Энерго-ресурсосбережение в производстве цемента

Размещено на http://allbest.ru

Научно-производственная фирма «САМОЙИНУР Со Лтд»

УДК 666.9

Энерго-ресурсосбережение в производстве цемента

Акад. РАЕ, докт. техн. наук, проф. Бабаев Н.Х.

Портландцемент является основным строительным материалом современности, не имеющим альтернативы как в настоящее время, так и в обозримом будущем, как по составу, так и по способу синтеза: высокотемпературному спеканию во вращающихся печах[1].

Производство цемента связано со значительным расходом топлива и сырья и по энергопотреблению занимает третье место после топливно-энергетической и металлургической отраслей при относительно низком КПД тепловых агрегатов[1].

Так, при производстве цемента по мокрому способу непроизводительные затраты топлива составляют около 75%, и на каждую обжигаемую тонну клинкера расходуется более 5 тонн таких жизненно необходимых природных материалов как сырье, топливо, вода и воздух. При этом из вращающейся печи производительностью 50 т/ч в атмосферу через дымовую трубу ежечасно выбрасывается около 225 тонн отработанных газов. Следовательно, снижение удельного расхода топлива и природных сырьевых материалов является важной народно-хозяйственной задачей, которая в значительной степени может быть решена путем оптимизации и интенсификации технологических процессов и использования техногенных материалов[1]. клинкер цемент печной обжиг энергия

В мировой практике с позиций снижения энергозатрат развиваются два направления решения проблемы совершенствования обжига клинкера во вращащихся печах. Первое направление является радикальным и включает перевод промышленности на так называемый « сухой способ » производства, при котором снижение затрат на обжиг клинкера достигается использованием современных печей, оборудованных запечным теплообменным устройством и реакторами-декарбонизаторами. Это направление является, безусловно, приоритетным, как при строительстве новых, так и реконструкции действующих предприятий. Однако, такой подход к модернизации обжига клинкера связан с огромными затратами на реконструкцию заводов и фактически сводится к демонтажу старого предприятия и строительству нового. Выделение средств, для такого решения в ряде стран ограничены и определенное время новая технологическая линия «сухого способа» будет соседствовать с действующим предприятием «мокрого способа» производства. Второе направление необходимость перевода действующих предприятий «мокрого способа» производства цемента на интенсивный путь развития при радикальном улучшении использования топливно-энергетических ресурсов. Решение данной проблемы в цементном производстве следует осуществлять путём оптимизации и совершенствования наиболее энергоёмкого предела-обжига клинкера[2]. Сложность поставленной задачи заключается в необходимости комплексного исследования взаимовлияния химических, физических, тепловых и аэродинамических процессов, одновременно протекающих в печном агрегате.

Традиционно изучение обжига клинкера проводилась в двух несколько обособленных направлениях - исследование физико-химических процессов обжига клинкера и изучение теплотехнических закономерностей работы печей. Проведенные исследования не исчерпывают всего многообразия взаимообусловленных явлений, протекающих в тепловых агрегатах, особенно в условиях высокой мощности и с учетом влияния теплотехнологических факторов процесса[1-2].

Опыт эксплуатации вращающихся печей мокрого способа показывает, что основными факторами, определяющими уровень производительности этих агрегатов, являются не их теплотехнические параметры (тепловая мощность и предельно допустимое тепловое напряжение зоны горения), а пропускная способность и газодинамические и тепломассообменные процессы, происходя-щие в печи. Однако еще нельзя утверждать, что у действующих печей, разного типоразмера отсутствует диспропорция и достигнуто полное соответствие между теплотехническими и технологическими параметрами собственно печей и колосниковых холодильников. Поэтому для соовершенствования существующей, разработки новых положений и оптимизации теплотехнологических параметров обжига цементного клинкера в условиях цементной промышленности Узбекистана, использующие сырьевые компоненты довольно пестрого состава и работающих на газообразном топливе, необходимо дальнейшее развитие работ по взаимному влиянию физико-химических и теплотехнологических процессов клинкерообразования[3].

