СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА
PRODUCTION OF CEMENT CLINKER AND PLANT TO THIS END

Изобретение относится к способу получения цементного клинкера и к установке для его производства.
При производстве цементного клинкера чаще всего применяют способ обжига, называемый сухим обжигом, в котором предварительно измельченное сырье обжигают во вращающейся печи. Чтобы снизить энергоемкость операции, на входе и на выходе вращающейся печи добавляют теплообменники, которые напрямую отбирают тепло из исходного материала и из выходящих из печи дымовых газов. Таким образом, если выходящие из печи продукты имеют температуру более 1000°C, то горячие газовые потоки, т.е. выходящие из этих теплообменников воздух или дымовые газы, не использующиеся для операции обжига, часто имеют температуру ниже 350°C. Вместе с тем, эти газы содержат еще количество тепла, которое может составлять 20-30% от энергии, поступающей в установку в виде топлива.
Как правило, горячие газы используют для сушки сырьевого материала, используемого для производства клинкера. Однако для операций сушки необходима только часть тепла за исключением очень редких случаев, когда сырье имеет повышенную влажность. Таким образом, часть не используемых горячих газов представляет собой доступную для использования энергию.
Рекуперация теряемого в конце производства электроэнергии тепла известна и применяется на многих заводах. Наиболее распространенный способ основан на подаче горячих газов в теплообменники, содержащие трубы с циркулирующей в них водой, которую тепло преобразует в сжатый пар, используемый для приведения во вращение турбин генератора электроэнергии. Учитывая не очень высокую температуру газов в теплообменниках, общий КПД преобразования тепловой энергии в электрическую остается низким.
Известно, что для повышения производительности теплообменников воду заменяют, например, пентаном. Несмотря на это усовершенствование, КПД не превышает 17%, что существенно ниже КПД классической теплоэлектростанции.
Для существенного повышения эффективности рекуперации энергии используется метод, называемый методом совместного генерирования, согласно которому повышают рабочую температуру за счет дополнительной подачи топлива. Таким образом, например, не только увеличивают количество отбираемой энергии, но повышают также КПД преобразования за счет повышения температуры.
x
Поскольку большинство цементных заводов используют твердое топливо, такое как уголь или нефтяной кокс, необходимо иметь большой объем горения, чтобы обеспечить оптимальное сгорание излишка топлива, а также иметь камеру сгорания соответствующей размерности, т.е. достаточной большую. Использование такой камеры сгорания требует также удаления золы, и ее недостатком является также повышенное выделение газов NO.
Из документов ЕР 0492133 и CN 1601214 известны такие установки для производства цемента, в которых отбирают энергию горения для выработки электричества.
Из документа ЕР 0045811 известен способ отбора отработанных газов из котла генератора электрической энергии, в котором используют такое топливо, как мазут. В этом документе раскрыта, в частности, обработка газообразных продуктов сгорания, которую осуществляют в секции предварительного нагрева установки для производства клинкерного цемента.
В указанной установке горячий воздух, генерируемый охладителем клинкера, направляют по трубопроводу в котел, где его используют в качестве воздуха для горения. Топливо, в частности, в виде угольного порошка, подают в котел через трубопровод на участке, соединенном с входом в указанный котел.
Задача изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков за счет разработки способа получения клинкерного цемента в установке, а также самой установки для производства клинкерного цемента, которые позволяют повысить КПД рекуперации энергии при минимальном расходе топлива, необходимого для совместного генерирования.
Поставленная задача решена в способе получения клинкерного цемента в установке, содержащей вращающуюся печь; циклонный подогреватель, в который поступают дымовые газы из вращающейся печи; охладитель клинкера, расположенный на выходе из вращающейся печи и охлаждающий клинкер путем обдува воздухом с получением при этом горячего воздуха; по меньшей мере один теплообменник, называемый первым. При этом исходное сырье подогревают и из него удаляют углекислоту в циклонном подогревателе, в охладителе клинкера охлаждают выходящий из печи клинкер, первую часть генерируемого в охладителе клинкера горячего воздуха, называемую вторичным воздухом, направляют во вращающуюся печь для использования в качестве воздуха для горения, вторую часть генерируемого в охладителе клинкера горячего воздуха, называемую третичным воздухом, с температурой не менее 750°C направляют отдельно от первой части до места в установке, где сжигают топливо, для использования в качестве воздуха для горения, а третью часть генерируемого в охладителе клинкера горячего воздуха, называемую избыточным воздухом, направляют в по меньшей мере первый теплообменник с целью рекуперации энергии для производства электричества.
