СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТА
METHOD FOR PRODUCTION OF CEMENT

Настоящее изобретение относится к способу производства цемента, в котором часть полученного диоксида углерода отделяют от других газов, участвующих в процессе производства, в газовом потоке с повышенным содержанием диоксида углерода.
При производстве цемента вырабатываются значительные количества диоксида углерода. Диоксид углерода получается двумя путями. Один из материалов в производстве цемента представляет собой карбонат кальция. Карбонат кальция нагревают для его кальцинирования и удаления диоксида углерода для получения оксида кальция. При сжигании углеродсодержащего топлива для создания высоких температур, необходимых для производства цемента, также выделяется диоксид углерода. Для обеспечения безопасности окружающей среды желательно уменьшить количество диоксида углерода, выделяемого в атмосферу.
Исходные материалы для производства цемента, которые включают карбонат кальция, обычно перемешивают, высушивают и перемалывают до получения «сырьевой смеси», которую затем перерабатывают до получения клинкера, основного компонента цемента. На стадии предварительного нагревания сырьевую смесь нагревают до температуры, несколько меньшей, чем температура кальцинирования. Затем ее помещают в кальцинатор, где происходит дальнейшее нагревание, и, как только температура повышается, происходит кальцинирование карбоната кальция до оксида кальция и выделяется диоксид углерода. Кальцинированную сырьевую смесь помещают в обжиговую печь, где ее нагревают до более высоких температур до получения клинкера, который в дальнейшем перемалывают до получения порошкообразного цемента.
В качестве источника кислорода для сжигания топлива для обеспечения тепла для кальцинатора и обжиговой печи обычно используют воздух. Основные газы, присутствующие в воздухе, представляют собой азот (приблизительно 80% по объему) и кислород (приблизительно 20% по объему).
Сжигание твердого или жидкого топлива на основе углерода можно описать следующим уравнением:
2
2
C+O=CO
Объем твердого или жидкого топлива пренебрежимо мал по сравнению с объемом участвующих газов. Из одной объемной доли кислорода получают одну объемную долю диоксида углерода. Азот, присутствующий в воздухе, используемом для сжигания, в процессе сжигания не участвует. После сжигания газовый поток содержит приблизительно 80% азота по объему и приблизительно 20% диоксида углерода. Общий объем газа увеличивается за счет полученного тепла. При сжигании твердого или жидкого топлива на основе углеводородов водород, присутствующий в топливе, соединяется с кислородом в соответствии с уравнением:
2
2
4H+O=2HO
Полученная вода находится в газообразном состоянии и, следовательно, выступает в качестве газообразного разбавляющего вещества для диоксида углерода, который также образуется. Из одной объемной доли кислорода получают две объемные доли газообразной воды, причем объем твердого или жидкого топлива на основе углеводородов пренебрежимо мал по сравнению с объемами участвующих газов. Следовательно, газообразная вода влияет на увеличение объема газа, полученного при сжигании, по сравнению с объемом использованного кислорода. Ее, однако, можно легко отделить от диоксида углерода простым охлаждением на более поздней стадии процесса. Общий объем газа увеличивается на стадии сжигания из-за повышенной температуры.
В смеси газов со стадии кальцинирования и стадии сжигания топлива диоксид углерода обычно присутствует в количестве от 14 до 33% по объему. Другая основная составляющая газа представляет собой азот. Хотя смесь азота и диоксида углерода можно разделить и диоксид углерода хранить для предотвращения его высвобождения в атмосферу, энергия, необходимая для разделения, слишком высока, чтобы этот процесс был целесообразным. Если удалить азот из воздуха и полученный в значительной степени чистый кислород использовать для сжигания топлива, азот не будет присутствовать в качестве разбавляющего вещества для полученного диоксида углерода.
Если вместо воздуха для сжигания всего топлива, необходимого для производства цемента, использовать кислород, могут возникнуть дополнительные затраты. В дополнении, процесс сгорания, в котором участвуют неразбавленный кислород, обычно протекает очень активно, и при этом достигаются очень высокие температуры, что может повредить производственную установку или сократить срок ее эксплуатации.
Настоящее изобретение призвано уменьшить выделение диоксида углерода при производстве цемента за счет использования кислорода для сжигания только части топлива, необходимого для производства цемента, и за счет отделения газа со стадии кальцинирования от газа из обжиговой печи, где получают клинкер. Данный способ можно использовать в известном сухом процессе и в других процессах, например мокром процессе. Использование кислорода, в значительной степени чистого или в смеси с диоксидом углерода, в кальцинаторе в сочетании с отделением газа, выходящего из кальцинатора, обладает преимуществами с точки зрения безопасности окружающей среды.