Оптимальный режим процесса обжига клинкера для каждой печи устанавливается экспериментальным путем, его нельзя устанавливать произвольно. При назначении режима следует не только считаться с поведением материала при обжиге, но и учитывать различные теплотехнологические факторы, оказывающие влияние на процесс обжига клинкера. Наиболее выгодным и часто применяемым методом для определения оптимального режима обжига клинкера является совокупность результатов комплексных лабораторных, физико-химических исследований, физико-механических испытаний клинкера и результатов исследовательских обжигов в промышленных или полупромышленных установках, в моделях с условиями, подобных к условиям действительного оборудовании, для которого устанавливается оптимальный режим[4].

Необходимость всемерного снижения удельного расхода тепла приводить к сокращению до минимума продолжительности тепловой обработки, необходимой для процесса обжига клинкера. Классические принципы работы печей для обжига клинкера не позволяют, как правило, сокращать это время и поэтому необходимо искать решения, допускающие работу на существующем оборудовании с интенсификацией процессов сжигания топлива и теплообмена.

Учитывая, что на конечной стадии обжига цементного клинкера преимущественно применяются, вращающиеся печи мокрого способа производства (55 % парка печей Республики), основные исследования автора данной работы, сосредоточены на выявлении закономерностей, проявляющихся в высокотемпературных зонах агрегата на основе широкого применения в практике цементного производства теории Эйгена-Классена и анализа теплотехнологических параметров процесса обжига цементного клинкера, а также разработке прикладных способов оптимизации теплотехнологических параметров процесса обжига цементного клинкера при расчетной производительности печи[2].

С прикладной точки зрения изучение вопросов связанных с оптимизацией и совершенствованием технологии производства клинкера является весьма актуальным. Достижение этой цели связано с выполнением следующих этапов исследования:

Основным требованием при проектировании теплового оборудования является наиболее полное соответствии конструкции печи технологическим требованиям термической обработки материала, а не приспособление материала к технологическим возможностям оборудования, так как режим тепловой обработки материала должен быть оптимальным.

Оптимальный режим тепловой обработки определяется не только составом обжигаемой смеси, он зависит и от способа питания печи, от вида и типа используемых цепных теплообменников, вида, состава и качества топлива, типа горелочных устройств, режима охлаждения, мощности и производительности тягодутьевых устройств, и др[1].

В практической деятельности работать в оптимальном режиме можно только в исключительных случаях. Наиболее часто этому препятствует то обстоятельство, что-либо поддержание этого режима невозможно из-за конструктивных решений печи, либо тягодутьевых устройств, либо холодильников, либо газогорелочных устройств, либо состава обжигаемой смеси. Действительный эксплуатационный режим является компромиссным, но его нельзя реализовывать, не обладая знаниями об оптимальных режимах тепловой обработки клинкера зависящих от различных теплотехнологических факторов. Для термической обработки клинкера наивысшего качества, для которых требования к оптимальному режиму различаются, лучше вместо компромиссного режима принимать технически более пригодный способ обжига, который состоит в разделении операций, проводимых в печи; оптимизация состава обжигаемой смеси, оптимизация питания печи шламом, оптимизация тепломассообменных процессов материала происходящих в цепных теплообменниках устройствах, оптимизация режима декарбонизации материала в зоне подготовке, оптимизация охлажедения клинкера с целью получения клинкера наилучьшего минералогического состава и получения высокой температуры вторичного воздуха, оптимизацися сжигания топлива с использованием эффективных горелочных устройств, оптимальной производительности печи, высокой стойкости футеровки, минимального пылевыноса из печи, оптимального удельного расхода тепла, что позволяет работать в режиме близком к оптимальному[1].

Необходимость всемерного снижения удельного расхода тепла приводить к сокращению до минимума продолжительности тепловой обработки, необходимой для процесса обжига клинкера. Классические принципы работы печей для обжига клинкера не позволяют, как правило, сокращать это время и поэтому необходимо искать решения, допускающие работу на существующем оборудовании с интенсификацией процессов сжигания топлива и интенсификацией теплообмена.

