автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Оптимизация состава сырьевых шихт ипараметров комбинированной системыобжига клинкера на основеэксергетического анализа

с?

На правах рукописи

Вердиян Аспандар Мэлсович

Оптимизация состава сырьевых шихт и параметров комбинированной системы обжига клинкера на основе эксергетического анализа

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000г.

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им.Д.И.Менделеева

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Бобров Д.А. кандидат технических наук Текучева Е.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Блиничев В.Н. кандидат технических наук, доцент Беляков A.B.

Ведущая организация:

закрытое акционерное общество «Корпорация стройматериалов» (г.Москва)

Защита диссертации состоится 11 мая 2000г. в _часов на

заседании диссертационного совета Д 053.34.08 в РХТУ им.Д.Й.Менделеева (125047, Москва, Миусская пл., 9) в конф.зале.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре РХТУ им.Д.Й.Менделеева.

Автореферат разослан_2000г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Бобров Д. А.

\45S* О2. ~~ &Ч2с -UG О

Л и (ГАГ Л'У^^ r^Ü О // (О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Промышленность строительных материалов всегда являлась крупным потребителем сырьевых и энергетических ресурсов, и естественно, что ее основная подотрасль - производство цемента - также относится к числу энергоемких технологий.

Изменившиеся в последнее время экономические условия - рост цен на топливо, электроэнергию, транспортные перевозки, материалы, - привели к повышению удельного веса материальных затрат в себестоимости цемента до 7585%, в т.ч. топлива и электроэнергии - более 50%. Поэтому ресурсосбережение, всегда относившееся к числу основных направлений повышения энергетической, экономической и экологической эффективности цементного производства, сегодня приобретает особую значимость.

Используемые для снижения себестоимости цемента на 10-15% традиционные методы интенсификации цементного производства, такие как перевод завода с мокрого способа производства на сухой или полусухой и другие, являются высокозатратными. Для реконструкции производства мощностью 1 миллион тонн цемента в год требуется более 600 миллионов рублей. Поэтому такие методы практически нере&лизуемы в настоящее время. В связи с этим наиболее перспективными становятся технологические приемы интенсификации производства и энергосбережения, не требующие существенной реконструкции, сложных технических решений и позволяющие-заводам без привлечения внешних инвестиций собственными силами реализовать такие разработки.

К числу таких решений относятся технологически жестко связанные между собой разработки по оптимизации состава исходной сырьевой шихты и созданию новой комбинированной системы обжига портланцементного клинкера.

Комплексное их сочетание - оптимизация на основе эксергетического анализа состава сырьевых шихт и выбор параметров комбинированной системы обжига клинкера, а также разработка автоматизированных систем расчета для их эффективной реализации, составляет главное содержание настоящей работы и предопределяет ее актуальность.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом Государственных научно-технических программ «Теоретические основы химической технологии», «Ресурсосбережение и экологически чистые процессы металлургии и химии».

Цель работы - снижение энергозатрат в производстве цемента за счет оптимизации на основе эксергетического анализа состава сырьевых шихт и параметров комбинированной системы обжига клинкера с использованием разрабатываемых для этого автоматизированных систем расчета. В связи с этим в работе поставлены и решены следующие задачи:

• Развитие эксергетического анализа в технологии цемента для разработки методики многокритериальной оптимизации состава сырьевых шихт и расчета оптимальных параметров комбинированной системы обжига клинкера, обес-

печивающих при их реализации снижение энергозатрат и максимальную активность клинкера.

• Разработка комплексной технологической оценки состава сырьевых шихт и проверка ее применимости с использованием результатов независимых многолетних стандартных исследований, проведенных в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях.

• Разработка автоматизированной системы расчета и выбора оптимального состава сырьевых шихт и ее внедрение на предприятиях для исследовательских целей и решения производственных задач.

• Исследование нового способа организации процессов приготовления и обжига комбинированной сырьевой смеси.

• Оценка энергетической эффективности комбинированной системы обжига клинкера, состоящей из вращающейся печи и технологического модуля ме-ханотермохимического превращения сырья, в том числе при изменении управляющих воздействий в модуле - расхода карбонатных материалов и степени их декарбонизации.

