автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Эксергетический анализ в технологии полученияцементного клинкера.

■у /1

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

На правах рукописи

Адаменко Ольга Евгеньевна

Эксергетический анализ в технологии получения цементного клинкера.

На стыке специальностей:

05.17.11. - Технология керамических, силикатных и тугоплавких

неметаллических материалов. 05.17.08,- Процессы и аппараты химической технологии.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 1997

Работа выполнялась в научно-исследовательском институте цементной промышленности "НИИЦемент" и на кафедре кибернетики химико-технологических процессов РХТУ им. Д.И.Менделеева.

Научные руководители:

член-корреспондент МИА доктор технических наук, профессор

Вердиян М. А.

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент

Бобров Д.А.

доктор технических наук, с.н.с.

АльбацБ.С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Кузнецова Т. В. доктор технических наук, с.н.с.

Акунов В.И.

Ведущее предприятие:

кафедра технологии силикатов МИКХиС

Защита состоится " " января 1997 года в // часов на заседании

диссертационного совета KIII.03.01. научно-исследовательского института цементной промышленности "НИИЦемент" по адресу: 107014, г. Москва, 3-й Лучевой просек, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЦемента. Автореферат разослан " _" декабря; 1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Панина Н. С.

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Сложившаяся в настоящее время в России ситуация в цементной индустрии отличается, с одной стороны, насыщенностью производственных мощностей и, с другой стороны, незначительным спросом на цемент. В связи с этим реконструкция действующих предприятий приобретает все большее значение. При этом большая роль отводится мероприятиям, позволяющим без значительных финансовых вложений существенно снизить тепловые и энергетические затраты.

Энергетические затраты в производстве цемента объективно обусловлены его химией и особенностями технологического процесса. Подавляющее большинство исследований по снижению энегозатрат в технологии цемента носят разрозненный характер и затрагивают, как правило, отдельные процессы, агрегаты и отдельные переделы. При этом анализируемый элемент технологической системы искусственно выделялся из всей технологической цепочки, не рассматривалась вся "предыстория" потоков, используемых в данном элементе технологической системы, и оптимизация проводилась конкретно для отдельно взятого анализируемого объекта.

В связи с этим очевидно, что решение проблемы экономии энергоресурсов на действующих производствах и развитие малоэнергоемких принципиально новых технологий обжига цементных сырьевых материалов является в настоящее время актуальным и становится возможным с развитием методов системного анализа химико-технологических процессов. К этому направлению относится, в частности, и применение эксергетического метода, входящего в состав системного анализа процессов и химико-технологических систем. Эксергетический подход в решении проблемы снижения энергопотребления цементных производств позволяет ввести обобщенный параметр различных энергетических затрат и качества различных видов энергии - эксергетический показатель, который является главной и единой характеристикой энергетической эффективности для всех переделов любого цементного производства. Систематические исследования в этом направлении отсутствуют. Поэтому основной целью данной работы является разработка научно-методического обеспечения эксергетического анализа в технологии получения цементного клинкера и его конкретное применение для заводов мокрого способа производства цемента, а также для цементных заводов нового поколения.

Для достижения поставленной цели было предусмотрено проведение научно-исследовательских работ по следующим направлениям: • методологические основы эксергетического анализа в технологии получения цементного клинкера;

• эксергетический анализ типовых процессов и технологических схем;

• эксергетический анализ отдельных технологических переделов (подсистем) цементного производства;

• эксергетический анализ преобразуемых исходных сырьевых компонентов, шихты, шлама, клинкера;

• эксергетический анализ преобразующих потоков;

• разработка эксергетического баланса системы " сырье - клинкер";

• расчеты и проведение эксергетического анализа для технологической системы обжига клинкера Старооскольского цементного завода.

Методы исследования. В работе использовались методы системного и термодинамического анализа химико-технологических процессов и систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• разработаны методологические основы эксергетического анализа в технологии производства цемента;

• поставлена и решена задача разработки методики эксергетического анализа типовых технологических процессов, элементов, переделов и схем получения клинкера;

• поставлена и решена задача разработки методики эксергетического анализа преобразуемых и преобразующих потоков системы;

• разработан общий эксергетический баланс системы "сырье - клинкер".

Практическая ценность.

• определены численные значения эксергетических показателей сырьевых материалов, таких как известняки, мела, глины, бокситы, сланцы различных месторождений, корректирующие добавки, используемых в настоящее время 34 заводами, работающими по мокрому способу производства.

• определены эксергетические показатели шихт, шламов и клинкеров 15 цементных заводов, работающих по мокрому способу производства;

• выявлены количественные зависимости между эксергией сырьевого шлама и расходом топлива, затрачиваемым на обжиг этого шлама и между эксергией клинкера и его активностью;

• составлен эксергетический баланс обжиговой системы получения клинкера Старооскольского цементного завода. Осуществлен этап оптимизации состава 25 сырьевых шихт из новых 33 сырьевых компонентов, планируемых к применению на этом заводе. Выданы рекомендации по оптимальным составам сырьевых шихт, обеспечивающим минимальный расход топлива и пылевыноса на вращающейся печи 5Х185 м. Рекомендации приняты заводом для интенсификации и реконструкции производства;

• выданы рекомендации по разработке новых обжиговых систем, включающих вращающуюся печь и технологический модуль.

