Основные технологические этапы получения цемента. Технологические схемы производства вяжущих материалов

Портландцемент и его разновидности являются основным вяжущим материалом в современном строительстве. В СССР его производство составляет около 65 % от выпуска всех цементов.

Портландцемент - продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания, т. е. частичного плавления сырьевой смеси, обеспечивающей преобладание в нем высокоосновных силикатов кальция (70...80 %). Для регулирования схватывания и некоторых других свойств при помоле клинкера в цемент добавляют небольшое количество гипса (1,5...3,5 %). В соответствии с ГОСТ 10178-85 за таким бездобавочным цементом сохранено название портландцемент (ПЦ-ДО). Ш Сырье и производство.

Для получения доброкачественного портландцемента химический состав клинкера, а следовательно, и состав сырьевой смеси должны быть устойчивы.

Многочисленные исследования и практический опыт показывают, что элементарный химический состав клинкера должен находиться в следующих пределах (% по массе): СаО - 63...66; SiO2 - 21...24; А12О3 - 4...8; Ре2Оз - 2...4, их суммарное количество составляет 95... ...97 %. Следовательно, для производства портландцемента следует применять такие сырьевые материалы, которые содержат много карбоната кальция и алюмосиликатов (известняки, глины, известковые мергели). Чаще используют искусственные сырьевые смеси из известняка или мела и глинистых пород при соотношении между ними в сырьевой шихте примерно 3:1 (% по массе): СаСО3 - 75...78 и глинистого вещества - 22...25. Вместо глины или для частичной ее замены используют также отходы различных производств (доменные шлаки, нефелиновый шлам и т. п.). Нефелиновый шлам, получающийся при производстве глинозема, уже содержит 25...30 % SiOЈ и 50...55 % СаО; достаточно к нему добавить 15...20 % известняка, чтобы получить сырьевую смесь. При этом производительность печей повысится примерно на 20 %, а расход топлива снизится на 20...25 %. Для обеспечения нужного химического состава сырьевой смеси применяют корректирующие добавки, содержащие недостающие оксиды. Например, количество S1O2 повышают, добавляя в сырьевую смесь трепел, опоку. Добавление колчеданных огарков увеличивает содержание Fe2O3.

В качестве топлива используют природный газ, реже мазут и твердое топливо в виде угольной пыли. Стоимость топлива составляет до 26 % себестоимости готового цемента, поэтому на цементных заводах много внимания уделяется его экономии.

Технология портландцемента в основном сводится к приготовлению сырьевой смеси надлежащего состава, ее обжигу до спекания (получают клинкер) и помолу в тонкий порошок.

Сырьевую смесь приготовляют сухим или мокрым способом (см. 5.2). В соответствии с этим различают и способы производства цемента - сухой и мокрый. В СССР преобладает мокрый способ производства цемента, но все шире внедряется сухой. Важнейшим преимуществом сухого способа производства является не только снижение расхода теплоты на обжиг в 1,5...2 раза, чем при мокром, но и более высокие удельные съемы в печах сухого способа.

Обжиг сырьевой смеси чаще осуществляют во вращающихся печах, но иногда (при сухом способе) в шахтных.

Вращающаяся печь (5.2) представляет собой сварной стальной барабан длиной до 185 м и более, диаметром до 5...7 м, футерованный изнутри огнеупорными материалами. Барабан уложен на роликах под углом 3...4° к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. Благодаря этому сырьевая смесь, загруженная в верхнюю часть печи, постепенно перемещается к нижнему концу, куда вдувают топливо, продукты горения которого просасываются навстречу сырьевой смеси и обжигают ее. Характер процессов, протекающих при обжиге сырьевой смеси, приготовленной по сухому и мокрому способам, по существу, одинаков и определяется температурой и временем нагревания материала в печи. Рассмотрим эти процессы.

В зоне сушки поступающая в верхний конец печи сырьевая смесь встречается с горячими газами и постепенно при повышении температуры с 70 до 200 °С (зона сушки) подсушивается, превращаясь в комья, которые при перекатывании распадаются на более мелкие гранулы. По мере перемещения сырьевой смеси вдоль печи происходит дальнейшее постепенное ее нагревание, сопровождаемое химическими реакциями.

В зоне подогрева при 200...700 °С сгорают находящиеся в сырье органические примеси, удаляется химически связанная вода из глинистых минералов и образуется безводный каолинит Al2O3-2SiO2. Подготовительные зоны (сушки и подогрева) при мокром способе производства занимают 50...60 % длины печи, при сухом же способе подготовки сырья длина печи сокращается за счет зоны сушки.

В зоне декарбонизации при температуре 700... s..l 100 °С происходит процесс диссоциации карбонатов кальция и магния на CaO, MgO и СО2, алюмосиликаты глины распадаются на отдельные оксиды SiO2, A12O3 и Fe2O3 с сильно разрыхленной структурой. Термическая диссоциация СаСО3 - это эндотермический процесс, идущий с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг СаСО3), поэтому потребление теплоты в третьей зоне печи наибольшее. В этой же зоне оксид кальция в твердом состоянии вступает в реакцию с продуктами распада глины с образованием низкоосновных силикатов, алюминатов и ферритов кальция (2CaO-SiO2, СаО-АШ3, 2CaO-Fe2O3).

В зоне экзотермических реакций обжигаемая масса, передвигаясь, быстро нагревается от 1100 до 1300°С, при этом образуются более основные соединения: трех-кальциевый алюминат ЗСаО-А12О3(С3А), четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO-Al2O3-Fe2O3(C4AF), но часть оксида кальция еще остается в свободном виде. Обжигаемый материал агрегируется в гранулы.

