Обжиг известняка

1.Характеристика химического продукта.  

  ИЗВЕСТЬ - вяжущий материал, получаемый обжигом и последующей переработкой известняка, мела и др. известково-магнезиальных горных пород. Чистая известь. - бесцветный продукт, плохо растворимый в воде (ок. 0,1% при 20 °С); плотность около 3,4 г/см3.

 В зависимости от химического состава и условий твердения известь подразделяют на воздушную, твердеющую в воздушно-сухих условиях, и гидравлическую, которая твердеет на воздухе и в воде.

 Воздушную известь  получают обжигом главным образом  известняка с малым содержанием  глины (до 8%) при 1100-1300 °С в шахтных или вращающихся обжиговых печах. При этом карбонаты, входящие в состав породы, разлагаются, например:

                                                СаСО3 = СаО + СО2.

 В зависимости  от содержания в породе MgO различают следедующие виды извести:кальциевую (содержит до 5% по массе MgO), магнезиальную (5-20%) и доломитовую (20-40%).

В зависимости от способа обработки обожженного  продукта получают

• негашеную комовую (кипелка),
• негашеную молотую
• гашеную (гидратную) известь, или пушонку,
• известковое тесто.

 Первая представляет  собой смесь кусков различной  величины, образующихся после грубого  помола продукта обжига. По химическому  составу она состоит из СаО и MgO с небольшой примесью неразложившегося при обжиге СаСО3, а также из силикатов, алюминатов и ферратов Са.

 Негашеная молотая  известь - продукт тонкого помола  комовой извести. 

Гашеная известь - высокодисперсный сухой порошок, получаемый при взаимодествии комовой или молотой негашеной извести с небольшим количечеством воды или пара (гашением); состоит преимущественно из Са(ОН)2 и Mg(OH)2 с примесью СаСО3.

 При гашении  извести большим количеством  воды образуется пластичная тестообразная  масса, так называемое известковое  тесто.

 Активность воздушной  извести как вяжущего материала  определяется общим содержанием  оксидов Са и Mg. Наибольшей активностью обладает кальциевая известь, содержащая 93-97% оксидов. Высококачественного сорта известь ("жирная известь") характеризуются большим выходом известкового теста (больше 3,5 л на 1 кг негашеной И.); чем выше выход теста, тем оно пластичнее и может принять большее количество песка при приготовлении строительных растворов. Известь с низким выходом известкового теста называется "тощей".

 По скорости  гашения различают быстрогасящуюся  (длительность процесса не более  8 мин), среднегасящуюся (не более 25 мин) и медленногасящуюся известь (более 25 мин). За скорость гашения принимается время от момента смешивания порошка извести с водой до момента достижения максимальной температуры смеси. Твердение воздушной извести происходит в результате испарения воды и кристаллизации Са(ОН)2 из насышенного водного раствора, а также при взаимодействии с СО2 воздуха с образованием кристаллов СаСО3.

 Воздушную известь  применяют для изготовления вяжущих  строительных растворов, предназначенных  для наземной кладки кирпича,  искусственных камней и штукатурки, а также при получении известково-шлаковых, известково-пуццолановых и др. смешанных  вяжущих (см. Цементы). В смеси с красителями известь используется в качестве декоративного материала.

Гидравлическая известь - тонкомолотый порошок, получаемый обжигом  при 900-1100 °С мергелистых известняков, содержащих 6-20% глинистых и тонкодисперсных песчаных примесей. Образующиеся при этом силикаты (2СаО.SiO2), алюминаты (СаО.Аl2О3.5СаО + 3Аl2О3) и ферраты (2CaO.Fe2O3) кальция придают этой извести способность длительно сохранять прочность в воде после предварительного твердения на воздухе. По содержанию свободных оксидов Са и Mg гидравлическую известь подразделяют на слабогидравлическую (15-60% оксидов) и сильногидравлическую (1-15%). Гидравлическая известь, в отличие от воздушной, характеризуется большей прочностью при меньшей пластичности. Гидравлическую известь используют для изготовления штукатурных и кладочных растворов, пригодных для эксплуатации в сухих и влажных средах, легких и тяжелых бетонов низких марок, фундаментов и сооружений, подвергающихся действию воды.