Согласно изобретению, устанавливают второй теплообменник, который взаимодействует с третичным воздухом таким образом, чтобы нагревать рабочую текучую среду контура текучей среды, общего для первого и второго теплообменников, при этом второй теплообменник отбирает энергию третичного воздуха, понижая его температуру по мере его прохождения от входа к выходу во втором теплообменнике, причем третичный воздух используют в качестве воздуха для горения на выходе второго теплообменника.
Согласно варианту осуществления изобретения, текучая среда контура текучей среды является водой в виде пара или жидкости, при этом первый теплообменник является парогенератором, а второй теплообменник является пароперегревателем.
Задача изобретения решена также в установке для производства клинкерного цемента, содержащей вращающуюся печь; циклонный подогреватель, в который поступают дымовые газы из вращающейся печи; охладитель клинкера, расположенный на выходе из вращающейся печи и охлаждающий клинкер путем обдува воздухом с получением при этом горячего воздуха, при этом первую часть горячего воздуха, генерируемого в охладителе клинкера, называемую вторичным воздухом, направляют во вращающуюся печь для использования в качестве воздуха для горения; трубопровод, по которому вторую часть горячего воздуха, генерируемого охладителем клинкера, называемую третичным воздухом, направляют в зону горения установки; трубопровод, по которому третью часть горячего воздуха, генерируемого охладителем клинкера, называемую избыточным воздухом, направляют в теплообменник генератора производства электричества, называемый первым теплообменником.
В установке согласно настоящему изобретению трубопровод, по которому направляют третичный воздух, взаимодействует со вторым теплообменником на входе указанной зоны горения, при этом контур текучей среды является общим для первого и второго теплообменников.
Другие задачи и преимущества изобретения будут более понятны из дальнейшего описания, представленного исключительно в качестве неограничивающего примера со ссылками на чертежи.
На фиг.1 схематично показан способ согласно изобретению, осуществляемый в установке для производства клинкерного цемента, согласно первому варианту осуществления;
на фиг.2 схематично показан способ согласно изобретению, осуществляемый в установке для производства клинкерного цемента, согласно второму варианту осуществления;
на фиг.3 схематично показан способ согласно изобретению, осуществляемый в установке для производства клинкерного цемента, согласно третьему варианту осуществления;
на фиг.4 детально показаны первый и второй теплообменники, а также общий для этих теплообменников контур текучей среды.
Установка для получения клинкерного цемента содержит:
- вращающуюся печь 1;
- подогреватель 2, в который поступают дымовые газы из вращающейся печи 1;
- охладитель 4 клинкера, расположенный на выходе из вращающейся печи 1, в котором клинкер охлаждают путем обдува воздухом, получая при этом горячий воздух,
- по меньшей мере, один теплообменник 9, называемый первым теплообменником. Способ получения клинкерного цемента включает в себя следующие этапы, на которых:
- подогревают сырье и удаляют из него углекислоту в циклонном подогревателе 2;
- охлаждают выходящий из печи клинкер в охладителе 4 клинкера;
- направляют первую часть 5 генерируемого в охладителе клинкера горячего воздуха, называемого вторичным воздухом, во вращающуюся печь для использования в качестве воздуха для горения;
- направляют вторую часть 6 генерируемого в охладителе клинкера горячего воздуха, называемого третичным воздухом, с температурой не менее 750°C отдельно от первой части до места в установке, где сжигают топливо, для использования в качестве воздуха для горения;
- направляют третью часть 7 генерируемого в охладителе клинкера горячего воздуха, называемого избыточным воздухом, по меньшей мере, в первый теплообменник 9 для рекуперации энергии для производства электричества.
