СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КЛИНКЕРА С КОНТРОЛИРУЕМЫМИ ВЫБРОСАМИ CO Российский патент 2012 года по МПК C04B7/43 

Настоящее изобретение относится к способу производства клинкера, позволяющему контролировать выбросы СО₂ в атмосферу.

Способы производства клинкера относятся к промышленным способам, в которых выделяется наибольшее количество СО₂, в таких же объемах, что и в черной металлургии. Каждый из них представляет порядка 5% от выбросов СО₂ антропогенного происхождения. В цементной промышленности источником этого значительного количества выбросов СО₂ является не только интенсивное потребление энергии в процессе выработки клинкера, но и, главным образом, реакция обжига известняка, при которой высвобождается очень значительное количество СО₂ (0,5 тонн СО₂, выработанного таким образом, на каждую тонну произведенного клинкера). Введение новых ограничений в рамках Киотского протокола предписывает странам, ратифицировавшим этот протокол, снизить выбросы СО₂ в соответствии с задачами, определенными на данный период. И если представляется, что краткосрочных задач относительно просто достичь первичными средствами снижения СО₂, то среднесрочные и долгосрочные цели, которые еще только должны быть поставлены, должны стать гораздо более сложными, особенно для таких промышленностей как цементная. Поэтому в настоящее время разрабатываются технологические решения, позволяющие достичь эти будущие цели при разумных расходах, не подвергая опасности жизнеспособность настоящей отрасли.

Современные решения, предусмотренные в рамках цементных заводов по уменьшению их выбросов СО₂, подразделяются на два типа. Прежде всего, первичные меры, позволяющие при умеренных расходах снизить выбросы СО₂ примерно на 15-20% максимально, то есть:

- снижение потребления углеродного топлива (повышение энергетического КПД, замена нефтяного кокса природным газом),

- расширенное использование альтернативного топлива, рассматриваемого как нейтральное по отношению к циклу производства СО₂ (биомасса, различные отходы),

- использование заменителей клинкера при получении цемента, таких как сажа тепловых станций и шлак доменных печей.

К сожалению, данные способы не способны обеспечить снижение СО₂ на более чем 15-20% и сталкиваются с транспортными проблемами, которые не позволяют представить данные решения как постоянные.

В настоящее время вторичные меры находятся в разработке, чтобы ввести технологии, позволяющие значительно снизить выбросы СО₂, а именно более чем на 50%. Применяемые технологии относятся, главным образом, к двум типам:

- способы удаления СО₂ из дымовых газов в процессе (так называемое дожигание) промывкой амином, или адсорбцией, или конденсацией, или через мембраны,

- способы сжигания в кислороде, позволяющие сконцентрировать поток газа в СО₂, удаляя азот в процессе горения. Таким образом, в этом случае данный поток может состоять практически полностью из СО₂ (после конденсации пара), если воздух горения полностью заменен на кислород или если достаточно обогащен СО₂ (в случае частичной замены данного воздуха горения), чтобы использование технологий отделения СО₂ было бы более экономичным.

Вторичные способы в большинстве своем технически подтверждены, часто в других областях применения и в ограниченных масштабах, но еще и по запретительной стоимости.

Цель настоящего изобретения заключается в предложении способа производства клинкера, позволяющего извлекать образующиеся в данном способе дымовые газы таким образом, чтобы удалить СО₂ при разумных затратах.

Для достижения цели изобретение относится к способу производства клинкера из сырьевой смеси путем:

- подогрева сырьевой смеси дымовыми газами,

- предварительного обжига сырьевой смеси,

- обжига предварительно обожженной сырьевой смеси во вращающейся печи,

в котором при предварительном обжиге и обжиге во вращающейся печи образуются дымовые газы, содержащие СО₂,

и в котором дымовые газы, образующиеся при предварительном обжиге, подвергают обработке для удаления СО₂ без смешения вышеназванных газов с дымовыми газами, образованными при обжиге во вращающейся печи.

Три стадии подогрева, предварительного обжига и обжига во вращающейся печи по способу настоящего изобретения относятся к обычному способу производства клинкера. Исходные материалы или сырьевая смесь состоят главным образом из известняка и кремнезема. На первой стадии сырьевая смесь подогревается дымовыми газами, например, введением сырьевой смеси в свод центробежного пылеуловителя, в глубине которого сырьевая смесь приводится в соприкосновение с горячими дымовыми газами. На второй стадии сырьевая смесь подвергается предварительному обжигу; теплота, выделяющаяся при горении, приводит к частичному обжигу подогретой сырьевой смеси по следующей реакции: CaCO₃→CaO+CO₂. Газы, образующиеся во время предварительного обжига, служат, главным образом, для подогрева сырьевой смеси на первой стадии подогрева. В данных дымовых газах содержание СО₂ составляет, по меньшей мере, 30% по объему. На третьей стадии предварительно обожженные материалы перемещаются сквозь вращающуюся печь, в которой они превращаются в клинкер по реакции между оксидом кальция и кремнеземом при очень высокой температуре (>1450°С). Необходимая на данной третьей стадии теплота выделяется при горении на уровне нижней части вращающейся печи. На данной третьей стадии образуются дымовые газы, содержащие главным образом не более 15% СО₂.