• Определение оптимальных параметров комбинированной обжиговой системы на основе эксергетического КПД и ее внедрение для условий АО «Сода».

Научная новизна.

• На основе эксергетического анализа предложена новая комплексная технологическая оценка состава сырьевых шихт, являющаяся критерием выбора шихт, количественно учитывающая одновременно энергозатраты при обжиге, условную скорость превращения сырья в клинкер и его активность,

• На основании расчетов большого числа сырьевых композиций и шихт, показано однозначное соответствие модульных характеристик шихты и эксерге-тических характеристик исходных компонентов, шихты, шлама и клинкера. Это обосновывает и подтверждает возможность решения задачи выбора по этим данным оптимального состава шихты с пониженным расходом топлива при обжиге клинкера и с максимальной его активностью, что особенно важно при изменении вида сырьевых компонентов и их свойств.

• Предложен новый способ организации процессов приготовления и обжига комбинированной сырьевой смеси путем раздельного приготовления сырьевого шлама традиционным способом и термообработанной тонкомолотой сырьевой муки в реакторе-декарбонизаторе-измельчителе (РДИ) с последующим их объединением и обжигом в печи.

• Показано, что вид и количество подаваемого в РДИ материала зависит от соотношения эксергий карбонатного и глинистого потоков.

• Получены зависимости эксергетического КПД системы от управляющих параметров (количество подаваемого известняка и степень его декарбонизации) для условий АО «Сода». Они позволили повысить эффективность работы комбинированной системы обжига.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

• Разработана автоматизированная система расчета (АСР) и выбора оптимального состава сырьевых шихт, применимость которой доказана расчетными исследованиями большого числа сырьевых композиций и технологически допустимых шихт. АСР ориентирована на широкий круг пользователей, предназначена для учебно-исследовательских целей и решения производственных задач.

• АСР внедрена на ряде предприятий: АО «Осколцемент», АО «Сода», АО «НИИцемент», кафедра ХТСМ МИКХиС. Экономический эффект от внедрения АСР на АО «Осколцемент» составляет не менее 420 тыс. руб.

• Показана принципиальная возможность снижения энергозатрат в действующих обжиговых системах путем подачи в печь одновременно сырьевого шлама и термообработанной тонкомолотой сырьевой муки.

• Результаты исследований использованы при внедрении комбинированной обжиговой системы в условиях АО «Сода». Испытания системы подачи «не-допала» в зону подогрева вращающейся печи показали существенное снижение энергозатрат: удельный расход топлива снижен на 10%, производительность печи увеличилась на 11%, активность клинкера повышена на 8%. Экономический эффект составляет 0,9 млн.руб.

• Разработки по совместному использованию автоматизированной системы расчета и комбинированной системы обжига клинкера включены в состав комплексной «Программы снижения себестоимости цемента на 10-15% при сроке окупаемости затрат меньше 1-го года», переданной в Госстрой России.

Апробашш 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 ресурсо-сбережение в условиях рыночных отношений " (XIV научные чтения), БелГТАСМ, Белгород, 1997г.; XII Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии., г. Москва, 1998 г.; XII Международной научной конференции, г. Великий Новгород, 1999 г.; V Международной научной конференции., г. Казань, 1999 г.

Публнкащш. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в т.ч. два патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 135 наименований. Общий объем диссертации_ страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы. Сформулирована цель, основные направления и положения, выносимые на защиту. Показана целесообразность решения поставленных задач по снижению энергопотребления в технологии получения портландцементного (ПЦ) клинкера с использованием эк-сергетического анализа.

В первой главе анализируется современное состояние вопроса по проблеме интенсификации технологии получения ПЦ клинкера. Отмечается, что традиционные разработки по снижению себестоимости цемента неадекватны сегодняшним условиям функционирования цементных заводов России. К числу наиболее перспективных решений относятся технологически жестко связанные между собой разработки по оптимизации состава исходной сырьевой шихты и параметров новой комбинированной системы обжига ПЦ клинкера. Комплексное их сочетание, а также разработка АСР для их эффективной реализации и определяет актуальность настоящей работы.

В второй главе рассматриваются теоретические и практические основы нового метода оптимизации состава сырьевых шихт для обеспечения минимума энергозатрат при обжиге клинкера (патент РФ № 2093486). Методологической основой при этом является эксергетический анализ в технологии цемента.