Интенсификация процесса обжига портландцементного клинкера в современных вращающихся печах, при оптимальной производительности, сводится к решению следующих основных задач:

- улучшение качества;

- повышение стойкости футеровки;

- снижение удельного расхода тепла (топлива);

- уменьшение пылевыноса из печи.

Снижение удельного расхода тепла является важнейшим, т.к. при этом одновременно обеспечиваются увеличение условной производительности печи, стойкости футеровки, а также вследствие снижения скорости газового потока, значительно уменьшается пыле вынос из печи.

Особенность данной работы заключается в системном подходе при комплексном исследовании цементной вращающейся печи как теплового агрегата и химического реактора.

Для изучения сложных взаимозависимости одновременно протекающих и друг на друга накладывающихся сложных химических, физических процессов протекающих при термической обработке сырьевых материалов и термохимических процессов протекающих при сжигании топлива является проведение исследований на основе анализа установленных закономерностей и выявления особенностей протекания физико-химических и теплотехнологических процессов обжига цементного клинкера с применением комплекса современных методов физико-химического анализа, принятых при исследовательских работах в области портландцемента, вплоть до самых современных: методов РФА, инфракрасной спектроскопии (ИК), петрографического анализа, химического анализа, метода меченных радиоактивных изотопов и др.

В работе наряду со стандартными методами физико-химического анализа и проведения технологических испытаний в промышленных условиях применялись специальные установки и методы. Для изучения газодинамических и тепло-массообменных процессов, пропускной способности печей, для исследования процессов сжигания топлива, удельной тепловой мощности и удельного теплонапряжения поперечного сечения печи зоны горения в свету в лабораторных условиях, была разработана и изготовлена специальная лабораторная вращающася печь, которая по линейным размерам являлся как бы моделью зоны горения вращающейся печи 4.5X170 м с коэффициентом моделирования около 10.6 и печи 3.6 X150 м с коэффициентом моделирования около 8.3. и стендовые установки[2].

Для определения скорости и структуры материального и газового потока, аэрогазодинамических процессов, протекающих во вращающихся печах № 1-4 размером 4.5x170 м ОАО «Ахангаранцемент» использующий в качестве технологического топлива природный газ Газлинского месторождения проводили специальные исследования с применением метода меченных радиоактивных изотопов (РАИ) - трассеров[4,5].

Прочностные характеристики цементов, изучение физико-механических свойств цементов проводили в соответствии с известными методиками и требованиями ГОСТов (3IO.I-310.4 - 81 и ГОСТу 10178-85).

Основой для создания алгоритма регулирования и управления процессом обжига цементного клинкера является функциональный анализ, теория дифференциальных уравнений, метод группового учёта аргументов (МГУА) и метод математического моделирования переходных режимов химико-технологического процесса обжига цементного клинкера описанных дифференциальными уравнениями[6].

Ha основе анализа результатов многочисленных научных исследований и промышленных испытаний проведенных в процессе обжига цементного клинкера и изучению взаимозависимости одновременно протекающих и друг на друга накладывающихся химических, физических и термохимических процессов при сжигании топлива и термической обработке сырьевых материалов создана ранее не существовавшая единая целостная система (методология) физико-химического (теоретические основы) синтеза портландцементного клинкера с теплотехническими и технологическими параметрами такого синтеза, заключающиеся в снижение материальных и энергетических затрат, а также повышение активности клинкера и кпд колосникового холодильника[1-6].

Обсуждаются варианты реализации каждого этапа разработанной методологии, как известные, так и новые и особенности их выбора в зависимости от решаемой задачи управления процессом обжига цементного клинкера. В качестве примеров на основе данной методологии разработано ряд новых методов регулирования и управления процессом обжига клинкера:

Выведены математические зависимости для расчета теплонапряжения сечения зоны спекания печи и ее тепловой мощности, получена зависимость производительности печи от ее диаметра. Внесены уточнения в формулу определения тепловой мощности и удельного теплового напряжения зоны спекания печи в свету[2,3].

