СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА ИЗ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ ЦЕМЕНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2024 года по МПК B01D53/54 C04B7/44 B01D53/56 C04B7/42 F27B7/20 

Изобретение относится к способам снижения выбросов оксидов азота NO_x из вращающейся печи цементного производства.

NO_x – собирательное название оксидов азота NO и NO₂. Преобладающую часть выбросов NO_x из вращающейся печи представляет NO, доля которого составляет 93-97%. Количество NO₂ составляет 3-7%. NO в атмосфере быстро окисляется до NO₂.

В цементной промышленности NO_x образуется при сжигании любого вида топлива (твердого, жидкого или газообразного) во вращающейся печи. Повышенная концентрация NO_x в атмосфере приводит к возникновению кислотных дождей, к ухудшению здоровья человека и способствует снижению численности насекомых-опылителей, а также способствует возникновению парникового эффекта. Поэтому выбросы NO_x в атмосферу ограничивают.

Известны способы, в которых с целью осуществления процесса обжига портландцементного клинкера (клинкера) во вращающейся печи цементного производства используется твердое топливо, подающееся через топливную форсунку [О.И. Авраменко, В.К. Классен, В.М. Копелиович, А.Ф. Матвеев. Промышленность строительных материалов. Сер. 1: Цементная промышленность, Вып. 3: Твердое топливо и его использование в цементной промышленности. – М.: ВНИИЭСМ, 1980. С. 36-38]

Одним из недостатков данных способов является высокое значение выбросов NO_x из вращающейся печи при обжиге клинкера.

Для снижения выбросов NO_x в цементной промышленности могут быть использованы специальные системы селективного каталитического и некаталитического восстановления NO_x., являющиеся отдельными системами. Однако, исходя из экономических соображений, вместо установки таких систем более целесообразны технические решения, встроенные непосредственно в технологический процесс обжига портландцементного клинкера.

Наиболее близким решением по технической сущности, принятым за прототип, является способ, в котором в процессе обжига портландцементного клинкера через топливную форсунку во вращающуюся печь подается твердое топливо, а снижение выбросов NO_x достигается за счет особой конструкции топливной форсунки [Л. Риччи. Снижение эмиссии NO_x на действующих линиях производства цемента / Цемент и его применение, №6. – 2015. С. 61-62. ISSN 1607-8837].

Однако использование данного способа недостаточно сильно снижает выбросы NO_x из вращающейся печи и требует усложнения конструкции топливной форсунки.

Изобретение направлено на снижение выбросов NO_x из вращающейся печи в атмосферу при сжигании твердого топлива.

Это достигается тем, что способ снижения выбросов оксидов азота из вращающейся печи цементного производства предусматривает подачу через топливную форсунку пылевидной топливной смеси, состоящей из твердого топлива и карбонатного компонента, имеющей влажность не более 5%, полученной путем совместного помола до остатка на сите № 008 от 5 до 20% твердого топлива и карбонатного компонента, количество которого составляет до 50% от массы пылевидной топливной смеси, а скорость ее вылета из топливной форсунки составляет 40-120 м/с.

В качестве исходного твердого топлива может использоваться твердое топливо, применяемое в цементной промышленности: каменный уголь, горючие сланцы, бурые угли, коксовую мелочь и др., а также их смеси между собой в различных комбинациях. Применяемое твердое топливо должно обладать низшей теплотой сгорания рабочей массы топлива ≥ 21 МДж/кг [D1 – Производство цемента. Информационно технический справочник по наилучшим доступным технологиям. ИТС 6 – 2015, М.: Бюро НДТ, 2015. – С. 94.].

Для сравнения эффективности работы заявленного изобретения в качестве твердого топлива были использованы три вида угля. Характеристика углей представлена в таблице 1, где С^р, Н^р, N^р, О^р, S^р – углерод, водород, азот, кислород и сера соответственно, содержащиеся в рабочей массе топлива; А^р – зольность рабочей массы топлива, W^р – влажность рабочей массы топлива, – низшая теплота сгорания рабочей массы топлива.

Таблица 1
Характеристика твердого топлива Топливо Состав рабочей массы топлива, мас. % С^р Н^р N^р О^р S^р А^р W^р кДж/кг Уголь №1 69,8 3,8 0,7 7,7 0,2 16,8 1 26734,5 Уголь №2 59,2 3,7 0,6 16,9 1,9 15,7 2 22196,3 Уголь №3 78,8 1,6 0,8 1,3 1,8 15,7 2 28365,7

В качестве карбонатного компонента могут использоваться природные и техногенные материалы, содержащие карбонат кальция, например, известняк, мел, мергель, химически осажденный мел и др. с титром не менее 90%

Таблица 2
Влияние карбонатного компонента – известняка в составе пылевидной топливной смеси на количество выбросов NO_x Количество известняка в составе пылевидной топливной смеси, % 0 1 5 10 20 50 Количество угля № 3 в составе пылевидной топливной смеси, % 100 99 95 90 80 50 Количество выбросов NO_x из вращающейся печи, % об. 0,109 0,104 0,090 0,077 0,058 0,030

Согласно заявленному изобретению твердое топливо и карбонатный компонент совместно измельчаются до остатка на сите № 008 от 5 до 20%, превращаясь в пылевидную топливную смесь. Пылевидная топливная смесь подается со скоростью 40-120 м/с через топливную форсунку во вращающуюся печь, где происходит горение пылевидной топливной смеси. Количество карбонатного компонента в составе пылевидной топливной смеси составляет до 50%. При горении пылевидной топливной смеси снижается количество выбросов NO_x.

