Негашёная известь

В испытании мокрого гашения по EN 459-2 150 g извести вводят в 600 mL воды при 20 °C и фиксируют время выхода на 60 °C; это и есть t60. Одна-две минуты означают мягкообожжённый, высокореактивный продукт; больше шести минут — жёстко обожжённый и медленный. Испытание простое, но результат чувствителен к испытанной фракции: если фракция не указана, цифра несопоставима.

Какая реактивность правильная, решает процесс. При десульфурации чугуна у вдуваемой извести есть окно 8–15 минут, за которое она обязана раствориться; у непрерывного гасителя, готовящего известковое молоко, время пребывания 10–20 минут. Напротив, в печи для карбида кальция или при периодическом гашении сверхреактивный продукт нежелателен: резкое вскипание, выбросы и паровая нагрузка, на которую оборудование не рассчитано.

Типичная ошибка — записывать в спецификацию только t60. Одному и тому же t60 может отвечать совершенно разный суммарный подъём температуры: продукт с низким активным CaO стартует быстро и рано останавливается, кривая выполаживается, не дойдя до 45 K. Оценка реактивности — это чтение t60 и Δt вместе; требование лишь одного из двух позволяет неподходящей партии выглядеть договорно соответствующей.

Разложение кальцита выходит на равновесие около 898 °C при одной атмосфере; на практике печи работают в диапазоне 950–1150 °C. При низкой температуре или коротком пребывании в центре зерна остаётся неразложившийся CaCO₃ — недожог. Он поднимает потери при прокаливании и снижает активный CaO: мёртвый груз, который везут, мелют и оплачивают, а процессу он ничего не даёт.

На другом полюсе — пережог. Зерно, слишком долго выдержанное при высокой температуре, укрупняет кристаллы CaO, закрывает поровую структуру, и удельная поверхность падает с 1–3 m²/g ниже 0,5 m²/g. Жёстко обожжённая известь медленно реагирует с водой и оседает недопалом в гасителе. Примеси ускоряют этот путь: SiO₂ и Al₂O₃ в сырьевом природном карбонате кальция запускают спекание при более низкой температуре и снижают реактивность так, как химический анализ не покажет.

Недожог и пережог могут сосуществовать в одной партии; при широком диапазоне вроде 0–90 mm, проходящем одно и то же время в одной печи, это неизбежно. Практический вывод прост: сужение фракции сужает и полосу реактивности. Требование 10–40 mm в спецификации — не только вопрос удобства перегрузки, это требование однородности внутри партии.

Общий CaO — элементное содержание кальция по XRF, и он считает в том числе кальций, связанный в карбонат или сульфат. Активный CaO определяют экстракцией сахарозой с последующим титрованием: он даёт долю, которая действительно способна гидратироваться и вступить в реакцию. Разница между ними — это буквально недожог, скарбонизированная поверхность и пережжённые зёрна.

Дозу всегда считают по активному CaO. Продукт с 96 % общего CaO, но 88 % активного расходуется примерно на 4,5 % быстрее, чем продукт с 92 % активного, на ту же работу. При равной цене за тонну реальная стоимость не равна; единица сравнения поставщиков — не тонна, а тонна активного CaO. На большинстве предприятий одна эта поправка становится заметной строкой в годовом бюджете реагентов.

Стехиометрия начинается с той же цифры: 56 g/mol CaO переходят в 74 g/mol Ca(OH)₂, то есть 1 kg активного CaO эквивалентен 1,32 kg гашёной извести и нейтрализует 2 моля H⁺. Заложите запас на потери при хранении: поверхность, которая в силосе сначала гидратируется, а затем карбонизируется, теряет активный CaO за месяцы, поэтому на практике работают с запасом 3–5 %.

Кусковая известь (10–40 и 40–90 mm) идёт прямой завалкой в дуговую печь и конвертер, питает периодические гасители и даёт наименьшее пыление при перевалке навалом. Дроблёная 0–3 mm — стандартное питание непрерывных гасителей и линий известкового молока. Молотая (≥ 90 % ниже 90 µm) предназначена для сухой инжекции сорбента, внесения в грунт и сухих строительных смесей.

Неверная фракция штрафует двумя разными способами. Слишком мелкий материал в гасителе разогревается чересчур быстро, комкуется, и его внешняя поверхность гидратируется прежде, чем вода дойдёт до ядра, — это и называют пережогом при гашении, результат крупнокристаллический гидроксид с малой поверхностью. Слишком крупный материал не гасится до центра: растут недопал и шлам, а отсеянный материал, всё ещё несущий активный CaO, уходит в отходы.

Фракция определяет и силос с транспортом. Молотая известь не течёт свободно и сводообразует в конусе; аэрация, вибровыгрузчик и правильный угол конуса должны быть заложены в проект. Кусковая течёт легко, но при наборе влаги гасится, увеличивается в объёме примерно вдвое и образует твёрдую корку, приваренную к стенке силоса. В обоих случаях сухой фильтр силосного дыхания — самая дешёвая мера, доступная эксплуатации.

