автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Исследование системы обжига клинкера, состоящей из вращающейся печи и технологического модуля механотермохимического превращения сырья



1 /

Российский государственный концерн "Цемент О АО Научно-исследовательский институт цементной промышленности

"НИИЦемент "

ФИДЕЛЬМАН ВЛАДИМИР ГРИГОРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОБЖИГА КЛИНКЕРА,

СОСТОЯЩЕЙ ИЗ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МОДУЛЯ МЕХА НО'

ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ СЫРЬЯ

05.17,11. Технология керамических, силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

На правах рукописи

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научные руководители : Академик МИА,

доктор технических наук,

наук В. М. Титов

кандидат технических

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ__1

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР __5

1.1. Теоретически минимальный расход теплоты на обжиг клинкера 5

1.2. Мокрый способ производства__6

1.3. Использование топливосодержащих и других отходов при

обжиге клинкера по мокрому способу__13

1.4. Сухой способ производства__17

1.5. Комбинированные системы приготовления и обжига

сырьевой смеси__23

1.6. Новые системы обжига__28

1.7. Новые способы приготовления и обжига комбинированной

сырьевой смеси__33

ВЫВОДЫ__34

1.8. Постановка задачи и направление исследований__36

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СХЕМ ЦЕМЕНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА__39

ВЫВОДЫ __47

ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ НА ПРИМЕРЕ

ЦЕМЕНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА О АО "СОДА"__48

3.1. Описание существующего цементного производства__48

3.2. Разработка технологической схемы обжига комбинированной сырьевой смеси при подаче отходов производства извести в

зону подогрева вращающейся печи 4 х 150 м__52

ВЫВОДЫ__56

ГЛАВА 4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОЙ

СИСТЕМЫ ОБЖИГА__57

4.1. Разработка методики расчета удельного расхода топлива__57

4.2. Алгоритм расчета__61

4.3. Результаты расчетов и их обсуждение__78

ВЫВОДЫ __103

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО СОСТАВА СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ__104

ВЫВОДЫ __108

ГЛАВА 6. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ НА ОСНОВЕ

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА__109

ВЫВОДЫ __128

ГЛАВА 7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБЖИГА ПРИ ПОДАЧЕ ТОНКОМОЛОТЫХ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ИЗВЕСТИ В ЗОНУ ПОДОГРЕВА ВРАЩАЮЩЕЙСЯ

ПЕЧИ 4 х 150 м__129

ВЫВОДЫ ___142

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ__143

ЛИТЕРАТУРА__145

ПРИЛОЖЕНИЯ :

Акт промышленных испытаний вращающейся печи 4x150м при подаче "недопала" в зону подогрева печи №1

Расчет ожидаемого экономического эффекта от использования "недопала" при обжиге клинкера N22

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Прогрессивные тенденции, определяющие в настоящее время развитие цементной промышленности, можно характеризовать в первую очередь поиском путей уменьшения потребления тепловой и электрической энергии на единицу произведенной продукции.

В настоящее время на производство цемента в нашей стране расходуется более 25 млн. тонн условного топлива, при этом доля энергоресурсов в себестоимости цемента составляет более 50 % [1].

Наиболее энергоемким переделом в производстве цемента является обжиг клинкера, на который расходуется более 80% от общих энергозатрат на производство цемента [2], что в решающей степени сказывается на энергоиспользовании и качестве продукта обжига.

Важность вопроса вызвала многочисленные технологические и конструкторские решения во всем мире, направленные на рационализацию систем обжига цементного клинкера [3], из которых в качестве основных можно выделить следующие:

- строительство мощных технологических линий, оснащенных технологическим оборудованием высокой единичной мощности;

- использование промышленных отходов, вторичного сырья, а также сырья, представляющего интерес с энергетической точки зрения, и материалов, частично заменяющих классические виды сырья и топлива;

- все более широкое использование каменного и в некоторых случаях бурого углей в качестве технологического топлива, заменяющего дорогостоящие мазут и природный газ;

- применение низкотемпературных технологий обжига;

- использование нетрадиционных видов энергии (электрической, солнечной и др.);

- преимущественная ориентация на сухой способ производства;

- новые технологии обжига (например, спекание в кипящем слое);

- перевод печей мокрого способа на полумокрый (полусухой) и комбинированные способы;

- разработка новых систем обжига, в максимальной степени использующие преимущества мокрого и сухого способов производства.

