В России около 80% цемента производится по высокоэнергозатратному мокрому способу, когда на одну тонну клинкера расходуется более 200 кг условного топлива (кут**) по сравнению с 100 кут/т, достигнутого в мировой практике.

В связи с этим, цель данного сообщения заключается в обсуждении вариантов перевооружения цементной промышленности России, направленных на экономию топливноэнергетических ресурсов, повышение единичной мощности агрегата и автоматизацию производства.

 В современной мировой практике распространены технологические схемы, приведенные на рис. 1 (варианты I…IV). Рассмотрим преимущества и недостатки каждого варианта на основании анализа теплотехнических показателей различных тепловых систем (табл. 1, 2).

2. Мокрый способ производства

В настоящее время мокрый способ реализован в двух вариантах:

1) с длинными вращающимися печами и цепными теплообменниками;
2) с короткими вращающимися печами и молотковой мельницей-сушилкой (дробилкой-сушилкой***). Сравним показатели работы этих технологических схем.

2.1. Длинные вращающиеся печи мокрого способа (вариант I)

 Основное преимущество этого варианта заключается в простоте технологической схемы и некотором улучшении качества клинкера и экологии. По всем остальным параметрам она явно неконкурентоспособна по сравнению с другими схемами (табл. 1). Основной недостаток – это высокий расход топлива и пониженная производительность печи. Как показано на рис. 2, для данного способа расчетные размеры печи производительностью 5 тыс.т/сутки выходят за разумные пределы, и поэтому рациональная мощность составляет только 1750 т/сутки, т. е. в 3…4 раз ниже, чем для остальных способов. Естественно, это приводит к низкой выработке цемента на одного рабочего, которая ориентировочно в 5 раз ниже, чем для других вариантов. Расход огнеупоров по зоне спекания выше в 10 раз. В связи с Киотским соглашением важное значение имеет также повышенный выброс СО2 в атмосферу.

Рис. 1. Принципиальные технологические схемы различных способов производства клинкера (I…IV): 1-добыча сырья, 2-измельчение, 3-смешение, 4-обезвоживание, 5-обжиг, 6-электрогазотурбинная установка (топка)

Таблица 1. Достигнутые показатели различных способов производства цемента

Помимо этих недостатков следует еще особо подчеркнуть несовершенство тепло-
технического характера, связанное с тем, что в наименее теплопотребляемую зону спекания подается все топливо (рис. 3). Так, затраты тепла в подготовительных зонах I и II равны 90%, тогда как в зоне горения топлива – всего 10%. Этот теплотехнический «парадокс» приводит к следующим серьезным технологическим затруднениям:

1) пониженной стойкости футеровки в зоне спекания;
2) сложности управления печью;
3) отсутствию надежной системы автоматизации.

Рис. 2. Расчетные размеры печей производительностью 5000 т/сутки

В этом случае у машиниста возникает сложная задача по управлению вращающейся печью. Он обязан перераспределять тепло по длине печи в зависимости от потребности в каждой зоне косвенными способами, так как не имеет возможности подать требуемое количество топлива напрямую в соответствующую зону, и вынужден все топливо направлять в высоко энергопотребляемые участки печи через наименее теплопотребляемую зону спекания. Принципиальные объективные теплотехнические затруднения являются основной причиной того, что так и не удалось создать надежную систему автоматизации длинных вращающихся печей мокрого способа.

Таким образом, можно сделать обоснованный вывод, что цементные предприятия России, работающие в основном по мокрому способу с длинными вращающимися печами, следует реконструировать.

2.2. Короткие вращающиеся печи с декарбонизатором и мельницей-сушилкой (варианты II.а и IV.а)

Другим вариантом мокрого способа является применение современных технологических разработок с запечными декарбонизаторами, когда вся вода из шлама испаряется отходящими газами из печной системы. Такая схема, реализованная на заводе Рагби в Англии, имеет определенные преимущества перед «классической» технологией. В этом случае основное количество топлива, минуя вращающуюся печь, подается в наиболее теплонапряженную зону декарбонизации и, следовательно, в значительной степени снижается тепловая нагрузка на зону спекания, и положительно разрешаются три вышеуказанных недостатка традиционной схемы. Однако по данной технологии не снижается расход тепла на испарение воды, и незначительная экономия тепла достигается вследствие уменьшения теплопотерь с отходящими газами в окружающую среду (табл. 2). В случае использования избыточного воздуха из холодильника на сушку шлама экономия тепла происходит и при охлаждении клинкера.

Рис. 3. Затраты тепла на обжиг клинкера по отдельным зонам

Таблица 2. Тепловой баланс печных систем, ккал/кг клинкера

* ДВП – длинная вращающаяся печь
** ММС – молотковая мельница-сушилка (дробилка-сушилка)

Как показывают теплотехнические расчеты, с переводом на данный способ можно снизить удельный расход тепла только на 10…15%, а при применении схемы с двумя ступенями циклонных теплообменников теплом отходящих газов и избыточного воздуха из холодильника можно высушить шлам с влажностью до 34% (рис. 4). При более высокой влажности необходим дополнительный сушильный агент. Данный вариант II.a реконструкции традиционного мокрого способа является малоперспективным.

