СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ФОСФОРОСОДЕРЖАЩЕГО АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЦЕМЕНТА Российский патент 2015 года по МПК C04B7/44 C02F11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение касается способа утилизации фосфоросодержащего альтернативного топлива при производстве цементного клинкера, при котором альтернативное топливо термолизируется с использованием тепла, которое образуется в одном из различных термолизных реакторов с вращающейся трубчатой печью и отводится из технологического процесса производства цементного клинкера; при этом высвободившаяся энергия направляется в технологический процесс производства цементного клинкера, и остатки термолиза фосфоросодержащего альтернативного топлива выводятся из термолизного реактора.

Область техники

При производстве цементного клинкера цементная сырьевая мука предварительно нагревается и кальцинируется, причем выделяется СО2. При этом во вращающейся трубчатой печи выполняется собственное горение, затем при охлаждении обожженного клинкера образуется гидравлический продукт. В целом, эти процессы требуют значительных затрат электроэнергии, и поэтому была сделана попытка, по-возможности, отделить отработанное тепло и использовать его наилучшим образом в технологическом процессе. Кроме того, имеется стремление использовать для технологического процесса производства цементного клинкера альтернативное топливо, т.е. топливо, теплотворная способность которого ниже, чем у высококачественного природного газа или нефти, причем такое альтернативное топливо часто используется в виде отходов. Альтернативное топливо, как правило, горит гораздо хуже, чем обычное топливо, например, такое как нефть или природный газ, и поэтому их применение в горелках вращающейся трубчатой печи или кальцинаторах имеет ограничения. Зачастую такое альтернативное топливо используется или сжигается в отдельных реакторах пиролиза или термолиза. Однако, при утилизации малого количества альтернативного топлива в форме отходов образующаяся при этом зола, или шлак, направляется в клинкерную печь и, таким образом, остается в продукте, который получается в результате технологического процесса производства цементного клинкера. Однако если необходимо использовать большое количество указанного альтернативного топлива, остатки, образующиеся в результате термолиза в относительно большом количестве, могут отрицательно повлиять на процесс схватывания и прочность изготавливаемого клинкера. Например, известно, что фосфор, который может находиться в остатках продукта после термолиза, ухудшает ранее схватывание цемента.

Для того чтобы предотвратить негативное влияние большого количества золы или шлаков на качество цементного клинкера, например, в изобретении DE 3411144 А1 предложен способ, в котором предлагается для утилизации горючих отходов отходы сжигать отдельно, а образовавшийся при этом дымовой газ использовать для кальцинирования. При этом шлаки, образовавшиеся во время сгорания отходов, отводятся отдельно, что позволяет устранить указанные выше недостатки. В этом документе описывается, что тяжелые металлы и соединения с тяжелыми металлами, которые также образуются в результате использования отходов, отводятся вместе с отработанными газами в форме их хлоридов или фторидов, и при контакте отработанного газа с цементной сырьевой мукой абсорбируются ею. Остатки термолиза альтернативного топлива в этом способе выводятся в резервуар с водой и утилизируются обычным способом.

Для того чтобы можно было использовать фосфор, содержащийся в альтернативном топливе, например, в удобрениях, пригодных для сельскохозяйственных целей, необходимо удалить из него тяжелые металлы и соединения тяжелых металлов, которые могут содержаться в нем, для чего требуется добавлять большее количество галогенов, чтобы обеспечить возможность удаления тяжелых металлов и соединений с тяжелыми металлами в форме их галогенов из остатков термолиза.

В технологическом процессе производства цементного клинкера наличие хлора и хлоридов позволяет обеспечить в цементной печи циркуляцию, которая способствует прилипанию веществ во входной зоне печи, в смотровой шахте или в зоне нагревающего устройства циклонного типа / теплообменника. В результате действия высоких температур во вращающейся трубчатой печи хлориды, содержащиеся в выходном материале и альтернативном топливе, испаряются, причем, в том случае, если отводится тепло печного газа, как это происходит, например, в теплообменниках, эти хлориды конденсируются. Тем самым, происходит циркуляция хлоридов, что приводит к увеличению их концентрации в цементной печи, или в системе теплообменнике. Для того чтобы снизить концентрацию хлоридов, печной газ, содержащий хлориды и пыль, обычно отводится, и при резком снижении температуры хлорид оседает на пыль. Если эта пыль содержит мало хлорида, ее можно вернуть в технологический процесс производства цемента. Однако если эта пыль содержит большое количество хлора или хлоридов, нежелательно, чтобы такая пыль, образовавшаяся в цементной печи, попадала в технологический процесс производства цемента.