Достоверность результатов работы подтверждается совпадением полученных расчетных результатов с практическими исследованиями, выполненными в других независимых научно-исследовательских работах, а также положительными результатами промышленного внедрения.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов", Баку, 1987; на " Х* Научных Чтениях", Белгород, 1987; на научно-технической конференции НИИЦе.меита, Москва, 1988; на научно-техническом совещании по химии и технологии цемента "Наука - производству", Москва, 1989; на конференции по технологии строительных материалов, Москва, 1989; на Международной конференции по химии и технологии цемента, Иркутск, 1990; на I" Международном совещании по химии и технологии цемента, РХТУ им.Д.И.Менделеева, Москва, 1996; on the Int'l Seminar on Cement, 18-20 Nov. 1996, Iran University of Science & Technology. Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ. Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов, списка используемой литературы, содержащего 129 наименований и приложений. Общий объем работы 255с.

Содержание работы.

Во введении определены основные положения работы, выносимые на защиту, а также сформулированы актуальность работы, научная новизна и практическая ценность. Показана целесообразность решения поставленных задач в рамках нового направления в повышении энергетической, экономической и экологической эффективности цементных производств, развиваемого школой академика Кафарова В.В. и член-корреспондента МИА, д.т.н., проф. Вердиян М.А.

В главе 1 "Состояние вопроса" приводится обзор существующих методов термодинамической оценки эффективности обжиговых систем цементного производства, их преимущества и недостатки. Обосновывается целесообразность применения эксергетического метода термодинамического анализа процессов и химико-технологических систем, развиваемого в работах д.т.н. Перова В.Л., к.т.н. Боброва Д.А. и др. Рассматриваются единичные научные труды и исследования, посвященные эксергетическому методу термодинамического анализа в цементной отрасли и отмечается необходимость более подробных систематических исследований по использованию эксергетического анализа в цементной технологии.

В главе 2"Эксергетический анализ процессов и систем механотермохимического превращения исходного сырья" разра-

батываются общие методологические основы эксергетического анализа в технологии цемента. Показано, что под понятием "система механотермохимического превращения исходной сырьевой шихты" понимается совокупность физических операций и химических реакций, требуемых для получения целевого продукта - клинкера из заданных видов сырья. Условно система механотермохимической обработки представлена ниже на рис.1, в виде блок-схемы, где один вход - это ввод основного потока [Ем] ,т.е. преобразуемых исходных компонентов, таких как карбонатный компонент [Екар], глинистый компонент [Ега], добавки [Едоб], а второй - ввод вспомогательного (преобразующего) потока, необходимого для преобразования и транспортирования основного. Вспомогательными потоками в системе механотермохимической обработки сырьевых материалов являются электроэнергия [Еэл], топливо [Ет], сжатый воздух [Ев] и среда превращения [Еср].Под выходом из системы [Евьгх] подразумевается совокупность выходных газоматериальных потоков [Еш] и целевого продукта системы [Ец].

Ехар I Ет | Ев I Еэл I ЕСр ^Епотерь

-► ■^тл Ем система механотермохимического превращения исходной сырьевой шихты Евых Егм

Едоб к Ец

Рис.1. Условная блок-схема, системы механотермохимического превращения исходной сырьевой смеси.

Количественно процесс энергетических и химических превращений в системе оценивается на основе эксергетического баланса системы, который записывается следующим образом :

2Е, £ЕпреобрЮ)юира: ^ц ¿^потерь

ур + р + р + р + р = р + р ±ур

1 --в ^ср ¿-А^потерь

ур р + р + р ^ р = р + р + р + р + р + р _1- р

Подробно рассматриваются все составляющие эксергетического баланса системы и даются их конкретные определения для технологии цемента. Например, под эксергией твердого преобразуемого потока понимается мера его энергетического состояния в окружающей среде. Иными словами, в нашем конкретном случае эксергия твердого преобразуемого материал характеризует способность данного материала реагировать на совершаемое по отношению к нему воздействие. Эксергия преобразуемого материала определяется как:

Е„ = Еф + Ех< где Еф - физическая составляющая эксергии преобразуемого материала, определяемая его физико-механическими свойствами: плотностью, пористостью и влажностью карбонатных пород; пластичностью глинистых пород; Ех - химическая составляющая эксергии преобразуемого материала, определяемая химическим и минералогическим составом преобразуемого материала. Аналогично определения даны для преобразующих потоков, среды воздействия, целевого продукта и совокупности эксергетиче-ских потерь. Для расчета эксергетических характеристик вышеперечисленных потоков использовался комплекс их физико-химических и физико-механических свойств.

