного образования алита в однородной смеси. Обжиговые газы (CO₂ и H₂O) удаляются из камеры прессования через керамические фильтры и теплообменники, далее очищаются от пыли в гидрозатворах с последующей их утилизацией: осадок пыли после сушки возвращается в процесс, а углекислый газ направляется в газгольдер для последующего применения и продажи.

За каждый цикл прессования (20 с) получается гранулированная пластина толщиной до 30 мм и диаметром до 500 мм цементного клинкера (3CaO·SiO₂), которая сдвигается по подовой поверхности пресса на рольганг холодильной камеры длиной до 20 м, в которую подается охлажденный инертный газ азот, полученный из установки разделения воздуха на кислород и азот. Быстрое охлаждение «алита» в нейтральной азотной среде исключает переход образовавшегося алита (3CaO·SiO₂) в белит (2CaO·SiO₂), в том числе и за счет отсутствия кислорода воздуха и паров воды.

В конце холодильной камеры клинкерная пластина при температуре 50°C сбрасывается в молотковую дробилку, откуда клинкерная масса «алита» поступает на помол в мельницы грубого помола до размера 0,01 м и струйную мельницу тонкого помола до оптимального размера 30-0 мкм, в результате чего получается алитовый портландцемент с содержанием алита до 90%, а при размерах частиц 30-0 мкм алитовый портландцемент имеет максимальную удельную поверхность от 5300 до 7000 см²/г, что и обеспечивает максимальную прочность алитового портландцемента марки 800-1000, а размеры частиц в 30-0 мкм обеспечивают высокую скорость твердения.

При этом химический состав полученного по указанной выше технологии высокопрочного и быстротвердеющего алитового портландцемента из наиболее кальцинированного природного мела или известняка с высоким содержанием (92-98%) углекислого кальция и чистого кварцевого песка с высоким содержанием двуокиси кремния (SiO₂) в 92-98% может состоять кроме CaO и SiO₂, входящих в состав алитового портландцемента, еще Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, SO₃, Na₂O, K₂O, TiO₂, Cr₂O₃, P₂O₅ и прочие природные примеси (п.п.п) в значительно меньшей концентрации и в зависимости от выбранного карьера. Присутствие белита в приведенном химическом составе не указано в связи с тем, что:

- процесс обжига углекислого кальция CaCO₃ и кварцевого песка (SiO₂) происходит в раздельных обжиговых каналах, а смешение окиси кальция и кварцевого песка происходит вне диапазона температур образования и устойчивого существования белита (950-1430°C);

- процесс охлаждения высокопрочного и быстротвердеющего алитового портландцемента происходит в охлажденной нейтральной азотной среде в виде пластинок толщиной до 30 мм и диаметром до 500 мм, что значительно увеличивает скорость их охлаждения до 50°C и исключает переход алита в белит при температуре ниже 1250°C. При температурах 50-300°C алит устойчив.

С выхода мельницы тонкого помола алитовый портландцемент поступает в установку расфасовки в герметичные мешки и далее по конвейеру на склад готовой продукции.

Кроме того, все отходящие газы процесса производства алитового портландцемента, состоящие из паров воды, углекислого газа (CO₂), а также тонкодисперсионной пыли размером 0,01-1 мкм с содержанием в ней CaCO3, СаО, SiO2, направляются в теплообменник для подогрева кислорода, направляемого в камеру сгорания природного газа в многосопловых горелках обжиговых каналов, на подогрев чистого воздуха для сушки сырья и вентиляции производственных помещений. С выхода теплообменников охлажденные газы направляются в систему гидрозатворов, в которых осуществляется превращение пара в воду, полное осаждение мелкодисперсной пыли, утилизация избыточного тепла; чистый и охлажденный углекислый газ направляется на утилизацию в газгольдеры для дальнейшего использования; осадок пыли после сушки направляется в технологический процесс. Применение системы гидрозатвора (материал - бетон) для обеспыливания позволяет значительно (до 15 раз) уменьшить размеры по сравнению с электрическими фильтрами, сократить расход дорогостоящего металла для фильтров, обеспечить практически полную очистку газов от пыли (до 100%), утилизацию тепла газов, которое может быть использовано для системы отопления и вентиляции производственного здания.

