Енергозберігаюча технологія портландцементу з використанням відходу переробки газового конденсату

Abstract

UA: Дисертація присвячена дослідженню можливості використання відходів пе-реробки газового конденсату у виробництві портландцементів для зниження температури синтезу клінкеру на 150 °С. Новизна роботи обумовлена термодинамічним обґрунтуванням можливості синтезу основних клінкерних мінералів за нижчих температур в умовах використання шламу переробки газового конденсату як мінеральної добавки. У результаті проведених досліджень встановлено, що в умовах випалу портландцементного клінкеру між мінеральною та органічною складовою відходів починаються реакції взаємодії, а продукти реакції чинять інтенсифікуючу дію на реакції розкладу карбонату кальцію, в результаті чого створюються умови для протікання реакцій утворення дво- та трикальцієвого силікатів за більш низьких температур, ніж при звичайній технології випалу клінкеру. Досліджено процеси мінералоутворення клінкеру портландцементу з органо-мінеральною добавкою та визначено константу швидкості сумарного процесу фазоутворення. Визначено продукти гідратації портландцементів з органо-мінеральною добавкою, якими є гідросилікати, гідрокарбоалюмінати кальцію, портландит, етрингит та вторинний карбонат кальцію у колоїдному, кристалічному та криптокристалічному стані, що забезпечує міцність затвердіння силікатного каменю. За результатами фізико-механічних досліджень встановлено, що отримані цементи є швидкотужавіючими (терміни тужавіння: початок від 54 до 60 хв., кінець від 90 до 150 хв) гідравлічними в’яжучими матеріалами з нормальною густотою 0,27 та маркою 400. RU: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. – Украинский государственный университет железнодорожного транспорта МОН Украины, Харьков, 2016. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования отходов переработки газового конденсата в производстве портландцемента для снижения температуры синтеза клинкера на 150 °С. Термодинамически обоснована возможность синтеза основных клинкерных минералов Ca2SiO4, Ca3SiO5, Ca3AlO6, Ca4Al2Fe2O10 при более низких температурах в условиях использования шлама переработки газового конденсата в качестве минеральной добавки и установлено, что в присутствии углерода реакции образования основных клинкерных минералов становятся термодинамически возможными при температурах 800 К, что позволяет значительно уменьшить длину зон вращающейся печи производства портландцементного клинкера, при этом производительность и качество продукции остаются на достаточно высоком уровне. Установлено, что при нагревании отходов газопереработки между минеральной и органической составляющими отходов начинаются реакции взаимодействия, а продукты реакции оказывают интенсифицирующее действие на реакции разложения карбоната кальция, что создает условия для протекания реакций образования двух- и трехкальциевого силикатов при более низких температурах, чем при обычной технологии обжига клинкера. Экспериментально определено, что оптимальным количеством является введение в сырьевую смесь 5 масс. % добавки, что интенсифицирует процесс препреобразования исходных сырьевых материалов и установлено, что преимущественной фазой является Ca3SiO5. Исследованы процессы фазообразования в сырьевых смесях портландцемента с органо-минеральной добавкой. Данные, полученные для энергии активации скорости реакции фазообразования удовлетворительно согласуются с данными, полученными для энергии активации реакции разложения карбоната кальция. Поскольку энергия активации реакции фазообразования (18,21 кДж/моль) на порядок ниже энергии активации реакции разложения СаСО3 (209,382 кДж/моль), то образование основных клинкерных минералов будет начинаться в момент разложения карбоната кальция без дополнительных энергетических затрат, компенсируемых энергией сгорания органической составляющей газошлама. Фазовый состав клинкера цемента с органо-минеральной добавкой характеризуется наличием основных клинкерных минералов Са3SiО5, β-Са2SiО4, Ca3Al2O6, Ca4Al2Fe2O10, что свидетельствует об окончании процессов минералообразования при 1300 °С, что на 150 °С ниже температуры обжига портландцементного клинкера без добавки. Физико-механические испытания полученных цементов осуществлялись в соответствии с ДСТУ ЕN 196–(1, 3):2007. Из результатов проведенных исследо-ваний установлено, что разработанные цементы относятся к гидравлическим вяжущим материалам. Быстрые сроки схватывания (начало – 4-6 мин., конец – 7-10 мин.) обусловили необходимость добавления при помоле 3 масс. % гипсового камня. Полученные портландцементы имеют водоцементное отношение 0,27-0,34, сроки схватывания – начало от 54 до 60 мин., конец от 90 до 150 мин. По результатам определения предела прочности при сжатии стандартных образцов полученные портландцементы имеют марку «400». Установлено, что основными продуктами гидратации полученного портландцемента с органо-минеральной добавкой являются гидросиликаты, гидрокарбоалюминаты кальция, портландит, эттрингит и вторичный карбонат кальция в коллоидном, кристаллическом и криптокристаллическом состоянии. Именно такое сочетание гидратных новообразований обеспечивает прочность затвердевшего цементного камня. Разработаны Технические условия «Портландцемент с органо-минеральной добавкой» и технологический регламент на производство опытно-промышленных партий портландцемента с органо-минеральной добавкой. Про-веден технико-экономический расчет применительно к параметрам работы вращающейся печи по обжигу цементного клинкера, полученного мокрым способом. Установлено, что при заданном режиме работы печи годовая экономия природного газа равна 1290 тыс. м3/год. Общая экономия затрат на природный газ за год составит 10,7 млн. грн./год. Общий экономический эффект при внедрении разработанной технологии производства портландцемента с органоминеральной добавкой составит 10,5 млн. грн./год. EN: The thesis deals with the research of possibility of using gas-condensate processing wastes in Portland cement production to reduce clinker synthesis temperature by 150 °C. The paper novelty is caused by thermodynamic grounding of possibility for syn-thesis of basic clinker minerals at lower temperatures using gas-condensate processing slurry as a mineral additive. As a result of the performed studies, it is found that under the conditions of Portland cement clinker burning-out, reactions of interaction are starting between mineral and organic component of wastes, and the reaction products have an intensifying effect on reactions of calcium carbonate decomposition, resulting in the conditions for flowing of reactions of two- and tricalcium silicates formation at lower temperatures than in case of the usual clinker burning-out technology. The processes of mineral formation of Portland-cement clinker with organic and mineral additive are studied, and the constant of the total phase-formation process rate is determined. Hydration products of Portland cements with organic-mineral additive are determined, which are hydrosilicates, hydrocarboaluminates of calcium, Portlandite, ettringite and secondary calcium carbonate in colloidal, crystalline and cryptocrystalline state, which provides silica-stone solidification strength. As a result of the physical and mechanical studies, it is found that the obtained cements are quick-hardening (hardening terms: beginning from 54 to 60 min., end from 90 to 150 minutes) hydraulic binding materials with normal density of 0.27 and grade of 400.