В зоне спекания при 1300...1450 °С обжигаемая смесь частично расплавляется. В расплав переходят С3А, C4AF, MgO и все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. По мере появления расплава в нем растворяются C2S и СаО и, вступая во взаимодействие друг с другом, образуют основной минерал клинкера - трехкальциевый силикат 3CaO-SiO2(C3S), который плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из расплава в виде мелких кристаллов, а обжигаемый материал спекается в кусочки размером 4...25 мм, называемые клинкером.

В зоне охлаждения (заключительная стадия обжига) температура клинкера понижается с 1300 до 1000 °С, происходит окончательная фиксация его структуры и состава, включающего C3S, C2S, C3A, C4AF, стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

По выходе из печи клинкер необходимо быстро охладить в специальных холодильниках, чтобы предотвратить образование в нем крупных кристаллов и сохранить в не-закристаллизованном виде стекловидную фазу. Без быстрого охлаждения клинкера получится цемент с пониженной реакционной способностью по отношению к воде.

После выдержки на складе (1...2 недели) клинкер превращают в цемент путем помола его в тонкий порошок, добавляя небольшое количество двуводного гипса. Готовый портландцемент направляют для хранения в силосы и далее на строительные объекты.

Сухой способ производства цемента значительно усовершенствован. Наиболее энергоемкий процесс - декарбонизация сырья - вынесен из вращающейся печи в специальное устройство - декарбонизатор, в котором он протекает быстрее и с использованием теплоты отходящих газов (5.3). По этой технологии сырьевая мука сначала поступает не в печь, а в систему циклонных теплообменников, где нагревается отходящими газами и уже горячей подается в декарбонизатор. В декарбонизаторе сжигают примерно 50 % топлива, что позволяет почти полностью завершить разложение СаСО3. Подготовленная таким образом сырьевая мука подается в печь, где сжигается остальная часть топлива и происходит образование клинкера. Это позволяет повысить производительность технологических линий, снизить топливно-энергетические ресурсы, примерно вдвое сократить длину вращающейся печи, соответственно улучшить компоновку завода и занимаемой им земельной территории.

В СССР создана низкотемпературная солевая технология производства цемента, базирующаяся на открытии советских ученых. Сущность открытия заключается в установлении нового явления - образования высокоосновного силиката кальция - алинита, близкого по составу к алиту в области температур 9ОО...11ОО°С, т. е. значительно ниже температур кристаллизации трехкальциевых силикатов - алитов. Алинит, являющийся основной вяжущей фазой портландцементных клинкеров нового типа, обусловливает их высокую гидравлическую активность. Вхождение анионов хлора в структуру является обязательным условием образования алинита и клинкеров нового типа. Введение в шихту, например, 10... 12 % СаС12 сопровождается образованием хлоркальциевого расплава при чрезвычайно низких температурах (600...800 С), что смещает все основные реакции образования минералов в область температур 1000... 1100 "С и позволяет получать клинкер при пониженных температурах.

Внедрение новой технологии позволит сократить удельные расходы топлива, резко повысить производительность печей и помольного оборудования.

Визитная карточка города Новороссийска – это едкая пыль от работающих здесь цементных заводов. Экологический ущерб, наносимый окружающей среде цементной промышленностью страны - очевиден, и только модернизация устаревшего оборудования на абсолютном большинстве цементных заводов способна его значительно уменьшить. Но кардинально изменить экономику и экологию производства цемента возможно лишь путем внедрения «сухого» метода его изготовления.

Экономически эффективное и высоконадежное жилищное и промышленное строительство трудно представить без использования недорогих и качественных цементов, позволяющих изготовить из них растворы и бетоны с различными физико-механическими и химико-минералогическими свойствами.

«Цемент – хлеб строительства» - и это бесспорно. Тревожит только то, что о кухне, вернее «пекарне», где готовят «хлеб строительства», более и менее осведомлен довольно узкий круг специалистов строительной сферы.

Цементная промышленность России - это 55 заводов, 49 из них - полного технологического цикла, то есть у каждого из них имеется сырьевая база: карьеры, где добываются глина, известняк и так далее. Лишь однажды, в 1989 году, в Российской Федерации на данной материально-технической базе был достигнут рекордный уровень производства цемента - 89 млн. тонн, которые страна и потребляла.

В 1992 -1993 годах выпуск цемента «провалился до дна» - составил всего 27 млн. тонн. Тем не менее, именно в то время, в цементную промышленность пошли инвестиции западных компаний. В 1992-м году на отечественном рынке появились такие мировые лидеры как Lafarge, Dyckerhoff, Holcim. В 2014 г. цементная промышленность поставила на строительный рынок 59,4 млн. тонн своей продукции.

Дефицит и повышение цен на продукцию вызвали интерес у потенциальных инвесторов из различных регионов России. В прессе и по телевидению, постоянно поднимается тема строительства новых цементных заводов, насколько эти намерения серьезны, покажет время, но отсутствие квалифицированных рабочих, развал цементного машиностроения и элементарный бюрократизм – говорят о том, что цементное производство, по-прежнему будет доступно не многим.

Проблемы цементной промышленности, особенно задачи ее модернизации, в соответствии с общепринятыми экологическими требованиями по энерго- и ресурсосбережению обросли пыльным «смогом» мифов, слухов и домыслов, которые успешно тиражируются в СМИ.

