Производња цемента

Садржај

1. Цемент

2. Производни процес

3. Сировине за производњу цемента

4. Литература I iзвори

Производња цемента

1. ЦЕМЕНТ

Цемент је минерално везиво , чија је претежна примјена у грађевинарству као везиво природних или умјетних агрегата за производњу бетона и малтера. Цемент је заједнички назив за сва везива са изразито хидрауличким својствима, што значи да вежу и стврдњавају у додиру са водом, свеједно да ли се налазе у зраку или под водом, јер с реакцијом са водом дају стабилне или не топљиве продукте ( све врсте ценемта и хидраулично вапно). За разлику од нехидрауличних везива која вежу и стврдњавају дјеловањем воде на зраку, а под водом не могу очврснути, јер су им продукти реакција топљиви спојеви и нестабилни у води ( глина, вапно, гипс). Ријеч „цемент“ долази од латинске ријечи „caedare“= ломити, и „lapidem“=kamen. То је најважније минерално везиво, које помијесано са водом даје бетон.

Цемент се према своме минералном саставу дијели на двије врсте:

- силикатни ценемти,

- алуминатни цементи.

Силикатни цементи су они код којих су главни минерали клинкера силикати, а према саставу се могу подијелити у подгрупе:

- чисти Портланд цемент,

- Портланд цемент са додацима,

- пуцолански цемент,

- металуршки цемент,

- мијешани цемент,

- бијели цемент.

Алуминатни цементи се дијеле на цементе опште намјене, међу које спада већина силикатних цемената и на цементе посебне намјене или специјалне цементе гдје спадају:

- цементи ниске топлине хидратације,

- сулфатно отпорни цементи,

- бијели цемент,

- алуминатни цемент.

2. ПРОИЗВОДНИ ПРОЦЕС

Типичан процес производње цемента укључује следеће фазе:

Експлоатација минералних сировина,

- Припрема минералних сировина за производњу клинкера,

- Мијешање минералних сировина и производња клинкера,

- Мљевење клинкера,додавање адитива, паковање цемента

Експлоатацијом минералне сировине, бушењем и минирањем, или стројним ископом, добија се материјал широког гранулометријског састава и неједноликог хемијског састава. Величина зрна може се кретати од неколико милиметара па до 1,5 или више метара, а хемијски састав варира како се просторно мијења састав земљишта.

Потребан гранулометријски састав сировине разликује се како се разликују постројења за производњу цемента, а зависи од кориштених дробилица. Најчешће су каменоломи повезани у производни процес и дробилице се налазе у склопу постројења за производњу цемента, међутим постоје и случајеви гдје је потребно претходно прилагодити гранулометријски састав и типичнији је захтијев да зрна материјала буду у распону 30-150мм.

Уједначен хемисјки састав монералне сировине врло је важан за квалитет и особине цемента, због тога се минерална сировина претходно предхомогенизира. Ово се постиже узимањем узорака из минских бушотина ради хемијске анализ, чиме се добијају подаци о расподјели хемијског састава стијенске масе. Код повољног распореда минералних супстанци у налазишту, одминирана сировина се може хомогенизирати већ при утовару и транспорту. Или се ипак предхомогенизација одвија у депонијама тако што се сировина депонује вертикално у слојевима, а експлоатира сјечењем хоризонталних слојева.

Овако хомогенизиран и гранулометријски обрађен материјал чини улазни материјал постројења у производњи цемента.

Даљи процес се састоји од мљевења потребних сировина на величину зрна типично испод 90μм, те дозирање и мијешање истих сировина, чији однос зависи од састава сировине те врсте цемента који се производи. Из овако припремљене мјешавине, на високој температури (1400-1500°C) у ротационој пећи настаје клинкер.

Ротациона пећ је у основи челична цијев пречника неколико метара и дужине

50-200 метара, изнутра обложена високотемпературним циглама. Благо је нагнута на једну страну и са доње стране опремљена пламеником, док горњи крај чини отвор за убацивање сировине. Ротација око подужне осе узрокује постепено мијешање материјала са вишег, хладнијег краја према нижем, топлијем, гдје се испушта и хлади.

