Спосіб і устаткування для одночасного виробництва електроенергії і цементного клінкеру

Реферат: У винаході розкрито спосіб і устаткування для одночасного виробництва електроенергії і цементного клінкеру. При здійсненні способу вихідну цементну сировину прожарюють в прожарювальній печі (4) під впливом палива і повітря для горіння, що подаються одночасно, і потім спікають в цементний клінкер в випалювальній печі (5). При цьому деяка частина тепла, що міститься у відпрацьованих газах, які надходять з прожарювальної печі (4), застосовується для вироблення електроенергії з використанням бойлерної секції (18). Спосіб і устаткування відрізняються тим, що повітря для горіння, що подається в прожарювальну піч (4), не містить лужних компонентів і хлоридів, а температура відпрацьованих газів, використовуваних для вироблення електроенергії, становить щонайменше 500 °С. Таким чином можна уникнути формування відкладень на бойлерних трубах, що утворюються за рахунок конденсації пари лужних компонентів або хлоридів, з одночасним підвищенням ефективності перетворення теплової енергії в електричну. UA 101324 C2 UA 101324 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки, до якої відноситься винахід Дійсний винахід належить до способу одночасного виробництва електроенергії і цементного клінкеру, в якому вихідна цементна сировина прожарюється в прожарювальній печі під впливом палива і повітря горіння, що подаються одночасно, і потім спікається в цементний клінкер в випалювальній печі, і в якому деяка частина тепла, що міститься у відпрацьованих газах, що виходять з прожарювальної печі, застосовується для вироблення електроенергії з використанням бойлерної секції. Винахід відноситься також до комплексу устаткування заводу) для реалізації цього способу. Попередній рівень техніки Комплекси устаткування (далі - заводи), в яких відпрацьовані гази з пристрою випалювальної печі заводу по виробництву цементу застосовуються для вироблення електроенергії, відомі, наприклад, з GB-2098305-А і ЕР-896958-А1. Електроенергію зазвичай отримують в паровій турбіні з використанням випаровування води або іншого робочого середовища в одній або декількох бойлерних секціях. У GB-2098305-A пропонується бойлерну секцію встановлювати між першим і другим каскадом циклонного пристрою попереднього підігрівання там, де температура газів складає щонайменше 500 °С, тоді як в ЕР-896958-А1 пропонується відводити деяку кількість гарячих відпрацьованих газів, що мають температуру в діапазоні від 700 до 900 °С, від баштового пристрою попереднього нагріву і використовувати для вироблення електроенергії. Широко відомо, що ефективність, з якою теплова енергія може бути перетворена в електричну, істотно зростає залежно від вхідної температури робочого газу, що подається в бойлерну секцію. Дві істотні проблеми, пов'язані із спробою збільшити температуру перегрітої пари, включають забруднення і ерозію бойлерних труб при зростанні температури відпрацьованих газів. Як правило, пара поміщена в групу бойлерних труб, тоді як відпрацьовані гази охолоджуються, проходячи із зовнішнього боку цих бойлерних труб. Тому було встановлено, що теплопередача на цих відомих заводах істотно знижується з часом через утворення відкладень на зовнішній поверхні бойлерних труб. Детальніше вивчення цих відкладень показало, що найчастіше вони утворюються такими складовими, як лужні компоненти, хлориди і сульфіди. Ці складові випаровуються при температурах вище 900 °С в зоні горіння випалювального пристрою і поступово конденсуються при охолоджуванні відпрацьованих газів у міру їх проходження через прожарювальну піч і циклонні пристрої попереднього нагріву, а також, на жаль, в бойлерній секції, якщо вона встановлена на ділянці, де температура відпрацьованих газів вище 500 °С. Можуть утворитися різні сполуки, наприклад КСl, СаСl2, NaCl, Na2CO3, K2SO4 і Na2SO4, якщо відпрацьовані гази, що містять такі елементи, піддаються охолоджуванню. Описана проблема, включаючи утворення відкладень на бойлерних трубах, може бути усунена розміщенням бойлерної секції там, де температура відпрацьованих газів нижче 500 °С, при якій конденсується основна частина лужних компонентів і хлоридів. Проте недоліком такого рішення є те, що ефективність знизиться, що фактично виключить одержання якого-небудь економічного ефекту. Короткий опис суті винаходу У основу дійсного винаходу покладено задачу забезпечення способу і устаткування для одночасного виробництва електроенергії і цементного клінкеру, в яких згадані недоліки усунені або істотно