Развеять их в небольшой по объему публикации, дело просто непосильное. Цель статьи - ознакомить как можно больший круг заинтересованных читателей с некоторыми секретами «пекарского искусства» производства цемента.

О понятии «цемент»

В строго энциклопедическом понятии «Цемент » (лат. caementum - «щебень, битый камень») есть искусственное неорганическое вяжущее вещество, являющееся одним из основных строительных материалов.

При взаимодействии с водой, водными растворами солей и другими жидкостями образует пластичную массу, которая затвердевает и превращается в камневидное тело. В основном используется для изготовления бетона и строительных растворов.

Цемент является гидравлическим вяжущим и обладает способностью набирать прочность и во влажных условиях, чем принципиально отличается от некоторых других минеральных вяжущих (гипса, воздушной извести), которые твердеют только на воздухе.

Цемент для строительных растворов - малоклинкерный композиционный цемент, предназначенный для кладочных и штукатурных растворов, изготавливают совместным помолом портландцементного клинкера, активных минеральных добавок и наполнителей.

Римляне, которых полагают первооткрывателями цемента, для получения некоторых его вяжущих свойств подмешивали к извести определённые материалы: пуццоланы (отложения вулканического пепла Везувия); дроблёные или измельчённые кирпичи и затвердевшие отложения вулканического пепла района г. Эйфеля.

В средние века было случайно обнаружено, что продукты обжига загрязнённых глиной известняков по водостойкости не уступают римским пуццолановым смесям и даже превосходят их.

После этого наступил вековой период усиленного экспериментирования. При этом основное внимание было обращено на разработку специальных месторождений известняка и глины, на оптимальное соотношение этих компонентов и добавку новых. Только после 1844 г. пришли к выводу, что помимо точного соотношения компонентов сырьевой смеси, прежде всего необходима высокая температура обжига (порядка +1450° С, 1700 K) для достижения прочного соединения извести с оксидами.

Портландцемент получается при нагревании известняка и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры +1450…+1480 °С. Происходит частичное плавление компонентов, и образуются гранулы клинкера.

Для получения цемента, клинкер размалывают совместно примерно с 5% гипсового камня. Гипсовый камень управляет скоростью схватывания; его можно частично заменить другими формами сульфата кальция. Некоторые технические условия разрешают добавлять при помоле другие материалы.

Выдающийся учёный химик Алексей Романович Шуляченко считается отцом русской цементной промышленности. Широкое применение получила шахтная печь Антонова для обжига и производства клинкера.

В подавляющем большинстве случаев под цементом имеют в виду портландцемент и цементы на основе портландцементного клинкера. В конце ХХ века насчитывалось около 30 разновидностей цемента.

Марки цемента определяются главным образом пределом прочности при сжатии половинок образцов-призм размером 40×40×160 мм, изготовленных из раствора цемента состава 1:3 с кварцевым песком.

Марки выражаются в числах М100 - М600 (как правило, с шагом 100 или 50), обозначающим прочность при сжатии соответственно в 100 - 600 кг/см² (10 - 60 МПа).

Цемент с маркой выше 600 благодаря своей прочности называется «военным» или «фортификационным» и цена его на порядок выше марки 500. Применяется он для строительства военных объектов, таких как бункеры, ракетные шахты и т.п..

Также по прочности в настоящее время цемент делится на классы. Основное отличие классов от марок состоит в том, что прочность выводится не как средний показатель, а требует не менее 95 % обеспеченности (т. е. 95 образцов из 100 должны соответствовать заявленному классу). Класс выражается в числах 30 - 60, которые обозначают прочность при сжатии (в МПа).

Исторический экскурс в цементную промышленность

Промышленное производство цемента России имеет почти двухвековую историю. Однако первое официальное упоминание о нем датируется 17 веком. В письме тогдашнему коменданту Москвы, князю Гагарину, Петр I дает поручение прислать несколько бочек извести. Загадочно, ибо затем слово «Известь» было зачеркнуто и исправлено на «Цементъ». Знатоки строительного материаловедения утверждают что, в данном случае, речь шла об одной из разновидностей цемента, производимым в те далекие времена, а именно о роман-цементе.

Официально же первый цементный завод в России был построен и запущен в эксплуатацию в 1839 г., и производил он портландцемент. Спустя буквально полста лет, Россия выходит на европейский рынок, и занимает в этом секторе одно из ведущих мест, вплоть до начала первой Мировой войны.

Трагические события в стране, революция и гражданская война, «камня на камне» не оставили от цементной промышленности. Стратегический серый продукт приходилось покупать за лес, зерно и валюту. В «громадье планов» великого зодчего товарища Сталина это совершенно не входило.

На фронт восстановления цементной промышленности было брошено все, в том числе и литература. В 1929 году Федором Гладковым был написан роман с одиозным названием «Цемент». Вождю народов он так понравился, что он регулярно цитировал его. Особо нравился ему тезис - «Цемент - хлеб строительства», это выражение стало девизом промышленности строительных материалов.

В период "великих сталинских строек" цемент был одним из важнейших материалов, ибо на них в огромных количествах использовался бетон. А бетон и цемент - неразлучны как лед и вода.

В годы первых пятилеток все цементные заводы были реконструированы, а также параллельно с восстановлением существующих производств, возводили и новые. Безусловно, индустриализация и стремительные темпы строительства новых заводов, только способствовали быстрому воспроизводству цемента.

