СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА Российский патент 2008 года по МПК C04B7/44 F27B7/20 

Данное изобретение относится к способу изготовления цементного клинкера; при этом способе цементную сырьевую смесь подогревают и обжигают в установке, включающей циклонный подогреватель и печь. Данное изобретение связано конкретно со способом снижения выбросов SO₂, CO и летучих органических соединений (далее обозначаемых ЛОС) от такой установки. Данное изобретение относится также к установке для осуществления этого способа.

Установки вышеописанного типа для изготовления цементного клинкера хорошо известны из литературы.

Выбросы SO₂, СО и ЛОС от таких обжиговых установок для изготовления цементного клинкера происходят главным образом из сырья, которое обычно используют, как это подробно описано в последующем тексте. Нагрев сырьевой смеси в циклонном подогревателе осуществляют путем прямого контакта с горячими отходящими газами в соответствии с принципом противотока; при этом образующиеся SO₂ и СО и выделяющиеся ЛОС немедленно захватываются потоком отходящего газа и таким образом выходят из циклонного подогревателя вместе с потоком отходящих газов в виде выбросов. По различным причинам эти три типа выбросов в атмосферу являются нежелательными.

Сырье для цемента часто содержит такие минералы, как пирит и марказит. Сульфид в пирите (FeS₂) претерпевает превращение в циклонном подогревателе при температурах около 525°С, что приводит к образованию SO₂. Измерения, проведенные на работающих цементных заводах, показали, что фактически весь сульфид, содержащийся в сырьевой смеси, по-прежнему присутствует в этой сырьевой смеси, когда она выходит с первой циклонной стадии при температуре около 370°С, в то время как содержание сульфида в сырьевой смеси, выходящей со второй циклонной стадии при температуре около 550°С, составляет примерно половину от первоначального. Таким образом, в рассматриваемой цементной установке примерно половина сульфида, содержавшегося в сырье, будет удалена из подогревателя в виде SO₂ в результате процесса окисления, который происходит на второй циклонной стадии. Известный способ снижения уровня SO₂ включает применение абсорбента в форме СаО, Са(ОН)₂ или других основных компонентов в циклонном подогревателе, при размещении его дальше образования SO₂ по ходу потока отходящих газов, так что SO₂ может связываться в сырье в виде сульфита, который превращается в сульфат на последующих стадиях процесса. Одним из существенных недостатков данного известного способа является то, что обычно бывает необходимо применять избыточное количество абсорбента, что делает этот способ относительно дорогим.

Сырье для цемента также часто содержит органический углерод, который удаляется из сырьевой смеси в основном в форме СО и ЛОС во время процесса подогрева в циклонном подогревателе, и выбрасывается в несожженном виде совместно с потоком отходящих газов. Это подтверждается исследованиями, которые указывают, что некоторые типы ЛОС выделяются, по существу, в пределах относительно узкого температурного интервала Таким образом, один тип ЛОС выделяется в основном в пределах температурного интервала от 300 до 500°С, в то время как другой тип выделяется в основном в интервале температуры от 450 до 650°С. Другие дополнительные типы ЛОС выделяются в более широких температурных интервалах. В традиционном циклонном подогревателе вышеупомянутый интервал температур будет обычно существовать на первой и второй циклонных стадиях и соответственно на второй и третьей циклонных стадиях в зависимости от того, является ли циклонный подогреватель блоком с четырьмя или пятью стадиями, а также в некоторой степени зависит от эффективности других элементов системы обжига. Известны некоторые способы для последующей обработки отходящих газов с целью удаления ЛОС из отходящих газов. Известный способ включает следующие стадии: отходящие газы из подогревателя снова нагревают в блоке теплообменника; ЛОС сжигают при одновременном добавлении топлива; и отходящие газы далее охлаждают в блоке теплообменника. С точки зрения энергетических затрат это - не оптимальное решение, и аппараты для реализации этого способа также требуют весьма существенных затрат.