Предложена новая комплексная технологическая оценка состава сырьевых шихт, количественно учитывающая одновременно расход топлива при обжиге, условную скорость превращения сырья в клинкер и его активность. Такая оценка предусматривает использование нового параметра выбора состава шихты. Количественно этот параметр определяется через эксергетические характеристики исходных карбонатных, алюмосиликатных и железосодержащих компонентов сырья, шихты и клинкера, которые непосредственно связаны с параметрами процесса обжига. При этом:

• эксергия исходных компонентов отражает их физико-химические и физико-механические свойства;

• эксергия шихты отражает ее реакционную способность;

• эксергия клинкера характеризует активность клинкера;

• разница между эксергиями клинкера и шихты отражает энергозатраты при обжиге клинкера;

• разница отношения эксергий карбонатного и глинистого потоков осе и отношения степеней термической диссоциации компонентов а-г, составляющих эти потоки, характеризует условную скорость превращения сырья в клинкер.

Ниже приведена методика выбора оптимального состава сырьевой шихты.

Известняки

--лоб.

[КНьпьР1]

Qi,A,

->1 EfilB. ->1 ЕШ1 > E потер! -> Екл1

Глины [КН2, п2, р2] Еш Bp. печь Екл Q2,A2

Егл. ЕЩ2 ЕКЛ2

Добавки ->J [KHi, Hi, Pi] -—->> > t Езатрат Qi,Ai --->

Рис. 1 Схема расчета эксергий потоков.

Ещ +Езатрат = ^кл ^потерь = ^кл + const

fe, Еш Езатрат 4-

Ropt,i = ^(ЕклД^Е^Да^

\2

R-opt,i _

.max

-1

+

AEj__

AF •

2 /

Доц +0.1 vAami-+0.1

(1)

(2)

R — R

opt ^opUmin

Ropt i=> Екл t AE l Да I

где:

ДЕ = E -E

" KJI Ш

д | )1гарб.(тгарб.°с) a * E

Да = ат-аР = ——------—

т ! 1ГЛ.(Т„.°С) b * Егл

Е Е Е Е Е

те. _ гл ( доб. ^ ш. ^ кя. _ соответственно эксергии известняка, глины, добавок, шихты и кчинкера

haP5., Li., а, Ъ - соответственно интенсивности термической диссоциации и доли карбонатного и глинистого компонентов Q = f(Езатрат) расход топлива на обжиг кчинкера

А = f (Е ы) - активность кчинкера

Задача расчета оптимальных сырьевых шихт формулируется следующим образом: при заданных сырьевых компонентах определить такое их количественное соотношение, при котором будет найден компромисс между минимальным расходом топлива и максимальной активностью клинкера, что решается

путем введения векторного критерия. С учетом вышеизложенного последовательность расчета и выбора оптимального состава сырьевых шихт заключается в следующем:

• задаются исходными сырьевыми компонентами сырьевой шихты;

• определяют их физико-химические и физико-механические свойства:

• формируют композиции исходных сырьевых компонентов;

• задаются диапазонами изменений модульных характеристик, диапазоном требуемого минералогического состава клинкера, соответствующего определенному виду цемента, диапазоном изменения Да, шагом изменения соотношения исходных компонентов:

• рассчитываются необходимые характеристики шихты и получаемого из нее клинкера;

• проверяют соответствие этих величин заданным ранее диапазонам;

• получают набор шихт, которые удовлетворяют заданным ранее условиям;

• вычисляют критерий Я,,,-,, для определения оптимальной шихты.

