employee
Russian Federation
employee
Russian Federation
graduate student
Russian Federation
employee
Russian Federation
student
Russian Federation
UDK 666.9 Промышленность вяжущих: извести, гипса, цемента и т. д. Строительные растворы и смеси. Производство бетонных и железобетонных изделий
The cement industry has unique opportunities to address the issues of utilization of manmade raw materials and municipal waste. The problem of using alternative fuels in the technological process of cement production is usually due to their low calorie content. The above calculations show the possibility of using RDF fuel as part of a mixed fuel when it is burned under conditions of an increased oxygen content in the air. Reducing the volume of combustion products increases the temperature of the torch, which increases the productivity of the cement rotary kiln, mixed fuel can be used in both low – and high-temperature zones of cement kiln units with an optimal ratio of components. There are restrictions on increasing the concentration of oxygen in the air, due to a decrease in the actual combustion temperature of the fuel due to the reverse reactions of the decomposition of combustion products and violations of the high-speed modes of operation of suspension heat exchangers. In addition, an increase in oxygen in the air significantly reduces the thermal efficiency of the clinker cooler as a result of the increase in excess air volumes. The use of RDF fuel in the optimal ratio allows replacing up to 42 % of natural gas.
RDF fuel, oxygen, combustion temperature, volume of combustion products, gas consumption
Введение. В современном развивающемся мире уделяется значительное внимание решению задачи снижения экологической нагрузки на окружающую среду. В том числе и за счет глубокой переработки производственных отходов и вовлечения их в производственный процесс с технологиями рециклинга [1–5]. Все большую актуальность приобретает замена части основного топлива на альтернативное, производимое в процессе переработки твердых коммунальных отходов. Твердые коммунальные отходы (ТКО), это возобновляемый источник энергии, который при определенной обработке и сортировке, позволяет использовать свою химическую энергию в энергетических и иных целях, без существенных ограничений. Примером такого обработанного топлива на основе ТКО является Refuse Derived Fuel или RDF – топливо [6].
Основная часть. RDF - топливо, производится за счет измельчения, сепарации и обезвоживания ТКО. В стадии сепарации отходов, отбирается горючая фракция с высоким теплосодержанием. В зависимости от требований заводов, RDF – топливо может быть получено в виде спрессованных брикетов или пеллет [7, 8].
Основным показателем качества RDF-топлива является его теплота сгорания, которая зависит от содержания горючих веществ. По имеющемуся химическому составу RDF-топлива (табл. 1), рассчитана теплотворная способность равная 18383 кДж/кг.
Таблица 1
Элементный состав топлива
|
Состав природного газа, % |
|||||||
|
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
C4H10 |
C5H12 |
СО2 |
N2 |
W |
|
96,42 |
1,64 |
0,399 |
0,132 |
0,0278 |
0,183 |
1,17 |
0,3 |
|
Состав RDF, % |
|||||||
|
Ср |
Hp |
Sp |
Np |
Op |
Wp |
Ap |
Σ |
|
43,19 |
6,14 |
0,19 |
0 |
20,47 |
15 |
15 |
99,99 |
Низкая калорийность и достаточно грубые фракции не позволяют в значительном количестве использовать такое топливо в основной форсунке, обеспечивающей высокую температуру в зоне спекания клинкера. Поднять эксергетические показатели такого топлива, возможно за счет интенсификации его сжигания в среде обогащенной кислородом [9].
Перспективным направлением увеличения доли кислорода в воздухе служат мембранные установки. Мембранный метод основан на том, что мембрана выборочно пропускает через себя различные газы. Разделение газов на мембране достигается таким образом, что при повышенном давлении, находясь в составе воздуха, они разделяются на «быстрые» и «медленные». На поверхности и внутри мембраны создаётся разница в парциальных давлениях, кислород как быстрый газ успевает пройти сквозь волокно мембраны, а азот как медленный газ, накапливается и выводится отдельно, при этом движущей силой процесса является разность химических потенциалов веществ по обе стороны мембраны. Полимерная мембрана состоит из пористого волокна, с внешней стороны покрытого специальным газоразделительным слоем, толщина которого не превышает 0.1 мкм, благодаря чему обеспечивается высокая удельная проницаемость газов через полимерную мембрану. На данный момент полимерные вещества обладают высокой селективностью, что позволяет получать продуцируемый газ с высокой степенью очистки (до 45 %) [10–12].