Кроме того, из датской патентной заявки № РА 200100009 известен способ, при котором сырьевую смесь извлекают из подогревателя и нагревают в отдельном блоке для нагрева с целью образования SO₂ и для выделения ЛОС. Согласно известному способу образованный SO₂ далее приводят в контакт с абсорбентом, выделенные ЛОС сжигают, а сырьевую смесь снова помещают в циклонный подогреватель. Недостатком этого известного способа является в первую очередь то, что затраты энергии будут относительно большими.

Целью данного изобретения является обеспечить способ, а также установку для получения цементного клинкера, с помощью которых можно достигнуть дешевого и эффективного снижения выбросов SO₂, CO и ЛОС без сколько-нибудь заметного воздействия на уровень эффективности циклонного подогревателя.

Это осуществляют способом типа упомянутого во введении, который характеризуется тем, что:

- по меньшей мере часть сырьевой смеси извлекают из циклонного подогревателя;

- сырьевую смесь вводят в отдельный блок, в котором ее выдерживают в течение некоторого времени в окислительных условиях, которые обеспечиваются потоком газа, для образования SO₂ и для выделения органического углерода;

- образованный SO₂ и выделенный органический углерод затем выводят из этого отдельного блока, вовлеченными в поток газа, для дальнейшей обработки на последующих стадиях процесса, и

- сырьевую смесь снова вводят в циклонный подогреватель.

Тем самым достигают эффективного снижения выделения ЛОС, СО, а также SO₂, без необходимости использования дополнительной энергии для нагрева. Путем выдержки извлеченной и частично предварительно нагретой сырьевой смеси в окислительных условиях вне циклонного подогревателя достигают окисления сульфида до SO₂ и удаления органического углерода из сырьевой смеси таким образом, что образованный при этом SO₂ и выделившийся органический углерод можно вовлечь в отдельный, относительно небольшой поток газа и подвергнуть последующей обработке оптимальным образом. Как это будет подробно описано в последующем тексте, проведенные Заявителем исследования неожиданно показали, что значительное окисление сульфида до SO₂ и некоторое удаление органического углерода будет происходить даже если температуру поддерживать постоянной и ниже той, которая существовала в том месте циклонного подогревателя, где при других обстоятельствах происходит основное удаление SO₂. Эти исследования также показали, что скорость, при которой происходят эти процессы, зависит от температуры, и что эта скорость будет возрастать синхронно с повышением температуры.

Установка для реализации способа по данному изобретению характеризуется тем, что она включает средства извлечения, по меньшей мере, части сырьевой смеси из циклонного подогревателя, отдельные средства выдержки этой сырьевой смеси в течение некоторого времени в окислительных условиях, обеспечивая таким образом окисление сульфида, содержащегося в этой сырьевой смеси, посредством потока газа для образования SO₂, и удаления органического углерода; средства вывода образованного SO₂ и выделенного органического углерода из этого отдельного блока, вовлеченными в поток газа, для дальнейшей обработки на последующих стадиях процесса; и средства повторного введения сырьевой смеси в циклонный подогреватель.

Дополнительные характерные особенности установки будут очевидны из подробного описания, приведенного ниже в тексте.

Предпочтительно всю сырьевую смесь извлекать из циклонного подогревателя для окисления в отдельном блоке.

До настоящего времени придерживались мнения, что если исходные материалы содержат сернистые компоненты, SO₂ будет образовываться в относительно небольшом температурном интервале вблизи 525°С. Однако исследования, упомянутые выше и описанные более подробно в последующем тексте, совершенно неожиданно показали, что существенное окисление сульфида до SO₂ будет происходить даже при более низких температурах, если только этот процесс протекает в течение достаточно долгого времени. Таким образом, эти исследования показали, что образование SO₂ может происходить даже при температуре 350°С и, согласно данному изобретению сырьевая смесь может таким образом быть извлечена из циклонного подогревателя при температуре в диапазоне от 350 до 525°С. Для того чтобы ограничить необходимое время выдержки извлеченной сырьевой смеси в отдельном блоке и таким образом его производительность, предпочтительно сырьевую смесь извлекать из циклонного подогревателя при температуре в диапазоне от 400 до 500°С. Проведенные исследования показали, что при температурах выше 525°С SO₂ будет образовываться так быстро, что практически весь сульфид будет переведен в SO₂ до того, как сырьевая смесь будет извлечена из подогревателя.

