Способ и установка по производству цементного клинкера с одновременной выработкой электроэнергии

Способ и установка по производству цементного клинкера с одновременной выработкой электроэнергии

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу производства цементного клинкера с одновременной выработкой электроэнергии, в котором исходное цементное сырье прокаливается в прокалочной печи под воздействием одновременно подаваемых топлива и воздуха горения и затем спекается в цементный клинкер в обжиговой печи, и в котором некоторая часть тепла, заключенного в отработанных газах, выходящих из прокалочной печи, употребляется для выработки электроэнергии с использованием бойлерной секции. Изобретение относится также к установке (комплексу заводского оборудования) для реализации этого способа.

Установки, представляющие собой комплексы заводского оборудования (также упоминаемые далее, как заводы), в которых отработанные газы из устройства обжиговой печи завода по производству цемента употребляются для выработки электроэнергии, известны, например, из GB-2098305-A и ЕР-896958-А1. Электроэнергию обычно получают в паровой турбине с использованием испарения воды или другой рабочей среды в одной или нескольких бойлерных секциях. В GB-2098305-A предлагается бойлерную секцию устанавливать между первым и вторым каскадом циклонного устройства предварительного подогрева там, где температура газов составляет по меньшей мере 500°C, в то время как в ЕР-896958-А1 предлагается отводить некоторое количество горячих отработанных газов, имеющих температуру в диапазоне от 700 до 900°C, от башенного устройства предварительного нагрева и использовать для выработки электроэнергии. Широко известно, что эффективность, с которой тепловая энергия может быть преобразована в электрическую, существенно возрастает в зависимости от входной температуры рабочего газа, подаваемого в бойлерную секцию. Две существенные проблемы, связанные с попыткой увеличить температуру перегретого пара, включают загрязнение и эрозию бойлерных труб при возрастании температуры отработанных газов. Как правило, пар заключен в группу бойлерных труб, в то время как отработанные газы охлаждаются, проходя с наружной стороны этих бойлерных труб. Поэтому было установлено, что теплопередача на этих известных заводах существенно снижается со временем из-за образования отложений на наружной поверхности бойлерных труб.

Более детальное изучение этих отложений показало, что чаще всего они образуются такими составляющими, как щелочные компоненты, хлориды и сульфиды. Эти составляющие испаряются при температурах выше 900°C в зоне горения обжигового устройства и постепенно конденсируются при охлаждении отработанных газов по мере их прохождения через прокалочную печь и циклонные устройства предварительного нагрева, а также, к сожалению, в бойлерной секции, если она установлена на участке, где температура отработанных газов выше 500°C. Могут образоваться различные соединения, например KCl, CaCl₂, NaCl, Na₂CO₃, K₂SO₄ и Na₂SO₄, если отработанные газы, содержащие такие элементы, подвергаются охлаждению.

Описанная проблема, включая образование отложений на бойлерных трубах, может быть устранена размещением бойлерной секции там, где температура отработанных газов ниже 500°C, при которых конденсируется основная часть щелочных компонентов и хлоридов. Однако недостатком такого решения является то, что эффективность снизится, что фактически исключит получение какого-либо экономического эффекта.

В основу настоящего изобретения положена задача обеспечения способа и оборудования для одновременного производства электроэнергии и цементного клинкера, в которых упомянутые недостатки устранены или существенно уменьшены.

Согласно изобретению это достигается способом, в общих чертах упомянутым во введении и отличающимся тем, что воздух горения, а также исходное цементное сырье, подаваемые в прокалочную печь, не содержат щелочных компонентов или хлоридов, а температура отработанных газов, используемых для производства электроэнергии, составляет по меньшей мере 500°C.

Таким образом получается, что можно избежать формирования отложений на бойлерных трубах, образующихся за счет конденсации паров щелочных компонентов и хлоридов, при одновременном повышении эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. Это обусловлено тем фактом, что в предлагаемом в изобретении способе, в отличие от других известных ранее, отработанные газы, содержащие щелочные компоненты и поступающие с вращающейся обжиговой печи завода по производству цемента, не используются для выработки электроэнергии, а напротив используются отработанные газы, не содержащие таких компонентов.