В настоящей работе проведены расчеты горения газообразного и RDF топлива с увеличенным содержанием кислорода в воздухе выше 21 %, которые показывают, что температура горения возрастает, за счет снижения азота в продуктах сгорания, но одновременно ускоряются обратные процессы диссоциации:
СО2 = СО +1/2О2; Н2О = Н2+ 1/2О2, снижающие температуру горения [13, 14]. В таблице 2 приведены расчетные температуры горения с учетом диссоциации СО2 и Н2О в зависимости от содержания кислорода в воздухе (добавка кислорода 1–10 %). Увеличение доли кислорода в воздухе более 6 % ведет к увеличению концентрации СО2 и паров воды в продуктах горения топлива и значительному ускорению эндотермических процессов их диссоциации с большими затратами тепла. В тоже время увеличение концентрации кислорода в воздухе 1–6 %, выравнивает температуры горения альтернативного топлива и природного газа и (табл. 2).
Таблица 2
Расчетная температура горения газа в зависимости от содержания кислорода в воздухе
|
Калорийность топлива, О2=21 % |
Содержание кислорода в воздухе, % |
Температура горения, tтеор, °С |
Температура горения tрасч., °С |
||
|
Газа α=1.1 |
RDF α=1.14 |
Газа α=1.1 |
RDF α=1.14 |
||
|
Газа RDF |
21 |
1855 |
1745 |
1804 |
1700 |
|
22 |
1925 |
1763 |
1840 |
1747 |
|
|
24 |
2048 |
1795 |
1896 |
1779 |
|
|
27 |
2229 |
1844 |
1956 |
1870 |
|
|
31 |
2348 |
1881 |
1943 |
1840 |
|
Применительно к цементной вращающейся печи производительностью 3000 т клинкера в сутки, работающей по сухому способу на природном газе, изменение содержания кислорода в составе воздуха на горение, оказывает значительное влияние на количество избыточного воздуха из клинкерного холодильника, что снижает его тепловой к.п.д. (табл. 3).
Таблица 3
Объемы воздуха, отходящих газов и к.п.д. холодильника при различном содержании
кислорода в воздухе (топливо газ-100 %)
|
Содержание О2 |
Воздух |
К.П.Д. |
Потери тепла |
Температура |
|
21 |
0,972 |
60 |
422 |
660 |
|
22 |
0,941 |
58 |
438 |
670 |
|
24 |
0,847 |
56 |
470 |
709 |
|
27 |
0,752 |
53 |
508 |
756 |
|
31 |
0,653 |
50 |
547 |
820 |
Обогащение воздуха кислородом снижает объем продуктов горения и, соответственно, всех отходящих газов. Это может повлиять на пропорциональное снижение скорости газовых потоков по газоходам запечного тракта. Рекомендуемые скорости по газоходам 18–24 м/с, а снижение их на 10 % (то есть до 16,2–18 м/с), может привести к «провалам» материала.
Расчетная температура факела возрастает на 36 и 92 °С при обогащении воздуха кислородом от 1 до 3 %, соответственно. Температура определяет скорость химического взаимодействия и синтез минералов в зоне обжига. В первом приближении можно воспользоваться формулой Арениуса:
Kc3s=Ко·е-E/RT,
где Kc3s – коэффициент скорости химической реакции; Е – энергия активации процесса;
R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура.
С повышением температуры в зоне уменьшается время пребывания материала в зоне (E/R ≈ 2300) [15]:
- е 2300/T1 /е 2300/T2 =1,02
где Т1=2077 К;
- е 2300/T1 /е 2300/T3 =1,048
Т2==2113 и Т3=2169 К.
Уменьшение продолжительности обжига в 1,02 и 1,048 раза, позволит увеличить производительность на 2,6 т/ч и 6,2 т/ч соответственно.
Повышение температуры открытого факела может отрицательно повлиять на длительность эксплуатации футеровки. Но, существуют приемы, позволяющие снизить это влияние – скажем изменением положения горелки.
Таблица 4
Объемы кислорода, необходимые для достижения заданных концентраций его в воздухе для горения топлива
|
Содержание О2 в воздухе, % |
Дополнительный объем О2, (м3/м3 газа) |
Дополнительный объем О2, м3/ч (расход газа 13000 м3/ч) |
|
22 |
0,101 |
1301 |
|
24 |
0,277 |
3600 |
|
27 |
0,497 |
6460 |
|
31 |
0,716 |
9308 |
В таблице 4 приведены результаты расчетов потребности в дополнительном количестве кислорода для указанной выше печи, работающей на природном газе.