Анализ типовых элементов технологических схем. При эксергетическом анализе вводится понятие внутреннего термодинамического к.п.д. процесса или эксергетического к.п.д., отражающего степень необратимости процесса энергообмена. Внутренний термодинамический к. п.д. такой системы определяется как отношение количества эксергии отведенных из системы целевых продуктов (Ец) ко всей затраченной эксергии в технологическом процессе, т.е. к совокупности эксергии затраченного сырья (Ем), топлива (Ет), воздуха (Ев) , эксергии подводимой электроэнергии (Еэл) и эксергии среды воздействия (Еср), т.е. ктс = Е,/(Ем+Ет+Ев+Ем+Ес!)

При расчете эксергетического к.п.д. как полезный эффект, т.е. целевой продукт, так и расходы, связанные с проведением процесса, выражаются при помощи эксергии или работы. Эксергетический к.п.д. в пределе принимает значения: 0 < < 1.

Показывается необходимость установления взаимосвязи данного общего показателя качества системы (ксис) с характеристиками ее отдельных элементов. Вид функциональной связи будет различным в зависимости от структуры системы. Рассматриваются простейшие варианты организации структуры системы: последовательное и параллельное соединения элемента; с рециклом по материальному и энергетическому потокам. Технологическая схема механотермохимической обработки сырьевых материалов обычно включает в себя набор подобных соединений элементов. Поэтому, получив для них формализованные выражения зависимости коэффициента эффективности (эксергетического к.п.д.) кс!,с от внутренних характеристик, представляется возможным перейти к анализу различных вариантов систем подготовки сырья, обжига и помола клинкера, а также к сравнительному анализу произвольных вариантов реконструируемых цементных производств. Эксергетический анализ отдельных подсистем.

В диссертации рассматриваются подсистемы "сырье-шихта", "шихта-шлам", "сырье-шихта-шлам-клинкер". Для каждой из них дается блок-схема передела с выделением преобразуемых и преобразующих потоков, уравнение эк-

сергетического баланса и формулировка задачи снижения энергопотребления, количественные определения эксергий потоков. Например, блок-схема подсистемы "шихта-шлам" показана на рис.2. Такая подсистема соответствует технологическому переделу приготовления сырьевой смеси. С точки зрения подхода к снижению энергопотребления задача заключается в получении из выбранных компонентов сырьевой шихты (сырьвого шлама) со строго определенными энергопонижающими характеристиками по дисперсности (К), влажности (IV), хим.сосгаву (КН), перемешиванию (Ре). Уравнения эксергетического баланса имеют вид:

а(КН) + Е^/Ре) ша(Ш)+АЭк] + /£и

а (КЩ+ЛЭкд] +

Е шихты ^Епреобразующих Е-итама ^Епотерь ^шихты $Е>воды

■ аЕкар + ЪЕм + сЕдо6

преобразующих ~ ЕИзмельчение Еперемешивание & транспортировка

^-Егшама ~~ Ет(К) ЕимммаОЮ Егит £ДЕшлама = [Ешама(К)+ЛЭц] + [Еи [Еиаама(Ре)+ЛЭРе.],

где ХДЕдшша - приращение эксергии шлама за счет изменения его характеристик; АЭ, - дополнительные энергозатраты, требуемые на изменение соответствующих характеристик шлама. Из анализа этих уравнений следует, что численное значение эксергии шлама во многом определяется эксергией выбранных компонентов сырьевой шихты, и при их постоянстве изменение Ещлама зависит от характеристик шлама (КН, Ж,Я, Ре), степени термообработки (Т), технологии их приготовления и обжига (5). Ет=№Т,КН,1УЛРе)

яЕкар

ЪЕ™

сЕ,

доб

сШв,

И'

Измельчение Ещл

перемешивание

транспортировка Екн

Ере

к

Рис.2. Условная блок-схема подсистемы "шихта-итам"

Так как основным типовым процессом при получении сырьевой муки или сырьевого шлама является дробление, измельчение исходных компонентов и их перемешивание, разрабатываются методические основы определения эксергии этих процессов.

В последующих главах (3-5) дается эксергетический анализ преобразуемых исходных сырьевых материалов цементного производства, эксергетический анализ преобразующих потоков и воздействий, эксергетическая оценка продуктов переработки сырьевых компонентов. В качестве исходных данных использовались результаты независимых экспериментальных исследований, приведенных в диссертационных работах Вердиян М.А., Киреевой И.А., Баклушина Б.Г., Николаева Е.В., Альбац Б.С., Арзамасцева Г.И. (НИИЦеменг), Ильичева И.Е, Текучевой Е.В.