В соответствии с изобретением обеспечивается обработка для удаления СО₂ из дымовых газов, образующихся на второй стадии предварительного обжига без смешения вышеназванных газов с дымовыми газами, образованными при обжиге во вращающейся печи. Этот признак отличается от используемого в предшествующем уровне техники, в котором газы, образующиеся при обжиге во вращающейся печи, затем движутся вверх через устройство для предварительного обжига и зону подогрева исходных веществ, смешиваясь с дымовыми газами, образованными при предварительном обжиге. В настоящем изобретении газы, образующиеся при обжиге во вращающейся печи, не перемещаются в устройство для предварительного обжига. Напротив, они являются объектом повышения ценности энергии. Таким образом, первые две стадии полностью разъединены с третьей стадией. Дымовые газы, образующиеся при обжиге во вращающейся печи, удаляются из процесса непосредственно без соприкосновения с продуктами первой и второй стадий.

Тем не менее, теплота, присутствующая в дымовых газах при обжиге, используемая во вращающейся печи, может быть учтена в различных воплощениях. В одном воплощении, по меньшей мере, часть дымовых газов, образующихся при обжиге во вращающейся печи, может косвенным образом подогревать сырьевую смесь. В другом воплощении, по меньшей мере, часть дымовых газов, образующихся при обжиге во вращающейся печи, может косвенным образом подогревать реагенты, введенные во вращающуюся печь. Согласно этим двум воплощениям под выражением «косвенным образом» понимают тот факт, что дымовые газы, образующиеся при обжиге во вращающейся печи, не смешиваются с подогреваемыми материалами, подогрев происходит через перегородку, отделяющую газы от подогреваемых веществ. Непрямой обмен может осуществляться любым известным типом теплообмена между сырьевой смесью или предварительно обожженной сырьевой смесью и дымовыми газами, выходящими из вращающейся печи. В третьем воплощении, по меньшей мере, часть дымовых газов, образующихся при обжиге во вращающейся печи, используется в котле или в агрегате для регенерации теплоты.

В соответствии с предпочтительным воплощением способа настоящего изобретения при предварительном обжиге сырьевой смеси проводится сжигание в кислороде. Под сжиганием в кислороде подразумевают сжигание, проводимое в среде топлива и окислителя, причем концентрация кислорода составляет более 21%, предпочтительно более 25%. Таким окислителем может быть смесь воздуха и кислорода в выбранных соотношениях. Сжигание в кислороде позволяет обогатить дымовые газы СО₂ на уровне первой и второй стадий. Концентрация СО₂ в дымовых газах, образовавшихся после данного сжигания в кислороде, составляет главным образом более 50% по объему.

В соответствии с предпочтительным применением данного воплощения окислитель, используемый в процессе сжигания в кислороде, является чистым кислородом. Под чистым кислородом подразумевают газообразный кислород, содержащий не менее 90% кислорода. Данное применение позволяет получить дымовые газы, содержащие после конденсации более 90% СО₂. Подобные сконденсированные дымовые газы не нуждаются ни в какой обработке для удаления СО₂. В таком случае они могут быть частично рециркулированы на стадии предварительного обжига для того, чтобы увеличить поток газа на первых стадиях и поддержать благоприятные условия конвективного теплообмена. Изобретение также включает случай, когда дымовые газы, образующиеся при сжигании в кислороде, конденсируются, и сконденсированные газы, по меньшей мере, частично рециркулируют при предварительном обжиге сырьевой смеси. Поскольку при частичном обжиге сырьевой смеси естественным образом образуется богатый СО₂ вытекающий газообразный поток, то частичное обогащение кислородом окислителя позволяет быстро достичь очень высокой концентрации СО₂ в отходящих при предварительном обжиге газах.

Использование изобретения позволяет сконцентрировать СО₂ в дымовых газах, исходящих из зон подогрева и предварительного обжига. Так, от 50 до 90% от общего объема СО₂, производимого цементной промышленностью, может быть снова собрано в потоке дымовых газов в совокупности устройств по предварительному обжигу и подогреву, поток которых меньше половины по сравнению с цементной промышленностью предшествующего уровня техники; эта разница делает использование способов удаления СО₂ из дымовых газов гораздо более выгодным, даже при современном уровне технологий, поскольку таким образом способы удаления обрабатывают потоки меньшие, с большими содержаниями СО₂, которые обычно составляют, по меньшей мере, от 40% по объему.