Согласно вариантам осуществления изобретения, показанным на фиг.1 и 2, третичный воздух 6, температура которого, в частности, не менее 750°C, направляют по трубопроводу 60 в один или несколько реакторов 3 предварительного обжига, соединенных с нижней частью циклонного подогревателя 2. Каждый из этих ректоров предварительного обжига оборудован одной или несколькими горелками.
В соответствии с настоящим изобретением имеется второй теплообменник 10, который взаимодействует с третичным воздухом 6 таким образом, чтобы нагревать рабочую текучую среду контура 12 текучей среды, общего для первого и второго теплообменников 9 и 10.
Изобретение основано на принципе повышения КПД рекуперации энергии за счет добавления в установку, кроме первого теплообменника 9, находящегося на пути избыточного воздуха 7 с температурой порядка 250-300°C, второго теплообменника 10, работающего при высокой температуре, в частности, свыше 750°C.
Этот второй теплообменник 10 отбирает энергию от третичного воздуха 6, которую направляют либо в горелку реактора 3 предварительного обжига (фиг.1 или 2), либо в горелку печи 1 (фиг.3), и, следовательно, снижает температуру воздуха в пределах, которые не приводят к потере им свойств воздуха для горения, т.е. к снижению качества третичного воздуха. Таким образом, понижение температуры в направлении от выхода к входу второго теплообменника 10 может составлять примерно 100-150°C. Температура воздуха для горения, т.е. третичного воздуха 6, на выходе второго теплообменника 10 может составлять по меньшей мере 650°C.
Согласно варианту осуществления, текучая среда контура 12 текучей среды является водой в виде пара или жидкости, при этом первый теплообменник 9 является парогенератором, а второй теплообменник 10 - пароперегревателем.
В примере, показанном на фиг.4, текучая среда контура 12 текучей среды, в частности, в виде пара высокого давления, вращает турбину 20 с электрогенератором. Например, избыточный воздух 7 с температурой около 250°C проходит через первый теплообменник 9, который является парогенератором. Производимый пар проходит по контуру до второго теплообменника 10, который является пароперегревателем, через который проходит третичный "воздух 6, например, при температуре 750°C на выходе пароперегревателя. На выходе пароперегревателя водяной пар находится под высоким давлением (например, 350 бар) и вращает турбину с электрогенератором. На выходе из турбины и на входе в парогенератор конденсатор 30 позволяет снизить давление.
Как вариант, устанавливают третий теплообменник 11 для рекуперации энергии и подают, по меньшей мере частично, выходящие из циклонного подогревателя дымовые газы 8 в этот третий теплообменник 11.
В частности, выходящие из циклонного подогревателя дымовые газы 8 проходят через третий теплообменник 11, нагревая текучую среду контура текучей среды. Этот контур текучей среды может как быть, так и не быть общим с контуром 12 текучей среды, соединяющим первый и второй теплообменники 9 и 10.
Согласно другом варианту осуществления способа, показанному на фиг.3, избыточный воздух 7 охладителя 4 клинкера смешивают с дымовыми газами 8 циклонного подогревателя 2 на входе в первый теплообменник 9, что позволяет подавать в теплообменник большее количество тепловой энергии.
При необходимости, в частности, в случае влажных сырьевых материалов можно использовать, по меньшей мере частично, дымовые газы 8 циклонного подогревателя 2 для сушки сырья при производстве клинкера в установке 14 до их смешивания с избыточным воздухом 7 охладителя.
Поставленная задача решена также в установке для производства клинкерного цемента, содержащей:
- вращающуюся печь 1,
- циклонный подогреватель 2, в который поступают дымовые газы из вращающейся печи,
- охладитель 4 клинкера, в котором выходящий из вращающейся печи 1 клинкер охлаждается посредством обдува воздухом с одновременным получением горячего воздуха, при этом первая часть 5 полученного в охладителе 4 клинкера горячего воздуха, называемого вторичным воздухом, используется во вращающейся печи в качестве воздуха для горения,
1
2
- трубопровод 60; 60; 60, по которому вторая часть 6 генерируемого охладителем клинкера горячего воздуха, называемого третичным воздухом, поступает в зону горения установки,
- трубопровод 70, по которому третья часть 7 генерируемого охладителем клинкера горячего воздуха, называемого избыточным воздухом, поступает в теплообменник 9, называемый первым, генератора производства электричества.