В главе 3"Эксергетический анализ преобразуемых исходных сырьевых материалов цементного производства" дается определение и подробный анализ эксергетических характеристик преобразуемых материалов цементного производства различных месторождений: известняков (21 вид), мелов (24 вида), глин (19 видов), корректирующих добавок (12 видов). Например, эксергия известняка с конкретным химическим составом и физико-механическими свойствами определяется по следующему выражению:

Е=[(ХсаО *EchoJ~Xm203*Eaj103 ^Храоз *Ере2ОЗ+Хмж0 *Ем8о+Хмпо*Е]ц„о+ХзоЗ *ES03 +Хц20 *Ея20+ Xnm*Emn)*(l-Xw)+Xw*Ew)]*fA

где X - содержание конкретного оксида в смеси; Е - эксергия конкретного оксида; w - естественная влажность; / - фактор компактности фаз, количественно определяемый по плотности карбонатного компонента; / - коэффициент разветвленности пор, учитывающий различия в пористости известняков. Показано, что эксергия известняков различных месторождений меняется в диапазоне 120-180 кДж/кг известняка; чем выше процентное содержание оксидов А1203 и СаО, тем выше нормальная химическая эксергия рассматриваемого известняка, т.е. определяющими в величине эксергии известняка являются эти два оксида. Показано, что диапазон изменения эксергии мелов с влажностью 12-33% и пористостью 40-60% составляет 167-350 кДж/кг мела; максимальной эксергией обладают мела с наименьшей влажностью (12%) и наибольшей пористостью (60%); значение эксергии природного мела занимает промежуточное положение между значениями эксергии известняков (120-180 кДж/кг известняка) и эксергией глин (230-590 кДж/кг глины), причем значения эксергии мелов при минимальной влажности (12%) равны или превышают значения низшей границы эксергии глин. Поэтом}' при составлении сырьевых смесей на основе мела и глины необходимо прогнозировать возможность сочетания данного мела с повышенной эксергией и глины с пониженной эксергией.

Установлена взаимосвязь эксергии известняков с их физико-химическими и физико-механическими параметрами. Анализ показал, что величина эксергии известняков коррелирустся практически со всеми физико-механическими свойствами известняков за исключением микротвердости

и микрохрупкости. Максимальная степень корреляции наблюдается с такими физико-механическими свойствами известняков как объемная масса, плотность, пористость и естественная влажность. Величина эксергии известняков коррелируется со всеми параметрами, характеризующими химический состав известняков. Высокая теснота связи эксергии с физико-химическими и физико-механическими свойствами известняков свидетельствует о том, что эксергия является комплексным показателем исходного состояния известняков. Чем выше исходное эксергетическое состояние известняка, тем более он восприимчив к оказываемым на него воздействиям и тем ниже энергетические затраты на его обработку. Установлена также взаимосвязь эксергии известняков с их технологическими свойствами Исследуемые известняки были условно разделены на три группы, отличающиеся характером изменения величины константы скорости измельчения:

для 1ой группы к=1ёеш; для 2ой группы кг>к2 для Зеи группы к!<к2. В пределах обозначенных групп выявлены зависимости между параметрами, характеризующими технологические свойства материалов и показателем эксергии этих материалов. Установлена высокая степень корреляции между затратами электроэнергии на измельчение, константами скорости измельчения и эксергией известняков в пределах обозначенных групп._

Уравнение, связывающее значение эксергии 1ой группы известняков с расходом электроэнергии на их измелъчение:Э = (34758 - 1.49*Е)/1000 Уравнение, связывающее значение эксергии 2ой группы известняков с расходом электроэнергии на их измелъчение:Э = (62783 - 3.38*Е)/1000 Уравнение, связывающее значение эксергии 3е" группы известняков с

расходом электроэнергии на их измельчение:Э = (95614 - 5.4*Е)/1000_

Эксергетический анализ глинистых компонентов показал, что значение эксергии для природных глинистых минералов колеблется в пределах 231584 кДж/кг глины, что в 2-4 раза превышает интервалы изменения значений эксергии для известняков различных месторождений ив 1.3 -1.6 превышает эксергию медов различных месторождений. На конкретных числовых примерах показан расчет эксергии корректирующих добавок.

Глава ¿"Эксергетический анализ преобразующих потоков и воздействий" посвящена эксергетическому анализу различных видов топлив, применяемых в цементной промышленности, а также эксергетическому анализу и подробному расчету эксергии воздуха в зависимости от его температуры и давления, температуры и давления окружающей среды, эксергии среды измельчения и ее влияние на эффективность процесса. Под эксергией топлива, используемого при обжиге цементных сырьевых материалов, понимается максимальная работа, которую может совершить

данный вид топлива в ходе технологического процесса. Показан расчет эк-сергии твердых видов топлив (кокс, каменный уголь, древесина, бурый уголь), жидкого топлива (12 сортов мазута), газообразного на примере природного газа Ставропольского, Саратовского, Бухурусланского и Шебелин-ского месторождений. Значения эксергии топлива колеблются в пределах 740 - 4550 кДж/кг топлива, причем интервал изменения эксергии твердого топлива: 740-1760 кДж/кг топлива; жидкого топлива: 3550-4550 кДж/кг топлива; газообразного топлива: 2400-2600 кДж/кг топлива. Под эксергией воздуха, вводимого в технологическую систему обжига сырьевых материалов, понимается максимальная работа, которую может совершить данный технологический поток воздуха, характеризуемый конкретной температурой и степенью сжатия. Показано, что значение эксергии воздуха определяется тремя параметрами: температурой окружающей среды, температурой самого воздуха и степенью сжатия воздуха. Рассмотрено влияние изменения параметров окружающей среды на изменение эксергии воздуха, вводимого в систему обжига.