В соответствии с воплощением изобретения, использующим сжигание в кислороде в процессе предварительного обжига, стоимость способов удаления СО₂ из дымовых газов является более сниженной из-за уменьшенного потока газов и еще больших концентраций СО₂ в них, которые обычно составляют, по меньшей мере, более 50% по объему.

Способ производства клинкера из сырьевой смеси включает подогрев сырьевой смеси дымовыми газами, предварительный обжиг сырьевой смеси, обжиг сырьевой смеси, предварительно обожженной во вращающейся печи, в котором при предварительном обжиге и обжиге во вращающейся печи образуются дымовые газы, содержащие CO₂. Дымовые газы, образованные при предварительном обжиге, подвергают обработке для удаления СО₂ без смешения вышеназванных газов с дымовыми газами, образованными при обжиге во вращающейся печи. Газы предварительного обжига подают на контактный обогрев сырьевой смеси, а дымовые газы, образующиеся при обжиге во вращающейся печи, либо удаляют из процесса в агрегат для регенерации теплоты без соприкосновения с подогреваемой сырьевой смесью или продуктами предварительного обжига, либо используют, по меньшей мере, часть их для косвенного обогрева обрабатываемой смеси. Технический результат: снижение выброса СО₂ при снижении затрат на его удаление. 16 з.п. ф-лы.

1. Способ производства клинкера из сырьевой смеси посредством:
- подогрева сырьевой смеси дымовыми газами,
- предварительного обжига сырьевой смеси,
- обжига сырьевой смеси, предварительно обожженной во вращающейся печи,
в котором при предварительном обжиге и обжиге во вращающейся печи образуются дымовые газы, содержащие СО₂,
отличающийся тем, что дымовые газы, образованные при предварительном обжиге, подвергают обработке для удаления CO₂ без смешения вышеназванных газов с дымовыми газами, образованными при обжиге во вращающейся печи, при этом газы предварительного обжига подают на контактный обогрев сырьевой смеси, а дымовые газы, образующиеся при обжиге во вращающейся печи, либо удаляют из процесса в агрегат для регенерации теплоты без соприкосновения с подогреваемой сырьевой смесью или продуктами предварительного обжига, либо используют, по меньшей мере, часть их для косвенного обогрева обрабатываемой смеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть дымовых газов, образующихся при обжиге во вращающейся печи, подогревает косвенным образом сырьевую смесь.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть дымовых газов, образующихся при обжиге во вращающейся печи, подогревает косвенным образом реагенты, введенные во вращающуюся печь.

4. Способ по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть дымовых газов, образующихся при обжиге во вращающейся печи, используется в котле или в агрегате для регенерации теплоты.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть дымовых газов, образующихся при обжиге во вращающейся печи, используется в котле или в агрегате для регенерации теплоты.

6. Способ по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что для предварительного обжига сырьевой смеси используется сжигание в кислороде.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что для предварительного обжига сырьевой смеси используется сжигание в кислороде.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что для предварительного обжига сырьевой смеси используется сжигание в кислороде.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что окислитель, используемый при сжигании в кислороде, является чистым кислородом.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что окислитель, используемый при сжигании в кислороде, является чистым кислородом.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что окислитель, используемый при сжигании в кислороде, является чистым кислородом.

12. Способ по п.6, отличающийся тем, что газы, образовавшиеся при сжигании в кислороде, конденсируются, и сконденсированные газы, по меньшей мере, частично рециркулируют при предварительном обжиге сырьевой смеси.

13. Способ по п.7, отличающийся тем, что газы, образовавшиеся при сжигании в кислороде, конденсируются, и сконденсированные газы, по меньшей мере, частично рециркулируют при предварительном обжиге сырьевой смеси.

14. Способ по п.8, отличающийся тем, что газы, образовавшиеся при сжигании в кислороде, конденсируются, и сконденсированные газы, по меньшей мере, частично рециркулируют при предварительном обжиге сырьевой смеси.

15. Способ по п.9, отличающийся тем, что газы, образовавшиеся при сжигании в кислороде, конденсируются, и сконденсированные газы, по меньшей мере, частично рециркулируют при предварительном обжиге сырьевой смеси.

16. Способ по п.10, отличающийся тем, что газы, образовавшиеся при сжигании в кислороде, конденсируются, и сконденсированные газы, по меньшей мере, частично рециркулируют при предварительном обжиге сырьевой смеси.

17. Способ по п.11, отличающийся тем, что газы, образовавшиеся при сжигании в кислороде, конденсируются, и сконденсированные газы, по меньшей мере, частично рециркулируют при предварительном обжиге сырьевой смеси.