Эксергетический анализ в технологии получения цементного клинкера

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, частично устаревших и неэффективно работающих мощностей, приобретает все большее значение. При этом большая роль отводится мероприятиям, позволяющим снизить тепловые и энергетические затраты до современного уровня, т.к. по данным, опубликованным в [2], в цементной промышленности России на обжиг 1 тонны клинкера расходуется в среднем 214 кг условного топлива против 120 — 130 кг при современной технологии сухого способа производства. Данный показатель свидетельствует о все возрастающем техническом отставании российской цементной промышленности от уровня не только развитых, но и развивающихся стран.

Энергетические затраты в производстве цемента объективно обусловлены его химией и особенностями технологического процесса. Уровень энергопотребления и объем научных исследований в анализируемой области оп-ределяют состояние развития отрасли [3−11]. 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 мето-I дов системного анализа химико-технологических процессов. Методы системного анализа базируются на детальном и комплексном рассмотрении химических и энергетических превращений в их тесной взаимосвязи на основе использования теоретически обоснованных оценок оптимальной организации системы [1].

Настоящая работа развивает новое направление в повышении энергетической, экономической и экологической эффективности цементных производств, разрабатываемое школой академика В. В. Кафарова и д.т.н. М. А. Вердиян. 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 [6,10,11]. 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 материалов: исходные компоненты сырьевой шихты — шихта — шлам — клинкер;

• эксергетический анализ преобразующих потоков;

• разработка эксергетического баланса системы «сырье — клинкер» ;

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

Научная новизна.

• 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 исходных сырьевых материалов: сырьевые компоненты шихты — шихта — шлам — клинкер;

• проведен эксергетический анализ преобразующих потоков системы;

• разработан общий эксергетический баланс системы «сырье — клинкер» .

Практическая ценность.

• разработанная методика расчета эксергии исходных сырьевых компонентов применена для определения эксергетических показателей сырьевых материалов, таких как известняки, мела, глины, бокситы, сланцы различных месторождений, используемых в настоящее время 34 заводами, работающими по мокрому способу производства, а также для различных железосодержащих добавок;

• разработанная методика для определения эксергии полупродуктов и продуктов системы механотермохимической обработки сырьевых материалов применена для определения эксергетических показателей шихт, шламов и клинкеров 15 цементных заводов, работающих по мокрому способу производства;

• выведены численные 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 сырьевых шихт из новых 26 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.

Достоверность результатов работы подтверждается совпадением полученных расчетных результатов с практическими исследованиями, выполненными как в данной работе, так и в других 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 «X— Научных Чтениях», Белгород, 1987; на научно-технической конференции НИИЦемента, 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— Международной конференции по химии и технологии цемента, Москва, 1996; on the 2-nd Int’l Seminar on Cement, 18−20 Nov. 1996, Iran.

Считаю своим долгом выразить глубочайшую признательность и благодарность научным руководителям — член-корреспонденту МИА, профессору Вердиян Мэлсу Аспандаровичу и кандидату технических наук, доценту Боброву Дмитрию Александровичу, а также научному консультанту доктору технических наук Альбац Борису Самуиловичу за повседневную помощь и советы при выполнении работы.

Общие выводы.

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 характеристикой энергетической эффективности для всех переделов любого цементного производства.

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

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.

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. 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 эксергетическое 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. 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), газообразного на примере природного газа Ставропольского, Саратовского, Бугуруслаского 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.

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 °C (239 кДж/м3) и воздух, нагретый до температуры 170°-200°С (200 кДж/м3).

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 °C до 55 °C за счет добавления к исходному материалу горячей воды, способствует повышению эксергии смеси на 20%, при этом остаток на сите Roos снижается с 18% до 13%. 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 шламамежду 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.

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. Результаты исследований внедрены: в учебный процесс РХТУ им. Д. И. Менделеевав Научно-технический центр ЭПУ Российской Академии Наукна 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.

В заключение этой главы покажем общую структуру определения эксергии шлама в виде алгоритмической последовательности, которая представлена на рис. 5.4. Выводы.

1. Разработана методика определения эксергии сырьевого шлама, основанная на определении эксергии исходных компонентов шлама и составляющих эксергии шлама;

2. Расчетное значение эксергии сырьевого шлама, полученного из классических компонентов сырьевой шихты, изменяется в пределах 134−595 кДж/кг шлама, причем, эксергия шлама, полученного из низкопотенцтального сырья, может варьироваться в пределах 134−265 кДж/кг шлама, а эксергия шлама, полученного из высокопотенциального сырья — в пределах 349−595 кДж/кг шлама;

3. Эксергия сырьевого шлама является функцией 6 независимых параметров шлама, таких как: дисперсность, влажность, химический состав, степень перемешивания, степень термообработки и технология приготовления и обжига. Изменение всех параметров в целом или каждого в отдельности влечет за собой изменение эксергии шлама в следующей последовательности: улучшение всех свойств шлама (снижение W 40% => 25%, снижение КН 0.9 => 0.75, снижение остатка на сите Roos 20% => 5%, повышение степени перемешивания 0,6 => 0.9) в случае НПС приводит к росту эксергии шлама по сравнению с номинальным значением на 135 кДж/кг шлама и в случае ВПС — на 246 кДж/кг шлама. Но следует сразу оговорить, что для получения всех улучшенных характеристик шлама расход электроэнергии увеличивается на (20.5 + 15 + 1.5 = 37 кВт*ч/т).