Эксергетический потенциал непосредственно среды измельчения оказывает существенное воздействие на изменение эффективности измельчения. Основываясь на независимых экспериментальных данных и на расчетах по эксергетическому содержанию различных нетрадиционных сред измельчения, показано, что увеличение эксергегического потенциала среды измельчения до 200 кДж/м3 вызывает повышение эффективности измельчения на 15-20% по сравнению с измельчением в воздухе с температурой окружающей среды и при атмосферном давлении. С ростом эксергии среды измельчения в 100-200 раз по сравнению с рекомендуемой максимальной эксергией среды измельчения (200 кДж/м3), эффективность измельчения увеличивается лишь на 3-5%.

Под эксергией воды понимается максимальная способность потока воды, характеризуемого конкретной температурой при конкретных показателях окружающей среды, к совершению работы в технологическом процессе. Показано, что значение эксергии воды определяется тремя независимыми параметрами: влажностью атмосферного воздуха, температурой атмосферного воздуха, температурой самой воды. Интервал изменений концентрации (плотности) эксергии потока воды в зависимости от значений вышеуказанных параметров варьируется от 0 до 250 кДж/кг воды. Численно доказано, что чем выше концентрация эксергии воды, поступающей на подготовку сырьевого шлама, тем эффективней протекает процесс измельчения шлама. Испытания на лабораторной установке показали, что повышение температуры сырьевого шлама на выходе из мельницы от 10°С до 55°С за счет добав-

ления к исходному материалу горячей воды, способствует повышению эк-сергии смеси на 20%, при этом остаток на сете Яоо8 снижается с 18% до 13%.

В главе 5 "Эксергетическая оценка продуктов переработки сырьевых компонентов" показана методика определения эксергети-ческих характеристик сырьевого шлама в зависимости от его показателей, клинкера и отходящих из системы продуктов сгорания. Эксергия сырьевого шлама. Расчетное значение эксергии сырьевого шлама, полученного из классических компонентов сырьевой шихты, изменяется в пределах 134-595 кДж/кг шлама. Между изменением эксергии шлама и расходом топлива на его обжиг существует функциональная зависимость: Ст = 283.79 - 0.168'¥Еи11ГЛма Эксергия сырьевого шлама является функцией 6 независимых параметров шлама, таких как: дисперсность, влажность, химический состав, степень перемешивания, степень термообработки и способ приготовления и обжига шлама. В таблице 1 показано, как изменение всех параметров в целом или каждого в отдельности влечет за собой изменение эксергии шлама. В работе на конкретных числовых примерах показан расчет эксергии шлама при изменении его параметров до максимально допустимых. Предложен расчет эксергии 15 конкретных сырьевых шламов, применяемых в промышленности.

Табл.1.

эксергия. ■: «преде-. ..эксергия, . определяемая эксергия, опре- эксергия*' : онрскч

■яяемая дисперсно- влажностью шлама деляемая хим. ляемая. .. степенью :

стью шлама составом сырьем перемешивания::;

вой шихты шам

я э де дэ ле при 1.= 20° с де прл 4 = 50° с де при и = 80° с кн ет„ етк ре э де

20 20.2 101 40 0 21 24 32 0.90 165 523 0.6 3.0 10.8

15 25.7 129 35 5 36 39 46 0.85 178 581 0.7 3.5 12.6

10 31.3 157 30 10 51 54 60 0 80 191 614 0.8 40 14.4

5 406 20.5 25 15 67 69 74 0.75 215 655 0.9 45 16.2

Показано, что эксергия реальных шламов изменяется в пределах 236-411 кДж/кг шлама. Уменьшение содержания влаги в шламе способствует возрастанию эксергии обезвоживаемого шлама, но это возрастание в каждом конкретном случае различно. Для пояснения рассматривается влияние изменения влажности на эксергию шлама в конкретных случаях - на примере шламов Топкинского цементного завода, Старооскольского и Амвросиев-ского цементного завода и показывается, что целесообразность такого технологического приема, как обезвоживание сырьевого шлама, обусловливается в первую очередь свойствами сырья и затратами на снижение влажности шлама.