Вариант IV.a, при котором необходимое количество теплоносителя для сушки шлама подается напрямую из топки в мельницу-сушилку, целесообразно использовать как промежуточный этап с последующим переходом на сухой способ. В этом случае печную систему следует реализовать с 5…6 ступенями циклонных теплообменников, а затем на втором этапе провести реконструкцию сырьевого отделения с мокрого на сухой способ. При этом на первом этапе потребуется меньше капвложений и времени на реконструкцию.      Следовательно, учитывая, что при мокром способе около 40% тепла тратится на испарение воды, то для значительного снижения расхода топлива необходимо снизить влажность обжигаемого материала.

Рис. 4. Необходимое число ступеней циклонного теплообменника, расход тепла и температура газа в зависимости от влажности материала при использовании избыточного воздуха из холодильника

3. Полумокрый и сухой способы производства без дополнительного сушильного агента

3.1. Полумокрый способ (вариант II.b)

Одним из направлений снижения влажности шлама является обезвоживание его на фильтррессах, когда механическим способом можно снизить влажность с 40 до 18%, при этом количество испаряемой воды уменьшится в 3 раза, с 1,03 до 0,34 т/т клинкера. В этом случае расход тепла на испарение воды и с отходящими газами уменьшится с 800 до 320 ккал/кг клинкера, а удельный расход тепла – с 1400 до 825 ккал/кг (табл. 2). Естественно, при таком переводе завода на полумокрый способ существенно сокращаются капитальные вложения по сравнению с сухим, так как реконструкции подлежит только цех обжига, и потребуется строительство отделения фильтр-прессов. Следует иметь в виду, что помимо экономии топлива при такой реконструкции увеличивается единичная мощность печи, повышается стойкость футеровки и качество клинкера, значительно упрощается процесс управления печью, и решаются задачи полной автоматизации процесса обжига. Последнее обусловлено тем, что в данном случае в самую теплонапряженную зону декарбонизации напрямую подается требуемое количество топлива и, таким образом, при поддержании постоянной температуры в нем, обеспечивается стабильная подготовка материала до вращающейся печи, что предопределяет и неизменность количества подаваемого в нее топлива. Вследствие этого работа оператора сводится только к решению элементарной задачи – поддержанию заданной температуры в декарбонизаторе. Такая система управления легко поддается автоматизации.

 

 Учитывая, что влажность кека обычно находится в пределах 18…22%, то для его сушки достаточно тепла отходящих газов после третьей ступени циклонных теплообменников. При переводе печей мокрого способа на полумокрый можно получить экономию приблизительно 70…80 кут/т клинкера, т. е. 35…40% (рис. 4).

3.2. Сухой способ при использовании мягкого сырья высокой влажности (вариант II.c)

 Если используется легко измельчаемое сырье высокой влажности, то может быть применена такая же технологическая схема получения клинкера, только без выделенного сырьевого цеха и отделения фильтр-прессов, как это реализовано фирмой FLSmidth на заводе Chelm в Польше.

Таблица 3. Газовые потоки по печной системе, нм3/кг клинкера

*ДВП – длинная вращающаяся печь
**ММС – молотковая мельница-сушилка (дробилка-сушилка)

В этом случае сырьевые компоненты с усреднительного склада поступают непосредственно в мельницу-сушилку. Для обеспечения при этом требуемого качества сырьевой смеси следует проводить непрерывный контроль химического состава и влажности с использованием современного поточного нейтронного анализатора, а также регулировать соотношение компонентов на складе высокоточными массовыми дозаторами. Для регулирования заданной тонкости помола после мельницы-сушилки устанавливается сепаратор. Количество ступеней циклонного теплообменника определяется в зависимости от влажности сырьевой смеси (рис. 4) с тем, чтобы тепла отходящих газов было достаточно для ее сушки. Теплотехнические расчеты показывают, что при влажности сырья в пределах 22…34% требуются две ступени. Так как при использовании мелового карбонатного компонента влажность сырьевой смеси обычно находится в пределах 22…28%. то расход топлива по данной технологии может составить ориентировочно 900…1050 ккал/кг или 130…150 кут/т клинкера.

3.3. Сухой способ при использовании твердого сырья пониженной влажности (вариант III)

Данная традиционная схема имеет наибольшее распространение, когда по «классической» технологии осуществляется подготовка сырьевой смеси путем усреднения компонентов на складе, помола и сушки в вертикальной валковой мельнице и корректировки в силосах. Обжиг готовой сырьевой смеси осуществляется в короткой вращающейся печи с многоступенчатым циклонным теплообменником и декарбонизатором. Число ступеней определяется влажностью сырья и находится в пределах 4…6 (рис. 4). Согласно теплотехническим расчетам, при использовании в качестве сушильного агента отходящих газов после циклонов и избыточного воздуха из холодильника, суммарным теплоносителем можно высушить сырье с влажностью 13…5%. При этом удельный расход условного топлива на тонну клинкера составит: при четырех ступенях – 110 кг, при пяти – 100 кг, при шести – 90 кг, а температура отходящих газов – 360, 300 и 250оС соответственно.