Рис. 5.4. Условная блок-схема определения эксергии шлама. наиболее существенное влияние на повышение эксергии шлама оказывает снижение влажности шлама и коэффициента насыщения. Так, сниже-g ние влажности шлама 40% => 25% соответствует повышению эксергии шлама в случае НПС на 74,3 кДж/кг шлама и в случае ВПС — на 128,1 кДж/кг шламанаименьшее влияние на повышение эксергии шлама оказывает увеличение степени измельчения и степени перемешивания шлама. Так, снижение остатка на сите Roos 20% => 5% способствует повышению эксергии шлама как в случае НПС, так и в случае ВПС на 6,2 кДж/кг шлама Представляет интерес проверить справедливость основного определения эксергии шлама, по которому чем выше эксергия шлама, тем ниже затраты на его переработку, т. е. обжиг. С этой целью следующим этапом работы явился расчет эксергии шлама для готовых сырьевых шламов цементных производств и сравнение расчетной эксергии с затратами топлива на обжиг шлама во вращающейся печи. В соответствии с этим, ниже рассматривается другой вариант определения эксергии шлама, основанный на данных по химическому составу уже готовых сырьевых шламов. Нами использовались независимые экспериментальные данные, опубликованные в справочнике [105], в котором приведены теплотехнические, технологические и физико-химические параметры спекания портландцементного клинкера в промышленных вращающихся печах различных цементных заводов, а именно: размер печного агрегатавид топлива и его потребление на обжигвид и природа сырья, химический состав сырьевого шламаосновные параметры работы печного агрегата и т. д. С целью получения наибольшей достоверности о взаимосвязи эксергии сырьевого шлама с расходом топлива на его обжиг нами использовались данные справочника [105] для печей одного типоразмера 5×185м. Ниже в таблице 5.1.8. приведены данные по химическому составу сырьевых шламов, используемых на различных цементных заводах для печей одного типоразмера 5×185м, а также, как контрольный вариант, данные по химическому составу сырьевой смеси Жигулевского КСМ, на котором функционируют печи размером 5×135м.

Химический состав и влажность различных производств. Табл. 5.1.8.

N производство п.п.п SiO. 11Я11 Fe203 СаО MgO Illliil шшш п/п.

1. акмянский 34.23 13.28 3.86 2.78 41.81 2.14 0.41 39.8.

2. амвросиевский 34.34 15.60 2.30 2.46 43.00 0.82 0.33 47.0.

3. балаклейский 33.42 14.08 3.62 3.27 43.22 0.91 0.22 39.1.

4. «большевик» 33.50 14.30 3.20 3.30 42.86 1.03 0.59 38.9.

5. жигулевский 33.23 12.90 3.69 2.61 42.69 2.38 1.44 35.6.

6. каменец-подол 34.14 13.73 4.18 2.77 42.48 1.44 0.29 38.0.

7. карачаево-черк 34.50 14.20 3.50 2.54 43.02 0.80 0.20 39.6.

8. мордовский 34.14 14.41 3.16 2.49 43.17 0.99 0.72 40.1.

9. Ольшанский 34.17 14.04 3.40 3.02 42.94 1.12 0.47 38.5.

10. «пролетарий» 33.99 14.66 3.25 3.25 42.85 0.70 0.41 38.1.

11. старооскол 34.35 14.67 3.39 2.75 42.89 0.95 0.10 39.7.

12. сухоложский 34.52 14.65 3.12 2.81 42.44 1.30 0.20 36.8.

13. топкинский 35.01 13.79 3.47 2.65 43.17 0.78 0.27 38.6.

14. усть-каменогор 34.71 12.97 3.53 2.82 43.71 1.16 0.06 39.8.

15. чечено-ингуш 33.84 14.48 3.52 2.34 42.45 1.49 0.33 40.0 значение эксергии ишш 1 111 111: 2014 128 222 liliilii 1 111 111 654 каждого оксида,.

Расчет эксергии сырьевых шламов различных производств аналогичен расчету эксергии известняков. Данный расчет, как рассматривалось выше, основан на определении значений эксергии оксидов, входящих в состав конкретного материала. Теперь, пользуясь справочными данными по табл.5.1.8. рассчитаем, например, эксергетическую составляющую эксергии шлама, определяемую химическим составом сырьевого шлама Акмянского цементного завода:

Есш= С34.23*458+13.28*31+3.86*2014+2.78*128+41.81*222+ +2.14*354+0.41 *3046)/100 = 510 кДж/кг шихты Принимая, что Roos=20%, Ре=0.6, W=39.8%, определяем по формуле 5.1.5., используя данные таблицы 5.5., эксергию сырьевого шлама: 1ЕСШ = (10.1+510+10.8)*(1−0.398)+0.398*51 = 341.58 кДж/кг шлама Аналогичные вычисления были сделаны для всех вышеуказанных в таблице 5.1.8. производств, полученные результаты расчетов приведены в табл.5.1.9. Кроме этого, в таблице 5.1.9. приведены значения эксергии сырьевых шихт, полученные ранее расчетным путем в главе 3.4. настоящей работы.

