Способы производства керамзитового гравия
Технологический процесс производства керамзитового гравия складывается из карьерных работ, обработки глины, формования гранул, сушки гранул, обжига керамзита, охлаждения керамзита и сортировки керамзита.
Карьерные работы при производстве керамзита не имеют какой-либо специфики. Можно лишь отметить, что вопросы усреднения состава глины путем ее промежуточной экскавации имеют еще большее значение, чем при производстве стеновой керамики.
В зависимости от методов обработки глины и приготовления гранул различают три способа производства керамзита: сухой, пластический и шликерный. Решающее значение на выбор способа производства оказывают свойства сырья.
1. Сухой способ При сухом способе глиняные гранулы не формуются, а образуются дроблением и рассевом карьерной глины. По этому способу можно и целесообразно получать керамзит из камнеподобных, сланцевых хрупких глин, трудно размокающих в воде. При дроблении такие глины дают объемную крошку с относительно небольшим выходом мелочи — до 15%. Если глины обладают ярко выраженной спайностью и при дроблении дают большое количество «лещади» — тонких пластинок, то для производства керамзита они не пригодны, так как лещадь практически не вспучивается. Кроме того, эти глины не должны содержать включений известняка, ибо при этом способе удалить их из глины невозможно.
Типичная для сухого способа схема подготовки гранул такова:
Ящичный подаватель IЭ
Зубчатые вальцы I
Сушильный барабан I
Грохот
Вращающаяся печь
Гранулы подсушивают лишь при карьерной влажности глины >8%. При грохочении дробленой глины ее надо рассеивать по фракциям с тем, чтобы в последующем каждую фракцию обжигать в отдельной печи, так как режим обжига должен быть дифференцированным в зависимости от крупности фракции.
Сухой способ наиболее экономичен по капиталовложениям и эксплуатационным затратам. Однако возможность его применения ограничена, так как месторождения камнеподобных высоковспучивающихся глин встречаются крайне редко, а повышать вспучиваемость таких глин введением добавок при этом способе невозможно.
2. Пластический способ
По этому способу гранулы формуют из пластичной глиняной массы. Его целесообразно применять для глин с рыхлой и плотной структурой, намокающих в воде, когда карьерная их влажность ниже нормальной формовочной влажности. Содержание каменистых включений в глине не должно превышать 10%, а включения известняка по размерам не должны быть больше 1 мм.
Типичная схема подготовки гранул при этом способе такова:
Ящичный подаватель с рыхлителем
Дезинтеграторные вальцы
Двухвальная глиномялка
Дырчатые вальцы перерабатывающие
Дырчатые вальцы формующие
Сушильный барабан
Глина
Твердые добавки
Жидкие добавки
Вращающаяся печь
На многих действующих заводах установлены только дырчатые вальцы, которые одновременно являются и перерабатывающими и формующими. Однако практика показала, что в этом случае гранулы получаются с посеченной поверхностью и, как следствие, пониженной прочности.
Первые керамзитовые предприятия в нашей стране в качестве формующей машины применяли не дырчатые вальцы, а ленточные прессы (некоторые из них работают так и в настоящее время). Замена ленточных прессов дырчатыми вальцами была вызвана тем, что при наличии в глине включений перфорированная решетка пресса часто засорялась. Кроме того, дырчатые вальцы являются машиной более компактной и легкой: их можно монтировать на этажерках и перекрытиях этажей, в то время как для ленточных прессов необходим массивный фундамент. Однако в настоящее время выявился и существенный недостаток дырчатых вальцов как формующей машины — длина гранул не может регулироваться и, как правило, получаются гранулы с большим коэффициентом формы, понижающим прочность керамзита. Ленточные прессы дают возможность получать гранулы заданной длины, т. е. регулировать коэффициент формы керамзита. Однако в связи с тем, что в ГОСТ 9759—61 величина коэффициента формы не регламентировалась, большинство керамзитовых предприятий продолжает формовать гранулы на дырчатых вальцах.
Гранулы перед обжигом сушат не всегда. В некоторых случаях отмечается повышенная вспучиваемость гранул при их поступлении в печь непосредственно с формовочной машины без предварительной сушки. Однако такая технология применима только при высокой трещиностойкости глин в сушке и высокой их вспучиваемости. В последнем случае, если гранулы в печи даже разрушатся, то их осколки все равно будут вспучиваться, давая легкий керамзит. Осколки гранул из средне- и слабовспучивающихся глин в обжиге почти не вспучиваются и заметно утяжеляют керамзит. Отсутствие предварительной сушки гранул неудобно еще и потому, что формовочное отделение должно работать в три смены, а перебои в работе формовочного оборудования немедленно вызывают нарушения в работе печи.
Пластический способ является более сложным и дорогим, чем сухой, но зато допускает использование глин более распространенных разновидностей и дает возможность вводить в глину добавки, повышающие ее вспучиваемость. Поэтому он получил преимущественное распространение.
