Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ энергетической эффективности и прогноз резерва интенсивного энергосбережения действующего теплотехнологического комплекса производства цементного клинкера на базе естественных сырьевых материалов 21
1.1. Технологическая и структурная схемы производства цементного клинкера по мокрому и сухому способам 21
1.2. Компьютерная программа и исходные данные для анализа энергоиспользования и прогнозных характеристик энергосбережения действующих комплексов производства цементного клинкера по мокрому и сухому способам 25
1.3. Видимый удельный расход топлива и геометрические характеристики вращающихся печей мокрого и сухого способов производительностью 70 тонн клинкера в час 29
1 4. Карта энергоматериалопотребления и энергоемкость производства цементного клинкера по мокрому способу 33
1.5. Карта энергоматериалопотребления и энергоемкость производства цементного клинкера по сухому способу 35
1.6. Энергоемкость "производства" цементного клинкера по мокрому способу в ТТК с термодинамически идеальной теплотехнологической установкой 38
1.7. Энергоемкость "производства" цементного клинкера по сухому способу в ТТК с термодинамически идеальной теплотехнологической установкой 42
1.8. Критерии энергоиспользования, теоретически минимальное технологическое теплоэнергопотребление, критерии энергетической эффективности мокрого (вариант I) и сухого (вариант II) способов производства цементного клинкера 44
Глава 2 Анализ энергетической эффективности производства цементного клинкера по вариантам III и IV 50
2.1. Технологическая и структурная схемы производства цементного клинкера по вариантам III и IV 50
2.2. Компьютерные программы и исходные данные для анализа энергоиспользования и прогнозных характеристик энергосбережения ТТК производства цементного клинкера по вариантам III и IV
2.3. Видимый удельный расход топлива и геометрические характеристики теплотехнологических установок ТТК производства цементного клинкера по вариантам III и IV
2.4. Карта энергоматериалопотребления и энергоемкость технологии производства цементного клинкера вТТКз по варианту III 61
2.5. Карта энергоматериалопотребления и энергоемкость технологии производства цементного клинкера в ТТК4 по варианту IV 63
2.6. Энергоемкость "производства" цементного клинкера по варианту III с термодинамически идеальными теплотехнологическими установками 6 5
2.7. Энергоемкость "производства" цементного клинкера по варианту IV с термодинамически идеальными теплотехнологическими установками 68
2.8. Критерии энергоиспользования, теоретически минимальное технологическое теплоэнергопотребление, критерии энергетической эффективности производства цементного 73
клинкера по варианту III варианту IV "
Глава 3 Анализ энергетической эффективности комбинированного производства клинкерного полупродукта и металлургического полупродукта на металлургическом предприятии (вариант VM ) .. 78
3.1. Технологическая и структурная схемы комбинированного производства 78
3.2. Компьютерная программа и исходные данные для расчета энергетических и некоторых геометрических характеристик теплотехнологических установок ТТС5м производства клинкерного полупродукта и металлургического полупродукта 81
3.3. Энергетические и геометрические характеристики, принципиально-конструктивные схемы теплотехнологических установок ТТС производства К-П и М-П по варианту VM
3.4. Карта энергоматериалопотребления и общий приведенный удельный расход первичного топлива на подготовку К-П и М-П по варианту VM
3.5. Общий приведенный удельный расход первичного топлива на "подготовку" К-П и М-П в ТТС с термодинамически идеальными теплотехнологическими установками
3.6. Критерии энергоиспользования и теоретически минимальное технологическое теплоэнергопотребление комбинированного производства К-П и М-П по варианту VM
Глава 4 Анализ энергетической эффективности ТТС5Ц производства цементного клинкера на базе К-П (вариант Vu) 97
4.1. Технологическая и структурная схемы ТТС5ц 97
4.2. Компьютерная программа и исходные данные для анализа энергоиспользования и прогнозных характеристик энергосбережения ТТС5ц производства цементного клинкера на основе К-П по варианту
4.3. Видимый удельный расход топлива и геометрические характеристики элементов теплотехнологической установки ТТСзц производства цементного клинкера на основе К-П по варианту V ^0 4.4. Карта энергоматериалопотребления и приведенный удельный расход первичного топлива на реализацию технологии производства цементного клинкера в ТТС5ц по варианту V
4.5. Карта энергоматериалопотребления и приведенный удельный расход топлива на реализацию технологии производства цементного клинкера на основе К-П в ТТС5ц с термодина мически идеальными теплотехнологическими установками
4.6. Критерии энергоиспользования, теоретически минимальное технологическое теплоэнергопотребление, критерии энергетической эффективности производства цементного клинкера по варианту V
Выводы по главе 4 111
Общие выводы по работе 114
Список литературы 116
Приложение 1
- Компьютерная программа и исходные данные для анализа энергоиспользования и прогнозных характеристик энергосбережения действующих комплексов производства цементного клинкера по мокрому и сухому способам
- Видимый удельный расход топлива и геометрические характеристики теплотехнологических установок ТТК производства цементного клинкера по вариантам III и IV
- Компьютерная программа и исходные данные для расчета энергетических и некоторых геометрических характеристик теплотехнологических установок ТТС5м производства клинкерного полупродукта и металлургического полупродукта
- Компьютерная программа и исходные данные для анализа энергоиспользования и прогнозных характеристик энергосбережения ТТС5ц производства цементного клинкера на основе К-П по варианту
Введение к работе
Актуальность работы.
Развитие экономической ситуации в России зависит от состояния промышленного теплотехнологического комплекса страны. Ключевой энергетической проблемой данного комплекса является энергосбережение. Проблема энергосбережения особо актуальна для энергоемких отраслевых теплотехнологических комплексов, таких как черная и цветная металлургия, промышленность строительных материалов.
Эти теплотехнологические комплексы (ТТК) в своей принципиальной основе сложились еще в «доэкологический период», когда не наблюдалось даже ростков таких современных острых проблем, как глубокое энергосбережение, экономия минеральных ресурсов, экологическая безопасность, экономия пресной воды. Они формировались, бурно развиваясь, но вместе с этим в главном в существенной мере оставались в рамках начальных принципиальных основ технологий и соответствующих технических средств.
Одним из числа наиболее энергоемких теплотехнологических комплексов в стране является цементная промышленность. При годовом производстве цемента в 45,6 млн.т/год (2004 год) энергоемкость производства цементного клинкера (основы цемента) для наиболее распространенной системы производства (мокрый способ) составляла 276 кг.ут/т.кл. Проблема высокой энергоемкости одновременно усугубляется и относительно низким коэффициентом полезного использования энергии (КПИ) - на уровне 25 %.
Существующий широкий комплекс исследовательских работ, ориентированный на проблему экономии топливо-энергетических ресурсов, в основном включает: мероприятия совершенствования технологического оборудования и теплообменных процессов: перевод с мокрого способа на сухой и полусухой способы производства; получение плавленого клинкера; солевая технология получения клинкера; изменение сырьевых компонентов и использование шлаковых добавок и т.д.
Но вместе с тем имеются еще значительные резервы энергосбережения, основанные на использовании альтернативных сырьевых компонентов (металлургических шлаков), при этом органически вписываясь в технологическую схему предприятия черной металлургии.
Цель работы: выявление перспективных направлений дальнейшего и существенного повышения энергетической эффективности производства цементного клинкера обжигом с оценкой при этом как принципиально возможного, так и расчетно-практического уровня энергосбережения.
Эта цель достигалась на базе решения следующих задач:
-
определение структуры и іраниц замкнутых теплотехнологических комплексов (ЗТТК) действующего производства цементного клинкера по мокрому и сухому способам;
-
формирование состава альтернативных вариантов производства цементного клинкера обжигом, потенциально отличающихся энергетической эффективностью, и разработка общего подхода к решению задач и поиску перспективных моделей энергоматериалосберегающих теплотехнологических комплексов производства цементного клинкера обжигом; і — — -
і РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ , I БИБЛИОТЕКА J
-
проведение анализа энергетической эффективности и прогноза потенциала резерва интенсивного энергосбережения действующих (мокрого и сухого способов) и альтернативных вариантов теплотехнологических комплексов производства цементного клинкера обжигом;
-
создание комплекса компьютерных программ для анализа энергоиспользования в замкнутых теплотехнологических комплексах производства клинкера, расчета критериев их энергетической эффективности и определения основных характеристик теплотехнологических объектов;
-
установление опорных энергетических характеристик альтернативных вариантов производства цементного клинкера обжигом.
Методика проведения исследований. Формирование общего метода решения энергетических задач работы основывается на положениях концепции интенсивного энергосбережения, разработанной А.Д.Ключниковым. При этом концептуальная логика поиска перспективных моделей энергоматериалосберегающих теплотехнологических объектов основывается как на базе поиска, так и на алгоритме поиска.
База поиска включает: объект (замкнутый ТТК производства цементного клинкера обжигом); ориентир (термодинамически идеальная модель [ТДИМ] ТТК с экстремальной тепловой схемой); средства (предельно полный состав мероприятий интенсивного энергосбережения); критерии энергоиспользования и критерии энергетической эффективности (в том числе и новые).
Этапами алгоритма поиска являются: технологическая, структурная, тепловая схемы и температурный график тешютехнологии действующего ТТК; карта энергоматериалопотребления и определение энергоемкости производства цементного клинкера в ТТК; тепловая схема и температурный график ТДИМ ТТК (эталон предельно высокой энергетической эффективности); технически реализуемая (практическая) модель технологии ТТК; тепловая схема и температурный график технически реализуемой ТТК; теплотехнические и принципиально-конструктивные схемы элементов этой ТТК; расчетные показатели ТТК (критерии энергоиспользования и энергетической эффективности).
Расчетные исследования базируются на разработанной диссертантом системе компьютерных программ, созданных для анализа энергоиспользования и прогнозных характеристик энергосбережения действующих комплексов производства цементного клинкера по мокрому и сухому способам (компьютерная программа №1) и моделей альтернативных комплексов производства цементного клинкера (компьютерные программы №2-5).
Компьютерные программы состоят из отдельных программных модулей известных методик расчета установок и отдельных теплотехнологических элементов**, а также авторских методик энергетического анализа ТТК, и являются единым взаимосвязанным программным комплексом. Блок-схема базовой компьютерной программы № 1 приведена на рис. 1.
Научная новизна работы: 1. Впервые, на базе концепции интенсивного энергосбережения, выступающей в качестве новой методологической базы решения фундаментальных задач
- Здесь и далее под ТДИМ ТТК понимается ТТК с термодинамически идеальной теплотехнологической обжиговой установкой
"- В изложении Воробьева X С, Мазурова А А , Соколова А Л Теплотехнические расчеты цементных печей и аппаратов.
расчет входящих и выходящих материальных потоков ЧТУ обжига цементного клинкер j
^
ІРасчет видимого расхода топлива, входящих и выходящих тепловых потоков ТТУ обжига цементного клинкера I
I Расчет поля температур во вращающейся печи|
ІРасчет диаметра и длины зон печи!
Мокрый способ і Сухой способ
Расчет температуры на границе вращающейся печи и циклонного теплообменнике
I Расчет количества и габаритов циклонові ІРасчет температуры уходящих газов из сушилки!
Приближенные затраты топлива на подготовку сырьевых материалої
и затраты электроэнергии в ТТК по переделам
1 Расчет энергоемкости ТТК производства цементного клинкера на уровне первичной энергии!
і * 1
| Расчет теоретически минимального технологического теплоэнергопо^ребления в ТДИМ TTKj
, м —
[Определение энергоемкости "производства" цементного клинкера в ТДИМ ТТК|
_»
| Расчет показателей энергетической эффективности I
^^---^ёывод^-^^^
Полученных данныхвг-
їналитической и графическое
форме
Рис 1. Блок-схема компьютерной программы №1
энергосбережения, проведен анализ энергоиспользования и энергетической эффективности, а также прогнозных характеристик резерва энергосбережения действующих и альтернативных вариантов производства цементного клинкера в границах замкнутых теплотехнологических комплексов;
2. Разработан комплекс компьютерных программ для расчета энергетических и
основных геометрических характеристик теплотехнологических установок, а также
показателей энергетической эффективности ТТК производства цементного клинкера
обжигом с использованием различных вариантов исходного сырья на основе
металлургических шлаков;
3. Впервые приводится и используется система новых критериев
энергоиспользования и критериев сравнительной оценки энергетической
эффективности применительно к теплотехнологическим системам (ТТС) и ТТК
производства цементного клинкера,
-
Разработаны термодинамически идеальные модели вариантов ТТК производства цементного клинкера обжигом, выступающих в качестве эталона предельно высокой их энергетической эффективности;
-
Результаты работы иллюстрируют новые возможности достижения радикального энергосберегающего эффекта в условиях комбинирования металлургического и цементного производств.
Практическая ценность: 1. Разработанный комплекс компьютерных программ позволит проводить анализ энергетической эффективности действующих систем производства цементного
клинкера на природном и комплексном сырье с использованием металлургических шлаков, а также расчет основных характеристик вращающихся печей обжига;
-
Результаты работы могут быть использованы для дальнейшего повышения энергетической эффективности производства цементного клинкера обжигом;
-
Приводятся данные, иллюстрирующие практически возможные рубежи крупномасштабного снижения затрат энергии в условиях комбинирования производства клинкерного и металлургического полупродуктов;
-
Результаты работы открывают практическую возможность одновременно с крупномасштабным энергосберегающим эффектом существенно снизить расход материальных (природных) ресурсов и повысить экологическую безопасность.
Автор защищает:
1. Предложенные пути повышения энергетической эффективности систем
производства цементного клинкера обжигом;
2. Методы и результаты энергетического анализа действующих и
альтернативных ТТК производства цементного клинкера и оценки уровня
возможного в них энергосберегающего эффекта.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на пятой (1999 г.) и седьмой (2001 г.) международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». МЭИ; второй международной научно-практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии», МИСиС (2002 г); первой (2002 г.) и второй (2004г.) всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение, теория и практика», МЭИ.
Публикации
Основные результаты диссертационной работы изложены в 6 опубликованных работах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 11 приложений. Работа изложена на 150 страницах текста и содержит 51 рисунок, 27 таблиц и список использованных источников из 100 наименований.
Компьютерная программа и исходные данные для анализа энергоиспользования и прогнозных характеристик энергосбережения действующих комплексов производства цементного клинкера по мокрому и сухому способам
Данная компьютерная программа (компьютерная программа №1) создана для расчета энергетических и основных геометрических характеристик теплотехнологических установок, а также показателей энергетической эффективности ТТК производства цементного клинкера обжигом по мокрому и сухому способам. В компьютерной программе отражено оборудование, характерное для действующих ТТК мокрого и сухого способов, (рис. 1.3 и 1.4)). ТТК! производства цементного клинкера по мокрому способу (вариант 1 древа альтернатив) имеет одну теплотехнологическую установку - ТТУ обжига цементного клинкера, включающую два элемента - вращающуюся печь и холодильник.
ТТКг производства цементного клинкера по сухому способу (вариант 2 древа альтернатив) включает две теплотехнологические установки: ТТУ обжига цементного клинкера и ТТУ сушки сырьевой смеси и добавок. ТТУ обжига цементного клинкера состоит из вращающейся печи, циклонного теплообменника и холодильника. ТТУ сушки сырьевой смеси и добавок состоит из одного элемента - сушильного барабана.
Компьютерная программа базируется на существующих методиках расчета геометрических и энергетических характеристик элементов теплотехнологических установок цементной промышленности, а также на авторской методике расчета энергоемкости ТТК, теплоэнергопотребления, энергоемкости в термодинамически идеальной модели (ТДИМ), а также показателей энергетической эффективности ТТК.
Блок-схема компьютерной программы №1 показана на рис.1.5. Описание компьютерной программы дается в приложении №1.
Компьютерная программа состоит из программных модулей существующих методик расчета телотехнологических элементов, а также авторских методик расчета энергетического анализа ТТК и является единым взаимосвязанным программным комплексом.
Данная компьютерная программа позволяет проводить подробный анализ энергетической эффективности существующих и проектируемых ТТК производства цементного клинкера по мокрому и сухому способам и может использоваться в учебном процессе при энергетическом анализе существующего производства, а также при проектировании нового ТТК производства цементного клинкера.
Компьютерная программа передана в НИИ Цемент и на кафедру ЭВТ МЭИ.Для проведения анализа энергетической эффективности и расчета основных характеристик теплотехнологических элементов ТТКі и ТТК2 были использованы следующие исходные данные:1. производительность ТТК - 70 т.кл/час. Производительность 70 т.кл/часхарактерна для крупных вращающихся печей и является наиболеераспространенной в нашей стране при производстве цементного клинкера [12].
Расчет этого и последующих вариантов проводился на даннуюпроизводительность;2. химический состав сухой сырьевой смеси (табл. 1.1); 3. влажность известняка - 9 %, влажность глины -18 % (в расчете принята средняя влажность известняка и глины по заводам россии).4. влажность шлама - 36% (люкрыи способ), сырьевой смеси -11% (сухой способ);5. топливо - природный газ;6. окислитель топлива - воздух.
Тепловая схема, тепловой и температурный графики теплотехнологических реакторов ТТУ показаны на рис. 1.6. и рис. 1.7. Графики имеют разделение по зонам: ПТО (зона предварительной тепловой обработки), ОТО (зона основной тепловой обработки), ТД (зона тепловой дообработки), ТРО (зона технологически регламентированного охлаждения), Э(ПКГ)м (зона подогрева компонентов горения за счет теплоты материала - технологического продукта), ТНРО (зона технологически нерегламентированного охлаждения в окружающей среде).
В результате расчета были получены энергетические и геометрические характеристики ТТУ, теоретически минимальное теплоэнергопотребление (технологическое теплоэнергопотребление), общая энергоемкость, критерии энергоиспользования и энергетической эффективности ТТК производства по мокрому и сухому способам.
Видимый удельный расход топлива во вращающейся печи мокрого способа, полученный в результате расчета теплового баланса (программныйспособа составил (Ь ид )2 =136,2 кг.ут./т.кл.
Расчетные данные хорошо согласуются с данными по действующим вращающимся печам одной производительности. Так усредненный видимый удельный расход топлива во вращающихся печах, производительностью 70т.кл/час, для мокрого способа составляет 208 кг.ут/т.кл , а для сухого способа, с применением циклонных теплообменников, составляет 137 кг.ут/т.кл .
Геометрические характеристики, полученные в результате расчета (программные модули №4 и №6) основных элементов ТТУ производства по мокрому способу и сухому способам (рис. 1.8) составляют: вращающаяся печь мокрого способа - длина 205 м, внутренний диаметр 5,0 м; вращающаяся печь сухого способа - длина 84 м, внутренний диаметр 5,1 м; циклонный теплообменник сухого способа - диаметр циклонов в свету для I ступени 4,9 м, для II ступени 4,6 м, для III ступени 4,2 м„ ступени общая высота циклона построенного по двухветвевой схеме - 16,4 м.
Расчетные данные по габаритам печей по сравнению с габаритами действующих печей отличаются не более 10% для печей мокрого и для печей сухого способа [12, стр.104,105].
На основе расчетных энергетических характеристик технологических элементов ТТКі (программные модули №2 и №9), и данных расчета материального баланса ТТК( (программный модуль №2), формируется карта энергоматериалопотребления в ТТК, отражающая движение материальных и энергетических потоков в ТТКі и иллюстрирующая элементы энергоемкости производства цементного клинкера в ТТК (рис 1.9).
Нумерация элементов карты энергопотребления совпадает с нумерацией элементов структурной схемы производства цементного клинкера по мокрому способу.
Энергоемкость производства цементного клинкера по мокрому способу на уровне первичной энергии определяется приведенным удельным расходомпервичного топлива в ТТКі - 2J (b )I , и составила
Здесь:= 233,9 кг.ут/т.кл - удельный расход первичного топлива, определяемый на основе видимого расхода топлива во вращающейся печи мокрого способа (Ьт )=211,2 кг.ут/т.кл, затрат топлива при его добыче - (Ьт )ь первичной обработке - (Ь р,)ь транспорте его от месторождения до производителя товарного топлива - (Ь р )ь при переработке в товарный вид - (Ь"ер )ь при транспортировке до конечного потребителя - (t 7 )ь что составляет
Видимый удельный расход топлива и геометрические характеристики теплотехнологических установок ТТК производства цементного клинкера по вариантам III и IV
При вышеперечисленных исходных данных, используя компьютерную программу №1, были получены энергетические и геометрические характеристики ТТУ, теоретически минимальное теплоэнергопотребление, общая энергоемкость комплекса, критерии энергоиспользования и энергетической эффективности производства цементного клинкера по варианту III и производства цементного клинкера из клинкерного полупродукта по варианту IV.
ТТК3 производства цементного клинкера включает две теплотехнологические установки; ТТУ обжига цементного клинкера (состоит из элементов - вращающаяся печь, циклонный теплообменник и холодильник) и ТТУ сушки сырьевой смеси и добавок (сушильный барабан).
ТТУ ТТС4м подготовки клинкерного полупродукта на металлургическом предприятии состоит из следующих элементов; ковш для огненно-жидких шлаков, декарбонизатор 11% известняка, сушилку 11% известняка, сушилку 89% известняка.
ТТС4ц производства цементного клинкера из клинкерного полупродукта на цементном предприятии включает две теплотехнологические установки: ТТУ производства цементного клинкера из клинкерного полупродукта (состоит из элементов - вращающаяся печь, циклонный теплообменник, холодильник) и ТТУ сушки сырьевой смеси и добавок (включает сушильный барабан).
Видимый удельный расход топлива во вращающейся печи по варианту III, полученный в результате расчета теплового баланса (программный модуль2), составил (b )3=86,9 кг.ут./т.кл, а видимый удельный расход топлива вовращающейся печи по варианту IV составил (Ь вд)4=59,3 кг.ут./т.кл.
Геометрические характеристики, полученные в результате расчета основных элементов ТТУ производства цементного клинкера по вариантам III и IV:- вращающаяся печь для варианта III (длина 60 м, внутренний диаметр 4,3 м);- циклонный теплообменник для варианта III (диаметр циклонов в свету для I ступени 4,1 м, для II ступени 3,8 м, для III ступени 3,4, общая высота циклона построенного по двухветвевой схеме - 13,5 м).- вращающаяся печь для варианта IV (длина 43 м, внутренний диаметр 3,8 м);циклонный теплообменник для варианта IV (диаметр циклонов в свету для I ступени 3,3 м, для II ступени 3,1 м, для III ступени 2,8 м, для IV ступени 2,5 м, общая высота циклона построенного по двухветвевой схеме -14,1 м).
На рис. 2.7. показаны сравнительные геометрические характеристики основных теплотехнологических элементов действующих ТТК (вариант I и II) и ТТК производства цементного клинкера по вариантам III, IV. тд
На основе расчета энергетических характеристик технологических элементов, а также расчета материального баланса ТТКз производства клинкера по варианту III, формируется карта энергоматериалопотребления (рис. 2.8).
Нумерация элементов карты энергопотребления совпадает с нумерацией элементов структурной схемы производства цементного клинкера по данному варианту (см. рис. 23.).
Энергоемкость производства цементного клинкера по варианту III на уровне первичной энергии составилаЭ3 = 0СР)з - (ЪТ)3 + (ЬГб)з + (ЬГ )з +(Ьт/М)з = 140,6 кг.ут/т.кл ,что на 31 % меньше энергоемкости сухого способа.
Здесь: (Ь"ерв)3=98,3 кг.ут/т.кл - удельный расход первичного топлива,определяемый на основе видимого удельного расхода топлива во вращающейся печи (86,9 кг.ут/т.кл) с учетом затрат топлива при добыче, первичной обработке и транспорте топлива (7,8 кг.у.т./т.кл), учитывая также расход первичного топлива (3,6 кг.у.т./т.кл) на отопление некоторых, связанных с технологией, производственных помещений;(Ьпреоб)з=26,4 кг.ут/т.кл - удельный расход преобразованного первичноготоплива, определяемый на основе технологических затрат электроэнергии (29,1 кВтч/т.кл) и вспомогательных затрат электроэнергии (27,7 кВтч/т.кл). Структура затрат электроэнергии на производство цементного клинкера по варианту III приведена в приложении (bT )2=14,3 кг.ут/т.кл - удельный расход эквивалентного топлива, определяемый на основе теплоты экзотермических реакций (415 кДж/кг.ут), включая реакцию образования метакаолина (4 кДж/кг.ут) и пересчета на условное топливо;(Ь м)з=1,6 кг.ут/т.кл - удельный расход топлива на подготовку и доставкусырьевых материалов в ТТК, определяемый по полным затратами топлива, связанным с подготовкой (1,1 кг.ут/т.кл) (см. приложение 4) и доставкой (0,5 кг.ут/т.кл) в ТТКз сырьевых материалов.На основе расчета энергетических характеристик технологических элементов, а также расчета материального баланса ТТК4 производства по варианту IV, формируется карта энергоматериалопотребления (рис. 2.9).
Энергоемкость производства цементного клинкера по варианту IV на уровне первичной энергии составилаЭ4 = 1;(ЬГ)4=(Ьтперв)4 + (ЬГб)4 + (ЬГ)4 + (Ь:/м)4 = Ю8,7 кг.ут/т.кл,что на 46 % меньше энергоемкости сухого способа производства и на 23 % меньше энергоемкости производства по варианту III.
Здесь: (Ь"ерв)4-68,2 кг.ут/т.кл - удельный расход первичного топлива,определяемый на основе видимого удельного расхода топлива во вращающейся печи (59,3 кг.ут/т.кл), затратами топлива при добыче, первичной обработке и транспорте топлива (5,3 кг.у.т./т.кл), учитывая также расход первичного топлива (3,6 кг.у.т./т.кл) на отопление некоторых, связанных с технологией, производственных помещений;
Компьютерная программа и исходные данные для расчета энергетических и некоторых геометрических характеристик теплотехнологических установок ТТС5м производства клинкерного полупродукта и металлургического полупродукта
ТТС5м производства клинкерного полупродукта и плавленого лома по варианту V включает следующие ТТУ: ТТУ подготовки огненно-жидких шлаков и производства М-П и ТТУ производства К-П. ТТУ производства клинкерного полупродукта состоит из следующих теплотехнологических элементов: декарбонизатор; холодильник; циклонный теплообменник и сушилка известняка.
Компьютерная программа базируется на существующих методиках расчета теплотехнических, геометрических и энергетических характеристик элементов теплотехнологических установок, а также на авторской методике расчета приведенного удельного расхода первичного топлива на подготовку К-П и М-П. и на "подготовку" К-П и М-П в ТДИМ, а также теоретически минимального технологического теплоэнергопотребления.
Блок-схема компьютерной программы №4 показана на рис.3.3. Описание компьютерной программы дается в приложении №6.
Данная компьютерная программа может использоваться припроектировании нового, комбинированного производства К-П и М-П. Онпозволяет проводить энергетический анализ и проследить изменениеразличных характеристик (в том числе габаритов) элементовтеплотехнологических установок при различных исходных данных.
Для расчета энергоемкости производства клинкерного и металлургического полупродуктов, а также основных характеристик теплотехнологических элементов были использованы следующие исходные данные:1. Производительность производства по клинкерному полупродукту - 71,4 тонн клинкерного полупродукта в час (с учетом потерь материала при подготовке К-П) или 70 тонн клинкера в час;2. Состав компонентов сухой сырьевой смеси для приготовления клинкерного полупродукта с учетом корольков металла (табл. 3.1).3. шлаков при производстве К-П (отношение 3 к 1) приближенно соответствует массе шлаков, получаемых при производстве чугуна и дальнейшей переработке этого чугуна в сталь с производительностью 106 т.ст/час или по отношению к К-П - 1,49 т.ст./т.к-п. Таким образом, мы получаем замкнутую систему материалоиспользования.4. Масса металла, выделяемого из шлаков- 32 кг/т.к-п определяется количеством корольков металла, содержащихся в шлаках (5 % от массы шлаков);5. Химический состав компонентов обедненной сухой сырьевой смеси для приготовления К-П и состав К-П, приведены в табл. 3.2;6. Масса жидкого металла (плавленый лом и корольки) выходящего из установки - определяется необходимым количеством плавленого лома в шихте кислородно-конвертерной плавки. При переходе от шихты кислородно-конвертерной плавки с составом 78% чугуна и 22 % лома (скрапа) к шихте 50 % чугуна, 50 % лома, требуется дополнительно расплавить 336 плавленого лома, что сэкономит 315,7 кг жидкого чугуна (расчет массы плавленого лома для кислородно-конвертерной плавки с составом шихты - 50 % чугуна, 50 % лома даны в приложении №7). Таким образом масса плавленого лома получаемого из установки, включая корольки составит 336 кг.п.л/т.ст, или в пересчете на К-П -501 кг.п.л./т.к-п;7. Масса лома, подающегося в установку (469 кг/т.к-п) - определяется массой плавленого лома за вычетом корольков металла из шлаков.8. Влажность известняка - 9%;9. Топливо - природный газ;10. Окислитель топлива - воздух, кислород;11. Температура смеси огненно-жидких доменных и сталеплавильных шлаков- 1530 С.
Тепловая схема, тепловой и температурный графики теплотехнических реакторов рассматриваемой ТТС5м показаны на рис.3.4.
По исходным данным, приведенным выше, были определены энергетические и геометрические характеристики ТТУ TTCsM производства К-П и М-П по варианту V .
Видимый удельный расход топлива в ТТУ подготовки огненно-жидких шлаков и производства М-П расчетно составил 31,2 кг.ут./т.к-п (программный модуль №2). Видимый удельный расход топлива в ТТУ производства клинкерного полупродукта, полученный в результате расчета теплового баланса определился на уровне 21,0 кг.ут./т.к-п (программный модуль №4).
Принципиально-конструктивная схема реактора ТТУ для подогрева огненно-жидких шлаков и производства М-П представлена на рис.3.5. Реактор состоит из двух зон: зоны подогрева и плавления лома и зоны подогрева шлака.
ТТУ подготовки огненно-жидких шлаков и плавления лома внутри огнеупорной футеровкой (рис. 3.6.). В верхнюю загрузочную часть декарбонизатора по течке подается известняк, предварительно подогретый в циклонном теплообменнике до 700 С. Совместно с подачей известняка на левой стороне теплообменника организован слив распыляемых огненно-жидких шлаков.
По расчетной оценке габариты декарбонизатора (программный модуль №5) составили: длина декарбонизатора -19 м, наружный диаметр - 3,5 м.
Циклонный теплообменник предназначен для нагрева известняка (до 700 С). Известняк во взвешенном состоянии подвергается воздействию отходящих газов. По расчетной оценке габариты циклонный теплообменник для варианта IV (диаметр циклонов в свету для I ступени 4,7 м, для II ступени 4,3 м, для III ступени 3,9 м общая высота циклона построенного по одноветьевой схеме -15,4 м).энергетических характеристик технологических элементов ТТС5м (программные модули №2 и №4), а также данных материального баланса ТТС5М (программный модуль №4), была сформирована карта энергоматериал опотреб л ения (рис. 3.8), иллюстрирующая материальные и энергетические потоки в ТТСбм Приведенный удельный расход первичного топлива на подготовку К-П на уровне первичной энергии определяется приведенным первичным удельным расходом топлива, и составил (в расчете на 1 тонну К-П)
Здесь: (Ь"ерв)5к_п=22,9 кг.ут/т.кл - удельный расход первичного топлива, определяемый видимым удельным расходом топлива на подготовку известняка (21,0 кг.ут/т.к-п), затратами топлива при добыче, первичной обработке и транспорте топлива (1,9 кг.у.т./т.к-п);("т )5.к-п=14,0 кг.ут/т.кл - удельный расход преобразованного первичного топлива, определяемый на основе технологических затрат электроэнергии - 15,0 кВтч/т.к-п, вспомогательных затрат электроэнергии (15,0 кВтч/т.к-п). Структура затрат электроэнергии на производство К-П данной ТТС5м приведены в приложении 8;(Ьт/м)5.к-п=1 1 кг.ут/т.кл - удельный расход топлива на подготовку и доставку сырьевых материалов в ТТК, определяемый по полным затратами топлива, связанным с подготовкой (0,8 кг.ут/т.к-п) (см. приложение 8) и доставкой (0,3 кг.ут/т.к-п) в ТТС сырьевых материалов.
Приведенный удельный расход первичного топлива на подготовку М-П на уровне первичной энергии определяется приведенным первичным удельным расходом топлива, и составил (в расчете на 1 тонну К-П)(ІХХм -п =(ЬГ)5м. + (ЬГб),м.п-(ЬГ),м. -44,4 кг.ут/т.кл.Здесь: (ЬтЄрв)5.м-п:=34,0 кг.ут/т.кл - удельный расход первичного топлива,определяемый видимым удельным расходом топлива на подогрев шлаков и плавление лома (31,2 кг.ут/т.к-п), затратами топлива при добыче, первичной обработке и транспорте топлива (2,8 кг.у.т./т.к-п);
Компьютерная программа и исходные данные для анализа энергоиспользования и прогнозных характеристик энергосбережения ТТС5ц производства цементного клинкера на основе К-П по варианту
Для расчета энергетических и основных геометрических характеристик теплотехнологических установок TTCsu производства цементного клинкера на основе К-П по варианту Vu была использована компьютерная программа №5. Компьютерная программа №5 основана на исходной компьютерной программе № 1. Для этого были внесены необходимые дополнения в программные модули №№ 2-7 компьютерной программы №1 (блок-схема показана на рис. 1.5), которые открывают возможность подачи избыточного воздуха, нагретого в холодильнике и не использованного при горении, в циклонный теплообменник. Расчет элементов ТТУ ТТС5ц производства цементного клинкера на основе К-П ведется по алгоритму сухого способа (рис. 1.5).
Для проведения расчетного анализа энергетической эффективности и расчета основных характеристик теплотехнологических элементов данной ТТСК были приняты следующие исходные данные:1. производительность системы - 70 тонн клинкера в час;2, химический состав К-П (табл. 4.1);
ТТУ ТТС5ц производства цементного клинкера состоит из следующих элементов: вращающаяся печь, циклонный теплообменник, холодильник.
Тепловая схема, тепловой и температурный графики теплотехнологического реактора ТТУ приведены на рис.4.3.
Видимый удельный расход топлива во вращающейся печи ТТСзц, полученный из расчета теплового баланса составил 12,0 кг.ут./т.кл.
В результате расчета основных элементов ТТУ ТТСзц производствацементного клинкера были получены следующие геометрическиехарактеристики:- вращающаяся печь - длина 27 м, внутренний диаметр 2,2 м;- циклонный теплообменник - диаметр циклонов в свету для I ступени - 3,7 м, для II ступени - 3,6 м, для III ступени - 3,5 м, для IV ступени - 3,4 м, V ступень общая высота циклона построенного по двухветвевой схеме - 17,0 м.
Сравнительные геометрические характеристики вращающихся печей и циклонных теплообменников ТТС всех вариантов древа альтернатив приведены на рис. 4.4.
На рис. 4.5 показана карта энергоматериалопотребления ТТС5ц производства цементного клинкера по варианту Vu.
Нумерация элементов карты энергопотребления совпадает с нумерацией элементов структурной схемы по данному варианту (см. рис. 4.2.).
Приведенный удельный расход первичного топлива в TTCj» составилтоплива, определяемый на основе видимого удельного расхода топлива во вращающейся печи (12,0 кг.ут/т.кл) с учетом затрат топлива при добыче, первичной обработке и транспорте топлива (1,0 кг.у.т./т.кл), учитывая также расход первичного топлива (3,6 кг.у.тУт.кл) на производство пара для отопления некоторых, связанных с технологией производственных помещений;("т )5.ц14,5 кг.ут/т.кл - удельный расход преобразованного первичного топлива, определяемый технологическими затратами электроэнергии (8,3 кВтч/т.кл) и вспомогательными затратами электроэнергии (29,7 кВтч/т.кл), затратами первичного топлива на производство электроэнергии. Структура затрат электроэнергии на производство цементного клинкера по варианту Vu дана в приложении 9;(Ьт )з.ц=13,3 кг.ут/т.кл - удельный расход эквивалентного топлива, определяемый теплотой экзотермических реакций включая реакцию образования метакаолина (391 кДж/кг.ут) в пересчете на условное топливо; полным затратам топлива, связанным с доставкой (0,4 кг.ут/т.кл) в ТТС клинкерного полупродукта (затраты топлива на производство К-П относятся к металлургическому предприятию и учтены в главе III). При дальнем транспорте может быть некоторое увлажнение сырьевой смеси (этого следует избегать), что приводит к некоторому увеличению расхода топлива на обжиг.
На основе ЭИТ формируется термодинамически идеальная модель ТДИМТТС5ц с термодинамически идеальными ТТУ.На рис. 4.7. показаны тепловая схема, температурный и тепловой графикиТДИМ реактора "производства" цементного клинкера на основе К-П (вариант