Для определения параметров шихты необходимы следующие данные об исходных компонентах: содержание оксидов, пористость с1, плотность р, влажность \¥, температура термической диссоциации. Расчет эксергий компонентов, шихт и клинкера, коэффициента насыщения КН, силикатного п и глиноземного р модулей, а также критерия Яор1 осуществляется следующим образом: Расчет эксергий компонентов: - карбонатных компонентов:

(ХСаО*ЕсаО+^АЕОЗ *ЕА1203 +Хр<203 *ЕРе20з +ХЙСЕ *Е5Юе +ХМй0*ЕМё0 + *Е50з +хк20 *ЕК20

Е - =

к;!ро

•И

Р

где: Е - эксергия, X - доля оксидов в компоненте - глинистых компонентов и добавок:

(Хса0*Еса0+Хл1203 *ЕА1203 + Хре203 * Ере203 +Х8Ю2 *^Б102 +ХМвО*Ек^О +

Ега(Е.,„о.) = +Х503 *Е503 +ХК20*Еа20+Х№р *Еррр)*(1-\У)+ЕН20 *\У

Расчет химического состава и эксергии сырьевой шихты: у =Ту *Х + ^Т'У

1 шихты 1карбл Лкарб.| ~ ¿^ хгло лгл.з ^ ¿-! 1доб.к лдоб.к

где: Уц - характеристики (химический состав и эксергия), ¡, j, к-номер компонента данного типа.

Расчет химического, минералогического составов и эксергии клинкера:

X -X 100

лклинкера.1 — лшихтыи „ _ у

2-1 ^ шихты, j шихты.ррр

где: X - доли оксидов (8Ю2, А1203, Ре203, СаО, МцО, БОЗ, Я20) ХС38 = 4.07*ХСаО -7.7*Х5Ю2 -6.72*ХА120З -1 -42*ХРе203 ХС25 = 8.6!*Х8Ю2 + 5.07 * ХА1203 +1.07 *ХРе203 -3.07 * ХСа0

при

X РеЮЗ

X

^—<0.64

^С4АР -3.04* ХРе203

^С4АР = 1.1*ХА12ОЗ + 0.7*ХРе2ОЗ

при

ХСЗА = 2.65 *(ХА1203 -0.64 *ХРс203) ^СаБс» =1-7*Х503

где: Хек, Хсгв, ХС4аг, ХСзл, ХСа$о4 - доли минералов в клинкере

^СЗЭ *Есз* * Ес25 "ЬХ(-;АР*ЕС4Л!7+ХС?Л *Ес.д + Х^сг«*ЕСа504 + ХЫц0*Е^^

Расчет дополнительных характеристик сырьевой шихты и клинкера др = р _ р

^клинкера ^ шихты

Е

ч П1ИУТ1Л

ат =

клинкера карб. (Т к

1гл.(Тгл.°С) карб. о

где: 1карб., 1гл. - интенсивность термической диссоциации соответственно карбонатного и глинистого компонентов; ЭТА - температура термической диссоциации компонентов;

а *Е

аР =

2 карб.Л *^карб.д )

карб.

а, Ь - доли карбонатного, глинистого компонентов Аос = ат -аЕ|

КН = Х.п.со-'-65*Хиа,зю- 0.3 5 * Хи„г=,03_

X

кл..БЮ2

^кл..А1203 + ^кл..Ре203

X,

Ркл.

ккл..А1203

X

кл.,Ре203

Вычисление критерия И^:

^Дага;п + 0.1

( Е ■

кл.л

р

А-'ь-п тол

1АЕт;п .

\2

Глава 3 посвящена разработке автоматизированной системы расчета и выбора оптимальных сырьевых шихт, в основу которой легли методики представленные во второй главе. Была создана автоматизированная система расчета (АСР), которая позволяет получать данные (рис. 3) о химическом составе и других характеристиках сырьевых шихт, соответствующих им клинкеров, сформированных из заданных исходных компонентов (до 3-х компонентов ка-

1

ждого типа) и удовлетворяющих заданным параметрам, а также для определения оптимальной шихты из полученного массива. В процессе ее использования формируется база данных свойств исходных компонентов. Программное обеспечение разработано в среде Delphi 4.0 фирмы Borland под широко распространенные ОС MS WINDOWS 9x/NT. Файл базы данных свойств исходных компонентов физически представляет обычный файл DB-формата среды PARADOX, является отдельной независимой структурной единицей и может быть использован в других программах. На рисунках 2-3 представлены вид основного «окна» программы и шаблонные таблицы результатов расчетов.