Эксергия клинкера. Рассматривается расчет эксергии клннкера, определяемый минералогическим составом клинкера и его температурой. Получено, что клинкер обладает более высокой эксергией по сравнению с эксерги-ей исходных сырьевых материалов и эксергией сырьевых шламов. Эксергия клинкера составляет 1199-1318 кДж/кг клинкера. Увеличение эксергии клинкера соответствует повышению активности клинкера. Установлены зависимости между эксергией сырьевого шлама, эксергией клинкера и расходом топлива на обжиг шлама, активностью клинкера. Эксергия отходящих газов. Эксергия отходящих газов представляет собой совокупность термической эксергии отходящих газов Ет, зависящей от температуры отходящих газов, а также химической эксергии Елм, определяемой химическим составом отходящих газов: £Е отхг. = Ет + Ехлм В работе дан подробный пример расчета термической эксергии отходящих газов, содержащих только основные компоненты воздуха.

Глава 6 "Разработка эксергетического баланса обжиговых систем мокрого способа" посвящена подробному анализу составления эксергетического баланса обжиговых систем цементного производства. Показано, что эксергетический баланс является логическим завершением материального и теплового балансов системы и составляется для совершенно конкретных условий работы технологической системы, характеризуемой конкретным видом используемого сырья и добавок, их соотношением в сырьевой шихте, конкретным видом и температурой топлива, а также конкретным состоянием окружающей среды - ее температурой и давлением - на момент составления эксергетического баланса, т.е., по сути показано, что эксергетический баланс системы является моментальным отражением ("фотографией") состояния технологической системы в данный момент времени. В диссертации приводятся примеры составления эксергетического баланса для одной и той же обжиговой системы, но при разных расходах условного топлива, и прослеживается влияние изменение расхода топлива на все параметры обжиговой системы. На рис.3, приводится условная система механотермохимического превращения исходных сырьевых материалов, на которой в общем виде показаны эксергетические характеристики всех потоков, имеющих место в этой системе. Диапазон численных изменений эксергии потоков дан в кДж/кг конкретного потока.

В главе разработана методика и выполнен эксергетический баланс обжиговой системы для Староосколъского цемзавода. В качестве исходной шихты рассматривались пяти- и 4-хкомпонентная сырьевая смесь с Е1 = 379 кДж/кг шихты и Еп = 385 кДж/кг шихты, расчетные значения эксергии шламов с 37-38.2%; К00з=15%; Ре=0.6 на основе шихты N1 и N2 составляют соответственно 321 и 333 кДж/кг шлама с удельным расходом топлива 230 и

12

З.Обеспыливание

пыль

отх. газы

270-400

500-650

углекислота 458

физ.вода 175

известняк

глина

кор.добавки

, потери

вода

электроэнергия

топливо

120-170

231-584;

399-11677;

52-71

Ш-126

газоматериальный поток

воздух общий

25-30

воздух острый

200-300

избыточный воздух 250-300

потери

39000-41 ООО :

160-660

сыр.шихта I

1.Измельчение

2.Перемешивание ЗЖо|3£екти£овка^

1.0бжиг 12.0хлаждение

134-595

сыр. шлам

клинкер

1199-1318

Рис.3. Эксергетическая характеристика потоков системы механотермохимического превращения исходных сырьевых материалов. Значения даны в кДж/кг потока

228 кг усл.т./т клинкера. Показано, что при параметрах шлама W=20%; Roo8=5%; Ре=0.9 значения эксергии шламов равны 411 и 452 кДж/кг шлама, расход топлива при этом 215 и 208 кг усл.т./т клинкера. Эксергия Староос-кольского клинкера составляет 1310 кДж/кг клинкера. По уравнению регрессии, связывающему эксергию клинкера с его активностью получено расчетное значение активности клинкера, равное 507 кг/см2. Фактическая активность клинкера по заводским данным за анализируемый период составила 501 кг/см2. Были определены численные значения всех составляющих преобразуемых и преобразующих потоков, на основании которых составлено численное выражение эксергетического баланса всей системы: 514+7186=1310+2338+4052 (кДж/кг клинкера) 17.5+245.1=44.7+79.6+138.3 (кгусл.т./т клинкера) 142.7+1996.3=363.9+649.1+1125.5 (кВт*ч/т клинкера). Эксергетический к.п.д. такой системы низок и составляет -17-20%. Выполнен эксергетический анализ 33 различных сырьевых материалов, возможных для применения на Старооскольском цемзаводе, а также 25 вариантов сырьевых шихт, составленных на основе этих материалов. Показаны шихты, близкие к оптимальным, применение которых на заводе обеспечит снижение энергозатрат и снижение пылевыноса.

В главе 7 "Внедрение результатов исследования" приведены акты о передаче результатов настоящей работы

• в Научно-Технический Центр ЭПУ Российской Академии Наук для разработки технологий нового поколения;

• в РХТУ им. Д.И.Менделеева для использования в учебном процессе;

• в Иранский технологический Университет (Iran University of Science & Technology) для совместного издания книги;

• Старооскольском)' цементному заводу с целью снижения энергозатрат и пылевыноса.

