Производство цемента требует значительного количества энергии – затраты на энергоносители составляют около 35–40 % от себестоимости конечного продукта, причём доля непосредственно топлива превышает половину этой величины. В Российской Федерации доля энергоносителей в себестоимости составляет 50–57 %.

Рост себестоимости производства и экологическое законодательство всего лишь два из главных факторов, обуславливающих соответствующим образом модифицировать процесс обжига клинкера. Пути совершенствования производства цемента преимущественно заключаются в изменении вещественного состава сырья и конечного продукта (использование техногенного сырья, выпуск смешанных цементов и др.) и повышении эффективности теплопередачи в обжиговых агрегатах. Большой популярностью в настоящее время пользуется строительство новых технологических линий сухого способа производства и использование альтернативных видов топлива и различных топливосодержащих отходов.

В большинстве вращающихся печей для производства клинкера сейчас используют традиционные виды топлива, такие как газ, мазут, различные виды угля и нефтекокс. Необходимая теплотворная способность может быть обеспечена путем смешивания какого-либо первичного (с высоким содержанием летучих углеводородов) и низкокалорийного альтернативного топлива.

Для сжигания в цементных печах используются практически все виды отходов производства и жизнедеятельности человека [1, 4]:

• отходы переработки сельскохозяйственной продукции (солома, пустые початки кукурузы, жмых, скорлупа орехов и т.д.);
• отходы переработки нефти и газа (твердые и пастообразные фракции, сопутствующий газ);
• бытовой мусор и осадок из очистных сооружений (либо как твердое топливо, либо в виде биогаза, выделяющегося при их разложении);
• автомобильные покрышки;
• опилки;
• отходы целлюлозно-бумажной промышленности и т.д.

Значительный интерес представляет использование вторичных энергоресурсов и повышение эксергетического уровня первичного топлива. Перспективным направлением снижения энергопотребления является разработка технологии глубокого использования теплоты исходного топлива, в частности получение синтетического горючего (синтез-газа (СГ)) методом химической конверсии исходного топлива. СГ (смесь H2 и CO) – универсальное горючее, которое получают из различных видов органического топлива и используют в качестве сырья для производства многих химических продуктов [2]. Сравнительный термодинамический анализ процессов сжигания первичного и конвертированного топлива показывает, что величина необратимых потерь в процессе сжигания топлива в последнем случае также меньше [3]. Более того, при сжигании синтез-газа уменьшается количество вредных выбросов в атмосферу.

Увеличение энергетической эффективности в промышленности всегда рассматривалось как одна из научно-технических задач инженеров и ученых, и сейчас эта проблема приобретает первоочередной приоритет. Встает необходимость рассмотрения не только количества энергии, когда ее потребление оптимизируется, но также и ее качества. Одинаковые в количественном отношении энергетические потоки обладают разной технико-экономической ценностью [7].

Эксергией называют возможность энергии любого типа производить работу в окружающей среде, т.е. эксергия является мерой качества используемой энергии.

СГ позволяет поднять эксергетический потенциал применяемого первичного топлива.

Рассмотрим стандартный процесс горения топлива и сжигание этого же топлива, предварительно конвертированного в СГ. Учитывая, что на 97 % всех цементных заводов РФ в качестве топлива используется природный газ, в настоящей работе исследования проводились для природного газа, представленного преимущественно метаном, для сравнительного анализа проведены расчеты и для твердого топлива – угля. Так горение 1 м3 природного газа теплотворной способностью 36078 кДж/м3, с необходимым количеством воздуха 10,3 м3 при температуре 25 °С в сумме даёт 14 кг отходящих газов с общим количеством теплоты 36454 кДж и температурой 1943 °С. Теперь рассмотрим процесс пароводяной конверсии природного газа (уравнение 1), прежнего состава, и сжигание продуктов конверсии.

CH4 +H2O(ж) ↔ CO + 3H2 – 11875 кДж. [1]

Реакция 1 производится при температуре 900 °С. Количество СГ на выходе составляет 4 м3 или 1,6 кг, с теплотой сгорания 11145 кДж/м3 и физической теплотой 1210 кДж/м3. При сгорании образуется 14,8 кг отходящих газов с теплотой 50050 кДж и температурой 2355 °С.

Эксергия смеси раскаленных газов находится согласно следующей формуле:

[2]

где Н – энтальпия газового потока, кДж; T0 – температура окружающей среды, °С; T – температура газов, °С.

Следовательно, эксергия природного газа составит 31552 кДж, а конвертированного топлива – 44374 кДж. Таким образом, прирост эксергии составляет 12822 кДж или 41 %.

Расчет для твердого топлива показал, что эксергия угля составляет 34274 кДж, синтез-газа, произведенного из данного топлива 50401 кДж. Работоспособность конвертированного топлива увеличилась на 16127 кДж или 47 %.

При сравнении эксергии конвертированного топлива и природного газа, в одинаковых начальных условиях, при температуре окружающей среды (25 °С), получаем: эксергия синтез-газа, произведенного из 1 м3 природного газа, составляет 39721 кДж, т.е. прирост работоспособности 8169 кДж или 26 %; эксергия синтез-газа, полученного из 1 кг угля, соответственно равна 45188 кДж, прирост эксергии – 10914 кДж (32 %).

Получение СГ протекает с высоким потреблением тепла, что обусловливает возможность использования данного эндотермического процесса в аппаратах для охлаждения клинкера. Так, в холодильном оборудовании будут осуществляться физико-химические процессы, начиная от элементарного нагрева теплоносителей и кончая эндотермическими реакциями. Одним из теплоносителей является углеводородное топливо, а источником энергии для проведения физико-химических превращений – утилизируемое тепло клинкера. Рассматриваемая технология выполняет не только функцию охлаждения клинкера, но служит одновременно системой подготовки нового модифицированного топлива [3].

Возможность получения СГ в слое клинкера была исследована на экспериментальной установке. Осуществление реакции конверсии топлива контролировалось по отсутствию в отходящих газах опытной установки углеводородов и наличию CO. Было установлено, что при атмосферном давлении в высокотемпературной зоне клинкерного холодильника возможно получение СГ при температуре 800–850 °С без катализатора [6].

Рассмотрим расчёты материальных и тепловых балансов на примере обжига цементного клинкера по сухому способу производства. Использовались следующие исходные данные: топливо – природный газ; влажность сырьевой смеси – 5 %; температура окружающей среды – 25 °С; для конверсии топлива использовалась вода в жидком состоянии; температура конверсии – 900 °С.

Получение СГ осуществляется в высокотемпературной зоне холодильника, куда в слой клинкера подается смесь природного газа и воды. Количество реагентов, а также продуктов конверсии определяется из потребного расхода тепла на проведение реакции и исходного тепла клинкера из печи. Недостаток теплоты для обжига покрывается подачей второй части топлива непосредственно в печь. Таким образом, приход тепла в печную систему разбит на две части: получение и сжигание СГ и прямое сжигание природного газа. Так объёмная доля СГ от общего количества топлива на обжиг составляет 90 % или 0,221 м3/кг кл. и соответственно природного газа – 10 % (0,024м3/кг кл).

Для сравнения расчетных данных обжига клинкера стандартным способом и с предварительной конверсией топлива задавались идентичные параметры производительности печи и температуры отходящих газов. Потери тепла от корпуса печи принимались – 6 % от суммы приходных статей теплового баланса. Результаты расчетов представлены в табл. 1, 2.

Расчеты показали, что при использовании в клинкерном холодильнике способа конверсии топлива исключаются потери тепла с аспирационным воздухом и увеличивается общий возврат тепла в печь, вследствие чего КПД холодильника возрастает на 10–15 %. Количество и состав отходящих газов меняется следующим образом (табл. 1): снижаются

Таблица 1

Материальный баланс печи и холодильника

Таблица 2.

Тепловой баланс печи и холодильника

выбросы CO2 и N2 на 5 % и увеличивается содержание в составе отходящих газов паров H2O на 27 %. Экономия натурального топлива составляет 5,7 % или 4,8 млн м3 природного газа на 1 млн т клинкера.

Таким образом, с точки зрения энергетики, данная технология более полно, чем другие использует первичную энергию, запасенную в клинкере в виде химической энергии топлива.

Реализация конверсии природного газа при утилизации тепла клинкера позволяет:

• уменьшить расход натурального топлива на 5,7–13,8 % и более, при замене на действующей печи обычного подогрева вторичного воздуха, пропускаемого через слой клинкера, установками конверсии исходного топлива;
• организовать резкое охлаждение клинкера с улучшением его качества и эндотермическое преобразование топлива в СГ с увеличенной температурой сгорания и повышением мощности печи на 2–4 %;
• уменьшить выбросы CO2 пропорционально снижению расхода топлива;
• разработать высокоэффективное охладительное оборудование, с меньшим потреблением электроэнергии и меньшими габаритными размерами при большем КПД, для замены традиционных конструкций холодильников для печей промышленности строительных материалов, металлургии, глинозема, соды, магнезита и доломита, шамота, извести и на многих других производствах.

Результаты выполненной работы можно рассматривать как перспективное направление в решении программы энергосбережения в энергоемких отраслях и экологических вопросах.

Рецензенты:

Везенцев Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, «Белгородский государственный университет» (НИУ «БелГУ»), г. Белгород.

Кривобородов Юрий Романович, доктор технических наук, профессор, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева (РХТУ им. Д.И. Менделеева), г. Москва.