Проблема, поставленная и решаемая в настоящей работе, относится к этому ряду проблем, направлена на рационализацию энергоиспользования и поэтому является актуальной.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Повышение эффективности процесса обжига клинкера в системе, состоящей из вращающейся печи и технологического модуля MTX превращения сырья, с внедрением результатов исследований на цементном производстве АО "Сода".

В связи с этим в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Оценка различных направлений снижения энергопотребления в технологии цемента при реконструкции действующих производств и обоснование эффективности использования нового способа MTX превращения сырья и обжига клинкера в технологическом модуле, как одного из типовых приоритетных направлений реконструкции цементных заводов

2. Теоретическое и технологическое обоснование эффективности на основе эксергетического анализа новых технологических схем цементного производства и возможности реконструкции действующих цементных заводов по схеме, состоящей из вращающейся печи и технологического модуля MTX превращения сырья.

3. Анализ особенностей и характеристик цементного производства АО "Сода" как типового объекта внедрения системы обжига, состоящей из вращающейся печи 4 х 150м. и шахтной известково-обжигательной печи 4,5 х 18 м., как типового технического аналога модуля.. Разработка технологической схемы и параметров обжига клинкера при подаче сухих карбонатных отходов производства кальцинированной соды- так называемого "недопала" в зону подогрева вращающейся печи.

4. Расчетно-теоретические исследования системы обжига, предусматривающие разработку методики и алгоритма расчетов удельного расхода топлива, производительности и других показателей при изменении количества карбонатных компонентов и степени их декарбонизации, подаваемых в зону подогрева вращающейся печи.

5. Развитие принципов формирования и оптимизации состава сырьевой смеси с использованием эксергетического анализа, определение численных значений эк-сергетических показателей сырьевых смесей с различным соотношением "недопала" и исходного шлама.

6. Лабораторные исследования по выбору рационального состава сырьевой смеси.

7. Экспериментальные исследования в условиях АО "Сода" эффективности принятой схемы обжига с вращающейся печью 4 х 150 м., оценка технико-экономических показателей и качества клинкера при различном соотношении исходной смеси и "недопала".

НАУЧНАЯ НОВИЗНА . Научная новизна состоит в том, что:

1. Дана сравнительная оценка различных технических решений по снижению энергопотребления для цементных заводов мокрого и сухого способов производства, при создании новых систем обжига клинкера. Обоснована возможность и эффективность использования нового научного направления в повышении энергетической, экологической и экономической эффективности цементного производства, связанного с применением в технологии цемента нового технологического модуля MTX превращения сырья сухим способом.

2. С использованием эксергетического анализа выполнено теоретическое и технологическое обоснование эффективности комбинированного способа обжига, включающего вращающуюся печь и TM MTX превращения сырья. Способ позволяет одновременно использовать разные виды исходных карбонатных компонентов.

3. Разработана система комбинированного способа обжига клинкера, состоящая из вращающейся печи 4 х 150м и шахтной известково-обжигательной печи, как типового технического аналога универсального технологического модуля.

4. Выполнены расчетно-теоретические исследования системы обжига, предусматривающие разработку методики и алгоритма расчетов удельного расхода топлива, производительности и других показателей при изменении количества карбонатных компонентов и степени их декарбонизации, подаваемых в зону подогрева вращающейся печи.

5. Развиты на основе эксергетического анализа принципы формирования и оптимизации состава сырьевой смеси с различными соотношениями "недопала" и исходного шлама.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ :

1. Разработана нетрадиционная технологическая схема обжига клинкера, состоящая из вращающейся печи мокрого способа производства и технологического модуля MTX превращения сырья.