Великая Отечественная Война, снова остановила развитие цементной промышленности, поскольку большая часть заводов находилась на оккупированных территориях, и часть из них были полностью разрушены. Лишь в 1948 г. цементное производство было восстановлено полностью и вышло на прежний уровень.

И уже в 1962 г. СССР занимает первое место в мире по объему производства цемента. И это логично - ведь именно тогда, безраздельно вступила в свои права эпоха крупнопанельного домостроения. А производство железобетонных панелей полностью привязано к цементу.

В 1989 г. в СССР в полном объеме работало 89 цементных заводов, выпускавших более 140 млн. тонн цемента. Развитие промышленности не стояло на месте, научно исследовательские центры представляли цементную науку во многих городах страны. На нужды цементной промышленности работали более трех десятков машиностроительных заводов, а образовательные учреждения, сотнями выпускали новых специалистов в этой области.

Производство цемента в постперестроечной России

В период распада Советского Союза строительный рынок России вновь переживает кризис. Резкое снижение строительства новых объектов, привело к спаду производства цемента. Лишь к 2000 году, с нормализацией ситуации в стране, возобновили работу Российские цементные заводы.

За период с 2000 по 2015 год, производство цемента, по сравнению с девяностыми годами, выросло на 50%. Хотя в 2002 г. страна вошла в десятку мировых лидеров по потреблению цемента, доля России в мировом производстве составляла не более двух процентов.

Основная доля цемента производится по устаревшему «мокрому» способу. И поскольку нормативный срок эксплуатации цементных заводов составляет не более 30 лет, многие из них приходят в негодность и останавливают производство. А спрос на бетон и цемент тем временем растет.

Сегодня Россия находятся на пороге острого дефицита цемента. В принципе, в некоторых регионах России ощущать нехватку цемента стали уже в 2006 г. По мнению специалистов, в ближайшее время могут возникнуть и проблемы с транспортировкой цемента.

О научно-технологическом процессе изготовления цемента

Как уже было отмечено ранее, научно-технологический уровень процессов изготовления цемента в широкой практической реализации законсервирован на уровне ХХ века.

Вследствие повсеместного использования трубчатых печей с высокотурбулентными воздушными потоками, имеющими большую способность к «захвату» и переносу частиц шихты и спекаемого клинкера, существует чрезмерная нагрузка на фильтры очистки отходящих газов.

Все это приводит к удорожанию фильтров, к их большим размерам и невысокой степени очистки (до 95 – 97%), что при крупнотоннажных производствах цемента делает его экологически опасным, поскольку в сутки выбрасываются десятки и даже сотни килограммов высокодисперсной пыли.

Гомогенизация (полное усвоение) клинкерной шихты, вследствие использования исходных минералов с размерами свыше 3-5 мм, не превышает 75 – 80%, что приводит к непрореагированности компонентов, а это в свою очередь, резко ухудшает физико-механические и химико-минералогические свойства цементов.

Техногенные отходы практически не используются (за исключением гранулированного шлака) – вместо этого требуются существенные средства на добычу кондиционного сырья (разработку карьеров известняка, мергеля, глины).

Затраты энергии на спекания клинкера у большинства цементных заводов на уровне 800 – 1 200 и более ккал/кг клинкера, хотя по калориметрическим расчётам достаточно в 2-3 раза меньше.

Затраты энергии на помол клинкера составляют 35 - 50 кВт/ч на тонну цемента при низкой толщине помола, хотя имеются процессы и оборудование с затратами электроэнергии на порядок меньше и качеством помола лучше – до 15000-25000 см2/г.

Использование в качестве энергоносителей преимущественно дорогих теплоносителей: природного газа, нефтепродуктов или кондиционного угля,- существенно повышает себестоимость производства цемента и, в конечном счете, значительно повышает стоимость жилья, промышленных зданий и сооружений.

О коренном изменении состава оборудования цементных заводов

Анализ указанных недостатков показал, что для их устранения неприменимы традиционные способы модернизации оборудования или добавления новых механизмов – необходимо коренное изменение состава оборудования цементных заводов с иными полезными свойствами и параметрами.

Во-первых, для снижения количества выбросов пыли и преобразования цементного производства в экологически безопасное следует отказаться от рукавных фильтров и электрофильтров (которые «пропускают» до 3-5% пыли в выбросах) и перейти к фильтрам с качеством очистки на порядок лучшим – например, водным фильтрам (скрубберам) со степенью отчистки отходящих газов от пыли до 99,7%.

Во-вторых для повышения качества помола следует применять принципиально новое помольное оборудование (например мельницы центробежно - ударного типа) позволяющее достичь гарантированного и заданного размера измельчаемых частиц цемента, которые только и успевают перейти в раствор при приготовлении бетонов.

В-третьих, для оперативного контроля содержания в исходном сырье компонентов клинкера необходимо применить анализаторы, работающие в реальном масштабе времени и совместимые с АСУТП комплекса – например, рентгеноструктурные анализаторы.

В-четвертых, следует внести изменения в технологический процесс приготовления шихты: исходные компоненты необходимо не только точно дозировать, но и добиваться максимально возможной степени гомогенизации шихты с предварительным тонким помолом компонентов.

В-пятых, необходимо применить оборудование для существенного снижения энергозатрат на спекание клинкера и/или использовать «вторичное тепло» – вовлечь в технологический процесс энергию, содержащуюся в отходящих газах и спечённом клинкере, которая в существующих цемзаводах рассеивается в окружающую среду.

