установка для получения обожженного насыпного материала

Формула изобретения

1. Установка для получения обожженного насыпного материала, в частности цементного клинкера, содержащая вращающуюся печь обжига насыпного материала и установленные за ней устройство предварительного охлаждения, осуществляемого путем вдувания водяного пара и загрузки топлива на охлаждаемый насыпной материал, и устройство окончательного охлаждения, отличающаяся тем, что устройство предварительного охлаждения представляет собой реактор, выполненный за одно целое с вращающейся печью и оборудованный средствами вдувания водяного пара и загрузки топлива на охлаждаемый насыпной материал.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр реактора превышает диаметр вращающейся печи.

3. Установка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что реактор установлен непосредственно перед разгрузочным концом вращающейся печи.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что средство для вдувания водяного пара выполнено в форме плиты с загнутыми краями для создания сопротивления поступающему в реактор материалу.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что место загрузки топлива расположено в зоне входа горячего насыпного материала в реактор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается установки для получения насыпного материала, в частности цементного клинкера.

Установка для получения насыпного материала, в частности цементного клинкера, состоит в основном из вращающейся печи для обжига насыпного материала, а также из установленного после нее охлаждающего устройства для охлаждения горячего насыпного материала.

Выходящий из вращающейся печи горячий насыпной материал обычно с помощью воздуха охлаждается до температуры хранения и обработки. Теплота, отдаваемая насыпным материалом воздуху, где-то в объеме 75% вновь возвращается вместе с воздухом, предназначенным для сжигания топлива, непосредственно во вращающуюся печь. Оставшиеся 25% теплоты, содержащейся в воздухе, являются избыточным отработанным воздухом, который - если нет никаких внешних возможностей для утилизации - выходит в атмосферу в виде потерь.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является установка для получения обожженного насыпного материала, содержащая вращающуюся печь, устройство предварительного охлаждения, осуществляемого путем одновременного вдувания водяного пара и подачи топлива в насыпной материал, и устройство окончательного охлаждения [1]. В известном устройстве горячий насыпной материал охлаждают путем газификации топлива водяным паром, при котором реакция газификации оттягивает из горячего насыпного материала необходимую энтальпию реакции.

В основе изобретения поставлена задача создать способ получения насыпного материала, при котором может быть увеличено количество теплоты, рекуперированное для печи.

Поставленная задача решается тем, что в установке для получения обожженного насыпного материала, в частности цементного клинкера, содержащей вращающуюся печь обжига насыпного материала и установленные за ней устройство предварительного охлаждения, осуществляемого путем вдувания водяного пара и загрузки топлива на охлаждаемый насыпной материал, и устройство окончательного охлаждения, устройство предварительного охлаждения представляет собой реактор, выполненный за одно целое с вращающейся печью и оборудованный средствами вдувания водяного пара и загрузки топлива на охлаждаемый насыпной материал.

В установке диаметр реактора может превышать диаметр вращающейся печи.

В установке реактор может быть установлен непосредственно перед разгрузочным концом вращающейся печи.

В установке средство для вдувания водяного пара может быть выполнено в форме плиты с загнутыми краями для создания сопротивления поступающему в реактор материалу.

В установке место загрузки топлива может быть расположено в зоне входа горячего насыпного материала в реактор.

Горючий газ, образующийся во время реакции газификации, применяется для обжига насыпного материала во вращающейся печи. Необходимый для обжига дутьевой воздух предварительно нагревается с помощью последующего охлаждения горячего насыпного материала. С помощью подобного способа появляется возможность осуществлять окончательное охлаждение клинкера только с помощью утилизуемого воздуха, используемого для сжигания.

Горючий газ, образующийся во время реакции газификации, в частности водород и окись углерода, создает во вращающейся печи высокую температуру сгорания, в результат чего улучшается качество клинкера, а вращающаяся печь может иметь меньшие размеры.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показано: на фиг. 1, 2 - схематичное изображение установки по изобретению согласно первому и второму примерам выполнения, на фиг. 3 - продольный разрез по линии III-III фиг. 2.