Раскрытие изобретения

В изобретении поставлена задача создать способ, который позволит снизить концентрацию хлоридов в технологическом процессе производства цементного клинкера и одновременно особенно эффективно удалить тяжелые металлы из остатков термолиза альтернативного топлива при его утилизации, так, чтобы остатки термолиза альтернативного топлива могли использоваться в качестве фосфорсодержащих удобрений, в которых фосфор имеет форму, пригодную для удобрения растений.

Для решения этой задачи предлагается в способе согласно изобретению, остатки термолиза фосфоросодержащего альтернативного топлива преобразуют в термолизаном реакторе с помощью байпасных продуктов цементной печи в носители галогенов, и образующиеся галогениды тяжелых металлов отводятся. При применении в цементной печи байпасных продуктов, которые могут находиться в виде пыли и/или газов и используются в качестве носителя галогенов для удаления из тяжелых металлов и соединений тяжелых металлов из остатков термолиза фосфоросодержащего альтернативного топлива, в реакторе термолиза поддерживается достаточно высокое содержание хлорида, что позволяет обеспечить практически полное удаление тяжелых металлов и соединений тяжелых металлов из остатков термолиза, которые могут использоваться в качестве удобрений. Если, как предусмотрено в изобретении, образовавшиеся галогениды тяжелых металлов отводятся и не попадают в технологический процесс производства цементного клинкера, можно не только производить цементный клинкер, дополнительно очищенный от тяжелых металлов, но и эффективно утилизировать тяжелые металлы, используя их в цветной металлургии. В целом, байпасные продукты цементных печей могут использоваться новым образом, причем продукт, который может использоваться в качестве удобрения, выводится при утилизации альтернативного топлива из термолизного реактора и технологического процесса производства цементного клинкера, в котором практически отсутствуют остатки тяжелых металлов, и, кроме того, достигается дополнительный экономический эффект в результате добычи ценных тяжелых металлов посредством подготовки отведенных галогенидов тяжелых металлов в соответствии с тем способом, который известен из уровня техники.

Для добычи хлорида можно в изобретении с преимуществом выполнить предварительные мероприятия, позволяющие вывести содержащий пыль и хлориды печной газ в виде байпасного продукта цементной печи и подавать его в термолизный реактор. В этом случае печной газ отводится во входную зону печи и используется для преобразования тяжелых металлов непосредственно в термолизном реакторе.

В соответствии с одной из предпочтительных формул осуществления изобретения можно также выполнить предварительные мероприятия, позволяющие увеличить содержание хлорида в байпасной пыли цементной печи, в качестве байпасного продукта цементной печи, посредством резкого снижения температуры перед добавлением к остаткам термолиза фосфоросодержащего альтернативного топлива в термолизный реактор, в результате чего образуется содержащая хлорид пыль, концентрация хлорида в которой больше, чем в сырьевой муке. При резком снижении температуры происходит быстрое охлаждение отведенных печных дымовых газов, в результате чего содержащийся в газовой фазе хлор или хлорид конденсируется и оседает на твердых частицах, и после фильтрации пыли может подаваться для преобразования в термолизный реактор.

Для того чтобы найти другой источник хлорида для удаления тяжелых металлов из остатков термолиза в фосфоросодержащем альтернативном топливе, можно, в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения, выполнить предварительные мероприятия, позволяющие помимо байпасных продуктов цементной печи использовать в качестве носителей галогенов хлоридосодержащее альтернативное топливо.

Для того чтобы фосфор, содержащийся в альтернативном топливе, мог использоваться для растений, так, чтобы остатки термолиза из термолизного реактора могли применяться в качестве удобрений, термолиз следует выполнять при достаточно высоких температурах. Для этой цели, в соответствии с предпочтительной формой осуществления изобретения, температуру в термолизном реакторе регулируют в диапазоне от 600 до 1200°С. При таких температурах происходит изменение минералогического состава фосфора, в результате чего растения получают возможность впитывать фосфор, который затем поступает в организм человека. При осуществлении этого способа особенно предпочтительно, чтобы температура в термолизном реакторе регулировалась в диапазоне от 800 до 1100°С.