Установка (комплекс заводского оборудования) для реализации предлагаемого в изобретении способа включает прокалочную печь, предназначенную для прокаливания (высушивания) исходного цементного сырья под воздействием одновременное подаваемых топлива и воздуха горения, обжиговую печь и бойлерную секцию для получения пара, предназначенного для выработки электроэнергии, за счет некоторого количества тепла, заключенного в отработанных газах, поступающих с прокалочной печи, и отличается тем, что прокалочная печь и обжиговая печь соединены друг с другом и выполнены с возможностью подачи в прокалочную печь воздуха горения и исходного цементного сырья, не содержащих щелочных компонентов и хлоридов, и при этом для выработки электроэнергии обеспечиваются отработанные газы, температура которых составляет по меньшей мере 500°C.

Воздух горения, подаваемый в прокалочную печь, может быть атмосферным воздухом, подогретым в генераторе тепла. Однако предпочтительно, чтобы в качестве воздуха горения в прокалочной печи использовались технологические газы самого цементного завода, поступающие предпочтительно с холодильника клинкера.

В случаях, если исходное цементное сырье содержит вредные примеси в виде сульфидов и органического углерода, возникнет тенденция выброса таких элементов в форме двуокиси серы (SO₂), окиси углерода (CO) и летучих органических компонентов при их нагревании в традиционных многокаскадных циклонных устройствах предварительного подогрева. Чтобы избежать таких выбросов, и это является преимуществом изобретения, исходное сырье, содержащее такие вредные примеси и нагретое до температуры, составляющей максимум 500°C, может быть введено непосредственно в технологический газ, имеющий высокую температуру, равную по меньшей мере 800°C, и содержащий взвешенные частицы окиси кальция (CaO) и избыток кислорода. Так как газообразный SO₂ абсорбируется на частицах окиси кальция, и органический углерод полностью перегорит в двуокись углерода (CO₂), за счет этого существенно снизятся или полностью исчезнут выбросы SO₂, CO и летучих органических компонентов. Поэтому в соответствии с изобретением предпочтительно, чтобы исходное цементное сырье, содержащее вредные примеси в виде сульфидов и органического углерода, подавалось непосредственно в прокалочную печь, в которой созданы вышеупомянутые условия.

Преимущество изобретения заключается в том, что в ситуациях, когда в процессе производства цемента желательно применять низкокалорийные топлива, они могут быть также использованы непосредственно в прокалочной печи, в которой созданы соответствующие условия в виде существенного избытка кислорода, обеспечивающего полное выгорание таких топлив.

Отработанные газы, выходящие из прокалочной печи, обычно будут иметь температуру, равную по меньшей мере 850°C. В случаях, когда желательно снизить эту температуру, прежде чем ввести отработанные газы в бойлерную секцию, заводское оборудование может быть скомпоновано с одним или несколькими циклонными каскадами, предназначенными для предварительного нагрева исходного цементного сырья, преимущественно исходного цементного сырья, не содержащего значительных количеств вредных примесей в виде сульфидов и органического углерода, до подачи в прокалочную печь. Таким путем температура отработанных газов может быть доведена до оптимального значения с точки зрения их последующего использования в процессе теплообмена в бойлерной секции.

Заводское оборудование по производству цемента может также включать обычное циклонное устройство предварительного нагрева, в которое подаются содержащие щелочные компоненты и хлориды отработанные газы от обжиговой печи завода. Преимущество изобретения заключается в том, что в этом случае рабочая среда бойлерной секции может быть предварительно подогрета путем теплообмена с отработанными газами циклонного устройства предварительного нагрева в месте, где входная температура не превышает 500°C. Рабочая среда бойлерной секции может быть также предварительно подогрета за счет теплообмена с избыточным воздухом из холодильника клинкера.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором схематически изображено оборудование завода по производству цемента, в соответствии с настоящим изобретением.

На изображении можно видеть, что цементный завод включает две линии 1 и 2 предварительного нагрева, в каждую из которых входят прокалочные печи 3 и 4 соответственно, снабженные циклонными сепараторами 3а и 4а соответственно, вращающуюся обжиговую печь 5 и холодильник 6 клинкера. Линия 1 предварительного нагрева выполнена в виде традиционного многокаскадного циклонного устройства предварительного нагрева, и в некоторых вариантах выполнения она включает три циклонных каскада, но может также включать меньшее или большее число каскадов. Линия 1 предварительного нагрева функционирует традиционным образом, при котором исходное цементное сырье поступает через ввод 7 во входной канал самого верхнего циклонного каскада циклонного устройства предварительного нагрева, нагревается, высушивается и спекается в клинкер, проходя на первом этапе обработки через устройство 1 предварительного нагрева, прокалочную печь 3 и затем через вращающуюся обжиговую печь 5 в противотоке горячих отработанных газов, создаваемых, соответственно, у горелки 8 во вращающейся обжиговой печи 5 и горелки 9 в прокалочной печи 3, и воздуха горения, подаваемого в прокалочную печь 3 по трубопроводу 10, которые прогоняет через линию предварительного нагрева не показанный вентилятор. Спеченный клинкер затем охлаждается в холодильнике 6 клинкера охлаждающим воздухом, подача которого изображена стрелкой 11.

В представленном варианте выполнения линия 2 предварительного нагрева состоит из прокалочной печи 4 с циклонным сепаратором 4а и одним циклонным каскадом, но она может и не иметь циклонных каскадов или иметь большее число циклонных каскадов. В линии 2 предварительного нагрева исходное цементное сырье, возможно с более высокой концентрацией летучих компонентов в виде сульфидов и органического углерода, поступает через ввод 12 непосредственно в прокалочную печь 4, в которой оно нагревается до температуры прокаливания, составляющей приблизительно 890°C, при одновременной подаче топлива через одну или несколько горелок 13 и воздуха горения по трубопроводу 14. Прокаленное исходное сырье отделяется от отработанных газов в циклонном сепараторе 4а и отправляется во вращающуюся обжиговую печь 5, в которой оно спекается в клинкер вместе с исходным сырьем с линии 1 предварительного нагрева, в то время как отработанные газы отводятся по трубопроводу 15 отработанных газов. Отработанные газы, выходящие из прокалочной печи 4 по трубопроводу 15, имеют температуру по меньшей мере 850°C и, возможно, могут быть использованы для предварительного нагрева исходного сырья, подаваемого через ввод 16 в канал 15, что снижает температуру отработанных газов, и снова отделяемого от отработанных газов в следующем циклонном сепараторе 17. Отработанные газы из прокалочной печи 4 направляются непосредственно или через один или несколько циклонных каскадов 17 к бойлерной секции 18, в которой газы за счет теплообмена используются для перегрева рабочей среды, служащей затем для получения известным образом электроэнергии или другой механической работы.

В соответствии с изобретением воздух горения, подаваемый в прокалочную печь 4, не должен содержать ни каких-либо щелочных компонентов, ни хлоридов, чтобы предотвратить образование отложений на бойлерных трубах в установленной далее бойлерной секции, образующихся при конденсации паров щелочных компонентов и хлоридов, но в то же время температура отработанных газов, используемых для выработки электроэнергии, должна составлять по меньшей мере 500°C, что повышает эффективность преобразования в бойлерной секции тепловой энергии отработанных газов в электрическую энергию.

Как показано на фигуре, разогретый охлаждающий газ из холодильника 6 клинкера может быть соответствующим образом использован, так как он не содержит щелочных компонентов или хлоридов. Альтернативно воздух горения может быть атмосферным воздухом, который может быть нагрет в генераторе тепла.