Охлаждение насыпного материала осуществляется при использовании гетерогенной реакции водяного газа

C+H₂O CO+H₂-Q,

при этом одновременно образуется используемый в процессе горючий газ. Энтальпия Q реакции, которая во время реакции газификации вытягивается из горячего насыпного материала, составляет приблизительно 120 Дж/моль.

При этом виде охлаждения горячего насыпного материала экономия термической энергии для процесса, протекающего в печи, составляет до 100 ккал/кг насыпного материала.

К тому же при получении клинкера белого цемента его степень белизны может быть увеличена за счет уменьшающейся атмосферы.

В качестве горючего материала в расчет может приниматься, в частности, не только уголь с самыми разными соотношениями углеводорода, но и также масло, например тяжелое масло, которое имеет более высокую, чем уголь, долю водорода.

В качестве основного уравнения реакции служит:

C_xH_y+XH₂O XCO+(X+Y/2)H₂-Q

например,

CH₄+H₂O CO+3H₂-193 Дж/моль.

При изготовлении цементного клинкера, согласно способу по изобретению, используется теплота клинкера в диапазоне температур приблизительно от 1400^oC до приблизительно 950-1000^oC сначала для эндотермической реакции. Возникающий в этом технологическом процессе горючий газ подается непосредственно во вращающуюся печь 1, но может, однако, частично вводиться в предварительный кальцинатор подогревателя. Если же имеющегося в распоряжении тепла горючего газа недостаточно для процесса, протекающего в печи, то дополнительная потребность в теплоте покрывается за счет условного дополнительного нагрева.

Воздух, необходимый для сжигания топлива, предварительно нагревается за счет вторичного охлаждения клинкера, имеющего температуру приблизительно от 950 до 1000^oC. Это дает возможность эксплуатировать охлаждающее устройство без отработанного воздуха при соответствующем выборе параметров охлаждающего устройства и экономит тем самым значительные инвестиционные и эксплуатационные расходы.

Определенные узлы реактора, которые по причине термической стойкости материала должны охлаждаться, могут быть эффективно защищены с помощью охлаждающей воды, при этом нагретая вода может быть использована для получения водяного пара.

Зола, содержащаяся в горючем материале, подаваемом на газификацию, не влияет на химический состав клинкера и ее не надо учитывать в рецептуре свежеразмолотой муки. Кроме того, для газификации могут быть использованы дешевые горючие материалы с более высоким содержанием серы. Зола и свободное содержание извести в клинкере образуют соединения с гидравлическими свойствами. Сера в этой цепи реакций особенно хорошо адсорбируется и связывается, приобретая форму сульфата. В результате этого в противовес непосредственному вводу горючего материала внутренний цикл серы в печной установке разгружается и одновременно за счет образования сульфата на клинкере может уменьшиться необходимая добавка гипса, предназначенная для перемалывания цемента.

На фиг. 1 и 2 изображена установка согласно изобретению для получения обожженного насыпного материала. Она состоит, в основном, из вращающейся печи 21 для обжига насыпного материала, из установленного за ней охлаждающего устройства 22 для охлаждения горячего насыпного материала, а также из реактора 23 для предварительного охлаждения горячего насыпного материала за счет газификации топлива водяным паром, при этом во время этой реакции газификации из горячего насыпного материала оттягивается необходимая энтальпия реакции.

В представленном примере выполнения реактор 23 выполнен как увеличенная в диаметре часть вращающейся печи и установлен на выходе из нее. Вращающаяся печь 21 имеет на своем выпускном конце головку 21a печи, которая вместе с соединительным устройством 24 представляет собой переход от вращающейся печи к охлаждающему устройству.