зменшені. Згідно винаходу це досягається способом, у загальних рисах згаданим у введенні, і який відрізняється тим, що повітря горіння, а також вихідна цементна сировина, що подаються в прожарювальну піч, не містять лужних компонентів або хлоридів, а температура відпрацьованих газів, використовуваних для виробництва електроенергії, складає щонайменше 500 °С. Таким чином виходить, що можна уникнути формування відкладень на бойлерних трубах, що утворюються за рахунок конденсації пари лужних компонентів і хлоридів, при одночасному підвищенні ефективності перетворення теплової енергії в електричну. Це обумовлено тим фактом, що в пропонованому у винаході способі, на відміну від інших відомих раніше, відпрацьовані гази, що містять лужні компоненти і що поступають з випалювальної печі, що обертається, заводу по виробництву цементу, не використовуються для вироблення електроенергії, а навпроти використовуються відпрацьовані гази, що не містять таких компонентів. Комплекс заводського устаткування для реалізації пропонованого у винаході способу включає прожарювальну піч, призначену для прожарення (висушування) вихідної цементної сировини під дією палива і повітря горіння, що подаються одночасно, і бойлерну секцію для одержання пари, призначеної для вироблення електроенергії, за рахунок деякої кількості тепла, що міститься у відпрацьованих газах, що поступають з прожарювальної печі, і відрізняється 1 UA 101324 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 тим, що повітря горіння, а також вихідна цементна сировина, що подаються в прожарювальну піч, не містять лужних компонентів і хлоридів, а температура відпрацьованих газів, використовуваних для вироблення електроенергії, складає щонайменше 500 °С. Повітря горіння, що подається в прожарювальну піч, може бути атмосферним повітрям, підігрітим в генераторі тепла. Проте переважно, щоб як повітря горіння в прожарювальній печі використовувалися технологічні гази цього цементного заводу, що поступають переважно з холодильника клінкеру. У випадках, якщо вихідна цементна сировина містить шкідливі домішки у вигляді сульфідів і органічного вуглецю, виникне тенденція викиду таких елементів у формі двоокису сірки (SO2), окису вуглецю (CO) і летких органічних компонентів при їх нагріванні в традиційних багатокаскадних циклонних пристроях попереднього підігрівання. Щоб уникнути таких викидів, і це є перевагою винаходу, вихідна сировина, що містить такі шкідливі домішки і нагріта до температури, що становить максимум 500 °С, може бути введена безпосередньо в технологічний газ, що має високу температуру, рівну щонайменше 800 °С, і що містить зважені частки окислу кальцію (СаО) і надлишок кисню. Оскільки газоподібний SО2 абсорбується на частках окислу кальцію, і органічний вуглець повністю перегорить в двоокис вуглецю (СО 2), за рахунок цього істотно знизяться або повністю зникнуть викиди SO2, CO і летких органічних компонентів. Тому відповідно до винаходу переважно, щоб вихідна цементна сировина, що містить шкідливі домішки у вигляді сульфідів і органічного вуглецю, подавалася безпосередньо в прожарювальну піч, в якій створені вищезазначені умови. Перевага винаходу полягає в тому, що в ситуаціях, коли в процесі виробництва цементу бажано застосовувати низькокалорійні палива, вони можуть бути також використані безпосередньо в прожарювальній печі, в якій створені відповідні умови у вигляді істотного надлишку кисню, що забезпечує повне вигорання таких палив. Відпрацьовані гази, що виходять з прожарювальної печі, зазвичай матимуть температуру, рівну щонайменше 850 °С. У випадках, коли бажано понизити цю температуру, перш ніж ввести відпрацьовані гази в бойлерну секцію, заводське устаткування може бути скомпоновано з одним або декількома циклонними каскадами, призначеними для попереднього нагріву вихідної цементної сировини, переважно вихідної цементної сировини, що не містить значних кількостей шкідливих домішок у вигляді сульфідів і органічного вуглецю, до подачі в прожарювальну піч. Таким шляхом температура відпрацьованих газів може бути доведена до оптимального значення з точки зору їх подальшого використання в процесі теплообміну в бойлерній секції. Завод по виробництву цементу може також включати звичайний циклонний пристрій попереднього нагріву, в який подаються відпрацьовані гази від випалювальної печі заводу, що містять лужні компоненти і хлориди. Перевага винаходу полягає в тому, що в цьому випадку робоче середовище бойлерної секції може бути заздалегідь підігріте шляхом теплообміну з відпрацьованими