Охлаждающий воздух из холодильника клинкера имеет высокое содержание кислорода и высокую температуру, что делает его особенно пригодным для использования в качестве воздуха горения с целью обеспечения полного выгорания низкокалорийных топлив и любых примесей органического углерода, содержащихся в исходных материалах, вводимых в прокалочную печь 4, и позволяет избежать выбросов SO₂, CO и летучих органических соединений.

В представленном заводе по производству цемента рабочая среда бойлерной секции, до ее перегрева в бойлерной секции, может быть, и это является преимуществом изобретения, подогрета в теплообменнике 19 за счет теплообмена с отработанными газами, поступающими из циклонного устройства 1 предварительного нагрева. В этом случае температура отработанных газов, поступающих от циклонного устройства 1 предварительного нагрева в теплообменник 19, не должна превышать 500°C с целью обеспечения гарантии того, что все содержащиеся хлориды и щелочные компоненты эффективно конденсировались до достижения ими теплообменника 19. Рабочая среда бойлерной секции может быть также предварительно подогрета за счет теплообмена с избыточным воздухом из холодильника 6 клинкера.

1. Способ производства цементного клинкера с одновременной выработкой электроэнергии, в котором исходное цементное сырье прокаливают в прокалочной печи (4) под воздействием одновременно подаваемых топлива и воздуха горения и затем спекают в цементный клинкер в обжиговой печи (5), и при этом часть тепла, заключенную в отработанных газах, выходящих из прокалочной печи (4), используют для выработки электроэнергии с помощью бойлерной секции (18), отличающийся тем, что в прокалочную печь (4) подают воздух горения и исходное цементное сырье, не содержащие щелочные компоненты и хлориды, а для выработки электроэнергии используют отработанные газы, температура которых составляет по меньшей мере 500°C.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют в качестве воздуха горения в прокалочной печи (4) технологические газы непосредственно заводского оборудования по производству цемента, предпочтительно поступающие из холодильника (6) клинкера.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходное цементное сырье, содержащее примеси в виде сульфидов и органического углерода, вводят непосредственно в прокалочную печь (4).

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в прокалочной печи (4) сжигают низкокалорийные топлива.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что отработанные газы, выходящие из прокалочной печи (4), используют для предварительного нагрева исходного цементного сырья перед их использованием для выработки электроэнергии.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую среду бойлерной секции (18) предварительно нагревают в бойлерной секции (19) путем теплообмена с отработанными газами из дополнительной линии предварительного нагрева, в которую подают отработанные газы с обжиговой печи (5), в месте, где входная температура отработанных газов, поступающих в бойлерную секцию (19), не превышает 500°C.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую среду бойлерной секции (18) предварительно нагревают путем теплообмена с избыточным воздухом, поступающим из холодильника (6) клинкера.

8. Установка для производства цементного клинкера способом по любому из пп.1-7, включающая прокалочную печь (4) для прокаливания исходного цементного сырья под воздействием одновременно подаваемых топлива и воздуха горения, обжиговую печь (5) и бойлерную секцию (18) для получения пара, используемого для выработки электроэнергии, за счет части тепла, заключенного в отработанных газах, поступающих с прокалочной печи (4), при этом прокалочная печь (4) и обжиговая печь (5) соединены друг с другом и выполнены с возможностью подачи в прокалочную печь (4) воздуха горения и исходного цементного сырья, не содержащих щелочные компоненты и хлориды, и обеспечения отработанных газов, используемых для выработки электроэнергии, температура которых составляет по меньшей мере 500°C.

9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что прокалочная печь (4) связана с холодильником (6) клинкера трубопроводом (14) для подачи охлаждающего воздуха от холодильника (6) клинкера к прокалочной печи (4).

10. Установка по п.8 или 9, отличающаяся тем, что в ее компоновку включены один или более циклонные каскады (17), служащие для предварительного нагрева исходного цементного сырья, подаваемого в прокалочную печь (4).