Таблица 5
Объемы продуктов горения топлива: RDF-100% и газа-100%
|
Вид топлива |
Объем газов при содержание О2 в воздухе, % |
|||||||||
|
21 |
22 |
24 |
27 |
31 |
||||||
|
RDF |
Газ |
RDF |
Газ |
RDF |
Газ |
RDF |
Газ |
RDF |
Газ |
|
|
Кг/нм3 |
9,05 |
14,55 |
8,71 |
13,94 |
8,049 |
12,89 |
7,24 |
11,54 |
6,62 |
10,23 |
|
нм3/ нм3 |
6,97 |
11,81 |
6,57 |
11,32 |
6,16 |
10,47 |
5,66 |
9,39 |
5,15 |
8,33 |
Если обогащенный кислородом воздух подавать в кальцинатор, где преимущественно «беспламенное» горение, то это должно интенсифицировать процесс теплообмена, и способствовать сжиганию альтернативного топлива в этом агрегате. Подача альтернативного топлива с горячего конца печи определяется его калорийностью (но не ниже 16 800 кДж/кг), и в этом случае кислородное дутье несомненно улучшит процесс его сжигания.
В случае использования альтернативного топлива, количество отходящих газов при горении топлива заметно меняется. В таблице 5 приведены суммарные объемы продуктов горения при RDF – 100 % и газа – 100 %, при коэффициенте избытка воздуха α=1,15.
Приведенные расчеты показывают, что количество продуктов горения при сжигании RDF на 40 % меньше чем при сжигании газа. Однако, учитывая, что калорийность
RDF = 18383 кДж/кг, то такого топлива потребуется больше на получение 1 кг клинкера, чем газа. Из материальных балансов работы вращающейся печи сухого способа производства, рассчитанных при различных концентрациях кислорода в воздухе установлено, что различие в объемах, отходящих после декарбонизатора газов не значительно и даже при использовании RDF несколько больше, чем на газообразном топливе. Это дает основание считать, что замена части природного газа на альтернативное топливо не изменит скоростные потоки в системе запечных теплообменников, при соблюдении температурного режима их работы. Следует учитывать то, что расчетная температура горения альтернативного топлива при нормальном содержании кислорода в воздухе – 21 % составляет 1700 °С, а для газа 1745 °С. С увеличением доли кислорода в воздухе до 24 % разница температур горения практически выравнивается, а при содержании 10 % избытка кислорода (то есть 31 % в воздухе) разница температур горения рассматриваемых топлив вновь увеличивается.
Задаваясь расчетным значением расхода тепла на обжиг клинкера -3370 кДж/кг кл. на основании тепловых балансов можно рассчитать расход альтернативного топлива и его оптимальное соотношение. Следует оптимальным считать замену натурального топлива на RDF в количестве до 48 % в кг условного топлива. К тому же, использование RDF создает щадящие температурные условия для футеровки.
В таблице 6 приведены расчетные данные по объему отходящих газов, а также температура горения смешанного топлива, состоящего (по соотношению теплоты) из 42 % RDF и 58 % природного газа.
Таблица 6
Объем продуктов горения и температура горения смеси (RDF+газ)
при их оптимальном соотношении при α=1,15
|
Продукты горения |
Объем газов, м3/кг кл., при содержание О2 в воздухе, % |
||||
|
21 |
22 |
24 |
27 |
31 |
|
|
CO2 |
0,1169 |
0,1168 |
0,1168 |
0,1168 |
0,1168 |
|
HO2 |
0,1959 |
0,1948 |
0,1932 |
0,1912 |
0,1892 |
|
O2 |
0,0280 |
0,029 |
0,0280 |
0,0248 |
0,0217 |
|
N2 |
0,8612 |
0,8111 |
0,7253 |
0,6325 |
0,5514 |
|
SO2 |
0,0001 |
0,0001 |
0,0001 |
0,0001 |
0,0001 |
|
Σ продуктов горения |
1,2021 |
1,1517 |
1,0634 |
0,9654 |
0,8792 |
|
t горения средняя |
1787 |
1795 |
1834 |
1862 |
1896 |
Принимая во внимание заданную производительность печи (130 т/ч), размеры газоходов между ступенями и температурные параметры отходящих газов можно рассчитать скоростные потоки газов (см. таб. 7).