Для того чтобы химическая энергия, имеющаяся в фосфоросодержащем альтернативном топливе, могла использоваться для технологического процесса производства цементного клинкера, согласно предложенному в изобретению способу предпочтительно, чтобы условия окисления могли регулироваться в термолизном реакторе, и тепло, образующееся во время термолиза, поступало в технологический процесс производства цементного клинкера, причем физическое тепло, прежде всего, поступало в кальцинатор для кальцинирования сырьевой муки.

Для того чтобы обеспечить необходимые условия окисления и образование горячего дымового газа, согласно данному способу, предпочтительно, чтобы для обеспечения условий окисления добавлялись окисляющие средства, такие как, атмосферный воздух, предварительно нагретый воздух, выходящий из технологического процесса производства цементного клинкера, кислород, СO₂, и/или водяной пар. При этом водяной пар может подаваться в технологический процесс или отбираться из влаги, содержащейся в фосфоросодержащем альтернативном топливе.

Однако, альтернативно для образования горячего дымового газа, из альтернативного топлива при термолизе может также образовываться горючий газ. Кроме того, преимущества способа заключаются в том, что в термолизном реакторе можно установить более низкие значения параметров и что образующийся при термолизе горючий газ сжигается во время технологического процесса производства цементного клинкера, причем такой горючий газ преимущественно используется в главной горелке клинкерной печи.

Принципиально то, что в качестве фосфоросодержащего альтернативного топлива могут использоваться отходы различного происхождения. Однако, в рамках изобретения предпочтительно, чтобы в качестве фосфоросодержащего альтернативного топлива использовался осадок сточных вод. При использовании осадка сточных вод, который получается при очистке сточных вод, эффективное удаление тяжелых металлов и образование ценного удобрения происходит в результате эффекта синергии при выполнении таких процессов, как очистка сточных вод, производство цементного клинкера, производство удобрений и добыча тяжелых металлов, благодаря чему достигается оптимальное использование имеющегося сырья.

Осадок сточных вод имеет, как правило, относительно высокое содержание влаги, так что способ осуществляется предпочтительно таким образом, что перед проведением термолиза осадок сточных вод осушается, причем предпочтительно выполняются такие мероприятия, чтобы осадок сточных вод перед термолизом осушался до такого состояния, чтобы доля сухой массы составляла>60%.

Для того чтобы оптимально использовать выделяемое во время технологического процесса производства цементного клинкера тепло, в преимущественной форме осуществления изобретения предусмотрено, что для осушения осадка сточных вод используется тепло из технологического процесса производства цементного клинкера. При этом используется, прежде всего, горячий воздух из охладителя клинкера, причем в зависимости от того, из какой зоны охладителя клинкера отбирается отработанный воздух, его температура может быть различной.

Краткое описание чертежей

Изобретение более подробно поясняется примерами выполнения, которые приводятся в приложении к чертежу. На фиг.1 показана принципиальная схема установки, в которой может применяться предложенный в изобретении способ.

Цифрой 1 на фиг.1 обозначена установка для производства цементного клинкера, которая, главным образом, состоит из устройства для предварительного нагрева и кальцинатора, вращающейся трубчатой печи и охладителя клинкера. Фосфоросодержащее альтернативное топливо, которое используется в соответствии с изобретением, подается по трубопроводу 2 в осушитель 4, который служит для того, чтобы увеличить долю сухой массы альтернативного топлива, например, осадка сточных вод, с уровня 15-45% до уровня 60-100%. Необходимое для этого тепло подается в осушитель по трубопроводу 3, которые подсоединен к установке для производства цементного клинкера 1 и может получать сухой воздух из устройства для предварительного нагрева или кальцинатора и, в особенности, из охладителя клинкера. Водяной пар удаляется из процесса по трубопроводу 4.