В-шестых, необходима полная автоматизация цементных заводов – это позволит существенно снизить трудозатраты в себестоимости производства и иметь возможность оперативной переналадки на выпуск цементов с различными физико-механическими и химико-минералогическими свойствами в связи с изменяющимися потребностями рынка или сырьевыми компонентами.

В-седьмых, полная автономность цементного производства и независимость от энергокоммуникаций может быть достигнута при выработке электроэнергии для привода механизмов и газа для спекания клинкера из твердых горючих ископаемых, например, каменного или бурого угля, горючих сланцев.

Такое решение позволит также:

Существенно снизить затраты на приобретение энергоносителей, поскольку стоимость электроэнергии и газа, получаемых из указанных горючих ископаемых, значительно ниже, чем предлагают монополисты – «Газпром» и поставщики электроэнергии;

Избежать оплаты «за подключение» к сетям электро- и газоснабжения, которая в настоящее время является практически препятствием развития новых производств;

Не тратить время и средства на проектирование сетей и прокладку сетей, а также их «согласование» во множестве инстанций.

Простота –дороже воровства

Как известно изготовление цемента происходит в два этапа - производство клинкера (обожженная смесь известняка и глины), это 70% себестоимости конечного продукта и измельчение его вместе с гипсом и активными минеральными добавками.

Главное при этом - получить сырьевую смесь постоянного состава. Готовят ее двумя основными способами - «мокрым» и «сухим». При «мокром» способе тонкое измельчение сырьевой смеси производят в водной среде с получением шихты в виде водной суспензии - шлама влажностью 30–50%. При «сухом» способе сырьевую шихту готовят в виде тонкоизмельченного сухого порошка, поэтому в процессе помола или перед его началом сырьевые материалы высушивают.

Первый способ проще, поэтому именно он лег в основу советской цементной промышленности. Второй требует более сложного и капризного оборудования. Однако он позволяет обеспечить более высокую производительность печного агрегата и строить более мощные печи.

«Будущее, конечно, за цементными заводами “сухого” производства. Расход топлива, причем самого дорогого - газа, на российских цементных заводах, работающих по «мокрому» способу в два раза выше среднемирового. Чтобы соответствовать требованиям природоохранного законодательства, необходимы постоянные инвестиции в реконструкцию производств. При этом себестоимость цемента, произведенного по старым технологиям, в разы выше, чем себестоимость продукции с “сухого” производства, выбросы в атмосферу которого в разы ниже» , - говорит генеральный директор «Базэлцемента» Вячеслав Шматов.

Перспективы «торжества « сухого способа производства цемента

Для строительного комплекса России основополагающие значение цементной промышленности не есть виртуальное понятие, ибо оно практически зримо, товарно весомо и материально торгуемо. Так уж сложились внешние и внутренние обстоятельства нашей страны, что цементные заводы по уровню технологических и технических решений остаются на периферии технического прогресса.

В июне этого года объем производства цемента в России составило 4.7 млн тонн в месяц, что несмотря на кризисные явления, несколько выше, чем в тот же период 2013 года. Выросли и объемы производства цемента «сухим» способом.

Дальнейшее развитие этого наиболее интересного с точки зрения экономики и экологии способа производства цемента в России будет зависеть от трех обстоятельств.

Первое - какую позицию займет государство. Последние несколько месяцев по рынку ходит упорный слух, что с 1 января 2016 года на крупнейшие федеральные и региональные стройки цемент смогут поставлять только те заводы, которые производят его «сухим» способом.

Второе обстоятельство - развитие конкуренции на рынке. «Можно ожидать, что постепенно мы придем к такому положению вещей, когда потребители просто не будут покупать продукцию тех компаний, которые злостно нарушают экологическое законодательство. И у них не останется выбора: либо они разорятся, либо будут перестраивать свою работу. Понятно, что на это потребуются годы, но такова общемировая тенденция», - говорит ведущий эксперт УК «Финам менеджмент» Дмитрий Баранов.

Третье обстоятельство - оборудование.

Отечественная промышленность оборудование для «сухого» способа изготовления цемента не производит вообще. Поэтому на «Невьянском цементнике» еще с 1980-х работают технологии японских компаний Onoda и Kawasaki, Верхнебаканский цементный завод комплектуется датской компанией FLSmidth, на «Мордовцементе» используются фильтры General Electric.

Потому сейчас необходимо или срочно создавать производство такого оборудования в России, что пока еще возможно по отдельным позициям либо полностью обнулять ввозные пошлины на него.

«Минприроды подготовило ряд законопроектов в части изменения нормирования воздействия на окружающую среду за счет внедрения лучших доступных технологий, основанных на последних достижениях науки и техники. Важным условием их успешной реализации должны стать экономические стимулы. Предприятия, активно инвестирующие в модернизацию, энергосбережение, экологически чистые технологии, вправе рассчитывать на преференции. Например, затраты на проведение природоохранных мероприятий должны учитываться при определении платы за негативное воздействие на окружающую среду. Предприятиям, вставшим на путь модернизации, необходимо льготное кредитование и налоговые послабления», - считают в «Евроцемент групп».

Заключение

Очевидно, что разумное сочетание карающих и поощряющих методов, используемых государством, должно подтолкнуть производителей цемента к строительству новых «сухих» заводов и постепенному выводу «мокрых» производств из эксплуатации. Возможно, через три-пять лет этот процесс примет в России необратимую форму.

Текст: Владимир Иванов, Сергей Санников

Производство цемента относится к рентабельным, но затратным и энергоемким отраслям, требующим значительных первоначальных вложений. С приобретением оборудования проблем не возникает, надежные и доступные комплексы с единым циклом поставляет Китай. Выбор технологии зависит от вида используемого сырья и тепловых мощностей завода, в настоящее время цемент изготавливают сухим, мокрым и комбинированным способом, первый из них считается самым экономичным.

Простейшая схема включает следующие действия:

Добыча и транспортировка сырья.
Помол и подготовка компонентов.
Обжиг клинкера.
Помол до порошкообразного состояния, ввод гипса и других примесей.
Фасовка.

На первые три этапа приходится до 75 % от общей величины затрат на производство цемента: чем ближе расположен карьер, тем ниже себестоимость выпускаемой продукции.

Обзор способов производства

Основные отличия заключаются в подготовке клинкера – смеси из известняков и глин, обеспечивающих преобладание силикатов кальция. Чем выше их доля в составе, тем качественнее получается вяжущее, к примеру, в портландцементе она достигает 80 %. Размол и смешивание компонентов проводится разными методами: измельчением в воде, в сухом состоянии с помощью воздуха или совмещением этих процессов. К нетрадиционным методикам подготовки сырья относят производство бесклинкерного вяжущего по так называемой холодной технологии без длительного обжига.

1. Особенности мокрого способа.

Суть этого варианта заключается в раздельной первичной обработке сырья: мела, глины, конверторных шламов или других содержащих железо добавок. Их дробят на фракции до 10 мм и замачивают в воде. Влажность у каждого компонента своя: у глины – в пределах 20 %, мела – 29, шлама – до 70. Их соединение и перемешивание происходит на мельнице в состоянии суспензии до максимальной однородности. Итоговая влажность полученной массы лежит в пределах 30-50 %, в таком виде она поступает в шлюмбассейн для контроля и корректировки состава, после чего подается в печь для обжига.

Мокрый способ использовался практически на всех заводах бывшего СССР, его основным плюсом является возможность корректировки состава и контроля за характеристиками. Шихтовая масса на выходе имеет однородную структуру, что положительно сказывается на качестве цемента. К недостаткам относят значительные затраты на подготовку клинкера: фракции проходят стадию дробления 2-3 раза, размачиваются в болтушках, перемешиваются в мельнице, и долго выпариваются, на все это процессы уходит много энергоресурсов.

2. Преимущества сухого изготовления.

Все исходные компоненты дробятся без смачивания, их высушивают в сепарационных барабанах перед поступлением на мельницу. После помола сухая смесь (влажность не превышает 1 %) подается в силосные станции, где одновременно проводится окончательное смешение с помощью сжатого воздуха и корректировка химического состава. Формировка клинкера происходит в шнеках, из-за ввода насыщенной водой глины его влажность не нулевая, но перед обжигом она не превышает 13 %. Это позволяет снизить тепловые расходы на испарение из него воды в 1,5-2 раза. Однородность смешивания при этом остается высокой, способ идеально подходит для портландцемента и других качественных сортов.

Сухой метод подразумевает применение печей любого типа, но максимальный эффект наблюдается при обжиге во вращающихся и шахтных агрегатах. Главным преимуществом является возможность проведения декарбонизации компонентов вне основной зоны нагрева, в идеале – за счет использования энергии уходящих газов. Подразумевает включение в схему циклонных теплообменников перед декарбонизатором, в печь клинкер поступает уже без углекислот и предварительно подогретый. Это позволяет уменьшить зону нагрева у шахтных печей, размеры оборудования и занимаемую им площадь.

Сухая технология – наиболее экономичный способ производства, остальные стадии проводятся по стандартной схеме (обжиг, охлаждение, помол, добавление гипса и примесей, фасовка). Он требует тщательной подготовки сырья – достижения однородности. Воду добавляют исключительно с целью корректировки состава и получения удобных для запекания гранул, вся нагрузка по смешиванию приходится на системы подачи сжатого воздуха.

3. Комбинированная схема.

Возможны два варианта совмещения мокрого и сухого способа: подготовка и перемешивание шлама во влажном состоянии с последующим выпариванием до 18 %, или дробление и соединение по второй технологии с вводом незначительной доли воды для формирования гранул размером около 10-15 мм. В первом случае в схему включают специальные фильтры-испарители, для обжига чаще всего используется вращающаяся печь. Заключительные этапы ничем не отличаются от мокрого и сухого способа.

4. Бесклинкерное изготовление.

В качестве сырья помимо известняка применяются не глины, а отходы металлургической промышленности: доменные шлаки, зольная пыль. Дорогостоящее производство клинкера, обязательное для портландцемента, пропускается, все компоненты смешиваются в сухом виде и подвергаются расплаву. Полученный шлак размалывается до порошкообразного состояния и соединяется с активными и зольными добавками. Производство бесклинкерного цемента сухим способом (еще один термин – «холодным») позволяет значительно снизить затраты на термообработку. В отличие от клинкера, обжигаемого довольно длительное время в печах при температуре не ниже 1400°, шлак расплавляется в разы быстрее.

К плюсам относятся сокращение расходуемых энергоресурсов и линии оборудования, возможность переработки отходов металлургии и упрощенная схема подготовки и обработки сырья. Бесклинкерное изготовление выигрывает у традиционного в плане экологичности и себестоимости в 2-3 раза. Получаемое вяжущее придает бетону особую стойкость к износу и воздействию агрессивных сред. Дополнительным преимуществом служит более низкая температура гидратации растворов на их основе. Качество продукции при проявляется лишь при условии тонкого помола шлаков и тщательной дозировки компонентов.

Целесообразность собственного производства

В домашних условиях приготовить качественный цемент невозможно, размолотые и растворенные в воде известняк и зола пригодны разве что для замазки швов или фиксации мелких деталей (при условии добавления жидкого стекла). Для создания вяжущего, соответствующего нормам ГОСТ, и с маркой прочности выше М200 требуется линия оборудования, включающая дробилки, транспортеры для подачи сырья, мельницы, дозаторы, сортировочные, гранулирующие, клинкерную и шнековые машины, барабанную печь, охладитель и пакетирующие станки. Для обслуживания цементного завода требуются силы как минимум 40 человек, характерно высокое потребление энергоресурсов.

Основным поставщиком оборудования является Китай, фирмы-реализаторы предлагают как отдельные машины, так и полностью укомплектованные линии. Претензий к надежности агрегатов и качеству изготавливаемого портландцемента нет. Начальная стоимость мини-завода составляет не менее 1000000 рублей, для размещения потребуется площадь от 30000 м2. Но несмотря на значительные первоначальные вложения этот бизнес относится к рентабельным из-за востребованности данного стройматериала. Средняя себестоимость 1 т цемента – от 800 до 1000 рублей, а реализации – от 3500 до 4000.

Рентабельность во многом зависит от качества и доступности сырья, близости карьеров и степени развития маркетинговой сети. При полном цикле заводы выпускают от 330 т/сутки, что означает свыше 60000 рублей чистой прибыли в день.

Учитывая, что строительный материал – цемент, разных марок, является строительным материалом, без которого невозможно ни одно строительство, многих застройщиков и покупателей интересует схема его производства и нюансы изготовления.

Схема производства цемента

Это отработанный многими десятилетиями процесс, который имеет несколько принципиально новых способов, состоящих из следующих основных этапов:

Разработка, добыча, доставка и обогащение исходных материалов: известняковых и глиноземных пород для производства клинкера;
Получение клинкера. Является одним самых энергозатратных, поэтому самых дорогостоящих этапов схемы производства цемента. В частности на осуществление этого этапа приходится до 75% затрат на производство цемента. В общем случае технология производства клинкера выглядит так: подготовленную смесь компонентов заливают водой, дают отстояться в течение определенного периода времени, после чего начинается термическая обработка в печах при температуре до 1 500 градусов Цельсия. При этом исходные компоненты клинкера спекаются в виде гранул определенной фракции;
Измельчение клинкера. На этом этапе происходит мелкодисперсное измельчение гранул клинкера и введение присадок, которые определяют специальные свойства и марку цемента. По сути это конечный этап схемы изготовления цемента, который оканчивается фасовкой данного материала в мягкие контейнеры Биг-Бены, бумажные многослойные клапанные мешки или транспортировкой в силосы для последующей реализации «навалом».

Технологическая схема производства цемента

На данный момент времени цемент изготавливается по нескольким принципиально разным технологиям, имеющим свои принципиальные преимущества и недостатки.

Так называемый мокрый способ производства цемента, широко использующийся отечественными цементными заводами. Является самой энергозатратной. Суть схемы заключается в загрузке компонентов цемента в специальное оборудование, в водную среду. После выдержки в воде компоненты цемента поступают в мельницу, которая измельчает их в порошок. Полученный таким образом полуфабрикат транспортируется в специальный бассейн, корректируется по составу и в дальнейшем обжигается в специальной печи с последующим охлаждением. После контроля качества, данный продукт следует на измельчение до состояния товарного цемента;
Сухая технология. Принципиальное отличие от «мокрой схемы» заключается в том что после предварительного измельчения компоненты цемента направляются в осушительные барабаны, после чего перемешиваются и проходят дополнительное измельчение в мельнице. При этом на этапе измельчения в цемент вводятся добавки и присадки. Далее полученная масса направляется на обжиг, измельчение и упаковку. Одним из преимуществ этого способа получения портландцемента можно отметить возможность использования в качестве сырья зольную пыль и прочие отходы энергетического и металлургического производства. Сухая технология исключает: многоступенчатое дробление компонентов, снижает «добывающие» и транспортные затраты, а также расширяет выбор сырья для производства цемента;
«Полусухая» схема производства цемента. Данная схема отличается габаритами гранул клинкера, влажностью материала и технологией обжига. В частности масса компонентов для изготовления цемента обжигается в специальных печах «ЛЕПОЛЬ», которые при всех прочих равных условиях обеспечивают уменьшение уровня карбонизации конечного продукта на 22-23%;
Комбинированный способ производства цемента. В этом случает, происходит органичное сочетание нескольких технологий: «мокрой» и «сухой». С ответствующими преимуществами и недостатками.

В завершение данного повествования следует сказать, что цементные заводы, расположенные на территории Российской Федерации, по объективным причинам, используют исключительно «мокрую» схему производства цемента.

Какими бы шагами не шагал прогресс в различных отраслях производства и технологий, в строительстве лидирующие позиции стабильно принадлежат хорошо всем известному цементу. И хотя производство цемента – процесс трудоемкий, энергоемкий и затратный, окупаемость цементных заводов очень высокая.

С целью сокращения расходов данные предприятия, как правило, ставятся там же, где добывается сырье.

Основные способы производства цемента

Основой производства цемента является обожженная масса, именуемая «клинкер». Состав клинкера может быть разнообразным, поэтому о нем мы поговорим позже.

Весь технологический процесс производства цемента можно разделить на два основных этапа:

получение клинкера – наиболее затратный и трудоемкий процесс;
дробление клинкера до получения порошкообразной массы.