Уротационој пећи се одвија низ реакција, од којих су неке врло комплексне (евапорација волатиле, калцинација, синтерирање, таљење, и сл.), а њихов продукт су грануле клинкера, тамно снеђе боје и величине 1-25мм. Добијени клинкер се тада меље на димензије цемента уз истовремено добијање гипса и евентуално других додатака.

Типични савремени процес производње цемента приказан је на слици 3. Ради се о сухом поступку производње цемента у ротационој пећи, са предгријачем и предкалцинатором.

Ситне честице мљевене и мијешане сировине у сухом стању загријавају се у торњу за предгријавање или предгријачу. Предгријач је низ од 4-5 аероциклона гдје сировинско брашно пролази кроз противструју врућег зрака , створену користећи топлину пећи и топлину хлађења клинкера. На тај начин омогућен је врло ефикасан пренос топлоте на честице сировине , која се при томе дјелимично клинцира и ослобађа од влаге прије уласка у ротациону пећ. Након изласка из пећи, клинкер се

хлади у уређају за хлађење, а топлина добијена хлађењем се поново користи у торњу за предгријавање.

Најновије достигнуће у производњи овим путем је предкалцинатор, уређај који функционише на истом принципу као и предгријач, а налази се изнеђу предгријача и пећи. Овдје се уз додатак горива постижу веће температуре, те се прије уласка у пећ калцинира 80-90% сировине.

Постоје и други поступци производње цемента а разликују се управо у горе описаном сегменту (врста пећи, предгријач и предкалцинатор, врста хлађења на сухо или мокро стање суспензије). Први поступак производње цемента био је мокри поступак, гдје суспензија сировине и воде улази непосредно у пећ без предгријавања, а а предност му је била технолошка једноставност мијешања сировина у облику водене суспензије. Овај поступак се напушта због мале енергетске учинковитости, наиме код мокрог поступка се доста енергије троши на евапорацију воде из суспензије, а топлина из пећи и хлађења клинкера се не „рециклира“ у торњу за предгријавање. Из специфичне потрошње енергије за поједине поступке производње, приказане у табели 1, видљиво је да савремени поступци имају значајно већу енергетску учинковитост.

Табела 1: Потрошња енергије за различите поступке производње цемента

Састав пећи Специфична потрошња горива (МЈ/тони клинкера)

Мокри ( конвекционални ) 6000-6500

Сухи поступак у дугој пећи до 5000

Савремени мокри и полу мокри поступак 4000-4800

( предгријач и предкалцинатор )

Полу мокри ( роштиљни предгријач ) 3700

Полу сухи ( роштиљни предгријач ) 3300

Сухи ( предгријач ) 3500-4000

Сухи ( предгријач и предкалцинатор ) 2900-3300

Теоријска топлина реакције 1700-1800

Слика 1: Модерни поступак производње цемента

Осим ротационих пећи, за производњу цемента користе се и вертикалне (шахтне) пећи гдје није потребно мљевење сировине, већ само дробљење јер клинкер настаје таљењем, док је код ротационих пећи за настанак клинкера доминантно синтеризовање ситних мљевених цестица. Вертикалне пећи се користе за производњу неких врста специјалног цемената, међу које спада и алуминатни (назива се још и таљеним или бокситним цементом).

3. СИРОВИНЕ ЗА ПРОИЗВОДЊУ ЦЕМЕНТА

За производњу цемента употребљава се више врста минералних сировина, од којих су примарни кречњак и лапор, затим глина, пијесак, туфови, боксит, руде жељеза,

гипс и др. Такође се користи индустријски отпад попут талионичке троске и летећег пепела. Битно је да сировине буду извор минерала потребних за формирање клинкера или чак извор потребних адитива који се додају при мљевењу клинкера, а које сировине ће се користити зависи о доступности ових на неком подручју, те од врсте и особина цемента који се производи.