Головка 21a печи, а также соединительное устройство 24 имеют традиционное исполнение. В соединительном устройстве 24 размещена дробилка, предпочтительно вальцовая дробилка 25, которая охлаждается изнутри деминерализированной водой. Клинкер измельчается здесь, например, до размера частиц в 25 мм, прежде чем он достигнет ячейкового шлюзового затвора 26, который подает клинкер в охлаждающее устройство 22. Ячейковый шлюзовой затвор 26 охлаждается изнутри с помощью деминерализированной воды.

В охлаждающем устройстве 22 предварительно охлажденный насыпной материал продолжает охлаждаться с помощью воздуха. Нагревшийся при этом охлаждающий воздух используется в установке в качестве вторичного воздуха 27 или соответственно третичного воздуха 28 обычным образом и способом как воздух для сжигания.

В соединительном устройстве 24 прямо перед ячейковым шлюзовым затвором 26 предусмотрено устройство 29 для измерения давления, которое через устройство 30 управления управляет скоростью обоих первых вентиляторов 31a и 31b охлаждающего устройства 22 таким образом, что в зоне устройства 29 для измерения давления давление не образуется.

Вторичный воздух 27, создаваемый охлаждающим устройством 22, вводится во вращающуюся печь 21 через магистраль 31 для вторичного воздуха в зоне головки 21a печи. Магистраль 31 для вторичного воздуха выполнена с двойными стенками и охлаждается деминерализованной водой. В середине магистрали 31 для вторичного воздуха предусмотрена дополнительная горелка 32 для любого топлива, которое дополняет по возможности недостающее количество топлива из технологического процесса газификации. Эта горелка 32 используется далее для пуска вращающейся печи.

Вторичный воздух, который течет через магистраль 31 для вторичного воздуха, имеет температуру приблизительно 750^oC и сжигает горючий газ, образующийся в реакторе 23.

Реактор 23, представленный в этом примере выполнения, в диаметре приблизительно в три раза больше, чем вращающаяся печь 21, а ширина реактора соответствует приблизительно 1/5 его диаметра. Выбор размеров реактора 23 позволяет пребывать клинкеру в реакторе в течение времени, достаточного для проведения технологического процесса газификации. Благодаря сравнительно большому диаметру в реакторе 23 происходит измельчение крупных комков клинкера. К тому же цементный клинкер смешивается оптимальным образом с углем или с другим горючим материалом для осуществления газификации. Для поддержания этого процесса реактор может быть снабжен также керамическими подъемными штейнами для цементного клинкера. Вращение системы, состоящей из вращающейся печи и реактора, ведет к постоянному перемешиванию газифицируемого горючего материала с цементным клинкером.

Наряду с обычным опиранием вращающейся печи 21 по меньшей мере на две позиции опорных роликов в представленном примере выполнения также и реактор 23 опирается на опорные ролики 36a, 36b.

Выбор параметров реактора 23 следует понимать лишь как пример, он может меняться в зависимости от реактивности топлива.

Далее реактор 23 имеет выполненное в виде шнекового транспортера 33 устройство для загрузки топлива, в частности угля. Шнековый транспортер выполнен опять же с двойными стенками и охлаждается деминерализованной водой. Место загрузки топлива расположено в зоне горячего насыпного материала в реактор 23.

Насыщенный водяной пар, необходимый для процесса газификации, получают полностью или частично из охлаждающей воды различных описанных выше частей установки.

Далее реактор 23 имеет средство 34 вдувания водяного пара в смешанный с топливом насыпной материал. Это устройство расположено параллельно стенкам, ограничивающим реактор, и выполнено в форме плиты, края которой загнуты для создания по возможности небольшого сопротивления для поступающего в реактор клинкера. Пар будет выходить предпочтительно в зоне днища реактора 23.

Если для процесса газификации используется жидкое топливо или, например, газ метан, то это топливо подается в реактор с помощью аналогичного устройства, какое применяется для вдувания водяного пара.