Соответственно, настоящее изобретение предлагает способ производства цемента, который включает в себя кальцинирование сырьевой смеси, содержащей карбонат кальция, в кальцинаторе, нагреваемом за счет сжигания углеродсодержащего топлива с газом, содержащим кислород, от 0 до 80% диоксида углерода по объему и в значительной степени свободного от азота, и выделение газа, полученного при сжигании и кальцинировании в кальцинаторе.
Поток сырьевой смеси обычно аналогичен таковому в известных процессах по производству цемента. В таких процессах сырьевую смесь нагревают в устройстве для предварительного подогрева, например в устройстве для предварительного подогрева циклонного типа, и затем ее помещают в кальцинатор, например кальцинатор горшкового типа. Сырьевую смесь из кальцинатора помещают в обжиговую печь. В устройство для предварительного подогрева поступает горячий газ из обжиговой печи и из кальцинатора.
В способе по настоящему изобретению газ из кальцинатора включает в себя значительную долю диоксида углерода и пригоден, после соответствующей обработки (например, охлаждения и пылеулавливания), для хранения или другого использования без высвобождения в атмосферу.
Температура диоксида углерода, выходящего из кальцинатора, обычно составляет от 800 до 900°C. Газ можно охладить, например, в парогенераторе для получения электроэнергии. Для уменьшения поступления газа, который может понизить процентное содержание диоксида углерода, предпочтительно избегают пониженного давления в парогенераторе. Парогенератор предпочтительно работает при повышенном давлении. Газ затем предпочтительно подвергают пылеулавливанию перед хранением, например, в подземном геологическом хранилище, например в исчерпанных газовых или нефтяных месторождениях, или другим применением без высвобождения в атмосферу.
Газ, используемый для поддержания процесса сгорания топлива, предпочтительно включает в себя по крайней мере 50% кислорода по объему, например по крайней мере 80%, предпочтительно по крайней мере 90%, наиболее предпочтительно по крайней мере 95%. Он в значительной степени свободен от азота. Он может содержать диоксид углерода, например диоксид углерода, выделенный из газового потока, выходящего из кальцинатора. Такой диоксид углерода можно вводить в кальцинатор отдельно от обогащенного кислородом газа или в смеси с ним. Кислород можно вводить, например, с газом, выделенным из кальцинатора, обычно из нижней части кальцинатора. Его также можно вводить в одной или нескольких точках, расположенных практически на одном уровне со сжигателем или каждым из них. Как диоксид углерода, так и топливо можно вводить в одной или нескольких точках ввода.
Наличие множества точек ввода в кальцинатор упрощает регулирование температуры, которая в противном случае может возрасти слишком сильно, когда газ для сжигания топлива содержит большую долю кислорода. Кальцинирование карбоната кальция до оксида кальция и диоксида углерода представляет собой эндотермический процесс: введение сырьевой смеси в одной или множестве входных отверстий может, следовательно, использоваться для регулирования температуры.
Количество кислорода контролируют для обеспечения наиболее полного сгорания топлива при уменьшении избытка кислорода.
Сырьевую смесь для кальцинирования обычно высушивают на стадии предварительного нагревания. Кальцинированную сырьевую смесь из кальцинатора переносят в обжиговую печь для получения клинкера. Тепло для обжиговой печи получают путем сжигания топлива в кислородсодержащем газе, обычно воздухе.
Тепло, необходимое для предварительного нагревания, обычно получают из газа из обжиговой печи. Максимальную температуру в ходе предварительного нагревания предпочтительно контролируют во избежание преждевременного кальцинирования и высвобождения диоксида углерода. Температура сырьевой смеси, выходящей из устройства для предварительного подогрева, предпочтительно меньше чем приблизительно 800°C, обычно меньше чем приблизительно 750°C. Топливо, используемое для кальцинирования и для обжиговой печи, может быть одним и тем же или различным, но обычно оно одно и то же. Если газ после кальцинирования предназначен для хранения или утилизации, например, под землей, допустимо наличие незначительных количеств оксидов серы и/или азота, в этом случае топливо может содержать материалы, содержащие серу и/или азот. Такие топлива обычно дешевле. Содержание серы в топливе предпочтительно низкое (меньше 6%). Содержание азота в топливе предпочтительно низкое (меньше 1,5%). Если после кальцинирования требуется получить диоксид углерода высокой чистоты, предпочтительно используют топливо, которое в значительно степени свободно от азота и серы. Следовательно, также предпочтительна сырьевая смесь, в значительной степени свободная от этих элементов. Сырьевая смесь предпочтительно содержит мало сульфата кальция и серного колчедана.