Процесс термолиза альтернативного топлива выполняется в термолизном реакторе 5, в который по трубопроводу 6 подается предварительно осушенное альтернативное топливо. Горячий воздух от технологического процесса производства цементного клинкера подается в термолизный реактор по трубопроводам 7, а байпасные продукты цементной печи, в соответствии с изобретением, - по трубопроводу 8. В термолизном реакторе выполняется термолиз фосфоросодержащего альтернативного топлива, причем содержащийся в нем фосфор приобретает минералогический состав, позволяющий использовать его для растений. Одновременно, посредством носителей галогенов, поступающих по трубопроводу 8, и, в особенности, посредством хлоридов, тяжелые металлы преобразуются в летучие галогениды тяжелых металлов, которые отводятся вместе с газом, образующимся при термолизе, по трубопроводу 9. Если продуктовый газ является горючим газом, он направляется в газоочиститель 10. В газоочистителе галогениды тяжелых металлов преобразуются в твердую форму и могут выводиться по трубопроводу 11, в то время, как образующийся при термолизе газ направляется по трубопроводу 12 в технологический процесс производства цементного клинкера. Опционально продуктовый газ термолиза может подаваться по трубопроводу 13 и использоваться для обогрева термолизного реактора, если он является дымовым газом, который образовался в окисляющих условиях.

Остаток термолиза, содержащий фосфор в форме, которая может использоваться для растений, отводится из термолизного реактора по трубопроводу 14, направляется в теплообменник 15 для вторичного использования тепла и выводится по трубопроводу 16. Тепло из теплообменника 15 может снова направляться в технологический процесс производства цементного клинкера по трубопроводу 17.

Способ утилизации фосфоросодержащего альтернативного топлива при производстве цементного клинкера, при котором альтернативное топливо термолизируют с использованием тепла, которое образуют в одном из различных термолизньгх реакторов с вращающейся трубчатой печью и отводят из технологического процесса производства цементного клинкера; при этом высвободившуюся энергию направляют в технологический процесс производства цементного клинкера и остатки термолиза фосфоросодержащего альтернативного топлива выводят из термолизного реактора, отличающийся тем, что остатки термолиза фосфоросодержащего альтернативного топлива преобразуют в термолизном реакторе с помощью байпасных продуктов цементной печи в носители галогенов и образующиеся галогениды тяжелых металлов отводят. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат - снижение концентрации хлоридов в технологическом процессе производства цементного клинкера. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ утилизации фосфоросодержащего альтернативного топлива при производстве цементного клинкера, при котором альтернативное топливо термолизируют с использованием тепла, которое образуют в одном из различных термолизных реакторов с вращающейся трубчатой печью и отводят из технологического процесса производства цементного клинкера; при этом высвободившуюся энергию направляют в технологический процесс производства цементного клинкера и остатки термолиза фосфоросодержащего альтернативного топлива выводят из термолизного реактора, отличающийся тем, что остатки термолиза фосфоросодержащего альтернативного топлива преобразуют в термолизном реакторе с помощью байпасных продуктов цементной печи в носители галогенов и образующиеся галогениды тяжелых металлов отводят, причем температуру в термолизном реакторе регулируют в диапазоне от 600 до 1200°C.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержащий пыль и хлориды печной газ в виде байпасного продукта цементной печи отводят и направляют в термолизный реактор.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что снижение концентрации хлоридов, содержащихся в байпасной пыли цементной печи, как в байпасном продукте цементной печи, осуществляют при резком снижении температуры перед добавлением к остаткам термолиза фосфоросодержащего альтернативного топлива в термолизном реакторе.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что помимо байпасных продуктов цементной печи в качестве носителей галогенов используется хлоросодержащее альтернативное топливо.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что температуру в термолизном реакторе регулируют в диапазоне от 800 до 1100°C.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в термолизном реакторе регулируют условия окисления и тепло дымового газа, образующегося во время термолиза, поступает в технологический процесс производства цементного клинкера.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что для регулировки условий окисления добавляют окисляющие средства, такие как атмосферный воздух, предварительно нагретый воздух, выходящий из технологического процесса производства цементного клинкера, кислород, CO₂ и/или водяной пар.

8. Способ по одному из пп.1, 2, 7, отличающийся тем, что в качестве фосфоросодержащего альтернативного топлива используют осадок сточных вод.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что перед термолизом осадок сточных вод осушают.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что осадок сточных вод перед термолизом осушают до такого состояния, чтобы доля сухой массы составляла >60%.

11. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что для осушения осадка сточных вод используют тепло из технологического процесса производства цементного клинкера.