3. Шликерный способ
При шликерном способе отсутствует операция формования гранул: во вращающуюся печь подают глиняный шликер и формирование гранул происходит самопроизвольно в самой печи.
Шликерный способ целесообразно применять при высокой карьерной влажности глин, когда она выше формовочной, для глин, природную структуру которых трудно разрушить методами пластической переработки, при добавках высоковязких глин и при содержании каменистых включений в глине более 10%.
Схема подготовки гранул по этому способу такова:
Ящичный подаватель с рыхлителем - Дробилка - Глиноболталка - Холодная вода - К дымососу - Электролиты, твердые добавки - Шламбассейн - Насос - Ковшовый питатель - Скруббер - Горячая вода - Насос - Газы - Вращающаяся печь
Для первичного дробления глины могут применяться дезинтеграторные вальцы, валково-зубчатые дробилки и дисковая глинорезка конструкции Обуховского ДСК (Ленинград) . Этот комбинат впервые в нашей стране осуществил шликерный способ производства керамзита с использованием глиноболтушки типа «Полизиус», распространенной в цементной промышленности. Емкость такой глиноболтушки составляет 35 мг. Электролиты (жидкое стекло и сода) для разжижения шликера добавляют непосредственно в глиноболтушку. Для кембрийской глины они дают возможность снизить влажность шликера с 65—70 до 49—55% с сохранением его консистенции. Длительность перемешивания при указанных влажностях составляет 3 ч, а с понижением влажности до 45—48% она возрастает до 4—4,5 ч. Подготовленные твердые добавки также вводятся в глиноболтушку. Пиритные огарки, содержащие анионы сернистых окислов, блокируют разжижающее действие электролитов, что делает необходимым повышение влажности шликера. В связи с этим в настоящее время разрабатывается вопрос о предварительной промывке пиритных огарков перед загрузкой в глиноболтушку.
Приготовленный в глиноболтушках шликер должен иметь текучесть до 10 сек и растекаемость 65—75 мм определяют на приборе МХТИ ТН-2 . Для перекачивания шликера наилучшими оказались насосы типа ШН-150.
Запас подготовленного для обжига шликера хранится в специальных емкостях-шламбассейнах. Бассейн цилиндрический, с диаметром в свету 4,3 м, высотой 10 м и рабочей емкостью 90 м3. Мешалка с 5,5 оборота в 1 мин не обеспечивает достаточно интенсивного перемешивания, предотвращающего оседание твердой части шликера. Более надежными средствами являются барботаж посредством нагнетания компрессором в бассейн сжатого воздуха через центральную перфорированную трубку либо непрерывная циркуляция шликера путем его перекачки насосами.
Использование горячей воды от скубберной очистки отходящих печных газов для распускания глины в глиноболтушках возможно только в том случае, если печь работает на природном газе и в составе шликера не содержится компонентов, выделяющих при обжиге сернистые окислы.
Шликерный способ дает возможность использовать наибольшее количество разновидностей глин. Размораживать глины можно в глиноболтушках, поэтому отпадает необходимость утеплять карьеры и склады глины, разрабатываемые в зимнее время. Значительно упрощается при шликерном способе очистка глины от каменистых и карбонатных включений. Керамзит получается более легким, чем при пластическом способе.
Недостатками этого способа являются повышенный расход топлива и пониженная производительность печей (примерно на 30%); керамзит получается более мелким, чем при пластическом способе. Последнее в отдельных случаях является достоинством этого способа.
4. Обжиг керамзитового гравия
Керамзитовый гравий обжигают во вращающихся однобарабанных и двухбарабанных печах. Наибольшее распространение получили однобарабанные печи трех типоразмеров 40x3,5, 22X2,3 и 12 X 1,2 ж. Очень редко используют печи других типоразмеров с максимальной длиной 60 м.
Процессы, происходящие в 40-метровой вращающейся печи при обжиге недосушенных глиняных гранул, представлены на совмещенной диаграмме. На этой диаграмме можно выделить четыре технологических зоны: сушки, подогрева, вспучивания и отвердевания. Кривая 1 указывает, что основное количество гигроскопической влаги удаляется на длине 11 м при температуре материала до 100° С. Потерь при прокаливании (кривая 3) в этой зоне не происходит, а объемный вес материала (кривая 4) понижается медленно, исключительно за счет подсушки гранул. Температура газов (кривая 5) этой зоны довольно высока — 700—850° С, однако вследствие того что гранулы поступают в печь сырыми, их температура повышается довольно медленно (кривая 2). Зона подогрева занимает в данном случае 15 м. В ней удаляются остатки гигроскопической (связанной) влаги, полностью удаляются потери при прокаливании, а материал подогревается со 100 до 875° С при температуре в печи 850—1100° С. Объемный вес гранул продолжает монотонно понижаться за счет удаления остатков гигроскопической и гидратной влаги и некоторого количества летучих веществ. В зоне вспучивания на коротком участке — 8 м происходит почти скачкообразное понижение объемного веса гранул с повышением температуры материала до 1125° С. Затем в этой же зоне на последнем ее участке длиной 4 м температуры газов и материала продолжают оставаться стабильными, а объемный вес гранул несколько понижается, поскольку масса их в этой зоне находится в пиропластическом состоянии. Зона отвердевания очень короткая, всего 2 м. В ней происходит понижение температуры материала от конечной (1125° С) до 1025° С и соответственное понижение температуры газов. Иногда в этой зоне понижение температуры газов опережает падение температуры материала.