Используемое топливо предпочтительно представляет собой уголь или нефтяной кокс. Также можно использовать отходы, используемые в качестве топлива, но при этом необходим строгий контроль сгорания.
Способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет получить газовый поток из кальцинатора с повышенным содержанием диоксида углерода. Изобретение направлено на обеспечение такого газового потока, который включает в себя по крайней мере 90% диоксида углерода по объему предпочтительно по крайней мере 95%, например от 92 до 93%.
Кальцинирование обычно проводят путем введения предварительно нагретой сырьевой смеси в газовый поток, обычно восходящий газовый поток. Газовый поток обычно получают при сжигании топлива. При необходимости, для удержания сырьевой смеси в восходящем газовом потоке часть газа, содержащего диоксид углерода и выходящего из кальцинатора, можно рециркулировать и повторно вводить в восходящий газовый поток.
Скорость газового потока, необходимая для удержания сырьевой смеси, зависит от, например, степени дисперсности смеси. Степень дисперсности сырьевой смеси, используемой в способе по настоящему изобретению, может изменяться; можно использовать известную степень дисперсности. Сырьевую смесь с небольшим размером частиц предпочтительно используют для облегчения переноса смеси газовым потоком. Преимущественно используют смесь, оставляющую 10% от массы на сите 75 микрон (200 меш). В общем случае, один кубический метр газа (объем при стандартных температуре и давлении), проходящий через кальцинатор, будет удерживать 2 кг сырьевой смеси. Когда газовый поток рециркулируют, газообразная вода, которая может образовываться при сжигании топлива, может также вносить вклад в объем рециркулируемого газа. Концентрация диоксида углерода в кальцинаторе соответственно понижается.
Время удержания сырьевой смеси в кальцинаторе относительно мало, например 5-6 секунд. Высокая концентрация диоксида углерода в газовом потоке, переносящем сырьевую смесь, может уменьшить скорость, с которой диоксид углерода выделяется при кальцинировании при данной температуре. Если концентрация диоксида углерода в газовом потоке высока, может быть желательным поднять температуру для обеспечения желаемой степени кальцинирования сырьевой смеси, пока она находится в кальцинаторе. Концентрацию диоксида углерода в газовом потоке, проходящем через кальцинатор, обычно поддерживают на максимально низком уровне, подходящем для эффективного переноса смеси через кальцинатор и желаемой степени кальцинирования.
Степень кальцинирования смеси, выходящей из кальцинатора, обычно составляет по крайней мере 60%, например от 70 до 80%, предпочтительно по крайней мере 90%. Может быть желательным поддерживать степень кальцинирования равной 80% или более по массе, оставляя вплоть до 20% остаточного диоксида углерода в смеси, например от 92 до 95%, оставляя от 5 до 8% остаточного диоксида углерода в сырьевой смеси, выходящей из кальцинатора.
Отсутствие таких материалов, как основания, сульфаты и хлориды, в газовом потоке в кальцинаторе облегчает работу с ним. В известных процессах такие материалы могут присутствовать в газе, выходящем из печи.
Кальцинатор, используемый в способе по настоящему изобретению, может быть кальцинатором известного типа, например кальцинатор горшкового типа. Попадание воздуха в кальцинатор предпочтительно избегают. Это облегчается путем контроля за давлением во всем процессе производства цемента. Для понижения поступления воздуха в ходе процесса в кальцинаторе желательно поддерживать чуть более низкое давление, чем во входном отверстии обжиговой печи. Понижение обычно составляет менее 1 миллибара, например приблизительно 0,3 миллибара.
Новый кальцинатор для работы в соответствии с настоящим изобретением может быть установлен для параллельной работы с существующим кальцинатором. Поток сырьевой смеси из устройства для предварительного подогрева затем разделяют между новым и существующим кальцинаторами. Всю смесь или ее часть, например 20% или более, предпочтительно вплоть до 50%, можно подводить к новому кальцинатору. Общее выделение диоксида углерода в атмосферу со стадии кальцинирования может быть, следовательно, уменьшено примерно пропорционально потоку сырьевой смеси к новому и существующему кальцинаторам. Аналогичным образом, изобретение можно приспособить для существующего циклонного теплообменника в процессе обжига.
