Химическая конверсия топлива в технологии портландцемента

РЕФЕРАТ. Рассмотрены варианты повышения эффективности работы печных установок за счет химической регенерации теплоты. Выполнен сравнительный анализ применения химической регенерации теплоты на примере печи обжига цементного клинкера.

Ключевые слова: химическая регенерация теплоты, реактор-холодильник, конверсия топлива, энергосбережение, экология.

Keywords: chemical heat regeneration, reactor-cooler, fuel conversion, energy-saving, ecology.

Производство цемента — одна из высокоэнергоемких отраслей промышленности. Затраты на энергоносители превышают 40 %  себестоимости конечного продукта. Поэтому поиск эффективных путей снижения расхода топлива является важной технико-экономической задачей. Снижение удельного расхода тепла имеет большое значение еще и потому, что дополнительно улучшаются другие показатели работы печи: увеличиваются производительность печи и стойкость футеровки, уменьшается пылеунос и степень загрязнения окружающей среды [1].

На рис. 1 приведено соотношение между удельными затратами на энергию и удельным расходом тепла в цементной промышленности Западной Европы [2]. В России удельный расход тепла выше на 10—15 %.


Рис. 1. Соотношение между удельным расходом тепла и удельными затратами на энергию в Западной Европе

Таким образом, задача сокращения затрат на энергию является первоочередной для всех цементных предприятий.

Очевидно, что для снижения расхода топлива до минимума очень важно вернуть как можно больше тепла обратно в процесс, т. е. повысить тепловой КПД клинкерного холодильника.

Передача тепла от клинкера охлаждаемому воздуху относительно его движения может быть прямоточной, поперечно-поточной и противоточной, но на практике используются лишь два последних метода.

Поскольку количество доступного воздуха для охлаждения практически полностью зависит от расхода топлива печью, этим устанавливается ограничение на количество тепла, которое может быть рекуперировано. На рис. 2 показан [3] этот предел в зависимости от расхода топлива на обжиг при условии идеальной теплоизоляции холодильника. Видно, что степень рекуперации тепла снижается с уменьшением расхода топлива в печи, а также что теоретический расход тепла при поперечно-поточном охлаждении меньше, чем при противоточном теплообмене. Таким образом, наименьший тео­ретический расход топлива в печи, которого можно достичь при поперечно-поточном охлаж­дении клинкера, на 400 кДж выше, чем расход топлива в подобных условиях, но при противоточном теплообмене.


Рис. 2. Зависимость расхода топлива от рекуперированного тепла кДж/кг клинкера

Средний расход воздуха для горения топлива составляет:

а) для мокрого способа с расходом тепла 6300 кДж/кг клинкера — 2,36 кг воздуха на 1 кг клинкера;

б) для сухого способа с расходом тепла 3550 кДж/кг клинкера — 1,34 кг воздуха на 1 кг клинкера.

Из-за ограничения рекуперации тепла, упомянутого выше, существует предел, до которого клинкер может быть охлажден, и этот предел выше для поперечно-поточного охлаждения, чем для противопоточного, особенно при низком расходе топлива на обжиг. Если температура клинкера недостаточно низкая, для дальнейшего охлаждения необходимо использовать большее количество воздуха, которое не используется в печи.

Так, в соответствии с рис. 3, для поддержания температуры клинкера от 100 до 50 °С необходимо от 3 до 4 кг воздуха на 1 кг клинкера. Если весь этот воздух возвращать в печь в качестве вторичного, КПД холодильника будет приближаться к 100 %. Однако если для горения требуется только 2 кг воздуха, то максимальный теоретический КПД составит всего около 86 %. Несмотря на то, что КПД снижается при уменьшении расхода топлива в печи, температура вторичного воздуха будет возрастать. А основная цель работы колосникового холодильника — максимизировать температуру вторичного воздуха, чтобы снизить расход топлива. Таким образом, компромисс между эффективностью (КПД) и температурой вторичного воздуха неизбежен [3].


Рис. 3. Теоретическая зависимость температуры клинкера от необходимого количества воздуха на охлаждение.

Поскольку повышение КПД холодильника только на 1 % ведет к снижению удельного расхода тепла всей печи на 17—21 кДж/кг клинкера, эффективные мероприятия по модернизации холодильников все еще оправдывают себя. Колосниковые холодильники переталкивающего типа более старой конструкции на печах сухого способа, как правило, работают с КПД 55—65 %, а новые холодильники — в пределах 70—80 % [4].

На рис. 4 показана принципиальная зависимость между КПД холодильника и удельным количеством вторичного воздуха, которое на современных печах, работающих по сухому способу производства, постоянно уменьшается, вследствие чего при возможном повышении КПД он неизбежно приближается к предельному значению [5].


Рис. 4. КПД холодильника как функция удельного расхода вторичного воздуха [5]

Повысить КПД холодильника и соответственно более глубоко использовать тепло клинкера, выходящего из печи в процессе его охлаждения, позволяет метод химической регенерации тепла (ХРТ).

Среди различных способов регенерации тепла химический — наиболее многоплановый [6]. Так, при использовании утилизируемого тепла в специальных реакторах-теплообменниках исходное органическое топливо преобразуется в новое топливо, так называемый синтез-газ (смесь H2 и CO). Сравнительный термодинамический анализ процессов сжигания первичного и конвертированного топлива показывает, что необратимые потери в ходе сжигания топлива в последнем случае также меньше [7]. Более того, при сжигании синтез-газа уменьшается количество вредных выбросов в атмосферу. Поэтому рассматриваемая химическая регенерация тепла является примером новой энергосберегающей экологически чистой технологии.

Если в традиционных установках энергия топлива превращается в теплоту в одну стадию путем его непосредственного сжигания, то в установках с ХРТ превращение энергии топлива разбивается на две стадии. Первая стадия — отвод тепла с охлаждаемого клинкера и проведение эндотермической реакции конверсии исходного топлива. Вторая стадия — сжигание продуктов реакции, т. е. конвертированного топлива, имеющего бóльшую теплотворную способность по сравнению с исходными реагентами.

Подчеркнем, что первая стадия при охлаж­дении клинкера обеспечивается не только за счет отвода тепла конвекцией и излучением, но и посредством его поглощения при фазовых и химических превращениях, причем последние служат способом получения нового топлива.

Таким образом, возврат тепла в печь происходит за счет химического превращения в слое клинкера топлива и воды в синтез-газ и выделения при горении нового топлива количества тепла, которое больше на значение, эквивалентное затраченному при конверсии исходных реагентов. При этом жаропроизводительность синтез-газа выше на 200—300 °С, что значительно поднимает работоспособность полученного топлива.

Конверсия обладает высоким хладоресурсом, являющимся результатом проведения процессов нагрева, испарения и перегрева смеси воды и метана. При температуре от 0 до 800 °С этот хладоресурс ΔHфиз = 3,2 МДж/кг смеси. Химический хладоресурс равен теп­лоте реакции: ΔHхим ≈ 6,1 МДж/кг смеси. Таким образом, полный хладоресурс равен ΔHΣ = ΔHфиз + ΔHхим = 9,3 МДж/кг смеси.

Именно это обстоятельство, а также высокая работоспособность (эксергия) вновь полученного газообразного топлива позволяют рассматривать применение углеводородных топлив с термохимическим преобразованием для возможности реализации более эффективного охлаждения клинкера и повышения энергетического уровня топлива [8].

Для оценки эффективности применения метода ХРТ при охлаждении клинкера разработана математическая модель тепло-массообменных потоков в ходе обжига. Расчет производился с применением программных средств MS Excel и надстройки VWS-Excel 2007 (Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung) — программного модуля, разработанного в Институте энергетики Дрез­денского технического университета.

Методика расчета заключается в следующем. Весь процесс разделяется на технологические зоны — печь и холодильник, а каждая зона разбивается на несколько элементарных участков, каждый из которых описывает изменение конкретного технологического параметра. Так, например, печь разбивается на следующие участки: сгорания топлива, передачи тепла от газов сырьевому материалу (образования клинкера) и смешения газов из сырья и газов продуктов горения — образования отходящих газов. Данные процессы будут подобны для обжига клинкера стандартным способом и обжига с применением метода ХРТ. А вот холодильник, кроме этапа нагревания воздуха клинкером из печи по обычному способу, будет первоначально иметь участок получения синтез-газа.

Каждый участок представляется как «черный ящик», внутри которого происходит определенный процесс, и согласно закону сохранения массы и энергии, потоки на входе и выходе этого блока в сумме должны быть одинаковыми. Таким образом, можно контро­лировать каждый параметр системы в любой момент процесса получения клинкера. Схема расчета приведена на рис. 5.