Реакция CaO + H₂O → Ca(OH)₂ выделяет около 65 kJ/mol, то есть 1150 kJ на килограмм CaO. Гашение одной тонны высвобождает 1,15 GJ — этого хватит, чтобы довести примерно 3,4 m³ воды от 20 °C до кипения. Настоящая задача конструкции гасителя не запустить реакцию, а управляемо отвести это тепло.

Для известкового молока отношение воды к извести обычно 3,5–5:1, для сухого гидрата 0,4–0,6:1 при целевой температуре гашения 80–95 °C. Ниже этого отношения появляются локальное вскипание, выброс пара и крупнокристаллический гидроксид. Слишком холодное гашение (ниже 40 °C) даёт крупный Ca(OH)₂ с малой поверхностью: быстро оседает, кривая дозирования становится вялой — на тот же pH нужно больше продукта. Поэтому температура гашения — измеряемый и протоколируемый параметр, а не наблюдение оператора.

Каждое гашение оставляет непрореагировавший остаток: у хорошей извести это 2–5 %, отделяется гидроциклоном или грохочением. Если доля остатка резко выросла, сначала проверьте температуру воды гашения и расход питания, а не известь. Молоко, приготовленное на площадке, выполняет на линиях очистки воды и стоков ту же работу, что и покупная суспензия гидрата; разница в том, что его тонкость зависит от ваших условий гашения — переменная остаётся на вашей стороне.

В чёрной металлургии известь работает шлакообразующим: выводит основность (CaO/SiO₂) в привычный диапазон 2,8–4,0 и связывает серу и фосфор, выводя их из металла в шлак. Но коэффициент распределения серы зависит не только от основности — активность кислорода в шлаке и температура значат не меньше. В окислительном шлаке добавка извести сверх некоторого предела уже не снижает серу, а лишь наращивает объём шлака и потери металла.

Реактивность и фракция действуют здесь через скорость растворения. Жёстко обожжённая известь растворяется в конвертере поздно, шлак формируется поздно, в начале продувки растут выбросы и износ футеровки. При десульфурации чугуна вдуваемую тонкую известь (0–1 mm) применяют в смеси с магнием или карбидом кальция, а время контакта измеряется минутами; здесь реактивность и есть эффективность, а эффективность — это расход извести.

Статья примесей часто решает больше, чем цена. Каждый лишний процент SiO₂ в извести требует дополнительной извести для удержания целевой основности: один процентный пункт — это несколько килограммов извести сверху на тонну стали и соответствующий шлак. Низкие примеси означают меньше шлака, меньше теплопотерь и меньше уносимого металла — именно здесь выбор извести входит в себестоимость плавки.

В улучшении и стабилизации грунтов CaO сначала работает как осушитель. Он химически связывает воду при гидратации, выделившееся тепло ускоряет испарение, и удобоукладываемость глинистого грунта меняется за часы. На практике 1 % CaO снижает влажность примерно на 0,5–1,5 пункта; после дождя именно этот первый эффект чаще всего спасает график работ.

Вторая работа медленнее, и именно она даёт прочность. Как только pH поровой воды достигает 12,4, из глинистых минералов растворяются кремнезём и глинозём и соединяются с кальцием в гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Этот пуццолановый прирост разворачивается на днях и неделях; качество оценивают по прочности на одноосное сжатие или CBR в возрасте 7 и 28 суток, а замер сразу после перемешивания вводит в заблуждение. Дозу подбирают методом Идса–Грима (ASTM D6276), типично 2–5 %.

На объектах дорожной инфраструктуры и асфальта результат решают три полевые переменные: тонкость перемешивания, срок выдержки и окно уплотнения. На обработанном известью грунте уплотнение обычно должно завершиться в течение 2–4 часов после перемешивания; задержка оплачивается плотностью. А при содержании сульфатов выше 0,3 % решение об извести нельзя принимать без лабораторной проверки — из-за образования эттрингита и последующего пучения.

При очистке дымовых газов негашёная известь редко встречается с кислыми газами напрямую. Господствуют два маршрута: CaO подают в гидратор на площадке, переводят в Ca(OH)₂ и вдувают как сухой сорбент; либо гасят до известкового молока и распыляют в газовый поток в полусухом абсорбере. В обоих случаях предприятие хранит и возит именно CaO — больше активного вещества на тонну и меньший объём хранения.

Эффективность задаёт поверхность сорбента, а не его химия. При сухой инжекции гидрат с удельной поверхностью 20–40 m²/g улавливает 70–90 % SO₂ при мольном отношении Ca/S 2–3; гидрату с малой поверхностью для того же результата нужно заметно большее отношение. В полусухом абсорбере водяной пар ускоряет реакцию, и Ca/S опускается до 1,2–1,6 — но тогда критическим параметром становится температура приближения, те 10–20 K, что остаются до адиабатического насыщения.

Состав кислых газов тоже входит в выбор. HCl и HF улавливаются заметно легче, чем SO₂; там, где преобладает HCl, высокая степень очистки достигается даже при низком Ca/S, а там, где преобладает SO₂, на первый план выходят качество сорбента и температура реактора. Дозирование должно управляться обратной связью от измерений на трубе, а не быть фиксированным: при смене нагрузки жёсткая доза либо выводит за норматив, либо расходует сорбент впустую и множит остаток.