Из приведенных значений следует, что с увеличением доли O2 в воздухе на 1-3-6 и 10 % при работе на газе скорость по газоходам снижается на 3-10-16 и 23,5 % соответственно с
13–20 м/с до 9–15,3 м/с при 10 % избытке О2, что может привести к «провалам» материала. Минимальная скорость для пневмотранспортирования сырья (размер частицы – 200 мкм и 2 мм) должна быть не ниже 7,5 и 15 м/с соответственно.
Таблица 7
Скорость газовых потоков в запечных газоходах при использовании
смеси (RDF+газ), при α=1,15
|
Положение газохода |
Диа-метр газо-хода, мм |
Площадь газо-хода, м2 |
Темпе- газов,◦С |
Содержание кислорода в воздухе,% |
||||
|
21 |
22 |
24 |
27 |
31 |
||||
|
Скорость газовых потоков, м/с |
||||||||
|
Выход из циклонов 5,1 и 5,2 |
3040 |
7,25 |
350 |
16,6 |
16,4 |
15,3 |
14,2 |
13,3 |
|
Газоходы: между 4 – 5 |
3322 |
8,66 |
355 |
14,1 |
13,9 |
13,0 |
12,6 |
11,3 |
|
между 3 – 4 |
3272 |
8,40 |
525 |
18,5 |
18,2 |
17,1 |
15,9 |
14,8 |
|
между 2 – 3 |
3462 |
9,41 |
790 |
22,0 |
21,6 |
20,3 |
18,8 |
17,6 |
|
между 1 – 2 |
3662 |
10,52 |
770 |
19,3 |
19,0 |
17,2 |
16,5 |
15,4 |
|
Декарбонизатор – 1 циклон |
3632 |
10,36 |
865 |
21,4 |
21,0 |
19,8 |
18,3 |
17,0 |
В случае использования смеси топлива с приведенным в таблице 7 соотношением при использовании атмосферного воздуха, объем газов и скорость, повышается почти на 10 % по сравнению с газообразным топливом, что по скоростям находится в допустимых значениях. При увеличении доли кислорода на 3 %, количество газов при работе на смешанном топливе приближается к объемам газов на газообразном топливе (см. табл. 6), что будет соответствовать существующему режиму работы печи. Повышение доли кислорода более 3 % нецелесообразно и с точки зрения сохранения скорости газовых потоков.
Использование альтернативного топлива позволит заменить часть природного ископаемого топлива при сохранении основных теплотехнических показателей работы печного агрегата (таблица 8).
А повышение кислорода в воздухе несомненно интенсифицирует процесс окисления органического топлива, что повысит и температуру горения и улучшит условия теплообмена. Поскольку основным фактором, определяющим скорость химической реакции, в том числе и реакции клинкерообразования, является температура, то использование кислородного дутья должно улучшить основные показатели вращающейся печи, в частности производительность.
Таблица 8
Основные показатели расхода топлива при использовании RDF
|
Наименование |
Подача RDF |
Подача газа |
Итого |
||
|
Главная горелка |
Кальци- натор |
Главная горелка |
Кальци- натор |
||
|
Ввода топлива, % |
40 |
60 |
38 |
62 |
|
|
Расход газа, м3/ч |
|
|
5 000 |
8 050 |
13050 |
|
Планируемый ввод RDF, кг/ч |
4297 |
6446 |
|
|
10743 |
|
Расход топлива, (кг/ч), м3/ч |
(10743) |
13050 |
|||
|
Количество теплоты, ГДж/ч |
184 |
438,1 |
|||
|
Без ввода RDF |
|||||
|
Расход условного топлива, кг.усл.т./ч |
0 |
0 |
5 729 |
9 223 |
14952 |
|
С вводом RDF |
|
||||
|
Расход топлива, тыс.(кг/ч), м3/ч |
(4,3) |
(6,5) |
2,9 |
4,7 |
|
|
Общий расход топлив, (кг/ч), м3/ч, [кг усл.т./ч] |
(10743) |
7570 |
[14952] |
||
|
Количество теплоты, ГДж/ч |
184 |
254.1 |
438,1 |
||
|
Расход условного топлива: - кг усл.т./ч - % |
17,5 |
25,2 |
14,7 |
42,6 |
100 |
|
42,7 |
57,3 |
100 |
|||
|
Снижение объема подачи газа от существующего,%. |
42 |
|
|||
Вывод. Сжигание RDF-топлива как альтернативного источника энергии в среде с повышенным содержанием кислорода в количестве 24 %, позволит снизить расход природного газа на 42 %, что обеспечит значительную экономию в статье расходов на топливо, при условии, разумеется, что RDF обойдется дешевле газа.