Z e {смесйНшиуте] 1 'Компонент'"

□

0[ - П ' J □

П

367,46

..t

! 607,75

iT.18

| T. 2 "Осколцеменг" • Глина С' 2;'?0ско.тёменг" Т

' Глина приобская _: 563,84

АУЦ"«I; СУПгИёШЙЙШ f

73,SO 07,00 00.00 J.S,40

■■■■■РНЦМЛМ 1 Л :

■Параметры; "Пределы параметров кпиикёра ^

¡0,91 31,30 :

i/ГсГ

<

р п

< <

ро

■11,50

| Портландцемент и ШПЦ ¿Jri

"Типы цементов ш мин. состаеут -!

......... ' ' Ь

|2,30

-Пределы параметров шихгьг

0.00

< Ы <

Шаг изменена % состава ши^гы

0.20

|0,55 ' < C3S < 0,65

jo,15 s C2S 0,25

jO,12 C4AF • 0,1 Б

j0,05 ■ч СЗА < 0,10

"J 0,00 < MgO < 0,05

^ -Расчет

Рис. 2 Главное «окно» программы АСР.

Осуществлена проверка применимости АСР на большом числе сырьевых композиций. В качестве исходных данных использовались результаты независимых расчетных и экспериментальных исследований приведенных в работах д.т.н. проф. Каушанского В.Е., к.т.н. Адаменко O.E., к.т.н. Текучевой Е.В., к.т.н. Фидельмана В.Г., к.т.н. Дрожжина А.Х., которые разделены на следующие группы:

• стандартные примеры расчета 3-х компонентной смеси по заданным значениям КН и р; 3-х компонентной смеси по заданным значениям КН и п; 4-х компонентной смеси по заданным значениям КН, р и п;

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Пределы контролируемых параметров

00,91 < КНкп < 01,СО

01,30 < ркл < 01,50 Шапшекеия

02,10 < пи < 02,30 состава шихты, 54 0050

00,00 < Да < 09,69

№ Компонент

Комп-т 1 Т.2 "Оскслцгиент" - меловая сиесь

Кзмп-т 2 Т. 2 "Оеквлцемент*. Глина

Кокп-т 3 Т. 2 "Осолцамент" - Глина латная

Комп-т 4 Т. 2 "Осюлце.чеит" - хел. добавка

Таблица 1

Компоненты Химический состав Физ.-хим. свойства

эюг АЕОЗ Рб203 СаС МдО ррр гоз [ЙО Р а 0ТА Е

Комп-т 1 1,13 0,23 0,19 54,45 0,00 43,14 0,00 0,86 20,аз 52,00 1,23 920,ас 208,87

Ксмп-т 2 68,59 12,65 4,52 3,02 0X0 653 0,00 4,68 19,70 0,00 2,50 535,00 607,75

Комп-т 3 48,79 22,23 1,81 2.85 0,00 16 58 0,00 7,09 21,40 0,00 0,00 510,00 343,06

Кокп-т <1 7,53 0,00 70,20 6,33 0,03 0,03 0,00 й,87 22,00 0,00 0,00 0,00 1163,87

СОСТАВ ФОРМИРУЕМОЙ СЫРЬЕВОЙ ШИХТЫ

Таблица 2

Исходные компоненты

КОУП-Т 1 Комп-т 2 Конп-т 3 Конп-т 4 Комп-т 5 Комп-т 5 Кэми-т 7 Комп-т 8 Комп-т 9

76,20 11,80 9,40 2,60

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ШИХТЫ И КЛИНКЕРА

Таблица 3

Химический состав шихты Химический состав клинкера

аог» ягозш Ре203ш СаОш Мд0ш|РРРш|803ш И20ш 8(02« АЙОЗк Ре203к СзОх МдОк ЗОЗк кгок

13,74 3,76 2,68 42,29 0,00 135,24 | 0,00 2,29 21,21 5,81 4,14 65,30 0,00 а,оо 3,53

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИХТЫ И КЛИНКЕРА

Таблица 4

Параметры шихты и клинкера Мин. состав клинкера

ЕШ Е« Ек-Еш 1-Еш/Ек| А£ [ Ае С1А Кор! КН? Р» гк сзэ С28 С4АР СЗА Са304 МдО

339,84 1136,33 7Э6.49 0,70 11,76)1,06 0,70 0,01 ¿,91 1,40 2,13 57,53 15,62 12,59 8,37 0,00 0,00

Рис. 3 Шаблонные таблицы результатов расчетов.