4. Полумокрый и сухой способы производства с дополнительным сушильным агентом
(варианты IV.b и IV.с)

Данная технологическая схема имеет ряд преимуществ перед остальными, которые заключаются в следующем.

1. В случае, когда сушильный агент подается в сушилку, минуя печь и циклоны, можно стабилизировать влажность сырья на входе в печную систему, например, на уровне 1±0,5%, и таким образом применять однотипную схему с постоянным числом ступеней теплообменника независимо от влажности сырья.

2. В данном случае в процессе применения декарбонизаторов реализуется важный дополнительный технологический принцип, заключающийся в том, что, как уже отмечалось раньше, при высокой влажности сырья значительное количество тепла тратится на испарение воды. Во всех предыдущих схемах необходимый сушильный агент поступал из декарбонизатора через все циклоны. По данный схеме сушильный агент напрямую подается в сушильный агрегат, и, следовательно, разгружаются циклоны от избыточного газового потока. Так, при влажности сырья 18% объем избыточно просасываемого через циклоны газа ΔVг составит 0,43 нм3/кг клинкера или 23%, а при влажности 25% – ΔVг – 0,56 нм3/кг или 29% (табл. 3). Учитывая, что работа циклонных теплообменников определяется их газодинамикой, то, если исключить этот газовый поток из системы, на такую же величину можно уменьшить сечение газоходов и циклонов или увеличить производительность печи.

Рис. 5. Рациональная схема измельчения и сушки сырья при использовании компонентов повышенной влажности с твердыми включениями

3. Вследствие того, что по данной схеме топливо распределяется в три зоны, то в каждой зоне легко поддерживать заданные параметры путем изменения расхода топлива и, следовательно, автоматизировать процессы сушки и обжига клинкера.

4. По данной схеме для получения сушильного агента целесообразно использовать газотурбинную установку с генератором для выработки электроэнергии. При относительно высокой влажности сырья можно получить электроэнергию, достаточную для покрытия собственных нужд цементного завода. В этом случае полностью утилизируется тепло отходящих газов из турбины. На основании опыта работы Белорусского завода, установлено, что стоимость одного кВт•ч снижается в 1,5 раза.

 Если в легко размалываемом сырье присутствуют твердые включения, то в качестве помольно-сушильного агрегата целесообразно применять «тандем-схему», состоящую из молотковой мельницы-сушилки и шаровой мельницы для домола крупки, разработанную и внедренную фирмой KHD Humboldt Wedag GmbH в Стерлитамаке (рис. 5).

Для измельчения и сушки твердых сырьевых компонентов несомненный интерес представляют последние разработки этой же фирмы на основе новой модификации пресс-валкового измельчителя (роллер-пресса) с высоко износоустойчивой поверхностью, статического-V и динамического сепараторов (рис. 6).

5. Заключение

1. На основании проведенного анализа различных тепловых систем можно сделать заключение о целесообразности реконструкции цементных заводов мокрого способа с переводом их на полумокрый или сухой способы в зависимости от природных свойств сырья. Во всех случаях предпочтение следует отдать варианту IV, когда сушильный агент напрямую, минуя циклоны, подается в сушилку. Это позволит полностью стандартизировать оборудование печной системы, не приспосабливая ее к влажности сырья, и, следовательно, уменьшить затраты на проектные и конструкторские работы, а также на изготовление оборудования.

2. При высокой естественной влажности сырьевых компонентов предпочтение следует отдать полумокрому способу, который помимо реконструкции печи потребует строительства отделения фильтр-прессов. При использовании мягкого легко измельчаемого сырья целесообразно применять вариант IV.b – прямой подачи сырьевых компонентов в мельницу-сушилку. В этом случае отпадает необходимость строительства отделения фильтр-прессов. 

3. Вариант IV.b может быть применен и для твердого сырья, но тогда в дополнение к молотковой мельнице-сушилке следует установить сепаратор и шаровую мельницу (тандем-схему) для выделения и домола крупки. Представляет определенный интерес схема по измельчению и сушке твердого сырья с использованием пресс-валкового измельчителя (роллер-пресса), статического-V и динамического сепараторов.

4. При ограниченности средств реконструкцию можно проводить в несколько этапов. Например, на первом этапе реализовать мокрый способ по варианту IV.a, произведя только реконструкцию печи с сушкой шлама в молотковой мельнице с использованием индивидуальной топки, а затем перейти на сухой или полу мокрый способы, проведя реконструкцию сырьевого отделения.

Рис. 6. Рациональная схема измельчения и сушки сырья при использовании твердых компонентов пониженной влажности

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка цемента можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков  «Рынок цемента в России».

Классен Виктор Корнеевич, БГТУ им. В. Г. Шухова

www.newchemistry.ru