В частности, как показано на фиг.1 и 2, трубопровод 70, называемый трубопроводом третичного воздуха, подает воздух в один или несколько реакторов 3 предварительного обжига, соединенных с нижней частью циклонного подогревателя, при этом каждый из реакторов оборудован одной или несколькими горелками.
Согласно другому варианту осуществления, показанному на фиг.3, трубопровод 60 третичного воздуха подает воздух в горелку вращающейся печи 1.
1
2
В установке согласно изобретению трубопровод 60, 60, который направляет третичный воздух 6, взаимодействует со вторым теплообменником 10, при этом контур 12 текучей среды является общим для первого и второго теплообменников 9 и 10. Такая установка позволяет, в частности, осуществлять способ в соответствии с настоящим изобретением.
Согласно варианту выполнения установки, первый теплообменник 9 является парогенератором, а второй теплообменник 10 - пароперегревателем, которые, как показано на фиг.4, позволяют генерировать водяной пар высокого давления для приведения в действие турбины 20 и электрогенератора.
Как показано на фиг.1, установка может содержать третий теплообменник 11. По меньшей мере часть выходящих из подогревателя 2 дымовых газов 8 взаимодействует с этим третьим теплообменником 11 для рекуперации энергии. Согласно альтернативному варианту, контур текучей среды проходит через третий теплообменник 11. Этот контур текучей среды может как быть, так и не быть общим с контуром 12 текучей среды, соединяющим первый и второй теплообменники 9 и 10.
Согласно примеру, показанному на фиг.2, трубопровод 80 удаления дымовых газов из циклонного подогревателя соединен с трубопроводом избыточного воздуха 7 на входе первого теплообменника 9. При необходимости этот трубопровод 80 удаления дымовых газов из циклонного подогревателя 2 может взаимодействовать с установкой 14 сушки сырья на входе соединения с указанным трубопроводом 70 избыточного воздуха 7.
Далее описаны четыре примера выполнения установки. Первым примером является известная установка. Примеры 2, 3 и 4 иллюстрируют различные варианты выполнения установки для производства клинкера в соответствии с настоящим изобретением.
ПРИМЕР 1 (известная установка):
Данная известная установка является установкой среднего размера для производства клинкера, мощность которой, характерная для большинства существующих установок, соответствует производству 5000 тонн клинкера в сутки. Такая установка потребляет 3000 кДж на 1 кг производимого клинкера, которые она получает в виде топлива и из которых 62,8% поступают на уровне реактора предварительного обжига. Таким образом, мощность, производимая за счет подачи топлива в реакторе предварительного обжига, составляет 108,8 МВт.
3
3
3
Охладитель клинкера производит, кроме всего прочего, 117000 Нм/ч третичного воздуха при 890°C, который поддерживает горение в реакторе предварительного обжига, и 210000 Нм/ч избыточного воздуха при 245°С. Дымовые газы циклонного подогревателя имеют расход 286200 Нм/ч и температуру 320°C.
Теплообменник, находящийся на пути избыточного воздуха охладителя, понижает температуру газов с 245°C до 135°C, осуществляя теплообмен мощностью 8,6 МВт. Учитывая низкую температуру, до которой может охлаждаться текучая среда в теплообменнике, КПД преобразования в электричество не превышает 15% при условии использования текучей среды, адаптированной к такой низкой температуре. Таким образом, можно производить 1,29 МВт электричества.
Рассмотрим случай, в котором для сушки сырьевого материала необходимо 50% энергии дымовых газов. Теплообменник, находящийся на пути дымовых газов подогревателя и обрабатывающий остальные 50%, понижает температуру газов с 320°С до 135°С и обменивает мощность 11,5 МВт. Учитывая умеренную температуру, до которой может доходить текучая среда в теплообменнике, КПД преобразования в электричество не превышает 15%, и, таким образом, можно производить максимум 1,73 МВт электричества.