Установлены и теоретически обоснованы количественные зависимости между затратами энергии различного температурного уровня и расходом тепла на синтез клинкера.

Экспериментально подтверждено исключительное значение, важной теплотехнической закономерности, как снижение затрат тепла в горячей части печи Дq и их влияние на общий расход тепла ДQ, которое будет несколько раз больше, т.е.

ДQ=m·Дq,

где теоретически m= 6-12, практически достигнуто m = 3.5-7.5[5].

На основе исследований газодинамических процессов протекающих во вращающейся печи, проведенного с применением метода меченных радиоактивных изотопов (РАИ), впервые предложен метод расчета температуры газовой фазы по изменению скорости газового потока по длине вращающейся печи при сжигании газообразного топлива.

Экспериментально подтверждено исключительное значение, важных теплотехнических величин, как эффективной степени черноты газового факела и обжигаемого материала, на тепловое излучение газового потока и структуру факела. На основе результатов исследований разработана эффективная конструкция газовой водоаэрозольной вихревой горелки с высоким пирометрическим коэффициентом, на которую получен патент РУ на изобретение полезной модели (FAP № 00184) [7].

На основе разработки математической и физической модели процесса питания печи шламом выявлено эффективность объемного дозирования печи шламом. Разработаны ряд конструкций эффективных дозаторов шлама объемного дозирования в место щелевого дозирования, на которые получены 3 патента РУ на изобретение полезной модели (FAP №№ 00185, 00186 и 00187). Конструкция дозатора по патенту FAP № 00186 внедрена на печах ОАО ” Бекабадцемент ”[8-10].

Уточнён механизм агрегирования материала при спекании, кольцеобразования, движения газового и материального потоков в печи, особенности совместного горения различных видов топлива.

На основе разработанных общих принципов созданы новые методы решения классических и неклассических задач химической технологии производства цемента:

-на основе анализа состава отходящих газов разработан метод прогнозирования о состоянии материала в зоне декарбонизации и управления работой печи;

-на основе создания математической модели процесса обжига цементного клинкера, разработан способ комплексного автоматического регулирования и управления процессом обжига цементного клинкера во вращающейся печи, на который получен патент IAP № 03520 РУ на изобретение по заявке на изобретение (IAP 2004 0065) от 26.02.2004 г.) [11].

В результате анализа взаимозависимости химико-тепло-физических процессов разработаны новые принципы энерго- и ресурсосбережения при производстве цемента, разработаны методы интенсификации синтеза цементного клинкера и идентификации процесса обжига клинкера, заключающиеся в преимущественном снижении затрат тепла в горячей части системы и направленном регулировании процессов клинкерообразования с учетом влияния состава и концентрации примесей в сырье и топливе путем изменения конструктивных элементов агрегатов, состава газовой среды и теплонапряжения в отдельных зонах. На основе разработанных новых методов идентификации процесса обжига клинкера, разработан теоретически обоснованный принцип управления вращающейся печью, заключающийся в направленном изменении энтальпии вторичного воздуха, длины факела и теплонапряжения участков зоны горения с использованием разработанных горелок, различных отходов и других способов оптимизации и интенсификации процесса обжига цементного клинкера.

Проведение исследований на основе анализа установленных закономерностей и выявления особенностей протекания физико-химических и теплотехнологических процессов обжига цементного клинкера, с применением комплекса современных методов физико-химического анализа, принятых при исследовательских работах в области портландцемента, вплоть до самых современных: методов РФА, инфракрасной спектроскопии (ИК), петрографического анализа, химического анализа, метода меченных радиоактивных изотопов послужил основой для разработки теоретически обоснованного принципа управления вращающейся печью и для создания целостной единой системы (методологии) физико-химического (теоретические основы) синтеза портландцементного клинкера с теплотехническими и технологическими параметрами такого синтеза, заключающимся в направленном изменении энтальпии вторичного воздуха, длины факела и теплонапряжения участков зоны горения с использованием разработанных горелок, различных отходов и других способов оптимизации и интенсификации процесса обжига цементного клинкера

