Энергосбережение при производстве цемента
Цементная промышленность является крупнейшим потребителем топлива. 22,6% от всех ТЭР идет на нужды этого производства.
Производство цемента в Республике Беларусь до 1996 года осуществлялось только по мокрому способу, что определялось физико-механическими свойствами сырья. Применение сухого способа взамен мокрого позволяет радикально сократить затраты энергии.
В 1996 году принят в эксплуатацию Белорусский цементный завод, работающий по сухому способу. Проектом предусмотрены затраты топлива на обжиг 1 тонны клинкера на 70-80 кг ниже, чем при мокром способе производства.
За последние годы произошли коренные усовершенствования в технике сухого производства цемента. Появились высокоэффективные обжиговые агрегаты с теплообменными устройствами и декарбонизаторами, обеспечивающие эффективный теплообмен материала во взвешенном состоянии и его почти полную декарбонизацию вне печи. Созданы новые конструкции агрегатов высокой производительности при относительно небольших размерах печи по сравнению с мокрым способом. Одновременно значительно снижены затраты топлива на производство клинкера.
При использовании отходящих газов таких печных агрегатов в сырьевых мельницах и сушилах удельный расход тепла на обжиг клинкера в этих установках составит около 3350 кДж/кг (800 ккал/кг), а в отдельных случаях даже ниже, включая расходуемое на сушку сырья тепло.
Большие усовершенствования внесены в процесс приготовления сырьевой смеси.
Находят широкое применение усреднительные склады сырья. При переработке сырья с повышенной влажностью используются мельницы предварительного самоизмельчения и сушки типа Аэрофол. С целью снижения расхода топлива на обжиг клинкера при мокром способе переработки сырья применяются различные технологические приемы и оборудование.
Технико-экономическая целесообразность реконструкции предприятия, работающего по мокрому способу с использованием отдельных элементов сухого, или перевод его на работу полностью по сухому способу зависит от множества факторов. К числу этих факторов следует отнести свойства сырьевых материалов и, в первую очередь, их влажность.
Существенное значение имеет фактический расход тепла на обжиг клинкера, зависящий от влажности шлама, технического уровня и состояния тепловых установок.
В табл. 2 представлены сравнительные данные расхода тепла на обжиг при сухом и мокром способах производства по предприятиям различных стран.
| Страна | Удельный расход тепла на обжиг клинкера | |||||
| сухой способ | мокрый способ | |||||
| кДж/кг | ккал/кг | кг усл. топлива | кДж/кг | ккал/кг | кг усл. топлива | |
| Болгария | 170,0 | 222,0 | ||||
| Венгрия | 917,5 | 131,0 | 299,3 | |||
| Польша | 141,1 | 255,0 | ||||
| Бывший СССР | 1114,4 | 159,2 | 1596,7 | 228,1 | ||
| Франция | 135,0 | - | - | - | ||
| Великобритания | 801,4 | 114,3 | 1452,2 | 207,5 | ||
| Германия | 711,1 | 101,5 | - | - | - | |
| Швейцария | 898,4 | 128,3 | - | - | - | |
| Испания | 917,0 | 131,0 | - | - | - | |
| Япония | 118,3 | 5520 (1978) | 1318,2 | 188,3 | ||
| США | 154,0 | 224,3 | ||||
| Беларусь | 170,0 | 253,0 |
При принятии решения о внедрении того или иного энергосберегающего мероприятия на предприятии необходимо учитывать: особенности сжигания топлива во вращающихся печах, то есть соответствие параметров сжигания топлива параметрам спекания сырьевой смеси. Без выполнения этого условия невозможно любыми другими мерами обеспечить оптимальный режим сжигания топлива во вращающихся печах. Учитывается также процесс горения топлива.
Полнота сгорания топлива обеспечивается соответствующим коэффициентом избытка воздуха. Как правило, при обжиге цементного клинкера коэффициент избытка воздуха K=1,05-1,15. Для газообразного топлива K=1,05-1,08, для жидкого и твердого топлива К=1,1-1,15. Увеличение избытка воздуха сверх необходимого приводит к снижению температуры горения и увеличению потерь тепла с отходящими из печи газами.
Основой определения потенциала энергосбережения вращающейся печи является ее тепловой баланс. Структура статей теплового баланса печи позволяет наглядно определить источник потерь тепла в обжиговом агрегате и возможность их сокращения или устранения.
По имеющимся данным, из общего количества энергетических затрат примерно 10% расходуется на подготовку сырьевых материалов, 79% на обжиг клинкера, 10% на помол цемента и 1% на прочие операции.
В структуре себестоимости цемента (1998-2000 годы) затраты на топливо и электроэнергию составили 50-75%.
Энергозатраты в процессе обжига клинкера должны приближаться к уровню 2900 кДж/кг, рассматриваемому как предел возможного при современном техническом уровне промышленной технологии.
