Введение к работе
Актуальность проблемы. Промышленность строительных материалов всегда являлась крупным потребителем сырьевых и энергетических ресурсов, и естественно, что ее основная подотрасль - производство цемента - также относится к числу энергоемких технологий.
Изменившиеся в последнее время экономические условия - рост цен на топливо, электроэнергию, транспортные перевозки, материалы, - привели к повышению удельного веса материальных затрат в себестоимости цемента до 75-85%, в т.ч. топлива и электроэнергии - более 50%. Поэтому ресурсосбережение, всегда относившееся к числу основных направлений повышения энергетической, экономической и экологической эффективности цементного производства, сегодня приобретает особую значимость.
Используемые для снижения себестоимости цемента на 10-15% традиционные методы интенсификации цементного производства, такие как перевод завода с мокрого способа производства на сухой или полусухой и другие, являются высокозатратными. Для реконструкции производства мощностью 1 миллион тонн цемента в год требуется более 600 миллионов рублей. Поэтому такие методы практически нереатизуемы в настоящее время. В связи с этим наиболее перспективными становятся технологические приемы интенсификации производства и энергосбережения, не требующие существенной реконструкции, сложных технических решений и позволяющие-заводам без привлечения внешних инвестиций собственными силами реализовать такие разработки.
К числу таких решений относятся технологически жестко связанные между собой разработки по оптимизации состава исходной сырьевой шихты и созданию новой комбинированной системы обжига портланцементного клинкера.
Комплексное их сочетание - оптимизация на основе эксергетического анализа состава сырьевых шихт и выбор параметров комбинированной системы обжига клинкера, а также разработка автоматизированных систем расчета для их эффективной реализации, составляет главное содержание настоящей работы и предопределяет ее актуальность.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом Государственных научно-технических программ «Теоретические основы химической технологии», «Ресурсосбережение и экологически чистые процессы металлургии и химии».
Цель работы - снижение энергозатрат в производстве цемента за счет оптимизации на основе эксергетического анализа состава сырьевых шихт и параметров комбинированной системы обжига клинкера с использованием разрабатываемых для этого автоматизированных систем расчета. В связи с этим в работе поставлены и решены следующие задачи:
Развитие эксергетического анализа в технологии цемента для разработки методики многокритериальной оптимизации состава сырьевых шихт и расчета оптимальных параметров комбинированной системы обжига клинкера, обес-
печивающих при их реализации снижение энергозатрат и максимальную активность клинкера.
Разработка комплексной технологической оценки состава сырьевых шихт и проверка ее применимости с использованием результатов независимых многолетних стандартных исследований, проведенных в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях.
Разработка автоматизированной системы расчета и выбора оптимального состава сырьевых шихт и ее внедрение на предприятиях для исследовательских целей и решения производственных задач.
Исследование нового способа организации процессов приготовления и обжига комбинированной сырьевой смеси.
Оценка энергетической эффективности комбинированной системы обжига клинкера, состоящей из вращающейся печи и технологического модуля ме-ханотермохимического превращения сырья, в том числе при изменении управляющих воздействий в модуле - расхода карбонатных материалов и степени их декарбонизации.
Определение оптимальных параметров комбинированной обжиговой системы на основе эксергетического КПД и ее внедрение для условий АО «Сода».
Научная новизна.
На основе эксергетического анализа предложена новая комплексная технологическая оценка состава сырьевых шихт, являющаяся критерием выбора шихт, количественно учитывающая одновременно энергозатраты при обжиге, условную скорость превращения сырья в клинкер и его активность,
На основании расчетов большого числа сырьевых композиций и шихт, показано однозначное соответствие модульных характеристик шихты и эксерге-тических характеристик исходных компонентов, шихты, шлама и клинкера. Это обосновывает и подтверждает возможность решения задачи выбора по этим данным оптимального состава шихты с пониженным расходом топлива при обжиге клинкера и с максимальной его активностью, что особенно важно при изменении вида сырьевых компонентов и их свойств.
Предложен новый способ организации процессов приготовления и обжига комбинированной сырьевой смеси путем раздельного приготовления сырьевого шлама традиционным способом и термообработанной тонкомолотой сырьевой муки в реакторе-декарбонизаторе-измельчителе (РДИ) с последующим их объединением и обжигом в печи.
Показано, что вид и количество подаваемого в РДИ материала зависит от соотношения эксергий карбонатного и глинистого потоков.
Получены зависимости эксергетического КПД системы от управляющих параметров (количество подаваемого известняка и степень его декарбонизации) для условий АО «Сода». Они позволили повысить эффективность работы комбинированной системы обжига.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработана автоматизированная система расчета (АСР) и выбора оптимального состава сырьевых шихт, применимость которой доказана расчетными исследованиями большого числа сырьевых композиций и технологически допустимых шихт. АСР ориентирована на широкий круг пользователей, предназначена для учебно-исследовательских целей и решения производственных задач.
АСР внедрена на ряде предприятий: АО «Осколцемент», АО «Сода», АО «НИИцемент», кафедра ХТСМ МИКХиС. Экономический эффект от внедрения АСР на АО «Осколцемент» составляет не менее 420 тыс. руб.
Показана принципиальная возможность снижения энергозатрат в действующих обжиговых системах путем подачи в печь одновременно сырьевого шлама и термообработанной тонкомолотой сырьевой муки.
Результаты исследований использованы при внедрении комбинированной обжиговой системы в условиях АО «Сода». Испытания системы подачи «не-допала» в зону подогрева вращающейся печи показали существенное снижение энергозатрат: удельный расход топлива снижен на 10%, производительность печи увеличилась на 11%, активность клинкера повышена на 8%. Экономический эффект составляет 0,9 млн.руб.
Разработки по совместному использованию автоматизированной системы расчета и комбинированной системы обжига клинкера включены в состав комплексной «Программы снижения себестоимости цемента на 10-15% при сроке окупаемости затрат меньше 1-го года», переданной в Госстрой России.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и представлены на I Международном ( IX Всесоюзном) Совещании по химии и технологии цементов, Москва, 1996г., РХТУ им.Д.И.Менделеева ; на Международной конференции "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсо-сбережение в условиях рыночных отношений " (XIV научные чтения), БелГТАСМ, Белгород, 1997г.; XII Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии., г. Москва, 1998 г.; XII Международной научной конференции, г. Великий Новгород, 1999 г.; V Международной научной конференции., г. Казань, 1999 г.
Публнкащш. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в т.ч. два патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав,
общих выводов, списка использованной литературы, включающего 135 наиме
нований. Общий объем диссертации страниц.