газами циклонного пристрою попереднього нагріву в місці, де вхідна температура не перевищує 500 °С. Робоче середовище бойлерної секції може бути також заздалегідь підігріте за рахунок теплообміну з надлишковим повітрям з холодильника клінкеру. Детальний опис переважного варіанту виконання винаходу Нижче винахід детальніше розглянутий з посиланням на креслення, що додається, на якому схематично змальовано устаткування заводу по виробництву цементу, відповідно до дійсного винаходу. На зображені можна бачити, що цементний завод включає дві лінії 1 і 2 попереднього нагріву, в кожну з яких входять прожарювальні печі 3 і 4, відповідно, забезпечені циклонними сепараторами 3а і 4а, відповідно, випалювальну піч, що обертається, 5 і холодильник 6 клінкеру. Лінія 1 попереднього нагріву виконана у вигляді традиційного багатокаскадного циклонного пристрою попереднього нагріву, і в деяких варіантах виконання вона включає три циклонні каскади, але може також включати менше або більше число каскадів. Лінія 1 попереднього нагріву функціонує традиційним чином, при якому вихідна цементна сировина поступає через вхід 7 у вхідний канал найбільш верхнього циклонного каскаду циклонного пристрою попереднього нагріву, нагрівається, висушується і спікається в клінкер, проходячи на першому етапі обробки через пристрій 1 попереднього нагріву, прожарювальну піч 3 і потім через випалювальну піч, що обертається, 5 в протитечії гарячих відпрацьованих газів, що створюються, відповідно, у пальника 8 в випалювальній печі, що обертається, 5 і у пальника 9 в прожарювальній печі 3, і повітря горіння, що подається в прожарювальну піч 3 по трубопроводу 10, які проганяє через лінію попереднього нагріву не показаний вентилятор. Спечений клінкер потім охолоджується в холодильнику 6 клінкеру охолоджуючим повітрям, подача якого показана стрілкою 11. 2 UA 101324 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 У представленому варіанті виконання лінія 2 попереднього нагріву складається з прожарювальної печі 4 з циклонним сепаратором 4а і одним циклонним каскадом, але вона може і не мати циклонних каскадів або мати більше число циклонних каскадів. У лінії 2 попереднього нагріву вихідна цементна сировина, можливо з вищою концентрацією летких компонентів у вигляді сульфідів і органічного вуглецю, поступає через введення 12 безпосередньо в прожарювальну піч 4, в якій вона нагрівається до температури прожарення, що становить приблизно 890 °С, при одночасній подачі палива через один або декілька пальників 13 і повітря горіння по трубопроводу 14. Прожарена вихідна сировина відділяється від відпрацьованих газів в циклонному сепараторові 4а і вирушає в випалювальну піч, що обертається, 5, в якій вона спікається в клінкер разом з вихідною сировиною з лінії 1 попереднього нагріву, тоді як відпрацьовані гази відводяться по трубопроводу 15 відпрацьованих газів. Відпрацьовані гази, що виходять з прожарювальної печі 4 по трубопроводу 15, мають температуру щонайменше 850 °С і, можливо, можуть бути використані для попереднього нагріву вихідної сировини, що подається через введення 16 в канал 15, що знижує температуру відпрацьованих газів, і знову відокремлюваного від відпрацьованих газів в наступному циклонному сепараторові 17. Відпрацьовані гази з прожарювальної печі 4 прямують безпосередньо або через один або декілька циклонних каскадів 17 до бойлерної секції 18, в якій гази за рахунок теплообміну використовуються для перегріву робочого середовища, що служать потім для одержання відомим чином електроенергії або іншої механічної роботи. Відповідно до винаходу повітря горіння, що подається в прожарювальну піч 4, не повинне містити ні яких-небудь лужних компонентів, ні хлоридів, щоб запобігти утворенню відкладень на бойлерних трубах у встановленій далі бойлерній секції, що утворюються при конденсації парів лужних компонентів і хлоридів, але в той же час температура відпрацьованих газів, використовуваних для вироблення електроенергії, повинна складати щонайменше 500 °С, що підвищує ефективність перетворення в бойлерній секції теплової енергії відпрацьованих газів в електричну енергію. Як показано на фігурі, розігрітий охолоджуючий газ з холодильника 6 клінкеру може бути відповідним чином використаний, оскільки він не містить лужних компонентів або хлоридів. Альтернативно повітря горіння може бути атмосферним повітрям, яке може бути нагрітим в генераторі тепла. Охолоджуюче повітря з холодильника клінкеру має високий вміст кисню і високу температуру, що робить його особливо придатним