Полученные автором решения задач теории расчета и моделирования процесса обжига цементного клинкера позволяют существенно сократить объем экспериментальных исследований или полностью их исключить, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов (компонентов сырьевой смеси и топлива), денежных средств и времени на обжиг цементного клинкера. Кроме этого, отдельные теоретические результаты исследований автора являются определенным вкладом в общую теорию развития таких наук, как технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов, а в частности химической технологии производства вяжущих материалов (цемента).

Автором настоящей работы разработаны и внесены уточнения в формулы определения тепловой мощности вращающейся печи (q_F =1.85 К_LП D, Мвт), удельного теплового напряжения сечения в зоне спекания печи (Q=1.45 К_LП D, Мвт.) и производительности печи (G=13.75D), которые позволяют развить теорию проектирования, поиска новых конструктивных решений при проектировании новых и модернизации существующих цементных заводов, а также повысить эффективность проведения НИР и ОКР.

Разработанные и запатентованные конструкции дозаторов объемного дозирования шлама, газовой горелки и способа комплексной автоматического регулирования и управления процессом обжига цементного клинкера позволяют поднять качественные показатели обжигаемого клинкера по активности и агрегированию, снизить удельный расход условного топлива, повысить тепловой кпд колосникового холодильника[7-11]. Идеи оригинального устройства газовой горелки и способа комплексной автоматического регулирования и управления процессом обжига цементного клинкера могут быть использованы при проектировании новых цементных заводов (не зависимо от способа производства).

Результаты проведенных теоретических и прикладных исследований «Научные и теплотехнологические основы оптимизации обжига цементного клинкера во вращающейся печи» представляют практический интерес для разработки проекта модернизации существующих и строительства новых цементных заводов, позволяют уточнить представления о механизме синтеза процессов клинкерообразования. Отдельные положения проведенных исследований могут быть использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по специальности ”технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов и специализациям технология вяжущих и композиционных материалов”.

Результаты проведенных теоретических и прикладных исследований внедрены на НПФ САМОЙИНУР Со Лтд, ОАО Бекабадцемент, ТОО Цементный завод СЕМЕЙ, ОАО Сас-Тобецемент и на других цементных заводах. При этом достигнуто снижение удельного расхода тепла на обжиг клинкера - 10-15%, повышение теплового кпд (з) колосникового холодильника выше 0.8, и активности клинкера на - 10 -15 %.

Экономический эффект от внедрения разработок подтвержденных актами внедрений только на ОАО Бекабадцемент составляет более 60 млн. сум./год, на ТОО Цементный завод Семей (Р. Казахстан) более 492 тысча долларов США и более 200 млн сум в НПФ САМОЙИНУР Со Лтд.

Новизна способов и составов сырьевых смесей защищена более чем 15 авторскими свидетельствами, патентами на изобретение полезной модели способа и способа управления работой вращающейся печи, опубликовано более чем 50 научных статей республиканских и международных изданиях, сделано более 15 докладов на республиканских, международных конференциях и симпозиумах.

Список использованной литературы

1. Бабаев Н.Х. Обжиг цементного клинкера: оборудование, научные основы и прикладные способы (на узбекском языке): Монография. - М: Академия Естествознания, -492 с.

2. Бабаев Н.Х. Научные и теплотехнологические основы оптимизации обжига цементного клинкера во вращающейся печи: дис.... докт. техн…наук. -- С.П. 2008. -250 с.

3. Бабаев Н.Х. Новый подход к оценки работы вращающейся печи // Цемент и его применение. - 2004. № 1. -С. 66-69.

4. Бабаев Н.Х. Оценка основных показателей работы вращающихся печей // Цемент и его применение. - 2005. № 3. -С. 59- 65.