Само изготовление клинкера делится еще на четыре этапа:

сырье, из чего будет готовиться клинкер, добывается и доставляется к месту переработки;
сырье измельчается;
подготавливается сырьевая смесь в нужных пропорциях;
готовая смесь обжигается под воздействием высоких температур.

1.1 Способы получения цемента подразделяются на три основных группы:

мокрый;
сухой;
комбинированный.

Выбор одного из них зависит от тепловой мощности предприятия и качества сырья.

1.2 Мокрый способ

Главное достоинство такого способа заключается в том, что, из чего бы ни делался клинкер, на сколько бы неоднородное сырье не бралось изначально, мокрый способ позволяет точно подобрать нужный состав шлама.

Шлам, в данном случае, представляет собой жидковатую киселеобразную массу с содержанием до 40% воды. Его состав корректируют в специальных бассейнах, а затем обжигают во вращающихся печах при температуре выше 1000ºC .

Мокрый способ требует большего расхода тепловой энергии, однако позволяет изготавливать цемент высшего качества, благодаря отсутствию влияния неоднородности шлама на конечный продукт.

2 Сухой способ

Сухой способ требует, чтобы любое сырье обрабатывалось без использования воды. В данном случае глину, известняк и прочие компоненты дробят, затем перемалывают до состояния пыли и смешивают с помощью подачи воздуха в закрытых боксах.

При изготовлении цемента сухим способом, в печи на обжиг попадает уже готовое сырье, не имеющее, к тому же, водяных испарений. Следовательно, после термической обработки, мы получаем готовый цемент, не требующий дробления.

Сухой способ значительно уменьшает затраты времени, тепловой энергии и других ресурсах. Он очень выгоден и эффективен при высокой однородности шлама.

2.1 Комбинированный

В основу производства может быть положен мокрый способ и дополнен сухим, или сухой, дополненный мокрым.

В тех случаях, когда в основе лежит мокрый способ, сырье после смешивания обезвоживают специальными сушилками с фильтрами и отправляют в печь почти сухим. Это позволяет уменьшить затраты тепловой энергии, так как значительно уменьшает испарение в процессе обжига. Если в основе производства клинкера лежит сухой способ, готовую смесь гранулируют с добавлением воды.

В обоих случаях клинкер попадает в печь с влажностью от 10 до 18%.

2.2 Бесклинкерный способ производства

Кроме перечисленных выше традиционных способов, производство цемента может происходить бесклинкерным способом. В данном случае сырье представляет собой доменный или гидравлический шлак, который соединяют с дополнительными компонентами и активаторами. На выходе получается шлако-щелочная смесь, которую дробят и перетирают до нужной консистенции.

Бесклинкерная технология производства цемента обладает следующими положительными качествами:

конечный продукт устойчив к любым условиям окружающей среды;
значительно сокращаются затраты тепловой энергии и прочие энергозатраты;
отходы металлургической промышленности используются как сырье для качественного производства цемента, что положительно влияет на чистоту окружающей среды;
дает возможность производить конечный продукт с различными свойствами и в разных цветах без изменения способа производства.

2.3 Производство цемента (видео)

2.4 Оборудование для производства цемента

Поскольку весь процесс производства делится на этапы, которые по своей сути сильно отличаются друг от друга, то и оборудование для получения цемента требуется разнопрофильное. Его можно разделить на следующие подгруппы:

техника для добычи и транспортировки сырья;
для дробления и складирования ;
печи для обжига;
станки для измельчения и смешивания клинкера;
станки для фасовки готового цемента.

Поскольку производство цемента производится разными способами, и сырье используется разное, оборудование на заводах так же может быть разным.

В последнее время большой популярностью пользуются частные мини заводы по производству цемента. Иногда его даже изготавливают в домашних условиях, но об этом мы поговорим позже.

Все дело в том, что оборудование для таких заводов стоит не очень дорого, устанавливаться они могут на относительно небольших площадях, а окупают себя поразительно быстро.

К тому же сборка, разборка и транспортировка производственной линии не вызывает трудностей. Поэтому устанавливать частный завод можно на любом неперспективном сырьевом месторождении, а, выработав его, перевозить в другое место. Такой вариант освободит производителя от задачи транспортировать сырье, что позволит значительно экономить.

2.5 Из чего состоит производственная линия?

Шнековые дробилки. Предназначены для грубого дробления и измельчения сырья.
Молотковые дробилки.
Грохоты или вибрационное сито. Нужно для просеивания дробленого материала.
Устройство подачи материала на первый этап.
Транспортеры. Выполняют функцию подачи сырья к следующему этапу.
Машина для сортировки.
Молотильная и молотильно-дозировочная машины.
Мельница с жерновами.
Станок для смешивания шлама.
Вращающаяся барабанная печь.
Сушильная установка.
Холодильная установка.
Мельница для клинкера.
Ковшевой элеватор с подающими шнеками.
Весовое и упаковывающее оборудование.

3 Изготовление качественного цемента в домашних условиях

В некоторых случаях, когда нужно делать бетонную стяжку, а за цементом ехать далеко, народные умельцы берутся изготавливать цемент в домашних условиях. Отметим сразу, что процесс изготовления цемента в домашних условиях – процесс очень трудоемкий и требует серьезного оборудования и навыков.

Не надейтесь, что качественный продукт получится у вас с первого раза. До получения настоящего цемента вам придется испортить не один десяток килограммов материала.