• лабораторные эксперименты. Результаты расчета АСР сравниваются с экспериментальными данными о реакционной способности различных композиций, которая определяется степенью усвоения СаО;

• полупромышленные эксперименты, выполненные на опытном заводе АО "НИИЦемент". Результаты расчета АСР сравниваются с прочностными характеристиками цементов.

• промышленные эксперименты, выполненные на вращающихся печах 5,0x185м АО "Осколцемент". Результаты расчета АСР сравниваются с энергозатратами и прочностными характеристиками цементов.

Проверка показала удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Приводятся результаты исследований по использованию АСР для различных цементных заводов. Выбор -заводов обусловлен существенными различиями в используемых там сырьевых базах, а именно различиями имеющихся на заводах видов исходных сырьевых компонентов и их физико-химических свойств. Для ОАО «Осколцемент», АО Савинского и Новотроицкого цементных заводов проводился выбор оптимальных составов сырьевых шихт. Для ОАО «Одесский керамзитовый завод» осуществлялась оценка пригодности сырьевых материалов для производства цемента. Исследования однозначно показали, что для данных предприятий и условий их работы возможно снижение энергозатрат (до 10 кг у.т./т кл.) и повышение активности получаемого клинкера.

В главе 4 дается описание и оценка эффективности предлагаемого нового способа (патент РФ №2087440) организации процессов приготовления и обжига комбинированной сырьевой смеси. Сущность предлагаемого решения заключается в раздельном приготовлении сырьевого шлама и термообработанной и тонкомолотой сырьевой муки с последующим их объединением в определенном соотношении и обжигом во вращающейся печи. Наиболее эффективным техническим решением этого способа является разработка комбинированной системы обжига поргландцементного клинкера, которая состоит из действующей вращающейся печи и технологического модуля получения сырьевой муки. Блок-схема комбинированной системы получения клинкера представлена на рис. 4.

В состав комбинированной обжиговой системы входит технологический модуль механотермохимического превращения сырья. Его основой является разработанный на базе исследований институтов НИИЦемент, ИХТУ, ИВТ РАН реактор-декарбонизатор-измельчитель (РДИ), в котором совместно и одновременно протекают процессы декарбонизации и измельчения сырья. Выходным продуктом РДИ является регулируемая по степени декарбонизации, дисперсности и температуры сырьевая мука.

Проведена оценка энергетической эффективности комбинированной системы различными способами, в том числе, на примере обжиговой системы с печью 4*150 м Стерлитамакского содового завода, по методике ИВТ РАН.

Рис. 4 Блок-схема организации процессов приготовления и обжига комбинированной сырьевой смеси.

Для этого была разработана программа расчета. В качестве управляющих параметров обжиговой системы были взяты количество подаваемого в РДИ известняка и степень его декарбонизации. Расчет проводился для трех вариантов:

1. В РДИ подается природный карбонатный компонент (известняк);

2. В РДИ подается термообработанный карбонатный компонет (недопал -отход содового производства);

3. В РДИ подается смесь термообработанного и природного карбонатных компонентов 0.5/0.5.

Все расчеты однозначно свидетельствуют об эффективности новой комбинированной обжиговой системы. Результаты расчетов используются для последующего эксергетического анализа системы.

Глава 5 посвящена расчету оптимальных параметров комбинированной системы обжига клинкера для АО«СОДА», состоящей из вращающейся печи 4x150м и шахтной известково-обжиговой печи 4,5x18м (типовой технический аналог РДИ), при подаче в нее частично декарбонизированного сухого "недопала" - отхода содового производства (рис. 5).

Экспликация оборудования

1. Грейферный кран

2. Питатель

3. Сушильный барабан

4. Питатель

5. Цементная мельница

6. П.К.Н.

7. Горизонтальный бассейн

8. Шламовый насос

9. Питатель

10. Вращающаяся печь

Сырьевой шлам 4 Кп = 0.94 \У =36.2

Рис. 5 Технологическая схема системы обжига на АО «Сода».

