О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ СВЧ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ЭКОЛОГИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА

Подлесных А.И.

Аспирант, Московский Государственный Строительный Университет

О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ СВЧ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ЭКОЛОГИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА

Аннотация

В статье рассмотрена актуальность внедрения СВЧ технологий в промышленное производство цементного клинкера. Кратко освещены клинкерообразующие реакции и влияние на их протекание сверхвысокочастотного (СВЧ) воздействия на сырьевую смесь.

Ключевые слова: экологизация, клинкерообразование, комбинированные сверхвысокочастотные (СВЧ)  технологии.

 

Podlesnykh A.I.

Postgraduate student, Moscow Civil Engineering University

THE FEASIBILITY OF COMBINED MICROWAVE TECHNOLOGY FOR ECOLOGIZATION CEMENT CLINKER PRODUCTION

Abstract

The article discusses the relevance of the introduction of microwave technology in the industrial production of cement clinker. Clinker formation reactions are highlight briefly, and the impaction of the microwave (UHF) effects on the course of this reactions during feed mixture treatment.

Keywords: ecologization, clinker formation, combined ultrahigh-frequency (UHF) technology.

Экологизация цементной промышленности направлена, прежде всего, на снижение природоемкости производственных процессов, за счет создания технологически более совершенного, высокоэффективного и чистого производства. Экологизация предполагает внедрение в промышленное производство инновационных технологий, позволяющих увеличивать объемы конечного продукта производства при меньших затратах энергии и первичных ресурсов, а также сокращение количества производственных отходов [1]. Таким образом, акцент делается как на повышение эффективности производства, так и на снижение его энергетической и ресурсной затратности.

В технологии производства портландцемента самым важным и энергозатратным процессом является обжиг сырьевой смеси, в ходе которого происходит ряд физических и физико-химических превращений и образуется клинкер. Сложный минералогический состав и микрокристаллическая структура клинкера коренным образом отличается от минералогического состава исходных сырьевых материалов, что обусловливает приобретение им совершенно иных, специфических свойств.

При производстве портландцементного клинкера смесь сырьевых материалов нагревают до 1450°С. В процессе обжига сырьевой шихты происходит химическое взаимодействие основного оксида СаО с кислотными оксидами. Вначале реакции взаимодействия происходят в твердой фазе, затем при повышении температуры обжига до 1450°С около 20–30% смеси переходит в жидкую фазу – расплав, и образование большей части клинкерных минералов происходит именно через жидкофазные реакции [2].

Кинетика процесса алитообразования зависит от реакционной способности СаО и свойств расплава, таких как степень вязкости и сила поверхностного натяжения. От вязкости зависят условия необходимые для полного обмена между растворяющимися и кристаллизующимися фазами, а от величины поверхностного натяжения механизм реакции происходящей на границе между кристаллами и расплавом.

Таким образом, большее значение при клинкерообразовании имеет температура обжига. При высоких температурах ускоряется синтез алита, за счет снижения вязкости жидкой фазы и увеличения ее количества, что оказывает решающее влияние на процессы клинкерообразования. В исследованиях различных авторов указывается, что при 1600°С реакции минералообразования в сырьевой смеси проходят за 5–10 мин, при 1700—1800°С – за несколько секунд, а в интервале 1900–2000°С – за доли секунд [3]. Однако значительное повышение температуры обжига во вращающихся печах невозможно из-за отсутствия огнеупоров требуемого качества для футеровки зоны спекания.

Применение комбинированных сверхвысокочастотных (СВЧ) технологий позволяет достичь необходимых температур и тем самым сократить время воздействия на сырье, а соответственно и потребление топлива. В процессе клинкерообразования жидкая фаза, образующаяся в материале непосредственно в зоне спекания, составляет порядка 25–45%. В отличие от обжига во вращающейся печи, где материал перекатывается и мелкие гранулы и зерна слипаются в более крупные, при комбинированном СВЧ воздействии такого эффекта не возникает благодаря специфике нагрева, а также постоянной продувке расплава газовыми потоками.

Конструкция всей системы разработана таким образом, что горящий плазменный шнур оказывается строго параллельным потоку выдуваемого газа, и это позволяет получить устойчивое и равномерное горение. При прокачке воздухом и подаче газа на выходе наблюдается продольный факел горящего газа внутри СВЧ-резонатора, температура в центральной зоне которого достигает 6000^оС.