Для многих глин представляется необходимым замедлить подъем температуры в зоне подогрева и поднимать ее в этой зоне лишь до 400—600° С с тем, чтобы сохранить в материале полностью его газотворную способность для зоны вспучивания. В этом случае' кривая температуры материала примет четко выраженный ступенчатый характер. Обжиг по кривой с медленным подъемом температуры в зоне подогрева и быстрым в зоне вспучивания называют иногда ступенчатым (или двухстадийным) обжигом. Для осуществления такого режима нужно располагать возможностью регулировать параметры процесса по длине печи. В известных пределах в однобарабанных печах режим можно обеспечить изменением длины факела за счет конструкций горелок, изменением интенсивности загрузки материала в печь, устройством в футеровке подпорных колец, оборудованием «холодного» конца печи теплообменными устройствами и применением здесь ребристой футеровки. Однако все эти средства дают возможность регулировать режим обжига в весьма ограниченных пределах.
Гораздо большими возможностями технологического маневрирования обладают двухбарабанные печи. В них длинный барабан малого диаметра предназначен для сушки и подогрева гранул, а короткий барабан большого диаметра—для их вспучивания. Каждый барабан имеет самостоятельный привод, благодаря чему создается возможность раздельно регулировать скорость продвижения материала. Увеличение диаметра барабана вспучивания дает также возможность повысить в нем тепловую мощность и поэтому придать кривой нагрева более четкий ступенчатый характер.
Двухбарабанные печи эксплуатируются в нашей стране на нескольких заводах и показали хорошие результаты [114]. Исследования температурных кривых в этих печах подтвердили, что в них действительно достигается сту-пенчатый температурный режим обжига керамзита
Весовая производительность вращающихся печей при обжиге керамзита может быть определена по следующей эмпирической формуле [115]:
G = 8,25 AL — 825 кг/ч, (91)
5. Охлаждение керамзита
Во время охлаждения обожженного керамзита в гранулах вследствие малой их теплопроводности возникает зна-чительный температурный перепад, наличие которого влечет за собой появление термических напряжений. Их величина зависит от режима охлаждения. Исследования этого вопроса показали, что от конечной температуры обжига до 800—850°С керамзит можно охлаждать быстро, а в интервале 850—400° С охлаждение должно быть медленным. В действительности пока охлаждают керамзит в холодильниках с нерегулируемым режимом.
Наибольшее распространение для охлаждения получили барабанные холодильники, основным достоинством которых является надежность в работе. Однако присущие им низкие интенсивности теплообмена и, как следствие, громоздкость обусловливают стремление заменить их более компактными холодильниками. С этой целью были опробованы беспровальные цепные механические решетки (БЦРМ), применяемые в механизированных топках для слоевого сжигания угля. Однако в качестве холодильников к вращающимся керамзитообжигательным печам они оказались неработоспособными — ломались и выходили из строя.
На заводах, построенных в последние годы, применены шахтные холодильники в сочетании с пневмотранспортом керамзита. При этом в самом холодильнике керамзит охлаждают до 400— 500° С продувкой холодного воздуха, последующее охлаждение происходит при его пневмотранспорте. Для интенсификации процесса охлаждения в пневмотранспортном тракте применяют туманное охлаждение, подавая в сеть вместе с воздухом распыленную воду. Недостатком такого охлаждения является то, что при пневмотранспорте керамзита частично разрушается оболочка гранул, а часть их оказывается расколотыми.
На некоторых заводах работают самотечные шахтные холодильники, а на Бескудниковском комбинате (Москва) керамзит охлаждают в аэрожелобе.
6. Сортировка и складирование керамзита
Сортируют керамзит по фракциям различных размеров. Для этой цели применяют серийного выпуска гравиемойки, устанавливаемые, как правило, на перекрытии склада готовой продукции. На некоторых заводах сортировочное устройство агрегируется с барабанным холодильником, составляя его выходную часть. Такое решение повышает компактность технологического оборудования, но оно применимо только при барабанных холодильниках.
Склады готовой продукции на вновь строящихся заводах предусматриваются только закрытые, преимущественно силосного типа. Это обусловлено тем, что по ГОСТ отпускная влажность керамзита не должна превышать 2%, а ее можно обеспечить только в закрытых складах.
7. Техника безопасности
Специфическими вредностями в производстве керамзита являются большие тепло- и пылевыделения, а также наличие горячих поверхностей. В целях охраны труда все горячие поверхности оборудования должны быть изолированы. Головку и корпус вращающейся печи следует экранировать, места пылевыделения — оборудовать аспирацией, а производственные помещения — приточно-вытяжной вентиляцией.