С использованием разработанной АСР выполнены расчеты по оценке эффективности работы печи в зависимости от расхода «недопала» по сравнению с заводской шихтой. Сделан вывод, что необходимо увеличить долю карбонатного компонента за счет ввода дополнительного карбонатного компонента - «недопала». Показано, что с увеличением количества «недопала» энергозатраты уменьшаются, а активность клинкера увеличивается.

Проведен эксергетическй анализ обжиговой системы. Была разработана программа расчета эксергии потоков. Расчет проводился для трех основных (E„3B=203; ЕГл=276кДж/кг), когда в РДИ подается известняк, недопал и их смесь, и для одного дополнительного варианта (Ешв =120: Егл.-580кДж/кг), когда в РДИ подается известняк. Выполнен количественный расчет эксергии потоков и эксергетического КПД обжиговой системы для четырех вариантов в зависимости от доли потока подаваемого в РДИ и степени его декарбонизации (рис. 6). Установлено, что характеристики системы прежде всего зависят от соотношения эксергий карбонатного и глинистого компонентов в точке смешения муки и шлама во вращающейся печи. Показано, что в случаях 1-3 эксергетиче-ский КПД системы уменьшается в зависимости от роста доли потока подаваемого в РДИ и степени его декарбонизации с 28% до 3%. Причем, чем большую часть карбонатного компонента, заменяют термообработанным, тем резче это происходит. В случае 4 наблюдается увеличение КПД с 28% до 40-45% при доле потока подаваемого в РДИ равной 0.2-0.6, а затем его снижение. Выяснено, что для вариантов 1, 2, 3 энергетически невыгодно направлять в РДИ карбонатный компонент. В этих случаях в РДИ нужно подавать глину. Направление в РДИ карбонатного компонента целесообразно для случая 4, когда исходными компонентами являются низкопотенциальный известняк и высокопотенциальная глина.

Для проверки в производственных условиях основных положений и выводов работы проведены промышленные испытания системы обжига клинкера при подаче различного количества тонкомолотого «недопала» в зону подогрева вращающейся печи 0 4,0 х 150 м (рис. 5). Анализ теплотехнических показателей работы печи, химического и минералогического составов клинкеров, их физико-механических свойств подтвердил эффективность новой технологической схемы обжига клинкера.

Промышленные испытания новой схемы обжига клинкера однозначно согласуются с расчетно-теоретическими исследованиями, изложенными в настоящей работе. При подаче в зону подогрева печи тонкомолотого термообра-ботанного карбонатного компонента производительность печи увеличилась с 35 до 38,9 т/ч, удельный расход топлива снизился с 227,2 до 204 кг у.т./т кл., активность клинкера возросла с 50,1 до 53,3 МПа. Экономический эффект составляет 0,9 млн. руб.

Вариант 1

т 30% 125% -20%

15% Екпд

10% 5% 0%

г °

(О о

»О

ч ^ „ Т о X

"V-- «о

2о о

СЧ о

Вариант 2

Вариант 3

Вариант 4

&1ЗД

(X - доля подготовки по сухому способу, Z - степень декарбонизации в РДИ) Рис. 6 Эксергетический КПД системы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Оценка различных технических решений по повышению энергетической, экологической и экономической эффективности в технологии получения цементного клинкера показала, что высокий результат в энергосбережении может быть достигнут на основе комплексного подхода, включающего одновременно выбор оптимального состава сырьевых шихт и оптимизацию параметров комбинированной обжиговой системы с использованием для решения этих задач эксергетического анализа.

2. На основе эксергетического анализа предложена новая комплексная технологическая оценка состава сырьевых шихт, являющаяся критерием выбора шихт, количественно учитывающая одновременно энергозатраты при обжиге, условную скорость превращения сырья в клинкер и его активность (патент РФ № 2093486). Разработана методика и алгоритм многокритериальной оптимизации состава сырьевых композиций и технологически допустимых сырьевых шихт на их основе.

3. Разработана автоматизированная система расчета (АСР) и выбора оптимального состава сырьевых шихт. АСР предназначена для широкого круга пользователей, применяется в учебно-исследовательских целях, в решении производственных задач на АО «Осколцемент», АО «Сода», АО «НИИцемент», кафедре ХТСМ МИКХиС.