Общие выводы.

1. Настоящая работа развивает новое направление в повышении энергетической, экономической и экологической эффективности цементных производств, разрабатываемое лабораторией кибернетики НИИЦемента и кафедрой кибернетики РХТУ им. Д.И.Менделеева. К этому направлению относится, в частности, и применение эксергетического метода, входящего в состав системного анализа процессов и химико-технологических систем. Эксергетический подход в решении проблемы снижения энергопотребления цементных производств позволяет ввести обобщенный параметр различных энергетических затрат и качества различных видов энергии - эксергетический показатель, который является главной и единой ха-

рактеристикой энергетической эффективности для всех переделов любого цементного производства.

2. Разработаны методологические основы эксергетического анализа в технологии получения цементного клинкера, включающие эксергетическую оценку энерготехнологической системы механотермохимического превращения "сырье-шихта-шлам, мука-клинкер-цемент".

3. Показано, что эксергетический анализ процесса механотермохимической обработки материалов является необходимым для получения полной характеристики термодинамических потерь от необратимости внутрисистемных процессов. Сформулированы правила расчета термодинамической эффективности последовательного, параллельного соединения элементов технологической схемы и схем с рециклом. Получено математическое выражение для расчета эксергетического к.п.д. различных способов механотермохимической обработки сырьевых материалов. Получено универсальное выражение для определения эксергетического к.п.д. системы, на основе которого возможен сравнительный анализ различных схем механотермохимической обработки материалов.

4. Разработана методическая часть для расчета эксергетических характеристик преобразуемых потоков в системе обжига клинкера с учетом комплекса их физико-химических и физико-механических свойств. Определены численные значения эксергетических характеристик для известняков 21 месторождений, 24 вида мелов, 19 сортов глин и 12 корректирующих добавок, применяемых на цемзаводах стран СНГ.

5. Сравнение эксергетического состояния компонентов сырьевой смеси показало, что компоненты - шлаки и железистые добавки - обладают более высокой эксергией (2500 - 9000 кДж/кг добавок), нежели природные компоненты сырьевой смеси (известняки - 120-180 кДж/кг известняка, мела - 167-350 кДж/кг мела, глины - 230-590 кДж/кг глины). Из природных компонентов сырьевой смеси более высокой эксергией по сравнению с карбонатными компонентами обладают глинистые минералы. Их эксергетичекое содержание в 3-4 раза превышает эксергетиче-ское содержание известняков. Различие в исходном энергетическом потенциале природных компонентов позволяет предположить необходимость в их отдельной обработке при подготовке к обжигу или обязательный учет их эксергетического состояния при совместной обработке.

6. Разработана методическая часть для расчета эксергетических характеристик преобразующих потоков в системе обжига клинкера с учетом их физико-химических свойств и параметров состояния окружающей среды. Показан расчет эксергии твердых видов топлива (кокс, каменный уголь, древесина, бурый уголь), жидкого топлива (12 сортов мазута), газообраз-

ного на примере природного газа Ставропольского, Саратовского, Бугу-руслаского и Шебелинского месторождений. Значения эксергии топлив колеблются в пределах 740-4550 кДж/кг топлива, причем интервал изменения эксергии для твердых топлив составляет 740-1760 кДж/кг, для жидких - 3550-4550 кДж/кг, для газообразных - 2400-2600 кДж/кг..

7. Определено, что средой измельчения цементных материалов, имеющей оптимальный эксергетический потенциал из известных на сегодняшний день газов, являются технический азот (172 кДж/м3), водяной пар при температуре 100°С (239 кДж/м3) и воздух, нагретый до температуры 170°-200°С (200 кДж/м3).

8. Численно доказано, что чем выше концентрация эксергии воды, поступающей на подготовку сырьевого шлама, тем эффективней протекает процесс измельчения шлама. Испытания на лабораторной установке показали, что повышение температуры сырьевого шлама на выходе из мельницы от 10°С до 55°С за счет добавления к исходному материалу горячей воды, способствует повышению эксергии смеси на 20%, при этом остаток на сите Иоо8 снижается с 18% до 13%.

9. Рассчитаны и определены эксергетические характеристики продуктов и полупродуктов системы обжига. На примере расчета эксергии 15 вариантов шламов, применяемых в цементной промышленности, установлено, что эксергия шлама изменяется в пределах 134-595 кДж/кг шлама; между изменением эксергии шлама и расходом топлива на его обжиг существует функциональная зависимость. Повышение эксергии сырьевого шлама на каждые 6 кДж/кг шлама соотвествует снижению удельного расхода топлива на 1 кг. На конкретных числовых примерах показано влияние изменения характеристик шлама на изменение энергозатрат при его обжиге. Показано, что клинкер обладает более высокой эксергией по сравнению с эксергией исходных сырьевых материалов и эксергией сырьевых шламов. Эксергия клинкеров 15 различных цементных заводов изменяется в пределах 1199-1318 кДж/кг клинкера. Установлена взаимосвязь между эксергией клинкера и его активностью.