В принципе сырьевой смеси можно предоставить любое время выдержки в отдельном блоке, которое является необходимым для того, чтобы достичь желаемого образования SO₂ при температуре, о которой идет речь. В реальной практике температура извлеченной сырьевой смеси будет основным определяющим моментом для продолжительности времени выдержки, которое является необходимым. Согласно данному изобретению время выдержки в отдельном блоке может быть выбрано произвольно, но часто предпочтительно, чтобы оно находилось в интервале от 10 до 200 секунд. Однако предпочтительно, чтобы был установлен максимальный предел 100 секунд.

Температуру в отдельном блоке можно поддерживать, по существу, постоянной в ходе процесса окисления, но она может и изменяться, например, посредством регулирования температуры потока газа, подаваемого в этот отдельный блок. Если желательно увеличить скорость окисления, температуру в отдельном блоке можно таким образом увеличить путем введения более горячего потока газа.

В принципе органический углерод выделяется из сырьевой смеси во всем диапазоне температур в циклонном подогревателе, которые в случае сырьевой смеси изменяются от температуры ниже 100°С в верхней части циклонного подогревателя до температуры, близкой к 830°С в нижней части циклонного подогревателя. Таким образом, способ по данному изобретению дает возможность удалять лишь часть общего количества органического углерода. Температура, при которой следует извлечь сырьевую смесь, будет таким образом зависеть в первую очередь от температуры, при которой достигается максимальное снижение уровня SO₂. Упомянутые выше в данном тексте исследования показали различия в образцах в отношении удаления разных типов органического углерода. Таким образом, прежде чем осуществить способ по данному изобретению на конкретном цементном заводе, предпочтительно провести конкретные исследования применяемого сырья, чтобы точно определить содержание в нем различных типов органического углерода, а затем установить, как они удаляются в зависимости от температуры. Следовательно, в некоторых случаях, если это совместимо со снижением уровня SO₂, предпочтительно сырьевую смесь извлекать из циклонного подогревателя при температуре ниже 450°С.

В принципе окисление извлеченной сырьевой смеси в отдельном блоке можно осуществить любым удобным способом, однако через отделение для окисления сульфида и органического углерода и для удаления SO₂ и выделенного органического углерода следует пропускать газовый поток с меньшим содержанием кислорода. Исследования показали, что оптимальное процентное содержание кислорода для удаления SO₂ составляет приблизительно 5%.

Отдельный блок можно организовать любым возможным способом. Этот отдельный блок может включать любой тип приемного или конвейерного устройства для твердых материалов, который будет способен обеспечить достаточное время выдержки для сырьевой смеси и обеспечить достаточное смешивание сырьевой смеси и содержащего кислород газового потока. Например, этот отдельный блок можно организовать как вращающийся барабан, в который вводят извлеченную сырьевую смесь и содержащий кислород поток газа через входные отверстия, расположенные на обоих концах вращающегося барабана; пропускают их через вращающийся барабан противотоком и выгружают с противоположных концов. Более того, желательно, чтобы этот блок или установка включали средства обеспечения физического расположения (или возможности подачи туда) сырьевой смеси после ее извлечения из блока на уровне, который необходим для ее повторного введения в обозначенное положение в циклонном подогревателе.

Образованный SO₂, который выводят из отдельного блока вовлеченным в поток газа, можно отдельно обработать, например, в мокром скруббере, работающем на известном принципе, где SO₂ при реакции с СаСО₃ и H₂O будет превращен в гипс в виде CaSO₄·2Н₂О, и откуда очищенный газ можно сбросить в окружающую среду. Необходимый СаСО₃ может содержаться в пыли, выносимой из отдельного блока окисления, или же его можно обеспечивать в виде свежей сырьевой смеси. Благодаря тому, что поток газа через отдельный блок окисления является малым по сравнению с потоком газа через циклонный подогреватель, мокрый скруббер для этой цели также может быть относительно небольшим. Потребление воды также будет относительно малым. Гипс, полученный в мокром скруббере, можно с успехом применять на установке для размола цемента в качестве замены некоторого количества обычного гипса. Таким образом, значительное количество серы можно пустить в обход системы обжига цементной установки, снижая таким образом часто возникающие проблемы, связанные с образованием комков и закупоркой в системе обжига.