Эксергия сырьевого шлама различных производств и расход условного топлива на га обжиг. Табл. 5.1.9.

N п/п производство ¦эксергия сыр. эксергия сыр. расход топлива, шихты, шлама, кг ус л. топлива/ т кДж/кг шихты кДж/кг шлама клинкера.

1. акмянский 510 341 231.

2. амросиевскии 335 262 250.

3. балаклейский 558 370 220.

4. «большевик» 558 370 221.

5. жигулевский 627 411 216.

6. каменец-подол 543 361 217.

7. карачаево-черк 478 392 210.

8. мордовский 454 308 230.

9. ольшанский 567 375 223.

10. «пролетарий» 513 343 217.

11. старооскол 395 307 228.

12. сухоложский 435 396 210.

13. топкинский 557 399 224.

14. усть-каменогор 477 321 228.

15. чечно-ингуш 453 307 225.

Таким образом, для реальных шламов цементных заводов получено значение эксергии в диапазоне 262−411 кДж/кг шлама, тогда как расчетный диапазон возможного колебания эксергии составил 134−595 кДж/кг шлама. Не случайно, что последний диапазон включает в себя значения эксергии готовых сырьевых шламов, т.к. он получен на основе учета всех характеристик исходных возможных компонентов. Анализируя таблицу 5.1.9., можно сделать вывод, что шламы Акмянского, Амвросиевского, Мордовского, Старо-оскольского, Усть-Каменогорского и Чечено-Ингушского цементных заводов следует отнести к низкопотенциальным (их эксергии ниже 350 кДж/кг шлама), а шламы Балаклейского, «Большевик», Жигулевского, Каменец-Подольского, Карачаево-Черкесского, Ольшанского, Сухоложского и Топ-кинского — к высокопотенциальным, причем наиболее эффективными следует считать шламы Жигулевского, Карачаево-Черкесского, Сухоложского и Топкинского цемзаводов.

Взаимосвязь эксергии сырьевого шлама и расхода топлива, необходимого на его обжиг.

Рассмотрим подробно вывод уравнения регрессии для исследуемой зависимости. Все необходимые расчетные данные, используемые для определения коэффициентов в выводимом уравнении, запишем в табл. 5.1.10.

Расчетные значения для вывода регрессионной зависимости между эксерги-ей сырьевого шлама и расхода условного топлива на его обжиг. Табл. 5.1.10.

N X Y X2 XY Y2 опыта.

1. 341 231 116 676 76 855 50 625.

2. 262 250 55 970 59 145 62 500.

3. 370 220 137 181 81 483 48 400.

4. 370 221 137 181 81 853 48 841.

5. 411 216 169 562 88 944 46 656.

6. 361 217 130 595 79 864 48 841.

7. 392 210 103 928 73 503 51 984.

8. 308 230 94 851 70 835 52 900.

9. 375 223 141 210 83 798 49 729.

10. 343 217 117 909 77 620 50 625.

11. 307 228 96 335 71 697 53 361.

12. 396 210 87 959 69 696 55 225.

13. 399 224 136 737 82 830 50 176.

14. 321 228 103 542 73 365 51 984.

15. 307 225 94 482 71 312 53 824.

Итого 5047 3409 1 724 118 1 142 817 775 701.

15*1 142 817 — 5047.5*3409 b =-= - 0.168.

15*1 724 118 — 5047.52.

3409 + 0.168*5047.5 d =-= 283.79.

Получив оба коэффициента, запишем уравнение регрессии: Y = 283.79 — 0.168*Х (5.1.7.) где X — эксергия сырьевого шлама, выраженная в кДж/кг шлама, Yрасход топлива, кг усл. топлива/т клинкера.

Анализ уравнения 5.1.7. однозначно показывает, что с увеличением эксергии сырьевого шлама затраты на его обжиг падают, что и доказывает справедливость определения эксергии преобразуемого потока, данного в главе 2.1. На основании вышеприведенного уравнения регрессии рассчитаем, на сколько энергетических единиц нужно поднять эксергию шлама, чтобы сократить удельный расход топлива на 1 кг:

220 (кг у сл.топ./т кл)= 283.79 — 0.168*Xi (Xi = 379.70 кДж).

221 = 283.79 -0.168*Х2 (Х2 = 373.75 кДж) Очевидно, что увеличение эксергии шлама на 6 кДж/кг шлама соответствует экономии 1 кг условного топлива.