10. Разработаны методологические основы составления эксергетического баланса, учитывающего изменение всех параметров обжиговой системы при изменении расхода топлива на обжиг. Рассчитан эксергетический баланс Старооскольской обжиговой системы. Выполнен эксергетический анализ 33 различных сырьевых материалов, возможных для применения на Старооскольском цемзаводе, а также 25 вариантов сырьевых шихт, составленных на основе этих материалов. Показаны шихты, близкие к оптимальным, применение которых на заводе обеспечит снижение энергозатрат и снижение пылевыноса.

11. Результаты исследований внедрены:

• в учебный процесс РХТУ им. Д.И.Менделеева;

• в Научно-технический центр ЭПУ Российской Академии Наук;

• на Старооскольском цемзаводе для анализа и оптимизации состава шихт. Экономический эффект составил 300 млн.руб., доля эксергетического анализа - 40%;

• включены в учебное пособие для издания в Иранском технологическом Университете.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Анализ статических и динамических режимов высокоингенсивных технологических процессов отделения обжига клинкера / Вердиян М.А., Егоров А.Ф., Адаменко O.E.,Ермаков Ю.М. - В сб. тезисов ко 2-ой Всесоюзной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов"//Баку - 1987 - с.З-5.

2. Оптимизация энерготехнологических процессов обжига цементного клинкера на основе эксергетических показателей / Бобров Д.А., Вердиян М.А., Адаменко O.E.// Там же. - 1987 - с. 11-12.

3. Разработка символических моделей химико-технологических процессов обжига клинкера / Адаменко O.E., Ермаков Ю.М., Бессмертных A.B., Красных С.А. - В кн. "X— Научные Чтения" // Сб.науч.тр. БТИСМ, Белгород -1987 - с.35-36

4. Эксергетический анализ обжиговой системы цементного произвоства /

Адаменко O.E., Бессмертных A.B., Вердиян М.А., Бобров Д.А. II- В сб.

тезисов Республиканской научно-технической конференции "Молодые ученые и специалисты в деле повышения качества строительства" - Тбилиси -

1987-c.ll

5. Разработка методики эксергетического анализа обжиговых систем / Адаменко O.E., Бессмертных A.B., Вердиян М.А. - В сб.тезисов науч.-теор. конференции НИИЦемент// Москва - 1988 - с.9

6. Методика и алгоритм расчета физической и нормальной химической эксергии цементных материалов / Адаменко O.E., Бессмертных A.B.// Там же. - 1988 - с.45

7. Моделирование химико-технологических систем обжига цементного клинкера с использованием ЭВМ/ Ермаков Ю.М., Адаменко O.E., Вердиян М.А.// - В кн. "Применение персональных ЭВМ в научных исследованиях и управлении производством", Тольяти- 1989 -с.11-12

8. Моделирование высокоинтенсивных технологических процессов обжига клинкера / Адаменко O.E., Егоров А.Ф., Ермаков Ю.М. - В сб.

"Всесоюзное начно-техническое совещание по химии и технологии цемента "Наука - производству7/тр.НИИЦемента, вып.95, с. 10-11

9. Моделирование технологических процессов обжига клинкера как сложной ХТС / Ермаков Ю.М., Вердиян М.А., Красных С.А, Адаменко O.E..// тр.НИИЦемента, вып.78 - 1989 - с.254

10. Автоматизированный расчет холодильника плотного слоя на основе эксергетических показателей /Адаменко O.E., Вердиян М.А. //- В сб. тезисов по Всесоюзной конференции по технологии строительных материалов - Тбилиси - 1989 - с.

11. Эксергетическин анализ цементных производств / Перов В.Л., Адаменко O.E. //- В сб. тезисов к Международной конференции по химии и технологии цемента - том 1 - Иркутск - 1990 - с. 4

12. Способ регулирования: процесса охлаждения клинкера / Перов В.Л., Вердиян М.А., Бобров Д.А., Адаменко O.E., Ермаков Ю.М. - положительное решение N 4446740 от 27.12.89 по заявке на авторское свидетельство.

13. Способ регулирования процесса обжига цементного клинкера / Перов В.Л., Вердиян М.А., Бобров Д.А., Адаменко O.E., Ермаков Ю.М. - положительное решение N 5012885(33) от 29.06.92 по заявке на авторское свидетельство.

14. Патент Российской Федерации N 2015128 от 30.06.94 / Перов В.Л., Вердиян М.А., Бобров Д.А., Адаменко O.E., Ермаков Ю.М.

15. Новое направление в повышении энергетической эффективности цементного производства / Вердиян М.А., Хлусов В.Б., Адаменко O.E., Третьяков В.Н. - "ЦементN5" - 1994 -е.