5. Бабаев Н.Х. Оптимизация обжига цементного клинкера во вращающихся печах и экономия энерго ресурсов // Кимё ва кимё технологиялари. -2004, № 3-4, -С. 84-90.

6. Бабаев Н.Х. Математическая модель тепло- и массообменных процессов протекающих в холодильнике цементной вращающейся печи // Узбекский физический журнал, 2004, т. 6, № 3, С. 211-219.

7. Бабаев Н.Х.Вихревая газовая горелка //Патент РУз. FAR № 00184. Официальный вестник ГПВ РУз 4(54) 2004 г

8. Бабаев Н.Х., Дадабаев У.Ю., Тегай Г.Г., Меметова Г.Г., Бабаев Н.Н., Бабаев Н.Ш. Дозатор шлама// Патент РУз. FAR № 00185. Официальный вестник ГПВ РУз 4(54) 2004 г.

9. Бабаев Н.Х., Дадабаев У.Ю., Коновалов В.М., Беляева В. И., Тегай Г.Г., Меметова Г.Г. Дозатор шлама// Патент РУз. FAR № 00186. Официальный вестник ГПВ РУз 4(54) 2004 г.

10. Бабаев Н.Х., Дадабаев У.Ю., Коновалов В.М., Беляева В.И., Тегай Г.Г., Меметова Г.Г., Бабаев А.Н.. Дозатор шлама// Патент РУз. FAR № 00187. Официальный вестник ГПВ РУз 4(54) 2004 г.

11. Бабаев Н.Х. Дадабаев У.Ю., Тегай Г.Г., Бабаев Н.Н., Бабаева Ш.Н. Способ комплексного автоматического регулирования и управления процесса обжига клинкера во вращающейся печи// Патент РУз. IAP № 003520. Опубл.30.11.2007. Бюл. ГПВ РУ. № 11, -С. 74-75.

Реферат

УДК 666.94.015.

Энерго-ресурсосбережение в производстве цемента. Акад. РАЕ, докт. техн. наук, проф. Бабаев Н.Х. Научно-производственная фирма «САМОЙИНУР Со Лтд»

В статье приводятся результаты промышленных испытаний вращающихся печей мокрого способа производства.

В результате обработки полученных данных установлены зависимости, показателей работы вращающихся печей от режима обжига, размеров печей, теплового напряжения зоны горения.

Выявлены особенности формирования диффузионного факела, установлены параметры влияния теплотехнологических факторов на режим горения топлива, на состояние обмазки и теплоизлучение корпуса печи, выявлены количественные и качественные зависимости сложных взаимообусловленных физико-химических, газо- и аэродинамических, и тепломассообменных процессов протекающих в зонах декарбонизации и спекания, пропускной способности печей, удельной тепловой мощности и теплонапряжения поперечного сечения печи зоны горения в свету.

Ключевые слова: Вращающаяся печь, клинкер, обжиг, процесс обжига.

Abstract

Energy-resource in cement production. Dr. techn. sc., GDPh. Chem. Industry, prof. RAE Babayev N.H. Research-and-production firm « SAMOYINUR Co Ltd », Republic of Uzbekistan

In article results of industrial tests of rotating furnaces of a wet way of manufacture are resulted.

As a result of processing of the received data dependences, indicators of work of rotating furnaces from a mode of roasting, the sizes of furnaces, thermal pressure of a zone of burning are established.

Is Revealed particularities of the shaping diffusions of the torchlight, is installed parameters of the influence heat technological factor on mode of the combustion fuel, on condition of plaster and heat radiation body stove in industrial condition, are revealed quantitative and qualitative dependencies complex interdependent conditioned physical and chemical, gas- and aerodynamic, and heat mass-fraudulent processes running in zone calcinations and burn cake, reception capacity of the stoves, specific heat power and heat of the voltage of the cross-section stove zones of the combustion in light.

The Keywords: Revolving stove, clinker, burning, burning process

Размещено на Allbest.ru