Образованный SO₂, который выводят из отдельного блока вовлеченным в поток газа, можно в альтернативном случае ввести в циклонный подогреватель в месте, где присутствует достаточное количество абсорбента в форме СаО и/или других основных компонентов, что обычно бывает на нижнем конце циклонного подогревателя. В установках, где циклонный подогреватель включает кальцинатор, предпочтительно образованный SO₂ вводить в указанный кальцинатор.

Выделенный органический углерод можно сжечь отдельно или же в альтернативном случае его можно снова ввести в циклонный подогреватель в месте, где температура составляет по меньшей мере 700°С, что обычно бывает на нижнем конце подогревателя. В установках, где циклонный подогреватель включает кальцинатор, предпочтительно выделенный органический углерод вводить в указанный кальцинатор.

В принципе извлеченную и отдельно окисленную сырьевую смесь можно снова ввести в циклонный подогреватель в любом месте. Однако предпочтительно его следует вводить непосредственно после точки извлечения сырьевой смеси, рассматривая по ходу потока сырьевой смеси. Другими словами, предпочтительно отдельно окисленную сырьевую смесь вводить в циклонный подогреватель на первой циклонной стадии после циклонной стадии, с которой она была извлечена.

Теперь данное изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертежи, где:

фиг.1 изображает график образования SO₂ в зависимости от времени при различных температурах;

фиг.2 изображает первый пример установки по данному изобретению;

фиг.3 изображает второй пример установки по данному изобретению.

На фиг.1 показаны графики а-d-образования SO₂ в зависимости от времени при температурах 350, 375, 400 и 500°С. Приведенные графики являются прямым результатом серии испытаний, которые были проведены Заявителем. Испытания были проведены в реакторе с неподвижным слоем в соответствии со способом, описанным далее. Образец материала был предварительно нагрет до желаемой температуры в горячем инертном газе, состоящем из чистого N₂. Горячий газ, выходящий после процесса нагревания в инертной среде, смешивали с O₂ для того, чтобы окислить серу и перевести ее в газообразное состояние в виде SO₂. После нагревания в инертной среде в течение периода 240 секунд к потоку N₂ добавляли О₂ перед стационарным слоем. Эту процедуру проводили, чтобы удостовериться, что не происходит сколько-нибудь заметного окисления образца материала в ходе относительно медленного процесса нагревания и что подачу O₂ осуществляют быстро относительно химической реакции таким образом, что скорость реакции можно было изучать при данной температуре и независимо от процесса нагрева. По ходу проведения испытаний измеряли содержание SO₂ в зависимости от времени. На фиг.1 та часть графика, где t меньше 0, показывает образование SO₂, которое происходит в связи с нагреванием материала в инертном газе, в то время как зависимость для t больше 0 показывает образование SO₂ при поддержании температуры постоянной и при подаче O₂. Из данной фигуры ясно следует, что образование SO₂ является очень медленным процессом в ходе нагрева в инертной среде до момента, когда t становится равным 0, и что затем, когда подают О₂, при t равном 0 скорость образования становится значительно выше. В частности, графики b, с и d показывают, что превращение сульфида в SO₂ происходит преимущественно в пределах начального 100-секундного периода, а затем наклон зависимости снижается, приближаясь к максимальной степени превращения, которая по отношению к материалу, применяемому в ходе испытаний, составляет 30, 50 и 70% соответственно, при соответственных температурах 375, 400 и 500°С. Таким образом, непосредственным заключением (которое можно сделать по данным измерений при этих трех температурах), будет то, что оптимальный способ включает извлечение сырья при температуре около 500°С, так как при этой температуре достигают самой высокой степени превращения. Однако в отношении нагревания до уровня 500°С в инертном газе следует отметить, что будет образовываться весьма значительное количество SO₂, которое в реальной практике не будут переносить в отдельный блок. Таким образом, по-видимому, оптимальная температура для извлечения обсуждаемого материала будет лежать в пределах от 400 до 500°С.

