Мерки за енергийна ефективност при производството на цимент

Циментовата индустрия се отличава с висока консумация на енергия в зависимост от прилагания процес. Основните видове енергия за циментопроизводството са горивата и електроенергията. Енергийната ефективност както по отношение на топлинната, така и на електрическата енергия, в продължение на много десетилетия е сред основните приоритети на сектора.

Теоретичното количество топлинна енергия (гориво) за производството на циментов клинкер се определя от енергията, необходима за протичането на химичните реакции при процеса на горене на клинкера (1700 до 1800 MJ/t клинкер) и топлинната енергия, нужна за сушене и предварително подгряване на суровинния материал, която зависи предимно от влагосъдържанието му. Практиката показва, че енергопотреблението на заводите, прилагащи сухия процес, с многостъпални циклонни подгреватели и пещи с предварителна калцинация, започва от 300 и може да достигне до над 3800 MJ/t клинкер (като средногодишна стойност). Вариациите в този диапазон се дължат на спирания и повторни стартирания на пещите или например поради различните свойства на суровинния материал.

Основните консуматори на електрическа енергия са мелниците за смилане на суровината и получаване на крайния продукт и вентилаторите за отработени газове, като общото им потребление възлиза на над 80% от общото. Средно, енергийните разходи – под формата на гориво и електроенергия, представляват 40% от общите производствени разходи за тон цимент. Електрическата енергия заема до 20-процентен дял от тези общи енергийни нужди. Потреблението на електрическа енергия варира от 90 до 150 kWh/t цимент, като мокрият метод на производство е по-енергийно интензивен в сравнение с полумокрия или сухия процес.

Консумацията на електроенергия зависи също и от естеството на продуктите и изискванията за смилането им. В някои случаи употребата на електрическа енергия може да бъде сведена до минимум чрез подмяна на старите мелници за суровина с нови.

С цел да се покрият енергийните нужди често освен конвенционални горива се използват и такива от отпадъци, като потреблението на последните постоянно нараства през последните няколко години. Ръстът в употребата на неопасни отпадъци е по-съществен от увеличението при прилагането на опасни отпадъци.
Като утвърдена индустрия, в циментовото производство не се очаква появата на нови технологии, които значително биха могли да редуцират потреблението на енергия. През последните 30 години обаче се наблюдава подобряване на ефективността на европейската циментова индустрия, което се дължи предимно на масовото преминаване към сухия метод.

Подготовка на суровините

Една от възможностите за спестяване на енергия в този етап на производството на цимент е използването на ефективни транспортни системи за суровините в рамките на завода. За целта обикновено се използват или пневматични, или механични конвейери, като механичните консумират по-малко енергия. Според проучвания средните енергийни спестявания вследствие на преминаването към механични конвейерни системи се оценяват на 1,9 kWh/t суровина. Подмяната на пневматичните конвейери с кофови елеватори с висок капацитет за придвижването на суровината до подгревателите и смилателните силози може да редуцира консумацията на електроенергия с 2/3. За да се определят инвестиционните разходи и периодът на възвръщаемост за изпълнението на такъв проект, е необходимо да се извърши оценка на конкретната площадка.

Производството на висококачествен продукт и поддържането на оптимални и ефективни условия на горене в пещта изисква цялостно хомогенизиране на суровинното брашно. Подобреното смилане на суровината може да намали необходимостта от топлинна енергия с 21 MJ/t клинкер и от електрическа енергия с 0,73 kWh/t суровина, като продукцията също може да се увеличи с 5%. Повечето заводи използват сгъстен въздух за разбъркване на суровинното брашно, като енергопотреблението варира между 1 и 1,4 kWh/t. В по-съвременните заводи за целта се използват гравитачни хомогенизатори, които намаляват консумацията на енергия. В тези съоръжения суровината се спуска по един от множество фуниевидни отвори в обърнат конус, в който се разбърква. Ефективността на смесване на хомогенизаторите от гравитачен тип може да не е същата както при системите с флуидизиран със сгъстен въздух слой. Енергийните нужди на гравитачните хомогенизатори варират между 0,1-0,5 kWh/t суровинно брашно.

Традиционните топкови мелници, използвани за смилането на определени суровинни материали (предимно твърд варовик), могат да се заменят от високоефективни валцови мелници, топкови мелници, комбинирани с валцови преси под налягане, или хоризонтални валцови мелници. Експлоатацията на тези усъвършенствани мелници пести енергия, без да се компрометира качеството на продукта. Вертикалните валцови мелници за средни по твърдост суровинни материали и средно фин продукт изискват по-малко енергия от 9 kWh/t. Счита се, че инсталирането на вертикални или хоризонтални валцови мелници може да доведе до енергийни спестявания от 6-7 kWh/t суровинен материал. Допълнително предимство е, че вертикалните валцови мелници могат да съчетаят сушенето на суровината и процеса на смилане, като се използват големите количества отпадна топлина от пещите или клинкер охладителите.

Различните суровинни материали се характеризират с различна смилаемост. По-трудно смилаемите материали изискват повече енергия за достигането на желаната финост на частиците. Поради това може да е по-ефективно за лесносмилаемите материали да се използват мелници с ниско енергопотребление, а за по-трудносмилаемите – вертикални валцови или топкови мелници.

Сравнително нова разработка в областта на ефективните технологии на смилане е използването на високоефективни класификатори или сепаратори. Класификаторите отделят финосмлените частици и връщат по-грубите обратно в мелницата. Високоефективните класификатори могат да се използват както в мелницата за суровини, така и в тази за смилане на крайния продукт.

Подготовка на горивото

Този етап най-често се изпълнява на производствената площадка и може да включва натрошаване, смилане и сушене на въглища. Използването на валцова мелница позволява смилането на по-големи размери въглища (без да е необходимо предварително натрошаване) и такива с по-високо влагосъдържание. Вертикалните валцови мелници, разработени за смилането на въглища в циментовата индустрия, са широко прилагани и са с пазарен дял от 86%. Консумацията на електрическа енергия на едно такова съоръжение се оценява на 16-18 kW/t въглища.

Валцовите преси, като тези, използвани за смилането на цимент и суровинен материал, по принцип са по-ефективни от конвенционалните мелници. Те могат да се прилагат за смилане и на суровини, и на въглища, въпреки че оборудването за смилане на въглища трябва да има и специална взривозащита.

Производство на клинкер

Топлинни загуби от пещта могат да възникнат при наличие на неоптимални технологични условия или неподходящо управление на процеса. Автоматизираните системи за управление могат да спомогнат за оптимизиране на горивния процес при разнообразие от горива. Подобреният мениджмънт на процеса ще допринесе и за повишаване на качеството и смилаемостта на продукта, което може да доведе до по-ефективно смилане на клинкера. Някои такива системи включват и внедрени в линията анализатори, които позволяват на операторите непосредствено да определят химичния състав на преработваните в завода суровини, което, от своя страна, дава възможност за внасяне на навременни промени в суровинната смес. Хомогенната суровина гарантира стабилна работа на пещта, което води и до спестявания по отношение на горивата. Енергийните спестявания от системите за управление могат да варират между 2,5 и 10%. Периодът на възвръщаемост на инвестицията в такова решение обикновено е кратък – дори е възможно да бъде само 3 месеца.

Системите за изгаряне на гориво в пещта могат да са причина за ниска ефективност поради проблеми като недобре регулирано запалване, непълно горене с високо формиране на въглероден оксид и горене с излишък от въздух. Системите в подобрен горивен процес са с оптимизирани форма на пламъка, смесване на горивния въздух и горивото и намалена употреба на излишък от въздух. Техника за управление на пламъка например може да даде възможност за спестяване на гориво между 2 и 10% в зависимост от вида на пещта. Разпространена практика е и рециркулацията на горивните газове от края на пещта обратно в региона на пламъка, което подобрява стабилността на пламъка и предпазва повърхността на пещта от горящите частици.

Използването на честотни регулатори за пещния вентилатор също може да доведе до намалена консумация на електроенергия и редуцирани разходи за поддръжка. Енергийните спестявания в резултат от внедряването на тази мярка може да не са характерни за всички заводи, тъй като системната конфигурация на вентилаторите понякога е различна. Практическият опит доказва, че инсталирането на честотни регулатори на пещните вентилатори може да понижи потреблението на електрическа енергия с 5 kWh/t.

Отработените газове от пещта, клинкер охладителят и подгревателната система съдържат полезна енергия, която може да бъде оползотворена за сушене на суровината и горивото или за генериране на електроенергия. Възстановяването на топлинната енергия с цел когенерация може да даде възможност за значителни спестявания на електрическа енергия до 30% и спестявания на първична енергия до 10%. Само в дългите пещи в заводи, прилагащи сухия метод, температурата на отработените газове е достатъчно висока, за да бъде възстановяването на топлинната енергия ценово ефективно.

Добавянето на подгревател невинаги води до енергийни спестявания в системата. Оптималният брой степени на подгряване се определя от влагосъдържанието на горивото и суровините, които трябва да се сушат. Когато съдържанието на влага в суровинния материал е над 8%, топлинните нужди са високи и е по-ценово- и енергийноефективно да се работи с пещ с 4- или дори 3-степенен подгревател. Пещ с 3-степенен подгревател изразходва над 211 MJ/t повече енергия от 5-степенен подгревател.

Друга мярка е добавянето на прекалцинатор и, когато е възможно, допълнителен подгревател. Прекалцинаторът обикновено води до повишаване на капацитета на завода, като същевременно допринася за намаляване на потреблението на гориво и редуциране на емисиите на термични азотни oксиди (поради по-ниските температури на горене в прекалцинатора).

Смилане на крайния продукт

Системите за управление на дейностите по смилане на крайния продукт се разработват посредством същия подход както за пещите. Тези решения контролират подавания в мелницата и класификаторите поток, осигурявайки стабилен и висококачествен продукт.

Сред иновациите в смилането на цимента е измерването на размера на частиците в реално време. Едната такава система позволява циментът да бъде смлян точно колкото е нужно, за да отговори на спецификациите. Благодарение на това решение е възможно редуциране на потреблението на електроенергия в етапа на смилане на крайния продукт със 17%. Въз основа на енергийните спестявания е установено, че периодът на възвръщаемост на инвестицията е по-малко от две години.

Енергийната ефективност на топковите мелници за получаване на крайния продукт е относително ниска, като те консумират до 30-42 kWh/t клинкер в зависимост от фиността на цимента. Съществуват няколко алтернативи, чиято експлоатация може значително да редуцира потреблението на електроенергия до 18-30 kWh/t клинкер – валцови мелници и валцови преси, които могат да се използват или в комбинация с топковите мелници за предварително смилане, или самостоятелно.