Термодинамическое моделирование процесса клинкирования цементов как инструмент оптимизации дозирования сырьевых шротов, содержащих альтернативные материалы

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 17589 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Повышение ценности отходов или побочных продуктов при производстве портлендского клинкера является многообещающей альтернативой для разработки экологически чистых цементов. Сложность химических реакций во время клинкерования требует адекватного метода дозирования, который учитывает влияние примесей сырья, чтобы максимизировать потенциальное замещение природных ресурсов отходами или побочными продуктами, гарантируя при этом требования к реакционной способности клинкера. В этом исследовании предлагается методология дозирования сырьевой муки для оптимизации совместной переработки натурального сырья с альтернативным сырьем при производстве клинкера с целью снизить содержание необходимого природного сырья и одновременно обеспечить оптимальную реакционную способность клинкера. Разработана последовательность термодинамического моделирования с учетом изменчивости состава сырья и температур нагрева. Затем модель была проверена путем сравнения результатов моделирования с результатами, полученными в предыдущих исследованиях. Для проверки предлагаемого метода было проведено экспериментальное исследование с использованием отработанного жидкого катализатора каталитического крекинга (SFCC), побочного продукта нефтяной промышленности, в качестве альтернативного источника оксида алюминия во время клинкерования. Моделирование показало, что замена природного сырья на 15 мас.% SFCC способствует образованию реакционноспособных клинкеров с содержанием трехкальциевого силиката (C3S) более 54%. Затем были произведены смеси с потенциалом образования самого высокого C3S, и для оценки стабильности клинкеров было проведено испытание на плавкость с помощью нагревательной микроскопии. Основными факторами, определяющими реакционную способность и стабильность клинкерных фаз, были содержание расплавной фазы, модуль оксида алюминия, а также образование C3S и двухкальциевого силиката (C2S). В отдельных смесях наблюдалось самоизмельчение клинкера при охлаждении, что потенциально связано с высокой вязкостью и низким содержанием Fe в фазе расплава. Предложенная схема позволяет оптимизировать дозирование сырьевой муки, содержащей альтернативное богатое глиноземом сырье для производства клинкера, и позволяет более глубоко интерпретировать ограниченный набор эмпирических данных.

Мировое производство цемента составляет около 4,3 млрд тонн в год1, при этом средний расход сырья составляет около 1,6 тонны на каждую тонну произведенного цемента2. Валоризация отходов или побочных продуктов различных процессов в качестве сырья для цементных печей является распространенной практикой снижения воздействия на окружающую среду, связанного с добычей природных ресурсов, производственными затратами, объемом захороненных отходов и выбросами парниковых газов3. . Кроме того, этот подход имеет устойчивую выгоду, поскольку большинство потенциально загрязняющих элементов, которые могут присутствовать в альтернативном сырье, иммобилизованы или затвердевают в клинкере5. С другой стороны, второстепенные элементы могут существенно ухудшить свойства цемента, что требует адекватного метода дозирования, учитывающего особенности этих промышленных отходов.

Уравнения Бога позволяют оценить теоретический или потенциальный состав портлендского клинкера5,6. Этот метод или его производные в сочетании с химическими модулями (глинозем (AM), кремнезем (SM) и коэффициент насыщения известью (LSF)) наиболее часто используются для дозирования сырьевой муки в исследовательских и промышленных целях. В расчетах предполагается полная реакция сырья с образованием клинкерных соединений в равновесных условиях, а также не учитывается возможное влияние примесей7. Однако уравнения дают лишь приблизительный состав клинкера, а промышленные клинкеры демонстрируют небольшие отличия от теоретических предсказаний. Кроме того, отклонения могут быть еще больше, когда присутствуют примеси из-за воздействия на стабильность фазы клинкера, что влияет на конечные свойства цемента8. Изменения температуры, состав атмосферы печи, присутствие второстепенных элементов и отсутствие условий равновесия при охлаждении могут влиять на развитие фаз клинкера, тем самым снижая точность фазовых составов, оцененных расчетами Бога9,10. Кроме того, на процесс клинкинга влияют второстепенные элементы в альтернативном сырье или топливе11. Природа и количество этих компонентов могут привести к заметным изменениям в различных аспектах, включая морфологию и соотношение фаз клинкера12, образование второстепенных фаз13, оптимальную температуру клинкеризации14, время пребывания в печи15, вязкость фазы расплава16, превращения при охлаждении17, полиморфизм основных фаз18 и реакционная способность клинкера19. В этом сценарии термодинамическое моделирование является альтернативным инструментом для рассмотрения всех этих переменных и расширения области применения альтернативных материалов.