Изобретение дополнительно показано на приложенных чертежах, на которых:
на фиг.1 представлен способ по настоящему изобретению при помощи диаграммы;
на фиг.2 представлено более подробно устройство для предварительного подогрева для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.3 представлена более подробно схема кальцинатора для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.4 показана установка для производства цементного клинкера, включающая в себя устройство для предварительного подогрева, изображенное на фиг.2, и кальцинатор, изображенный на фиг.3, для осуществления способов в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.1 сырьевую смесь вводят в устройство для предварительного подогрева (1). Предварительно нагретая смесь поступает из устройства для предварительного подогрева (1) в кальцинатор (3), как изображено стрелкой между ними. Горячий газ из устройства для предварительного подогрева (1) выходит по линии (2). Предварительно кальцинированная смесь из кальцинатора (3) поступает в обжиговую печь (4), как изображено стрелкой. Газы с высоким содержанием диоксида углерода выводят из кальцинатора (3) при помощи вентилятора (5). Газы с линии (2) выводят при помощи вентилятора (6) к мельнице для производства сырьевой смеси.
На фиг.2 составные части (2), (3), (4), (5) и (6) такие же, как и на фиг.1. Сырьевая смесь последовательно проходит через циклоны (7), (8), (9), (10) и (11) и затем поступает в кальцинатор (3). Горячий газ из обжиговой печи (4) проходит через вертикальную трубу (12) к циклону (11); горячий газ из циклона (11) проходит через вертикальную трубу (13) к циклону (10); горячий газ из циклона (10) проходит через вертикальную трубу (14) к циклону (9); горячий газ из циклона (9) проходит через вертикальную трубу (15) к циклонам (7) и (8).
Свежая сырьевая смесь поступает в вертикальную трубу (15) и поднимается к циклонам (7) и (8); смесь из циклонов (7) и (8) поступает в вертикальную трубу (14) и поднимается горячим газом в циклон (9); смесь из циклона (9) поступает в вертикальную трубу (13) и поднимается в циклон (10); смесь из циклона (10) поступает в вертикальную трубу (12) и поднимается в циклон (11); смесь из циклона (11) поступает в кальцинатор (3).
На фиг.3 составные части (1), (2), (3), (4) и (6) такие же, как и на фиг. 1 и 2. Топливо для кальцинатора поступает в кальцинатор (3) по линии (13). Кислород вводят по линии (14). Рециркулируемый газ, содержащий диоксид углерода, поступает в кальцинатор (3) по линии (15). Газы и предварительно кальцинированная смесь выходят из кальцинатора (3) и поступают в циклон (16). Предварительно кальцинированная смесь проходит от циклона (16) к обжиговой печи (4). Отделенный газ, содержащий диоксид углерода, выходит из циклона (16) по линии (17). Газ на линии (17) разделяют на два потока. Первый поток от линии (17) проходит в паронагреватель (18) и затем к вентилятору для обмена (19). Газ, выходящий из вентилятора для обмена (19), разделяют на два потока. Первый поток выходит из вентилятора для обмена (19) по линии (20). Данный первый поток, выходящий по линии (20), представляет собой желаемый газ, обогащенный диоксидом углерода, по способу в соответствии с настоящим изобретением. Второй поток газа от вентилятора для обмена (19) выходит по линии (21). Второй газовый поток от линии (17) проходит к линии (21) по линии (22). Объединенные газовые потоки из линий (21) и (22) поступают к кальцинатору (3) с помощью вентилятора для рециркуляции (23) и линии (15).
На фиг.4 изображена установка для производства цемента, включающая в себя составные части с фиг. 1, 2 и 3. Топливо для обжиговой печи поступает в обжиговую печь (4) по линии (24). Клинкер, полученный в обжиговой печи (4), поступает в устройство для охлаждения клинкера (25). Отработавший газ выходит из устройства для охлаждения клинкера (25) по линиям (26) и (27). Газовый поток на линии (27) разделяют на два потока. Первый поток используют для охлаждения газов, выходящих из обжиговой печи (4) по линии (28). Температуру горячего газа, поступающего к устройству для предварительного подогрева (3), контролируют путем регулирования потоков газа по линиям (27) и (28). Второй поток (29) поступает в линию (2) и используется для высушивания исходного материала в мельнице, производящей сырьевую смесь.