Технологическая линия для изготовления высокопрочного и быстротвердеющего портландцемента, включающая автоматизированную систему управления и контроля параметров технологических процессов, обеспечивающая управление оборудованием линии: карьеры для добычи известняка или мела, кварцевого песка соответственно, экскаваторы для погрузки сырья, автотранспорт для доставки сырья на утепленные склады соответственно, дробилки для известняка или мела и кварцевого песка, сушильные барабаны, дозаторы, мельницы совместного помола с сушкой, расходный бункер, дозатор, декарбонизатор, обжиг в печи, холодильник, клинкерный склад, дозатор, дробилку, мельницы помола клинкера, склад цемента, упаковку и отправку цемента в мешках согласно предлагаемому изобретению дополнительно вводятся раздельные технологические линии соответственно для или известняка или мела, кварцевого песка повышенного качества (92-98%) с присутствием незначительных примесей (в основном, MgCO₃, Al₂O₃ и Fe₂O₃ и др.), отдельно для технологической линии углекислого кальция (известняка или мела) устанавливается грохот для разделения углекислого кальция на крупные (до 600 мм) и мелкие (до 25 мм) куски с последующим дроблением крупных кусков в молотковых двухроторных дробилках высокой производительности (например, типа С-691: при размере загружаемых кусков в 600 мм производительность составляет 200 т/ч), меньшей потребляемой мощности (75 кВт), меньшей массы (24,5 т) и высокой степенью измельчения (15-20) по сравнению с другими типами дробилок (например, ЩКД8: производительность - 160-250 м³/ч, мощность - 175 кВт, масса - 140 т, степень измельчения - 3-4), емкости для мелких фракций с выхода грохота и дробилки, где сырье подвергается предварительной сушке за счет приточно-вытяжной вентиляции, как и на складе кварцевого песка, два сушильных барабана для сушки соответственно для углекислого кальция и кварцевого песка до влажности смеси 1-3%, система рекуперации газов из обжиговых печей соответственно углекислого кальция и кварцевого песка, соответственно две шаровые мельницы до крупности 0,01 мм для каждого канала, с одновременной их сушкой до 0,5% влажности, две струйные мельницы для помола до размера частиц до 1 мкм, два расходных бункера соответственно для углекислого кальция и кварцевого песка, два дозатора, две обжиговые печи для каждого канала, при этом обжиговая печь углекислого кальция состоит из вертикального обжигового канала длиной до 3 м, где осуществляется декарбонизация углекислого кальция, и горизонтального спирального газового канала длиной до 3 м для нагрева окиси кальция до 1600°C, соответственно вертикальный газовый канал нагрева кварцевого песка до температуры 1300°C; система разделения воздуха на кислород и азот для подачи кислорода в газовые горелки совместно с природным газом и подачи азота в холодильник быстрого нейтрального охлаждения алитового клинкера, общий спиральный канал смешения окиси кальция CaO и кварцевого песка, двухсекционный пресс для прессования эвтектической смеси окиси кальция и кварцевого песка в соотношении 3:1, рольганг холодильной камеры для быстрого охлаждения азотом алитового клинкера, молотковая двухроторная дробилка, мельницы грубого помола до 0,01 мм, струйная мельница тонкого помола до размера 30-0 мкм, которая увеличивает прочность алитового портландцемента на 7,5-15 МПа [Волжанский А.В. Минеральные вяжущие вещества. Учеб. для вузов. - 4 изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986.- 464 с. (см. с.203)], дозированная упаковка цемента в герметичные мешки, склад готовой продукции, теплообменники для утилизации тепловой энергии, гидрозатворы для обеспыливания пыли соответственно от мельниц грубого и тонкого помола углекислого кальция, от мельницы грубого и тонкого помола кварцевого песка, от мельниц грубого и тонкого помола алитового клинкера, для утилизации паров воды газовой смеси, отделения углекислого газа, газгольдеры для его сбора, установки для сбора пыли, ее отделения, сушки и возврата в процесс, система автоматики, управления и контроля на всех этапах технологического процесса изготовления быстротвердеющего высокопрочного портландцемента (алита 3CaO·SiO₂).

Такое сочетание новых признаков с известными позволяет решить поставленную техническую задачу, улучшить способ и технические характеристики заявляемой технологической линии, так как значительно повышается качество и стабильность производства высокопрочного быстротвердеющего алитового портландцемента, значительно сокращается продолжительность технологического цикла, а следовательно, повышается производительность технологической линии, сокращаются затраты тепловой и электрической энергии благодаря раздельному процессу переработки, обжигу соответственно углекислого кальция (извести или мела с содержанием углекислого кальция до 92,0-98%) и кварцевого песка повышенного качества (по составу 92-98% SiO₂), с разной температурой обжига (1600°C окись кальция и 1300°C окись кремния), исключения из процесса переработки кварцевого песка и дробилки, значительно повышается экология процесса производства быстротвердеющего высокопрочного алитового портландцемента за счет разделения воздуха на кислород и азот, что практически исключает появление вредных выбросов NO_X, а применение в качестве нейтрального газа азота для быстрого охлаждения клинкера исключает возможность ухудшения качества полученного алитового портландцемента по причине отсутствия кислорода или паров воды в составе охладителя, а также применения для обеспыливания гидрозатвора, который обеспечивает полную утилизацию паров воды, появляющихся при сгорании природного газа с чистым кислородом по реакции CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O, отделения углекислого газа CO₂, появляющегося как при декарбонизации углекислого кальция CaCO₃→CaO+CO₂, так и при сгорании природного газа в кислороде по реакции, указанной выше, и его консервацию в газгольдерах для продажи, отделения пыли и возврат ее в технологический процесс с практически полной утилизацией тепловой энергии на всех стадиях такого энергоемкого процесса производства цемента любой марки.

Предлагаемый способ изготовления высокопрочного быстротвердеющего портландцемента (алита) реализуется с помощью технологической линии, представленной на фиг.1.

Технологическая линия, реализующая способ изготовления высокопрочного быстротвердеющего портландцемента (алита) содержит (см. фиг.1).

1,2 соответственно утепленные склады для известняка (или мела) и кварцевого песка с концентрацией до 92-98% с присутствием в малых концентрациях природных примесей: в основном MgCO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ и др.; со склада 1 сырье, составляющее основную массу в быстротвердеющем высокопрочном портландцементе, поступает на грохот 3 для разделения сырья на крупные куски (размером до 600 мм) и мелкие куски (размером до 25 мм), с выхода грохота 3 крупные куски известняка (или мела) поступают в молотковую двухроторную дробилку 5, с выхода дробилки 5 мелкие куски (до 25 мм) вместе с мелкими кусками (до 25 мм) с второго выхода грохота 3 поступают в емкость 6; со склада 2 кварце