Основни хемијски спојеви који чине клинкер су калцијеви силикати, калцијеви алунимати и калцијеви алуминоферити. Ови спојеви чине четири најзаступљенија минерала у клинкеру, а то су: алит,белит, алуминат и ферит (Табела 2)

Из хемијског састава ових минерала видљиво је и који су оксиди најзаступљенији у клинкеру: калцијев оксид (СаО), силицијев диоксид (SiO2), алуминијев оксид (Al2O3), и оскид жељеза (Fe2O3). Важно је напоменути да ови оксиди у клинкеру не постоје као слободни оксиди, већ међусобно спајањем творе горе наведене минерале, иако у цементу може постојати мало удио слободног калцијевог оксида (живи креч-СаО).

Нотација у облику оксида користи се јер хемијска анализа као резултат даје садржај појединих оксида, па је тако могуће удјелом оксида изразити и састав, односно врсту цемента.

Табела 2: Четири основна минерала који творе клинкер

Назив

минерала

Приближна хемијска

формула

Запис у облику

оксида

Запис у хемији цемента

Удио у портланд

Клинкеру (%)

Алит Ca3SiO5

Тетракалцијев силикат

3CaOxSiO2 C3S 45-75%

Белит Ca2SiO4

Дикалцијев силикат

2CaOxSiO2 C2S 7-32%

Алуминат Ca3Al2O6

Тетракалцијев алуминат

3CaOxAl2O3 C3A 0-13%

Ферит 2(Ca2AlFeO5)

Тетракалцијев алумино-ферит

4CaOxAl2O3xFe2O3 C4AF 0-18%

Примарни минерал потребан за производњу клинкера је калцијев карбонат (СаСо3) који је високо заступљен у кречу и неким лапорима. То је разног зашто су ове сировине важне за производњу цемента. Основна реакција у производњи клинкера је калцијнација калцијевог карбоната у којој се он, при температури изнад 900°С у пећи, разлаже на угљен диоксид и калцијев оксид или живи креч (СаО).

Извор осталих главних оскида су већ споменуте сировине. Лапори су седиментне стијене које садрже глиновите минерале (20-80%) и калцит (80-20%), стога су добар извор СаСо3, SiO2, и осталих оксида. Постоје налазишта квалитетног лапора који већ природно садрже оптималан однос калцита и осталих минерала, те из таквих лапора клинкер портланд цемента производи без додатних сировина.

Гдје су примарне сировине недовољхог квалитета или се производе цементи посебних особина, потребно је комбиновати сировине како би се постигао жељени однос.

Гипс је такође честа сировина у производњи цемента, међутим не судјелује у реакцијама стварања клинкера у пећима, већ се додаје при мљевењу клинкера, а за сврху има регулисање времена везивања цемента тј, успорење (ретардант).

Утипичном Портланд цементу његов удио је 2-4%. Гипс се добија из руде или као продукт чишћења димних плинова термоелектрана (одсумпоравање). Уз гипс, чести додаци при мљевењу клинкера су и пуцолани, талионичка троска, кречњак. Талионичка троска, летећи пепео, и силицијска прашина чине индустријски отпад којим је могуће регулисати особине цемента, али њихова примјена има и велику предност са погледа очувања околине. Наиме, свјетска производња цемента је у порасту, а у производњи клинкера се користе велике количине енергије и при томе се СО2 добијен калцинацијом отпушта у атмосферу.Ови материјали, особинама слични клинкеру, служе као замјена за клинкер, те се њиховим додавањем производе цементи са мање од 40% клинкера у свом саставу. На тај начин се постиже уштеда енергије и сировина те мање емисије штетних плинова.

Табела 3: Примјер хемијског саставасировина за Портланд клинкер

Компонента Удио у сировини (%) Удио у мијешаној

Сировини (%)Кречњак Лапор Боксит

SiO2 0,77 30,51 14,61 13,58

Al2O3 0,26 3,60 50,81 3,87

Fe2O3 0,3 2,24 20,04 1,83

CaO 54,09 32,00 0,35 42,45

MgO 0,91 1,08 --- 1,27

TiO --- --- 2,10 0,18