На фиг.2 и 3 можно видеть два примера установок по данному изобретению. Обе приведенные установки включают циклонный подогреватель 1, вращающуюся печь 5 и установку 7 для охлаждения клинкера. Циклонный подогреватель 1 включает четыре циклонные стадии а - d, кальцинатор 3 и разделительный циклон 4. Циклонный подогреватель 1 может включать как меньше, так и больше указанных четырех циклонов. Сырьевую смесь из непоказанной установки для размола сырья вводят в циклонный подогреватель через одно или несколько отверстий 9 и подогревают отходящими газами в условиях противотока, после чего ее извлекают из циклонного подогревателя в циклоне d и направляют в кальцинатор 3, где ее прокаливают. Из нижнего отверстия разделительного циклона 4 прокаленную сырьевую смесь направляют затем посредством трубопровода 8 во вращающуюся печь 5, в которой ее обжигают до цементного клинкера, который затем охлаждают в установке 7 для охлаждения клинкера. Отходящие газы из вращающейся печи 5 и кальцинатора 3 прокачивают через циклон 4, а затем выше через циклонный подогреватель, посредством вентилятора 6. Третичный воздух из установки 7 для охлаждения клинкера вводят посредством трубопровода 11 в кальцинатор 3.

Согласно данному изобретению по меньшей мере некоторое количество сырьевой смеси извлекают из циклонного подогревателя 1 для того, чтобы подвергнуть ее окислению в отдельном блоке 21, куда эту сырьевую смесь подают посредством трубопровода 15. Для того чтобы раздельное окисление сырьевой смеси оказало сколько-нибудь значительное влияние на образование SO₂ и выделение органического углерода, сырьевую смесь следует, конечно, извлечь из подогревателя перед тем, как большая часть содержащегося сульфида превратится в SO₂, и/или перед тем, как содержащийся органический углерод выделится из материала. В примерах, где желательно только провести раздельное окисление некоторого количества сырьевой смеси, его можно извлечь из потока сырьевой смеси через нижнее отверстие выбранной циклонной стадии, например через разделительный проход 13.

Отдельный блок 21, изображенный на фиг.2 и 3, включает вращающийся барабан 21. Поток газа вводят через входное отверстие 27 на одном конце вращающегося барабана, а извлеченную сырьевую смесь вводят через входное отверстие 29 на противоположном конце, что приводит к осуществлению смешения сырьевой смеси и потока газа в режиме противотока. Сырьевую смесь извлекают с другого конца вращающегося барабана 21 через выходное отверстие 22 и направляют по трубопроводу 26 и посредством транспортных средств, если они имеются, обратно в циклонный подогреватель 1, в который ее снова вводят через входное отверстие 28, расположенное непосредственно за точкой, в которой ее отбирали, рассматривая по направлению потока сырьевой смеси.

В исполнении, показанном на фиг.2, поток газа, содержащий SO₂ и выделенный органический углерод, направляют из выходного отверстия 29 во вращающемся барабане 21 по трубопроводу 17 к кальцинатору 3, где весь органический углерод сгорает, a SO₂ абсорбируют при оптимальных температурных условиях путем реакции главным образом с СаО.

В исполнении, показанном на фиг.3, поток газа, содержащий SO₂ и выделенный органический углерод, направляют из выходного отверстия 29 во вращающемся барабане 21 по трубопроводу 17 в мокрый скруббер 31, в котором его очищают в соответствии с известными принципами: SO₂ при реакции с СаСО₃ и Н₂О будет превращаться в гипс на основе формы CaSO₄·2H₂O, и откуда очищенный газ можно сбросить в атмосферу, возможно, через блок 33 для сжигания СО и ЛОС.

В связи с реализацией данного изобретения на существующем цементном заводе часто может быть необходимым установление температуры в подогревателе на уровне, который будет позволять извлечь сырьевую смесь при желаемых температурах. Это можно сделать многими путями. Если желательно снизить температуру в конкретном месте подогревателя, откуда отбирают сырьевую смесь для раздельного окисления, возможно, например, введение атмосферного воздуха в соответствующем месте. Однако если желательно повысить температуру в конкретной точке извлечения; сырьевую смесь можно, например, разделить, и меньшее количество сырьевой смеси можно пустить по обходной линии. Кроме того, температуру можно регулировать путем контроля количества сырьевой смеси, которое извлекают для раздельного окисления. Другие способы регулирования заключаются в изменении или регулировании эффективности разделения циклонов подогревателя.

