Способ и установка по производству цементного клинкера с одновременной выработкой электроэнергии - RU2471133C2

Описание

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.

Реферат

Изобретение относится к производству цементного клинкера с одновременной выработкой электроэнергии. 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). При этом часть тепла, заключенную в отработанных газах, выходящих из прокалочной печи (4), используют для выработки электроэнергии с помощью бойлерной секции (18). Причем в прокалочную печь (4) подают воздух горения и исходное цементное сырье, не содержащие щелочных компонентов и хлоридов, а для выработки электроэнергии используют отработанные газы, температура которых составляет по меньшей мере 500°C. Изобретение позволяет избежать формирования отложений на бойлерных трубах, образующихся за счет конденсации паров щелочных компонентов и хлоридов, при одновременном повышении эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула