Топливо для производства цемента
Топливо в цементной промышленности
На цементном заводе топливо расходуется для выполнения следующих операций:
При сухом способе производства—83% на эксплуатацию печей, около 14% на сушку сырьевых смесей, около 3% на сушку угля;
При мокром способе производства — 96% на эксплуатацию печей, около 4% на сушку угля.
В последнем десятилетии прошлого столетия в американской цементной промышленности для сжигания во вращающихся печах впервые была применена угольная пыль. За период с 1900 по 1910 г. Эдисон усовершенствовал способ сжигания угольной пыли, что позволило значительно увеличить производительность печей. Пылеугольные форсунки совершенствовались опытным путем; теоретическое понимание процесса горения в основном
Скорее следовало за практическими достижениями в этой области, нежели предшествовало им.
Капитальные вложения в угольные шахты примерно в 20 раз выше, чем при добыче эквивалентного количества нефти и природного газа. Эксплуатационные расходы при использовании природного газа, кроме того, в 3—5 раз меньше, чем при применении нефти. Доставка природного газа не требует специальных транспортных средств, а стоимость газопроводов составляет лишь небольшую часть стоимости железных дорог, необходимых для доставки угля. Капитальные затраты на газопроводы окупаются в среднем за 3—5 лет. Однако при использовании газопроводов цементная промышленность полностью зависит только от одного поставщика.
Стоимость отделения для подготовки угля на цементном заводе приближается к 15—20% стоимости всего оборудования. Применение природного газа значительно выгоднее, так как не требует оборудования для его подготовки и хранения.
Подготовка 1 т угля и помол до 8—10% остатка на сите 0,09 мм связаны со следующими энергозатратами, кВт-ч: сушка— 2,0, помол — 25,0, обеспыливание— 1,5, транспортировка и прочее—5,0, потери трансформаторной подстанции — 2,5; итого 36 кВт-ч.
Несмотря на зависимость от теплоты сгорания угля, можно в среднем принять, что отношение клинкер: уголь равно 4:1. Таким образом, дополнительный расход энергии по сравнению с природным газом составляет 36/4 = 9 кВт-ч на 1 т клинкера.
При переводе цементных заводов с угля на природный газ возможно снижение стоимости производства цемента примерно на 8—10%. Одновременно выработка цемента на одного рабочего возрастает на 6—8%.
В табл. 19.1 приведены данные о расходе трех видов топлива при производстве цемента в США при мокром и сухом технологических процессах.
В табл. 19.2 приведены данные о расходе различных видов топлива на единицу массы цемента, произведенного в США в 1975 г.
Таблица 19.1. Расход топлива в зависимости от способа производства цемента (США, 1975 г.)
РЭО договорился о производстве топлива из мусора для «Евроцемента»
«Российский экологический оператор» (РЭО) договорился об использовании альтернативного топлива — РДФ из отходов — на мощностях крупнейшего в России производителя цемента «Евроцемент Груп». Инвестировать средства в реализацию этого проекта намерена группа компаний «Точка Центр». Об этом РБК сообщил представитель РЭО и подтвердили управляющий директор «Точка Центр» Антон Калашников и пресс-служба «Евроцемента».
РДФ — это гранулы, спрессованные из измельченных твердых коммунальных отходов (ТКО) и промышленных отходов, которые применяют для выработки тепловой энергии в печах цементных заводов, где поддерживается температура около 2000 градусов.
По словам Калашникова, инвестиции в проект превысят 2 млрд руб. более чем за три года — это будут собственные и заемные средства. Эти деньги пойдут на технологический аудит, оборудование для производства топлива и оборудование для системы подачи топлива на цементные заводы, а также на обучение сотрудников.
Первый проект «Точка Центр» планирует запустить до конца 2021 года, а в 2022–2024 годах — расширить производство до 1 млн т и выше «в соответствии с потребностями цементных заводов», отметил Калашников. «Мы рассматриваем возможность закупки сырья (отходов. — РБК) у региональных операторов. У группы «Евроцемент» 16 заводов, и в каждом регионе присутствия, как правило, есть несколько таких операторов», — добавил он.
Что известно про партнера РЭО и «Евроцемента»
Сейчас заводы «Евроцемента», который Сбербанк недавно выставил на продажу через электронную площадку Российского аукционного дома, работают на природном газе. «Применение в цементных печах альтернативного топлива относится к наилучшим доступным технологиям, которые включены в информационные технические справочники. Его использование позволит «Евроцемент Груп» сократить потребление природного газа», — передал через пресс-службу вице-президент «Евроцемента» по инновациям и техническому развитию Сергей Демаков. По предварительным данным, использование РДФ приведет к сокращению расходов на закупку топлива не менее чем на 10% от замещенного объема, отметил он.
Читайте на РБК ProДля РЭО участие в этом проекте — это возможность приблизить национальную цель — сокращение вдвое объема отходов, направляемых на полигоны. «Применение альтернативного топлива не только окажет влияние на достижение этих целей, но и позволит существенно сэкономить невозобновляемые природные ресурсы. Так, 1,7 кг РДФ замещает 1 куб. м природного газа», — заявил глава компании Денис Буцаев (его слова передала пресс-служба).
«РДФ может заменять до 30–40% топлива цементного завода. Его потребность для среднего цементного завода составляет 40–100 тыс. т в год при стоимости от 700 до 1500 руб. за тонну. Оно обходится на 45% дешевле газа», — отмечает руководитель группы оценки рисков устойчивого развития АКРА Максим Худалов. Он напоминает, что год назад был анонсирован проект по реконструкции мусоросортировочного завода в Первоуральске также для производства РДФ для Староцементного завода Сергея Шмотьева. Аналогичный проект уже реализуется в Калужской области, добавляет доцент кафедры ВИЭ РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина Владислав Карасевич. После сортировки мусора (из него убираются стекло, пластик, металлы) часть отходов с сортировочного комплекса Калужского завода по производству альтернативного вида топлива идет на завод по производству цемента в поселке Ферзиково, принадлежащий компании Lafarge Holcim Россия.
«Но ТКО как топливо по своим характеристикам заметно уступает природному газу и углю. Для их сжигания на цементных заводах может потребоваться модернизация печей, могут возникнуть дополнительные сложности с утилизацией зольных остатков», — предупреждает Карасевич. Но Худалов оценивает рентабельность проектов по производству альтернативного топлива в 30–40% по EBITDA, а окупаемость — в пять—десять лет.
Топливо для производства цемента
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; 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
Читайте также: