Способ сжигания твердого топлива во вращающихся печах цементного производства Российский патент 2024 года по МПК C04B7/44 B01D53/54 

Изобретение относится к способу сжигания твердого топлива во вращающихся печах цементного производства, и направлено на снижение выбросов NO_x из вращающихся печей в атмосферу при сжигании твердого топлива.

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 NO_2.

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 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 сжигания твердого топлива во вращающихся печах цементного производства, предусматривает подачу через топливную форсунку пылевидной топливной смеси, состоящей из твердого топлива и минерализатора, имеющей влажность не более 5%, полученной путем совместного помола до остатка на сите № 008 от 5 до 20% твердого топлива и минерализатора на основе ионов фтора, количество которого составляет в пересчете на ионы фтора 0,05-0,5% F^- от массы клинкера, а скорость вылета пылевидной топливной смеси 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, коксовая 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 26720,63 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 13,7 2 28306,2

В качестве минерализатора могут использоваться минерализаторы, например, плавиковый шпат, NaF, 2C₂S⋅CaF₂ и другие минерализаторы на основе ионов фтора F^-, используемые в цементной промышленности.

Таблица 2
Влияние минерализатора - плавикового шпата в составе топливной смеси на количество выбросов NO_х из вращающейся печи Количество минерализатора в пересчете на ион F^-, % от массы клинкера 0 0,05 0,1 0,3 0,5 Количество плавикового шпата в составе топливной смеси, % 0 1,43 2,82 8,02 12,68 Количество угля №1 в составе топливной смеси, % 100 98,57 97,18 91,98 87,32 Количество выбросов NO_x, % об. 0,095 0,091 0,088 0,076 0,068

Согласно заявленному изобретению твердое топливо и минерализатор 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 минерализатора в составе пылевидной топливной смеси соответствует вводу 0,05-0,5% иона фтора от массы получаемого клинкера.

Способ сжигания твердого топлива во вращающихся печах цементного производства осуществляется следующим образом. Твердое топливо, например уголь №1 и минерализатор, например плавиковый шпат c содержанием CaF₂ 15-97%, например 30% CaF₂, 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 50 м/с, через топливную форсунку на сжигание во вращающуюся печь, например, мокрого способа производства цемента размером ∅4×118 м производительностью 30 т/ч. Количество плавикового шпата, подаваемого через топливную форсунку в составе пылевидной топливной смеси в пересчете на ион фтора (F^-) составляет 0,05-0,5% F^- от массы клинкера, например 0,5% F^-. Количество твердого топлива в составе пылевидной топливной смеси - это количество твердого топлива, рассчитываемое по тепловому балансу вращающейся печи для осуществления процесса обжига 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 подбираемое на основе опытных данных завода. Для рассматриваемой вращающейся печи необходимое количество угля №1 составляет 7066 кг/ч, а ввод 0,5% F^- от массы клинкера соответствует вводу 1026 кг/ч плавикового шпата, содержащего 30% CaF₂. Следовательно для обеспечения подачи такого количества плавикового шпата с содержанием 30% CaF₂ необходимо получить путем совместного помола пылевидную топливную смесь, состоящую из 87,32% угля №1 и 12,68% плавикового шпата, содержащего 30% CaF₂. При сжигании такой пылевидной топливной смеси выбросы NO_x снижаются от 0,095% об. до 0,068% об. Влияние минерализатора - плавикового шпата с содержанием 30% CaF₂, в составе пылевидной топливной смеси с углем №1 на количество выбросов NO_x из вращающейся печи мокрого способа производства цемента размером ∅4×118 м и производительностью 30 т/ч представлено в таблице 2.

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 минерализатора затрудняется смешение твердого топлива с воздухом, вследствие чего процесс горения твердого топлива замедляется, и снижается температура факела в области повышенного теплонапряжения. Дополнительно температура факела уменьшается за счет снижения низшей теплоты сгорания рабочей массы топлива вследствие разбавления твердого топлива минерализатором, что равноценно увеличению зольности твердого топлива, при котором снижается температура факела, а также за счет отбора теплоты от факела на нагрев пылевидных твердых частиц минерализатора. Количество выбросов NO_x зависит от температуры факела, поэтому при снижении температуры факела снижается количество NO_x, образующегося при горении топлива.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображено влияние плавикового шпата, содержащего 30% CaF₂ в составе топливной смеси на количество выбросов NO_х из вращающейся печи мокрого способа производства цемента размером ∅4×118 м и производительностью 30 т/ч в зависимости от состава угля.

При подаче через топливную форсунку топливной смеси допустимое количество минерализатора ограничивается рекомендованным количеством для протекания процессов синтеза клинкера, например верхнюю границу интервала 0,05-0,5% F^- не рекомендуется превышать вследствие уменьшения активности клинкера. С другой стороны количество минерализатора ограничивается температурой факела, достаточной для поддержания необходимой температуры синтеза портландцементного клинкера. При обжиге клинкера 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. Частицы минерализатора, попадающие во вращающуюся печь, интенсифицируют процесс обжига, что позволяет снизить температуру обжига портландцементного клинкера при вводе плавикового шпата, например, до 1300°С, поэтому снижение температуры факела при вводе заявляемого количества минерализатора не будет оказывать негативного влияния на процесс обжига портландцементного клинкера.

Использование заявляемого изобретения позволит:

снизить выбросы NO_x из вращающейся печи в атмосферу.

Изобретение относится к способам сжигания твердого топлива во вращающихся печах цементного производства. Способ включает подачу через топливную форсунку пылевидной топливной смеси, состоящей из твердого топлива и минерализатора, имеющей влажность не более 5%, полученной путем совместного помола до остатка на сите № 008 от 5 до 20% твердого топлива и минерализатора на основе ионов фтора, количество которого составляет в пересчете на ионы фтора 0,05-0,5% F^- от массы клинкера, а скорость вылета пылевидной топливной смеси из топливной форсунки составляет 40-120 м/с. Технический результат заключается в снижении выбросов NO_x из вращающейся печи в атмосферу при сжигании твердого топлива. 1 ил., 2 табл.

Способ сжигания твердого топлива во вращающихся печах цементного производства, включающий подачу через топливную форсунку пылевидной топливной смеси, состоящей из твердого топлива и минерализатора, имеющей влажность не более 5%, полученной путем совместного помола до остатка на сите № 008 от 5 до 20% твердого топлива и минерализатора на основе ионов фтора, количество которого составляет в пересчете на ионы фтора 0,05-0,5% F^- от массы клинкера, а скорость вылета пылевидной топливной смеси из топливной форсунки составляет 40-120 м/с.