2. Определены оптимальные параметры схемы и процесса обжига клинкера, позволяющие при реконструкции цементных заводов снизить капитальные и эксплуатационные затраты, повысить качество клинкера, экологичность и безотход-ность производства.

3. Разработана методика и алгоритм расчета новой системы обжига комбинированной сырьевой смеси, позволяющие определить основные технологические параметры при реконструкции действующих цементных заводов.

4. Разработана и испытана в промышленных условиях система подачи термо-обработанных карбонатных компонентов в зону подогрева вращающейся печи. При этом удельный расход условного топлива снижен с 227,2 на 23 кг у.т./гн кп; производительность печи увеличилась с 35,0 на 3,9 т/час.; активность клинкера повысилась с 50,1 МПа до 53,3 МПа.

5. Результаты исследований внедряются на цементном производстве Стерли-тамакского АО "Сода". Экономический эффект от использования 100,0 тыс. т "недопала" составляет 8 млн. деноминированных рублей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ .

Основные положения диссертации были доложены и представлены на I Международном (IX Всесоюзном) Совещании по химии и технологии цементов, Москва, 1996г., РХТУ им. Д.И. Менделеева; на Международной конференции "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений " (XIV научные чтения), БелГТАСМ, Белгород, 1997г.; on the 2-nd int. Seminar of Cement, 18-20 NOV,1996, Iran University of Science and Tec hnology; на технических советах AO "Сода", 1995-1998 r.r.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них патент № 95106287/03 и 9 статей.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

Теоретическим, лабораторным и промышленным исследованиям систем обжига цементного клинкера посвящены многочисленные исследования как советских (российских), так и зарубежных ученых и специалистов цементной промышленности.

Практически во всех исследованиях в явной или опосредованной форме одной из главных задач является снижение расхода топлива и/или электроэнергии на обжиг путем оптимизации состава обжигаемого материала или аппаратурного оформления систем обжига.

1.1. Теоретически минимальный расход теплоты на обжиг клинкера.

При стремлении к минимизации удельных расходов теплоты в определенной физико-химической системе весьма полезно оценить минимальный уровень потребления энергии на превращение исходных веществ в конечный продукт и сравнить этот минимальный уровень с реальным для оценки совершенства процесса и путей его рационализации.

Многие исследователи пользуются для этого понятием, так называемого, теплового К. П. Д. обжиговой системы или ее частей (подсистем) [ 5,6,44 и др.].

Тепловой К. П. Д. определяется соотношением:

Ч=Чр/ЧП (1.1)

где qp - теоретический тепловой эффект кпинкерообразования,

ЯП- действительный расход теплоты на обжиг.

Теоретический тепловой эффект клинкерообразования определяется по стандартным термодинамическим данным [4] при О °С и давлении 1 атм. и складывается из тепловых эффектов реакций разложения исходных веществ и образования клинкерных минералов и других соединений, входящих в состав клинкера [5,6]. Из этого определения следует, что теоретический тепловой эффект клинкерообразования зависит только от составов исходных веществ и продукта обжига, но не зависит от температуры.

В связи с этим тепловой К. П. Д., определяемый соотношением (1.1) не может служить ориентиром при совершенствовании обжиговых систем и быть адекватной характеристикой степени совершенства системы.

Одной из первых попыток оценить возможный предельный уровень минимального потребления теплоты на обжиг клинкера являются работы А. РоНМ [7], а также

чехословацких исследователей [8,9,10], в которых учитывался температурный уровень протекания физико-химических процессов. В дальнейшем многие исследователи опирались на понятие термодинамически идеальной системы [11,12,14], в котором с весьма общих позиций превращения различных видов энергии формулируются предельные значения энергопотребления.

С этой точки зрения весьма плодотворным является эксергетический подход к исследованию систем обжига цементного клинкера, развиваемый в работах [73-76].

Эксергетический К. П. Д. является интегральной характеристикой системы, учитывающей состав, эксергетическое состояние исходных веществ и потери энергии от термодинамической необратимости процессов тепло и массо обмена, химических превращений и диссипации энергии.