Способ снижения выбросов оксидов азота из вращающейся печи цементного производства осуществляется следующим образом. Твердое топливо, например уголь № 3, и карбонатный компонент, например известняк с титром 95% в количестве, например 50% от массы пылевидной топливной смеси, совместно измельчаются до остатка на сите № 008 от 5 до 20%, например до 5%. Полученная пылевидная топливная смесь подается со скоростью 40-120 м/с, например со скоростью 50 м/с, через топливную форсунку на сжигание во вращающуюся печь, например, мокрого способа производства цемента размером ∅4 х 118 м производительностью 30 т/ч. Количество твердого топлива в составе пылевидной топливной смеси это количество твердого топлива, рассчитываемое по тепловому балансу вращающейся печи для осуществления процесса обжига портландцементного клинкера [D2 - В.К. Классен. Технология и оптимизация производства цемента: краткий курс лекций: учеб. пособие / В.К. Классен. – Белгород: изд-во БГТУ, 2012. – С. 104] или количество твердого топлива, подбираемое на основе опытных данных завода. Для рассматриваемой вращающейся печи необходимое количество угля №3 составляет 6660 кг/час. Следовательно 50% известняка в составе топливной смеси соответствует количеству 6660 кг/час. А общая масса подаваемой пылевидной топливной смеси составляет 13320 кг/час. При горении такой пылевидно топливной смеси количество выбросов NO_x из вращающейся печи снижается c 0,109% об. до 0,030% об. Влияние карбонатного компонента – известняка с титром 95% в составе пылевидной топливной смеси с твердым топливом – углем № 3 на количество выбросов NO_x из вращающейся печи мокрого способа производства цемента размером ∅4 х 118 м производительностью 30 т/ч представлено в таблице 2.

Клинкер получают из портландцементной сырьевой смеси, в которой поддерживается заданное количество карбонатного компонента. Поэтому количество подаваемого во вращающуюся печь известняка необходимо уменьшить на то количество известняка, которое вносится в составе пылевидной топливной смеси, т.е. на 6660 кг/ч. Такая корректировка проводится с целью сохранения модульных характеристик клинкера.

При сжигании твердого топлива во вращающихся печах цементного производства возникают рациональный или нерациональный факелы. Они отличаются по положению температурного максимума на расстоянии от горячего обреза вращающейся печи цементного производства. Температурный максимум рационального факела располагается на расстоянии 12±2 м, а у нерационального факела - 20±4 м. В этих областях достигается наибольшее теплонапряжение топочного пространства. На скорость горения твердого топлива и характер факела оказывает значительное влияние скорость смешения твердого топлива с воздухом до точки воспламенения. Вовлечение большого количества воздуха в топливную струю до точки воспламенения обуславливает формирование нерационального факела на расстоянии 20±4 м, характеризующегося меньшей протяженностью и более высокой температурой в области повышенного теплонапряжения. В присутствии пылевидных твердых частиц карбонатного компонента затрудняется смешение твердого топлива с воздухом, вследствие чего процесс горения твердого топлива замедляется, и снижается температура факела в области повышенного теплонапряжения. При этом тепло факела затрачивается на нагревание пылевидных частиц карбонатного компонента, что также снижает температуру факела. При нагревании пылевидных частиц карбонатного компонента происходит процесс их декарбонизации. Этот процесс является эндотермическим и затрачивает для своего протекания тепло факела, что также приводит снижению его температуры. Дополнительно температура факела уменьшается за счет снижения низшей теплоты сгорания рабочей массы топлива вследствие разбавления топлива карбонатным компонентом, что равноценно увеличению зольности топлива, при котором снижается температура факела. При снижении температуры факела снижается количество NO_x, образующегося при горении топлива.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображено влияние карбонатного компонента – известняка с титром 95% на количество выбросов NO_x из вращающейся печи мокрого способа производства цемента размером ∅4 х 118 м производительностью 30 т/ч в зависимости от характеристик твердого топлива - угля.

Количество карбонатного компонента подбирается в зависимости от характеристик угля и требуемой температуры факела. При сжигании топлива минимально возможная температура факела должна быть примерно на 100°С выше, чем температура, необходимая для завершения процессов клинкерообразования [D3 - Бутт Ю.М., Дудеров Г.Н., Матвеев М.А. Общая технология силикатов. Учебник для техникумов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1976. – С. 146]. Обычная температура обжига портландцементного клинкера составляет 1450°С. Следовательно температура факела должна быть не ниже 1550°С.

Использование заявляемого изобретения позволит:

снизить выбросы NO_x из вращающейся печи в атмосферу

Изобретение относится к способам снижения выбросов оксидов азота NO_x из вращающейся печи цементного производства. Описан способ снижения выбросов оксидов азота из вращающейся печи цементного производства, предусматривающий подачу через топливную форсунку пылевидной топливной смеси, состоящей из твердого топлива и карбонатного компонента, имеющей влажность не более 5%, полученной путем совместного помола до остатка на сите № 008 от 5 до 20% твердого топлива и карбонатного компонента, количество которого составляет до 50% от массы пылевидной топливной смеси, а скорость ее вылета из топливной форсунки составляет 40-120 м/с. Технический результат - снижение выбросов NO_x из вращающейся печи в атмосферу при сжигании твердого топлива. 1 ил., 2 табл.

Способ снижения выбросов оксидов азота из вращающейся печи цементного производства, предусматривающий подачу через топливную форсунку пылевидной топливной смеси, состоящей из твердого топлива и карбонатного компонента, имеющей влажность не более 5%, полученной путем совместного помола до остатка на сите № 008 от 5 до 20% твердого топлива и карбонатного компонента, количество которого составляет до 50% от массы пылевидной топливной смеси, а скорость ее вылета из топливной форсунки составляет 40-120 м/с.