для використання як повітря горіння з метою забезпечення повного вигорання низькокалорійних палив і будь-яких домішок органічного вуглецю, що містяться у вихідних матеріалах, що вводяться в прожарювальну піч 4, і дозволяє уникнути викидів SO2, CO і летких органічних сполук. У представленому заводі по виробництву цементу робоче середовище бойлерної секції, до його перегріву в бойлерній секції, можливо, і це є перевагою винаходу, підігріте в теплообміннику 19 за рахунок теплообміну з відпрацьованими газами, що поступають з циклонного пристрою 1 попереднього нагріву. В цьому випадку температура відпрацьованих газів, що поступають від циклонного пристрою 1 попереднього нагріву в теплообмінник 19, не повинна перевищувати 500 °С з метою забезпечення гарантії того, що всі хлориди, що містяться, і лужні компоненти ефективно конденсувалися до досягнення ними теплообмінника 19. Робоче середовище бойлерної секції може бути також заздалегідь підігріте за рахунок теплообміну з надлишковим повітрям з холодильника 6 клінкеру. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 1. Спосіб одночасного виробництва електроенергії і цементного клінкеру, в якому вихідну цементну сировину прожарюють в прожарювальній печі (4) під впливом палива і повітря для горіння, що подають одночасно, і потім спікають в цементний клінкер в випалювальній печі (5), причому частину тепла, що міститься у відпрацьованих газах, що виходять з прожарювальної печі (4), використовують для вироблення електроенергії за допомогою бойлерної секції (18), який відрізняється тим, що в прожарювальну піч (4) подають повітря для горіння і вихідну цементну сировину без вмісту лужних компонентів або хлоридів, а температура відпрацьованих газів, використовуваних для вироблення електроенергії, становить щонайменше 500 °С. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що використовують як повітря для горіння в прожарювальній печі (4) технологічні гази безпосередньо від устаткування з виробництва цементу, що переважно надходять з холодильника (6) клінкеру. 3 UA 101324 C2 5 10 15 20 25 30 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що вихідну цементну сировину, що містить домішки у вигляді сульфідів і органічного вуглецю, вводять безпосередньо в прожарювальну піч (4). 4. Спосіб за пп. 1, 2 або 3, який відрізняється тим, що в прожарювальній печі (4) спалюють низькокалорійні палива. 5. Спосіб за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що відпрацьовані гази, що виходять з прожарювальної печі (4), використовують для попереднього нагріву вихідної цементної сировини перед їх використанням для вироблення електроенергії. 6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що робоче середовище бойлерної секції (18) заздалегідь нагрівають в теплообміннику (19) шляхом теплообміну з відпрацьованими газами з додаткової лінії попереднього нагріву, в яку подають відпрацьовані гази з випалювальної печі (5), в місці, де вхідна температура відпрацьованих газів, що надходять в теплообмінник (19), не перевищує 500 °С. 7. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що робоче середовище бойлерної секції (18) заздалегідь нагрівають шляхом теплообміну з надлишковим повітрям, що надходить з холодильника (6) клінкеру. 8. Устаткування для здійснення способу за будь-яким з пунктів 1-7, що містить прожарювальну піч (4) для прожарювання вихідної цементної сировини під впливом палива і повітря для горіння, що подаються одночасно, випалювальну піч (5) та бойлерну секцію (18) для одержання пари, використовуваної для вироблення електроенергії, за рахунок деякої кількості тепла, що міститься у відпрацьованих газах, що поступають з прожарювальної печі (4), яке відрізняється тим, що прожарювальна піч (4) та випалювальна піч (5) взаємозв′язані та узгоджені на подачу у прожарювальну піч (4) повітря для горіння, а також цементної сировини без вмісту лужних компонентів і хлоридів, а температура відпрацьованих газів, використовуваних для вироблення електроенергії, становить щонайменше 500 °С. 9. Устаткування за п. 8, яке відрізняється тим, що прожарювальна піч (4) зв'язана з холодильником (6) клінкеру трубопроводом (14) для подачі охолоджуючого повітря від холодильника (6) клінкеру до прожарювальної печі (4). 10. Устаткування за п. 8 або 9, яке відрізняється тим, що в його компоновку включені один або більше циклонні каскади (17), що служать для попереднього нагріву вихідної цементної сировини, що подається у прожарювальну піч (4). 4 UA 101324 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5