Также немаловажным является протекание реакций в зоне охлаждения, где температура клинкера постепенно снижается с 1300 до 1100–1000^оС. В СВЧ установках конструкционное решение, обеспечивающее внутреннее завихрение рабочих газов и струи СВЧ плазмы, позволяет осуществлять быстрое и равномерное охлаждение конечного продукта направленными потоками воздуха.

Согласно существующей классификации, в зависимости от особенности приготовления сырьевых смесей, принято выделять четыре способа производства портландцемента: мокрый, сухой, полусухой и комбинированный. Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки. Основным недостатком мокрого способа является то, что более порядка 50% энергии расходуется на предварительную просушку сырья [2]. В связи с чем цементная промышленность во всем мире нацелена на полный переход на сухой способ, характеризующийся более низкими энергозатратами и более высокой производительностью. Однако, учитывая высокую естественную влажность исходных материалов смеси, гораздо более целесообразен переход на комбинированный способ производства, при котором более половины содержащейся в шламе воды удаляется за счет быстрого испарения при помощи СВЧ воздействия на материал, что позволяет снизить затраты на удаление воды почти в 10 раз, а объем инвестиций, по сравнению со строительством сухой линии в 5 – 8 раз.

Технологии СВЧ воздействия на сырьевую смесь имеет ряд отличительных свойств. Внутреннее устройство резонаторной камеры устроено таким образом, что в ней происходит направленное завихрение рабочих газов и струи СВЧ плазмы. Это  позволяет существенно сократить размеры камеры и изготовить установку в очень компактном исполнении, что может быть очень востребовано на мини-цементных заводах и в условиях ограниченной производственной площади.

Внедрение в производство подобных сверхвысокочастотных (СВЧ)  технологий поддерживающих комбинированный режим горения позволит не только гораздо быстрее достигать высоких температур, необходимых для образования клинкера, но и снизить количество вредных выбросов за счет сокращения времени требующегося для нагрева материала до нужной температуры и розжига печей, а так же получить экономию газа.

Помимо этого, характер воздействия на сырьевую смесь позволяет существенно увеличить скорость протекания реакции клинкерообразования за счет повышения количества расплава на начальной стадии силикатообразования и последующей кристаллизации части жидкой фазы за счет быстрого охлаждения расплава. Такое комбинированное воздействие на вещество приводит к его направленному изменению.

Рабочим топливом, помимо традиционных могут являться также промышленные газы, бытовые и промышленные отходы, газовые выбросы предприятий и ТЭЦ, а также низкокалорийное топливо.

Выводы

Экологизация цементной промышленности призвана вывести промышленное производство на высокий эколого-экономический уровень. Применение верхвысокочастотных (СВЧ) технологий позволяет снизить затраты на удаление воды из сырьевой смеси почти в 10 раз, а объем инвестиций, по сравнению с переводом производства на сухой метод в 5 – 8 раз. Поэтому возможность применения рассматриваемых в данной статье СВЧ технологий, имеющих высокий КПД и позволяющих получить экономию газо-нефтепродуктов до 50%, приобретают особую актуальность при решении вопросов экологизации и увеличения объемов производства цементного клинкера.

Однако вопрос внедрения данных технологий в промышленных масштабах недостаточно разработан и нуждается в дальнейшем изучении.

Литература

1. Шкиперова Г.Т., Мелентьев Г.Б. Экологизация производств как составляющая процесса технической модернизации // Экология промышленного производства. 2010.№4. С. 15 – 23.
2. Классен В.К. Обжиг цементного клинкера. Стройиздат, 1994. – 323 с.
3. Зубехин А. П., Голованова С. П., Иоффе В. Я., Хмара Р. И. К теории клинкерообразования цемента // Современные наукоемкие технологии . 2008. №4. С.57–58.

References

1. Shkiperova G.T., Melentev G.B. Ekologizatsiya proizvodstv kak sostavlyayuschaya protsessa tekhnicheskoj modernizatsii // Ekologiya promyshlennogo proizvodstva. [Cleaner production as a part of the process of technical modernization // Ecology of industrial production] 2010. 4. S. 15 – 23.
2. Klassen V.K. Obzhig cementnogo klinkera. Strojizdat, 1994. – 323 s.
3. Zubehin A. P., Golovanova S. P., Ioffe V. Ja., Hmara R. I. K teorii klinkeroobrazovanija cementa // Sovremennye naukoemkie tehnologii . 2008. №4. S.57–58.