Эксергетический К. П.Д. определяется соотношением [15]: т^=Екл/ЕЕп=1 -Епот/ ЕЕп (1.2)

где Екп- эксергия клинкера,

Еп- эксергия, подведенная в систему (с топливом, электроэнергией, исходным сырьем и т.д.),

Епот- потери эксергии с отходящими газами, при теплообмене с окружающей средой, при неравновесном тепло и массо обмене внутри системы, от необратимости процессов горения топлива и химических реакций превращений исходных веществ.

По уравнению (1.1) тепловой К. П.Д. составляет для мокрого способа 30 -35 % при теоретическом тепловом эффекте клинкерообразования 1680-1950 кДж/кг. кл., а для сух ого способа 57 -67 % при том же теоретическом тепловом эффекте.

Использование понятия идеальной системы обжига дает величину минимального расхода теплоты на обжиг [7,11]:

- 2100 - 2500 кДж/кг. кл. при сухом способе,

- 4500 - 5000 кДж/ кг. кл. при мокром способе.

Последние величины могут служить в качестве предельной величины удельного расхода теплоты при совершенствовании систем обжига мокрого и сухого способов.

1.2. Мокрый способ производства.

В цементной промышленности России работают 52 цементных предприятия по полному технологическому циклу, из них 39 - по мокрому способу и 11 - по сухому.

АО "СЕБРЯКОВЦЕМЕНТ" и АО "НОВОРОСЦЕМЕНТ" эксплуатируют наряду с линиями мокрого способа линии сухого и полусухого способов [12].

Производственные мощности по выпуску цемента составляли в 1996 г.:

- по мокрому способу 67,2 млн. т.

- по сухому способу 12,8 млн. т.

Их этих данных следует, что в настоящее время и в обозримом будущем мокрый способ будет преобладающим в отечественной цементной промышленности, при этом удельный расход условного топлива на некоторых линиях мокрого способа превышает 300 кг/т. кл., что делает их неконкурентоспособными не только на мировом, но и отечественном рынке.

В связи с этим совершенствование мокрого способа и в первую очередь снижение энергопотребления на обжиг имеет первостепенное значение. Сложные физико-химические процессы, происходящие при обжиге клинкера, изучались многими отечественными и зарубежными учеными [1,6-24].

Протекание процессов декарбонизации, образования и связывания извести в зависимости от температуры материала и времени исследовали Прюссинг и Шри-вер [109] в печах 2,3x1,8x33 м, Гиги в печи длиной 63 м, Ходоров [81]. Накен, Фрам и Цоллингер [82,83,84] определяли, кроме того, содержание в материале растворимых оксидов.

Иоши [85] наряду с определением потерь при прокаливании и содержания свободной извести выполнил микроскопический и рентгеновский анализы проб материала по длине печи. В.К. Классен в монографии [1] обобщил данные других авторов, дополнив их собственными оригинальными исследованиями с использованием метода радиоактивных изотопов.

В.Н. Юнг [18,23] предложил разделить печь на шесть технологических зон: испарения (сушки), подогрева, декарбонизации, экзотермических реакций, спекания и охлажд ения.

В дальнейшем эти представления стали классическими и ими пользуются практически все специалисты цементной промышленности.

Наиболее теплоемкими зонами в печи являются зоны сушки и декарбонизации, где обжигаемый материал потребляет до 40 и 30 % общего расхода тепла соответственно. Поэтому вопросам сушки шлама и декарбонизации материала посвящены многочисленные исследования [25,27,86-88,89-97].

При оптимизации зоны сушки основное внимание уделяется конструкции, способам навески, длине и другим конструктивным параметрам цепного теплообменника (работы А. Ф. Мешика [86,87], В. К, Классена[1] и др.), а также влиянию реологических свойств шлама и его влажности. При исследовании цепной завесы учитывается, что она может быть не только пыле подавляющим фактором, но и источником пылеобразования. При чрезмерно развитой поверхности цепной завесы ухудшается гранулометр