 Все виды извести применяют также в химической промышленности (для получения хлорной извести, соды, нейтрализации кислот и кислых газов в промышленных сбросах и др.), металлургии (флюсы при выплавлении чугуна из железных руд), сахарном производстве (для очистки свекловичных соков), сельском хозяйстве (для известкования почв, см. Известковые удобрения) и др. Кроме того, известь широко используется для производства силикатного кирпича и силикатных автоклавных изделий. 
 
 
 

2.  Технология производства негашеной извести. 

Производство   негашеной  комовой  извести  состоит из следующих   основных   операций:   добычи и подготовки известняка, подготовки топлива и обжига известняка.         

 Известняк   добывают  открытым способом  в карьерах.  Плотные    известково-магнезиальные породы взрывают.  Для  этого  вначале  с  помощью  станков ударно-вращательного   (при   твердых  породах)   или  вращательного  бурения  (при  породах  средней  прочности) бурят скважины диаметром 105  - 150  мм глубиной  5 -  8 м   и более на расстоянии 3,5 - 4,5 м одна  от другой.  В них  закладывают   надлежащее   количество   взрывчатого   вещества  (игданита,  аммонита)  в  зависимости   от  прочности  породы,  мощности  пласта  и  требуемых  габаритов известняка.                                                      

 Наблюдающаяся   иногда    неоднородность   залегания известняков  в  месторождениях  (по   химическому  составу, прочности, плотности и  т. п.)  обусловливает необходимость  выборочной  разработки  полезной  породы.  Полученную  массу  известняка в  виде крупных  и мелких  кусков  погружают  в  транспортные  средства   одноковшовым  экскаватором. Известняк  доставляют  на комбинат   автосамосвалами.   

 Высококачественную  известь  можно  получить только при  обжиге известняка в виде  кусков, мало различающихся  по  размерам.  При обжиге известняка в кусках разного  размера получается  неравномерно обожженная известь (мелочь  оказывается частично  или полностью  пережженной, сердцевина  крупных кусков  - необожженной).  Кроме того,  при загрузке  шахтных печей известняком  разного  размера   значительно увеличивается степень  заполнения шахтной печи, а  следовательно, уменьшается газопроницаемость  материала,  что  затрудняет  обжиг известняка.   

 Поэтому  перед  обжигом известняк  соответствующим образом подготавливают: сортируют  по размеру  кусков и, если  необходимо,  более  крупные  негабаритные  куски дробят. В  шахтных  печах  наиболее  целесообразно обжигать известняк раздельно по фракциям 40 - 80, 80 - 120 мм в поперечнике.   

 Так как размеры  добытого известняка  нередко достигают 500 - 800 мм и более, то  возникает необходимость  дробления его  и сортировки  всей полученной после дробления  массы на  нужные фракции.  Это осуществляется  на дробильно-сортировочной  установке, работающей  по  замкнутому  циклу  с использованием щековых дробилок.   

 Обжиг - основная технологическая операция в производстве негашеной извести. При этом протекает ряд сложных физико-химических процессов, определяющих качество продукта. Цель обжига - возможно более полное разложение (диссоциация) СаСО₃ и МgСО₃•СаСО₃,  на  СаО,  МgO  и  СО₂  и   получение  высококачественного продукта с  оптимальной микроструктурой  частичек и  их  пор.                                                        

 Если в сырье  есть глинистые и песчаные  примеси, то во время обжига  между ними и карбонатами происходят  реакции с образованием силикатов,  алюминатов  и ферритов кальция и магния.                                    

 Реакция разложения  (декарбонизация)  основного компонента известняка - углекислого  кальция идет по схеме:

                                                    СаСО₃↔СаО+СО₂.  

Теоретически на декарбонизацию 1 моля СаСО₃ (100 г) расходуется 179 кДж или 1790 кДж на 1 кг СаСО₃.  В пересчете на 1 кг получаемого при этом СаО затраты равны 3190 кДж.   

 Продолжительность  обжига  определяется   также  размером  кусков обжигаемого продукта. Для увеличения производительности известеобжигающих печей и снижения пережога поверхностных слоёв кусков  желательно в допустимых  пределах  уменьшить их размеры. При обжиге  кусков  различной  крупности режим процесса определяют исходя из времени, необходимого для обжига кусков  средних размеров. Основное различие в технологиях производства негашеной комой  извести – в способе обжига.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Шахтные печи для обжига извести.