Суммарно максимальное производство электричества составляет 3,02 МВт.
ПРИМЕР 2
Рассмотрим установку в соответствии с настоящим изобретением из примера 1, в которой теплообменник расположен на пути третичного воздуха, температуру которого понижают до 700°С.Количество топлива, подаваемого в реактор предварительного обжига, должно быть увеличено, и ниже приводятся новые условия работы установки.
3
3
3
Мощность, производимая топливом в реакторе предварительного обжига, составляет 117,8 МВт. Охладитель клинкера производит теперь 127900 Нм/ч третичного воздуха при 860°С и 199, 200 Нм/ч избыточного воздуха при 235°С. Дымовые газы циклонного подогревателя имеют расход 300000 Нм/ч и температуру 335°С.
Теплообменник, находящийся на пути третичного воздуха (второй теплообменник) и понижающий его температуру с 860°С до 700°С, обменивает мощность 8,3 МВт. Теплообменник (первый теплообменник), находящийся на пути избыточного воздуха охладителя, понижает температуру газов с 235°С до 135°С и обменивает мощность 7,4МВт.Оба теплообменника соединены таким образом, чтобы второй теплообменник выполнял функцию подогревателя текучей среды. Максимальная повышенная температура позволяет достичь КПД преобразования в 28% при суммарном выходе 15,7МВт, т.е. 4,40 МВт.
По сравнению с рекуперацией энергии на пороге потока избыточного воздуха охладителя, показанной в примере 1, производство увеличено на 3,11 МВт, и предельный выход дополнительной энергии, получаемой за счет топлива, т.е. 9 МВт, достигает 34,5%.
ПРИМЕР 3
Рассмотрим установку в соответствии с настоящим изобретением из примера 2, в которой 50% дымовых газов циклонного подогревателя используются для сушки сырья.
3
Поток дымовых газов подогревателя делят на два потока. Первый поток, который не предназначен для сушки сырья, т.е. 150000 Нм/ч, направляют через теплообменник (третий теплообменник), который понижает температуру газов с 335°С до 135°С и обменивает 13,1 МВт. Теплообменник соединяют с двумя другими (первым и вторым теплообменниками) и получают, таким образом, в сумме 28, 8МВт. КПД преобразования достигает 28%, и получают 8,06 МВт электрической энергии.
По сравнению с примером 1, в котором получаемая энергия составляла 3,02 МВт, предельный выход дополнительной энергии, получаемой за счет топлива, т.е. 9 МВт, достигает 56%. Это значение эквивалентно производительности современной теплоэлектростанции, использующей твердое топливо.
ПРИМЕР 4
3
Рассмотрим установку в соответствии с настоящим изобретением из примера 2, в которой 50% дымовых газов циклонного подогревателя используют для сушки сырья, и они дают расход 182000 Нм/ч при 105°С.
3
На этот раз происходит смешивание всех дымовых газов, поступающих из подогревателя, на входе установки сушки с избыточным воздухом охладителя. При этом расход составляет 531200 Нм/ч при 218°С. Эту текучую среду направляют через теплообменник (первый теплообменник), который понижает температуру газов с 218°С до 135°С и обменивает 17,5 МВт.
Теплообменник (первый теплообменник) соединяют с теплообменником третичного воздуха (вторым теплообменником) и, таким образом, суммарно получают 25,8 МВт. КПД преобразования достигает 28%, и получают 7,22 МВт электрической энергии.
По сравнению с примером 1, в котором рекуперируемая энергия составляет 3,02 МВт, предельный выход дополнительной энергии, получаемой за счет топлива, т.е. 9 МВт, достигает 46,6%. Это значение эквивалентно производительности современной теплоэлектростанции, работающей на твердом топливе.
Естественно, специалист может предусмотреть и другие варианты осуществления изобретения, не выходя за его рамки, определенные формулой изобретения.