Для ориентировочной оценки рационального расходования топлива приняты следующие значения: при мокром способе - 234,0 кг/т, или 6800 кДж/кг, при сухом способе - 160 кг/т, или 4760 кДж/кг клинкера. Перечень основных мероприятий по экономии топлива при обжиге клинкера приведен в табл. 3.
| Наименование мероприятий | Ожидаемая экономия расхода топлива | Примечание | ||
| кг усл. топлива на т клинкера | кДж на кг клинкера | % к достигнутому среднеотраслевому показателю расхода | ||
| 1. Переход с мокрого на сухой способ производства | 1759–2346 | 60–80 | 25–35 | |
| 2. Установка распылительных сушилок шлама в холодном конце печи | 528–997 | 18–34 | 8–15 | |
| 3.Использование фильтрпрессов для обезвоживания шлама до влажности 20% (полусухой способ производства) | 1378–1642 | 47–56 | 20–23 | |
| 4. Снижение влажности шлама с помощью добавок-разжижителей (на каждый % снижения) | 117–146 | 4–5 | 1,8–2,2 | |
| 5. Применение добавок-минерализаторов | 196–323 | 6,7–11 | 3–5 | Введение в сырьевую смесь небольшого количества минерализаторов (фосфогипса, плавикового шпата, кремнефтористого гипса и др.), которые ускоряют процесс спекания и снижают его температуру |
| 6. Организация мер по сокращению потерь тепла через корпус печи. Теплоизоляция средних зон каркасов вращающихся печей с наружной температурой 100–250°С | 126–146 | 5,6–6,7 | 1,8–2,1 | Теплоизоляция составляет примерно 30% длины печи |
| 7. Улучшение процесса сжигания топлива за счет использования более совершенных горелок | 65–132 | 2,2–4,5 | 1–2 | |
| 8. Устройство современных теплообменников для интенсификации процессов сушки шлама во вращающейся печи | 190–281 | 6,5–13 | 3–6 | |
| 9. Стабилизация питания печей шламом и сырьевой мукой путем установки современных шламопитателей и дозаторов | 50–63 | 1,7–2,14 | 0,9–1 | |
| 10. Оптимизация химического состава сырьевой смеси (по п;РиКН) и стабилизация технологического процесса, обеспечивающая отклонения значений модулей в узком интервале | 50–84 | 1,7–2,9 | 0,9–1,7 | |
| 11. Увеличение скорости вращения печей до 1,5 мин-1с регулированием ее в широком диапазоне до оптимальных значений (для мокрого способа) | 105–210 | 3,57–7,15 | 1,5–3,5 | Благодаря интенсивности теплообмена снижается температура отходящих газов. Необходимо оборудование для плавного регулирования оборотов |
| 12. Образование устойчивой обмазки в зоне спекания | 84–126 | 2,9–4,3 | 1,2–1,8 | |
| 13. Использование вторичного тепла, излучаемого зоной спекания вращающихся печей, с получением горячей воды для производственных и коммунальных нужд | 84–105 | 2,9–3,6 | 1,5–3,4 | Увеличение КПД печей при мокром способе на 1,5–2,5%, при сухом — на 2% |
| 14. Уменьшение подсоса воздуха через головку печи (например, с 15 до 5%) | 84–105 | 2,9–3,6 | 1,2–1,7 | Посредством поддержания на требуемом уровне разрежения на холодном конце печи |
Примечания:
1. Эффективность каждого мероприятия по снижению удельного расхода топлива и его осуществление зависят от конкретных условий каждого предприятия.
2. Многие мероприятия по снижению расхода топлива взаимно перекрываются, поэтому нельзя механически суммировать указанные в таблице показатели эффективности нескольких мероприятий.
3. Затраты тепла на испарение влаги составляют главную статью теплового баланса печи. При влажности шлама 36% затраты на нагревание и испарение воды, содержащейся в шламе, прогрев паров до температуры отходящих газов составляют 2720 кДж/кг (650 ккал/кг), а при влажности шлама 45% — 3157 кДж/кг (753 ккал/кг), то есть почти половину расхода топлива, идущего на обжиг клинкера по мокрому способу. Эти затраты близки к суммарным затратам тепла на получение клинкера сухим способом.
4. Снижение влажности шлама можно осуществить за счет применения химических добавок, которые уменьшают внутреннее трение, то есть повышают текучесть шлама: а) щелочные электролиты — силикат натрия, щелочь NaOH, карбонат натрия Na2CO3; б) поверхностно-активные СДБ (сульфатно-дрожжевая бражка), лигносульфат кальция; в) комбинированные.
Указанные добавки, вводимые при помоле шлама в количестве 0,1-0,8%, снижают влажность на 2-3%, а в отдельных случаях на 5-12%. В настоящее время влажность шлама колеблется в пределах 39–40% на Красносельском цементном заводе и в пределах 44–47% на Кричевском цементном заводе. Расчеты показывают, что влажность шлама можно легко снизить на 9–15% (снижение влажности на 1% дает 1,5% экономии).