1. Bushikhin V.V., Polozev G.M., Kaigorodov O.N., Fedoseev O.E. Traditional energy carriers and alternative fuel [Tradicionnye energonositeli i al'ternativnoe toplivo]. Cement. 2013. No. 1. Pp. 80-84. (rus)
2. Aikhas K., Vinogradov K.A., Korneev V.V. Preliminary feasibility study on the organization of an integrated enterprise for the preparation of waste for disposal in the production of cement [Predvaritel'noe tekhniko-ekonomicheskoe obosnovanie organizacii kompleksnogo predpriyatiya po podgotovke othodov k zahoroneniyu v proizvodstve cementa]. Cement Inform. 2014. No. 1. Pp. 34-38. (rus)
3. Shubin V.I. The use of man-made materials, including combustible waste in the production of cement [Ispol'zovanie tekhnogennyh materialov, v tom chisle goryuchih othodov, v proizvodstve cementa]. Cement Inform. 2014. No. 1. Pp. 3-8.
4. Klassen V.K., Miroshnikova O.V. Dependence of the activity of cement clinker on the input of petroleum coke into the raw sludge [Zavisimost' aktivnosti cementnogo klinkera ot vvoda neftyanogo koksa v syr'evoj shlam]. Technique and technology of silicates. 2017. No. 4. Pp. 2-6. (rus)
5. Miroshnikova O.V., Borisov I.N., The use of various combustible wastes in the production of cement [Ispol'zovanie razlichnyh goryuchih othodov v proizvodstve cementa]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2018. No.7. Pp. 71-76. DOI:https://doi.org/10.12737/article_5b4f02bef029e8.04326623(rus)
6. Pronina O.S. General provisions. Prerequisites for the use of MSW as a fuel, Heat Supply News 2008. No. 2 (90). URL: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2061 (date of treatment: 09.06.2021)
7. Zinchenko M.G., Shaporev V.P., Technology of processing solid household waste and sewage sludge into organo-mineral fertilizers [Tekhnologiya pererabotki tverdyh bytovyh othodov i osadkov stochnyh vod v organomineral'nye udobreniya]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2014. No. 3. Pp. 149-152. (rus)
8. Aktanbayeva A.A. Briquetting of MSW and their application URL: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/35351 (date of treatment: 10.09.2021)
9. Geerdas M., Chegno R., Kurunov I.F., Lingardi O., Ricketts D. Modern domain process. Introduction [Sovremennyj domennyj process]. M. : Metallurgizdat, 2016. 280 p. (rus)
10. Dytnersky Yu.I., Brykov V.P., Kagramanov G.G. Membrane separation of gases [Membrannoe razdelenie gazov]. M.: Chemistry, 1991. 341 p.
11. Miroshnichenko Yu.V., Enikeeva R.A., Kassu E.M. Characteristics of methods for obtaining medical oxygen and the prospects for their use in military healthcare [Harakteristika metodov polucheniya medicinskogo kisloroda i perspektivy ih ispol'zovaniya v voennom zdravoohranenii]. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2016. No. 2(54). Pp. 157-163. (rus)
12. Research report No. 4400/301121 «Investigation of ways to build a system for the simultaneous production of oxygen and nitrogen from atmospheric air using cryogenic and membrane technology» [Otchet o NIR № 4400/301121 «Issledovanie sposobov postroeniya sistemy odnovremennogo polucheniya kisloroda i azota iz atmosfernogo vozduha s ispol'zovaniem kriogennoj i membrannoj tekhnologii»]. (Code “Moches”): Ed. d.t.s. Barkova B. V., responsible Spanish Ph.D. Morgun M. A. M.: VATU, 2001. (rus)
13. Dubovkin N.F. Handbook of hydrocarbon fuels and their combustion products [Spravochnik po uglevodorodnym toplivam i produktam ih sgoraniya]. M.-L., Gosenergoizdat, 1962. 288 p. (rus)
14. Kazantsev E.I. Industrial furnaces [Promyshlennye pechi]. M.: Metallurgy., 1975. 367 p. (rus)
15. Valberg G.S., Glozman A.A., Shvydkiy M.Ya. New methods of thermal calculation and testing of rotary kilns [Novye metody teplovogo rascheta i ispytanij vrashchayushchihsya pechej]. M.: Stroyizdat, 1973, 111 p. (rus)