  Шахтные печи, представляют собой полый цилиндр, имеющий наружный стальной кожух толщиной около 1 см и внутреннюю огнеупорную кладку, вертикально установленный на фундаменте. Эти печи характеризуются непрерывностью действия и простотой в эксплуатации. Строительство шахтных печей требует относительно небольших капиталовложений.     

 В зависимости  от вида применяющегося топлива  и способа его сжигания различают  шахтные печи, работающие на короткопламенном  твёрдом топливе, вводимом обычно  в печь вместе с обжигаемым  материалом; т.к. известняк и кустовое  топливо при этом загружают  в шахту перемежающимися слоями, то иногда такой способ обжига  называют пересыпным, а сами печи  – пересыпными; на любом твердом  топливе , газифицируемом или сжигаемом в выносных потоках, размещаемых непосредственно у печи; на жидком топливе; на газовом топливе, натуральном или искусственном.     

 По характеру  процессов , протекающих в шахтной печи, различают три зоны по высоте: подогрева, обжига и охлаждения. В зоне подогрева, к которой относят верхнюю часть печи с температурой пространства не выше 850˚С , материал подсушивается и подогревается поднимающимися раскалёнными дымовыми газами. Здесь выгорают также органические примеси. Поднимающиеся газы, в свою очередь , благодаря теплообмену между ними и загруженным материалом охлаждаются и далее отводятся вверх печи.   

 Зона обжига размещается в средней части печи, где температура обжигаемого материала изменяется от 850˚С до 1200˚С и затем 900˚С; здесь известняк разлагается , из него удаляется углекислый газ.   

 Зона охлаждения – нижняя часть печи. В этой зоне известь охлаждается от 900˚С до 50-100˚С поступающим снизу воздухом , который далее поднимается в зону обжига.

   Движение воздуха и газов в шахтных печах обеспечивается работой вентиляторов, нагнетающих в печь воздух и отсасывающих из неё дымовые газы. Противоточное движение обжигаемого материала и горячих газов в шахтной печи позволяет хорошо использовать теплоту отходящих газов на прогрев сырья , а теплоту обожжённого материала – на подогрев воздуха, идущего в зону обжига.  
 
 

Схема обжига молотого известняка в шахтной печи.

I – зона подогрева; 
II – зона обжига; 
III – зона охлаждения. 
 

Более экономичны по расходу топлива и простоте конструкции  печи, работающие по пересыпному способу  на короткопламенном топливе (антрацит или тощий каменный уголь). Производительность шахтных пересыпных печей составляет 100-110 тонн в сутки. К недостаткам  пересыпных печей относится загрязненность извести золой топлива. Более  чистая известь получается в шахтных  печах с выносными топками, работающих на длиннопламенном топливе (бурый  уголь, дрова, торф), и в печах газовых. Однако эти печи имеют несколько  меньшую производительность.

В шахтных печах  можно обжигать только твердые породы (известняк, мрамор и др.), а во вращающихся  — как твердые породы, так и  шламы мягких пород, например мела. Основная задача при обжиге - обеспечение максимальной степени декарбонизации СаСО  при минимальной температуре. Повышение температуры ускоряет реакцию разложения карбоната кальция, но излишне высокая температура обжига негативно сказывается на качестве продукта, так как развивается явление «пережога».

Наибольшее распространение  для производства извести получили шахтные печи, высота которых достигает  20 м. 

Шахтные печи различают  по виду применяемого в них топлива и по способу его сжигания. В пересыпных печах твердое топливо подается вместе с сырьем и сгорает между кусками обжигаемого материала. Здесь применяют топливо с малым содержанием «летучих» — антрацит, кокс и тощие сорта каменного угля, дающие при горении короткое пламя. В печах с выносными топками последние расположены по внешнему периметру печи. В них сжигается твердое топливо (полностью или частично) и образующиеся горячие газы поступают в зону обжига. Применяют длиннопламенное топливо с высоким содержанием «летучих», а также торф, дрова, горючие сланцы. В газовых печах топливом чаще всего служит природный газ, который подается непосредственно в шахтную печь и сжигается в слое материала.