Рис. 5. Схема расчета теплового баланса обжига клинкера с применением метода ХРТ

Использовались следующие исходные данные: топливо — природный газ, влажность сырьевой смеси — 5 %, температура окружаю­щей среды — 25 °С, для конверсии топлива применялась вода в жидком состоянии.

Расчет показал, что при использовании метода ХРТ в клинкерном холодильнике исключаются потери тепла с аспирационным воздухом и увеличивается общий возврат тепла в печь, вследствие чего КПД холодильника возрастает на 10—15 %. Эксергия топливной смеси повышается, что подтверждается увеличением прихода тепла от сгорания топ­лива до 3322 кДж/кг кл. Количество и состав отходящих газов меняются следующим образом: снижаются выбросы CO2 и N2 на 6 % и увеличивается содержание H2O на 27 %. Экономия натурального топлива составляет 5,8 %, или 4,8 млн м3 природного газа на 1 млн т клинкера.

Таким образом, ввиду приближения теплового КПД современных холодильников к своему предельному значению применение метода ХРТ становится особенно актуальным. Как видно из рис. 6, зона расхода тепла на обжиг 1 кг клинкера (зеленая область) при использовании современных холодильников лежит значительно выше линии, отвечающей потреблению тепла с двухстадийным охлаждением и конверсией исходного топлива.


Рис. 6. Расход топлива в зависимости от параметров работы холодильника

Отметим, что наиболее рациональным решением для испарения воды представляется утилизация тепла низкотемпературных отходящих газов печи, а не высокотемпературной зоны клинкера в холодильнике. Данное решение дополнительно поднимет КПД печной установки, при этом экономия топлива составит 13,9 % и более.

Также не исключается возможность использования отходящих печных газов в качестве окислителя топлива при его конверсии в реакторе-холодильнике (РХ). Температура клинкера после реактора-конвертора топлива с использованием воды и пара представлена на рис. 7.


Рис. 7. Температура клинкера после РХ при использовании воды и пара

Реализация конверсии природного газа при утилизации тепла клинкера позволит:

• при замене на действующей печи обычного подогрева вторичного воздуха, пропускаемого через клинкер, работой установок химической регенерации достичь экономии топлива 5,8—13,9 % и более;

• обеспечить резкое охлаждение клинкера с улучшением его качества и эндотермическое преобразование топлива в синтез-газ с увеличенной температурой сгорания и повышением мощности печи на 2—4 %;

• уменьшить выбросы CO2 пропорционально снижению расхода топлива;

• разработать высокоэффективное оборудование РХ для замены традиционных конструкций холодильников для печей промышленности строительных материалов, металлургии, глинозема, соды, магнезита и доломита, шамота, извести и на многих других производствах;

• существенно уменьшить расход электро­энергии РХ по сравнению с существующим оборудованием;

• обеспечить габаритные размеры РХ на порядок меньше существующих в настоящее время конструкций холодильников при большем КПД.

Результаты выполненной работы можно рассматривать как подтверждение перспективности данного направления для энерго­сбережения в энергоемких отраслях и решения экологических вопросов.



ЛИТЕРАТУРА

1. Классен В.К. Обжиг цементного клинкера. Красноярск: Стройиздат, 1994. 323 с.

2. Михайлов-Вагнер А. Современные энергосберегающие технологии и возможность их применения в цементной промышленности России // Цемент и его применение. 1997. № 1. С. 9—14.

3. Cement Technology. Blue Circle Industries Ltd, 1999.

4. Файге Ф. Возможности экономии энергии при производстве цемента // Цемент. 1995. № 5—6. С. 16—24.

5. Feige F. Ausrustungenfur die Modernisierung der Brenn- und Mahlprozesse bei der Zementherstellung // Zement-Kalk-Gips. 1989. Vol. 42, N 12. S. 593—598.

6. Корабельников А.В., Куранов А.Л. Рыжиков С.С. Химическая регенерация тепла и преобразования топлива в энергетических установках // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2006. Т. 4. http://www.chemphys.edu.ru/media/files/2006–10–12–002_.pdf

7. Носач В.Г. Энергия топлива. Киев: Наукова думка, 1989.

8. Mercier R.A. Air force hypersonic technology program // Rep. at the 9th Intern. space planes and hypersonic systems and technologies conf. 1—4 Nov. 1999, Norfolk.



Автор: В.М. Коновалов, В.В. Ткачев

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.