В реальной практике может быть необходимым регулирование производительности отдельного блока 21, и в случае вращающегося барабана это можно сделать путем изменения скорости его вращения. Увеличение скорости вращения вращающегося барабана приведет к снижению времени выдержки сырьевой смеси в барабане, что влечет за собой соответствующее снижение количества образующегося SO₂ и выделяющегося органического углерода. Для того чтобы скомпенсировать любое такое снижение, можно подавать тепло в отдельный блок 21, возможно, путем введения части потока тепла из установки 7 для охлаждения клинкера в блок 21 через входное отверстие 27.

Способ изготовления цементного клинкера включает предварительный нагрев цементной сырьевой смеси и обжиг в установке, включающей циклонный подогреватель и печь. По меньшей мере часть сырьевой смеси извлекают из циклонного подогревателя; эту сырьевую смесь вводят в отдельный блок, в котором ее выдерживают в течение некоторого времени в окислительных условиях, обеспечиваемых посредством потока газа, для образования SO₂ и для выделения органического углерода. Образованный SO₂ и выделенный органический углерод выводят из отдельного блока, вовлеченными в поток газа, для дальнейшей обработки на последующей стадии процесса. Сырьевую смесь снова вводят в циклонный подогреватель. Технический результат: эффективное снижение выбросов летучих органических соединений, СО и SO₂ без использования дополнительной энергии для нагрева. Охарактеризована установка для реализации описанного способа. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ для получения цементного клинкера, при котором цементную сырьевую смесь предварительно нагревают и обжигают в установке, включающей циклонный подогреватель (1) и печь (5), отличающийся тем, что по меньшей мере часть сырьевой смеси извлекают из циклонного подогревателя (1); эту сырьевую смесь вводят в отдельный блок (21), в котором ее выдерживают некоторое время в окислительных условиях, обеспечиваемых посредством потока газа, для образования SO₂ и выделения органического углерода; образованный SO₂ и выделенный органический углерод затем выводят из отдельного блока (21), вовлеченными в поток газа, для дальнейшей обработки на последующих стадиях процесса; и сырьевую смесь снова вводят в циклонный подогреватель (1).2. Способ по п.1, отличающийся тем, что всю сырьевую смесь извлекают из циклонного подогревателя (1) для окисления в отдельном блоке (21).3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сырьевую смесь извлекают из циклонного подогревателя (1) при температуре от 350 до 525°С.4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сырьевую смесь извлекают из циклонного подогревателя (1) при температуре от 400 до 500°С.5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что температуру в отдельном блоке (21) поддерживают во время процесса окисления по существу постоянной.6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сырье выдерживают в отдельном блоке (21) в течение времени в интервале от 10 до 200 с, предпочтительно в интервале от 10 до 100 с.7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что образованный SO₂ и выделенный органический углерод, которые выводят из отдельного блока (21), вводят в кальцинатор (3) циклонного подогревателя.8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что извлеченную и отдельно окисленную сырьевую смесь вводят в циклонный подогреватель (1) непосредственно после той точки, где ее извлекали, рассматривая в направлении потока сырьевой смеси.9. Установка для осуществления способа по п.1, включающая циклонный подогреватель (1) и печь (5), отличающаяся тем, что она включает средства (13, 15) извлечения по меньшей мере части сырьевой смеси из циклонного подогревателя (1), отдельные средства (21) выдержки этой сырьевой смеси в окислительных условиях, тем самым обеспечивая окисление посредством газообразного потока сульфида, содержащегося в этой сырьевой смеси, для образования SO₂ и выделения органического углерода, средства (17) вывода из отдельного блока (21) образованного SO₂ и выделенного органического углерода, вовлеченными в поток газа, для дальнейшей обработки на последующих стадиях процесса, и средства (26) повторного введения сырьевой смеси в циклонный подогреватель.10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что она включает мокрый скруббер (31) для обработки образованного SO₂, который выводят из отдельного блока (21), вовлеченным в поток газа.