4. Проведена серия вычислительных экспериментов по использованию АСР для выбора оптимальных составов сырьевых шихт ряда цементных заводов. Исследования показали возможность для этих заводов снижения энергозатрат. Полученные результаты переданы этим предприятиям для использования в процессе обжига шлама. Экономический эффект на АО «Осколцемент» составляет не менее 420 тыс. руб.

5. Предложен новый способ (патент РФ № 2087440) организации процессов приготовления и обжига комбинированной сырьевой смеси путем раздельного приготовления сырьевого шлама традиционным способом и термообрабо-танной тонкомолотой сырьевой муки в реакторе-декарбонизаторе-измельчителе (РДИ) с последующим их объединением и обжигом в печи.

6. Показано, что вид и количество подаваемого в РДИ материала зависят от соотношения эксергий карбонатного и глинистого потоков. Получены зависимости эксергетического КПД системы от управляющих параметров. Определены оптимальные параметры комбинированной обжиговой системы на основе эксергетического КПД для условий АО «Сода».

7. Для условий АО «Сода» предложена и внедрена новая технологическая схема обжига клинкера, позволяющая с использованием в цементном производстве существующего оборудования и отходов содового производства («недо-пала») реализовать комбинированную систему обжига клинкера с пониженными энергозатратами. Испытания системы подачи «недопала» в зону подогрева вращающейся печи показали существенное снижение энергозатрат: удельный расход топлива снижен на 10%, производительность печи увеличилась на 11 %, активность клинкера повышена на 8%. Экономический эффект составляет 0,9 млн.руб.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Вердиян М.А., Третьяков В.М., Громыко Г.Н., Адаменко O.E., Вердиян A.M. Способ регулирования процесса получения цементного клинкера.// Патент РФ №2093486 от 20.10.1997 г.

2. Вердиян М.А., Фидельман В.Г., Титов В.М., Воронин A.B., Вердиян A.M. и др. Способ управления процессом получения цементного клинкера.// Патент РФ №2087440 от 20.08.1997 г.

3. Бобров Д.А., Шевинский Я.С., Вердиян A.M. Методика расчета эксергетиче-ских характеристик карбонатных материалов.// Тезисы докладов I Международного (IX Всесоюзного) совещания по химии и технологии цемента, Москва, 1996 г. , с.75-76.

4. Бобров Д.А., Шевинский Я.С., Вердиян A.M. Автоматизированный метод эк-сергетического анализа как способ снижения энергозатрат в производстве вяжущих материалов.// Международная конференция г. Белгород, 1997 г., с. 209-

5. Бобров Д. А., Адаменко O.E., Вердиян A.M., Шевинский Я.С. Автоматизированный расчет новой обжиговой системы получения цементного клинкера на основе эксергетического подхода.// Международная конференция г. Белгород, 1997 г., с. 249-253.

6-7. Вердиян М.А., Каушанский В.Е., Адаменко O.E., Вердиян A.M., Шевинский Я.С., Текучева Е.В., Фидельман В.Г. Оптимизация состава сырьевой шихты для обеспечения минимальных энергозатрат при обжиге клинкера.// ж. Цемент и его применение , №2, ч.1-2, 1997 г., с. 17-23.

8. Бобров Д.А., Вердиян A.M., Текучева Е.В. Эксергетический анализ технологии получения цементного клинкера.// Тезисы докладов. XII Международная научная конференция, г. Великий Новгород, 1999 г., с.95-96.

9. Бобров Д.А., Вердиян A.M. Эксергетический анализ и оптимизация процессов получения цементного клинкера в комбинированной обжиговой системе.// Тезисы докладов. XII международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии., г. Москва, 1998 г., с. 49-50.

10. Бобров Д.А., Вердиян A.M., Фидельман В.Г., Титов В.М. Разработка и оптимизация новой ресурсосберегающей технологии получения цементного клинкера.// Тезисы докладов. V-я международная научная конференция., г. Казань, 1999г, с. 88-89.

11-12. Бобров Д.А., Вердиян A.M., Фидельман В.Г., Титов В.М., Воронин A.B. Система обжига клинкера состоящая из вращающейся печи и технологического модуля механотермохимического превращения сырья.// Ж. Цемент и его применение, №3,2000 г., с. 15-21.

211.