Средства 34 вдувания водяного пара предусмотрено в виде обычного стационарного. Однако оно может быть установлено также с возможностью возвратно-поступательного движения в направлении вращения системы, состоящей из вращающейся печи и реактора, для того чтобы процесс газификации мог достичь самого эффективного места.

На нижнем конце реактора 23 предусмотрено далее закрываемое отверстие 23a для транспортировки находящегося в реакторе клинкера к охлаждающему устройству 22 с помощью показанного штрихпунктирными линиями транспортного устройства 35, если есть необходимость в длительном останове печи.

При запуске системы, состоящей из вращающейся печи и реактора, применяется дополнительная горелка, находящаяся в магистральном трубопроводе 31 для вторичного воздуха. Если соотношение топливо-водород установилось в расчете на производительность газификации реактора 23, то процесс горения можно вести независимо от дополнительной горелки 32, при этом должны учитываться израсходованное топливо, регулировка пламени и количество горючего, подаваемого во вращающуюся печь, а также степень предварительного кальцинирования.

С помощью описанного выше реактора горячий насыпной материал попадает в охлаждающее устройство уже предварительно охлажденным, так что все количество воздуха, применяемое в охлаждающем устройстве, может быть использовано в качестве вторичного и третичного воздуха в других частях установки. Поэтому в атмосферу не должно выдаваться избыточное количество теплоты. Таким образом, можно сэкономить от 75 до 100 ккал/кг энергии. Далее можно отказаться от фильтров и очистных сооружений, которые предназначены для того количества воздуха, которое обычно выводится в атмосферу. Получаемый в реакторе газ (CO+H₂) попадает на вторичный воздух с температурой около 1000^oC, в то время как вторичный воздух имеет температуру около 750^oC. Температура пламени может поэтому легко достигать температур, лежащих в диапазоне от 2300 и 2500^oC. С помощью этой высокой температуры пламени можно существенно легче управлять процессом обжига. Также и подсушиванием клинкера, необходимым для защиты футеровки зоны спекания, можно управлять значительно проще.

Обожженный материал, то есть цементный клинкер, при достижении реактора практически сразу же подвергается резкому охлаждению с помощью пиролиза топлива, так что его температура в течение нескольких минут падает на 250^oC. Затем реакция газификации продолжается до тех пор, пока температура не достигнет приблизительно 950-1000^oC.

Гидравлические свойства цементного клинкера существенно улучшается за счет непосредственного резкого охлаждения приблизительно на 250^oC, так что получается цементный клинкер улучшенного качества.

Зола топлива, используемая в реакции газификации, не должна учитываться в составе сырья. Эта зола образует наполнитель в клинкере. Поэтому могут использоваться каменный и бурый угли с высоким содержанием золы, а также уголь с высоким содержанием летучих компонентов. Горючий материал, подаваемый в реактор 23, не должен быть ни высушен, ни измельчен и может загружаться в форме частиц размером от 5 до 10 мм.

Сульфаты кальция и щелочи в результате быстрого охлаждения разлагаются существенно меньше, чем в нормальном воздухе для охлаждения, так что большая часть остается в клинкере. Вследствие этого значительно упрощаются проблемы вращающейся печи, связанные с серой, что позволяет использовать топливо с высоким содержанием серы. Сера газифицированного топлива остается в клинкере как сульфид кальция.

С помощью реактора по изобретению в каждой вращающейся печи можно получать как белый, так и нормальный серый цементный клинкер, поскольку реакция газификации охлаждает белый клинкер в присутствии газов, обладающих высокой восстановительной способностью (CO и H₂), в результате чего сильно улучшается степень белизны.

В результате химического разложения воды во время реакции газификации в газах вращающейся печи и в подогревателе возникает существенно меньше азота. В зависимости от качества газифицированного топлива объем газа может быть уменьшен на 10-14%, в результате чего опять же имеет место экономия энергии.