Настоящее изобретение также предоставляет установку для производства цемента, работающую в соответствии со способом по настоящему изобретению, цемент, полученный при помощи установки для производства цемента в соответствии с настоящим изобретением, и устройство и способ для производства цемента в соответствии с настоящим изобретением, описанным здесь с отсылкой к одной или более из Фиг. 1-4 приложенных чертежей.
В данном описании и приложенной формуле изобретения, если не указано обратное, температуры в ходе процесса производства цемента измерены известным образом, например при помощи термопары или пирометрии; содержание газов приведено в процентах по объему.
Следующий Пример иллюстрирует изобретение, но не ограничивают его.
Пример
Сырьевую смесь перемалывают, и перемолотую смесь затем подводят к верхней части устройства для предварительного подогрева (1). Устройство для предварительного подогрева включает в себя серию циклонов (7)-(11) и соединяющие трубы (12), (13), (14) и (15) (вертикальные трубы). В устройство для предварительного подогрева (1) поступает горячий газ из обжиговой печи. Сырьевая смесь нагревается, пока газы охлаждаются в вертикальных трубах, и циклоны (7-11) улавливают смесь, так что она поступает на следующую более низкую ступень.
Газы, которые проходят через устройство для предварительного подогрева (1), - это газы только из обжиговой печи (4). Газы из кальцинатора (3) удерживаются в отдельном потоке.
Когда сырьевая смесь выходит из нижней части устройства для предварительного подогрева (1), она поступает в кальцинатор (3) с температурой от приблизительно 750°C до 800°C. На данной стадии степень предварительного кальцинирования будет меньше чем приблизительно 10 процентов, поскольку температура удерживается ниже 800°C. Как только газы выходят из обжиговой печи (4) при температуре, равной приблизительно 1100°C, более холодный отходящий газ (из устройства для охлаждения клинкера) при температуре от приблизительно 400°C до 500°C можно добавить на данном этапе до того, как газ поступает в устройство для предварительного подогрева (1), для уменьшения температуры и поддержания низкой степени предварительного кальцинирования. Газы, выходящие из верхней части устройства для предварительного подогрева (1), находятся при температуре, равной приблизительно 300°C, а содержание диоксида углерода составляет около 18 процентов по объему. При необходимости их можно использовать в качестве дополнения на стадии высушивания исходного материала.
Сырьевая смесь поступает в кальцинатор (3) и распыляется во входящих газах, которые рециркулируют от выходного отверстия кальцинатора после частичного охлаждения, и во введенном кислороде. Поскольку цель заключается в получении высокой концентрации диоксида углерода в отработанных газах, вместо воздуха, содержащего значительное количество азота, для сжигания топлива для кальцинатора используют кислород. Поток топлива к кальцинатору (3) контролируют для обеспечения постоянной температуры выходящего газа для поддержания постоянного предварительного кальцинирования, что желательно для стабильности обжиговой печи.
Степень предварительного кальцинирования сырьевой смеси задается равной около 92% во избежание любых сложностей, связанных с накоплением в кальцинаторе (3). Предварительно кальцинированную сырьевую смесь после кальцинатора собирают в циклоне (16) и затем подводят к обжиговой печи (4). Выгодно использовать обычный уголь с низким содержанием азота для уменьшения загрязнения выходящих газов. После циклона (16) кальцинатора часть газов, которые содержат больше 90% диоксида углерода по объему, подводят к входному отверстию кальцинатора по линии (15), а оставшийся газ затем охлаждают для дальнейшего использования. Охлаждение осуществляют с использованием теплообменника, включающего в себя паронагреватель (18), для уменьшения подсоса воздуха в ходе процесса. Для этого также помогает работа системы при несколько отрицательном давлении. При использовании пара из теплообменника можно вырабатывать электричество. После теплообмена некоторая доля газов повторно подводится к входному отверстию устройства для предварительного подогрева для контроля температуры в вентиляторе для рециркуляции, а остальное поступает для дальнейшей обработки.
Сырьевая смесь, поступающая в обжиговую печь, образует цементный клинкер обычным образом. Устройство для охлаждения клинкера работает обычным образом за исключением того, что количество газа и температура немного выше нормы, поскольку в кальцинаторе (3) не используют третичного воздуха из обжиговой печи (4). Часть газа из устройства для охлаждения клинкера (25) можно использовать для охлаждения газа обжиговой печи перед тем, как он поступает в устройство для предварительного подогрева, а оставшуюся часть можно использовать для высушивания исходного материала.