Способ производства электроэнергии, ферросилиция и глиноземистого цемента

Изобретение относиться к производству электроэнергии, ферросилиция и глиноземистого цемента в рамках одного энегротехнологического комплекса. Способ включает сжигание в котле тепловой электростанции органической составляющей топлива для получения электрической энергии. Переработку минеральной составляющей топлива в виде шлакового расплава и золы в рол-камерах. Жидкофазное восстановление шлакового расплава и золы проводят в рол-камере плавления с получением ферросилиция и шлакового расплава, подаваемого затем в рол-камеру насыщения, содержащую обожженную известь, где упомянутый расплав насыщают известью, с получением глиноземистого клинкерного расплава. Финишную обработку ферросилиция и глиноземистого клинкера проводят за пределами рол-камер посредством их разливки и охлаждения. Формирование цементной смеси из глиноземистого клинкера и технологических добавок и ее очистка от металлических включений. Пылегазовую фазу из рол-камеры плавления дожигают в котле тепловой электростанции. При этом топочный режим котла определяет расход основного топлива и вспомогательного топлива. Обеспечивается снижение энергетических затрат и эмиссии углекислого газа в атмосферу. 5 з.п. ф-лы, 36 табл., 4 пр., 2 ил.

 

Изобретение относится к энергетике, металлургии и цементному производству. Способ может быть использован для производства: электроэнергии, ферросилиция и глиноземистого цемента в соответствии с действующими техническими требованиями. При реализации способа используют первичные источники сырья и энергии: уголь, железную руду и известняк. Кроме этого, используют вторичные материальные и энергетические ресурсы (ВМР и ВЭР), полученные в процессе энергетического, металлургического и цементного производства. К ним относятся: электроэнергия, раскаленные печные газы, шлаковые расплавы, пыли системы воздухоочистки, некондиционные сплавы, отвальные шлаки, металлолом, отходы угольной энергетики и т.д.

Известен способ получения электроэнергии на тепловой электростанции [1. Кудинов А.А. Тепловые электростанции. Схемы и оборудование: учебное пособие. - М.: Инфра-М. 2015. - 325], [2. Жихар Г.И. Котельные установки тепловых электростанций: учебное пособие. - Минск. «Вышэйшая школа». 2015. - 525] и [3. Кизильштейн Л.Я. Следы угольной энергетики (статья) // Наука и жизнь - 2008. - №5. - С. 42-47], включающий сжигание органической составляющей: угля, получение пара, преобразование энергии пара в электрическую энергию и переработку минеральной составляющей угля посредством охлаждения шлакового расплава, смешивания его с золой и захоронение золошлаковой смеси, с последующей разработкой захоронения как техногенного месторождения. Недостатком данного способа является потеря в процессе охлаждения шлаковых расплавов значительной части ВЭР, что делает нерентабельной переработку золошлаковой смеси в энергоемкие продукты, такие как ферросилиций и глиноземистый цемент. Данный способ не является аналогом, заявляемому способу, так как не относится к металлургии и цементному производству.

Известен способ совместного получения ферросилиция и глиноземистого цемента [4. Бутт Ю.М., Окороков С.Д., Сычев М.М., Тимашев В.В. Технология вяжущих веществ: учебник для вузов / под ред. Ю.М. Бутта - М.: «Высшая школа», 1968. - 620 с.]. Способ включает плавку лома с одновременным восстановлением кремния в электродуговой печи. В способе не производят электроэнергию, поэтому он не может быть аналогом заявляемого способа.

Известно устройство «рол-камера для реализации термохимических процессов» [5. RU 2692532 C1, 2018], которое используют для аппаратурного оформления различных технологических процессов. Рол-камера имеет корпус, представляющий собой пустотелый ролик с симметричной цилиндрическо-конической поверхностью с бóльшим диаметром в центральной по его длине зоне. Внутренняя рабочая поверхность корпуса футерована. Рол установлен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. С обеих сторон в него введены невращающиеся вставки, в которых сформированы подводящие каналы, обеспечивающие подачу в камеру материалов и газовых смесей и отводящий канал, по которому из камеры отводят образующуюся пылегазовую смесь. Кроме этого на невращающихся вставках размещают видеокамеры и приборы, позволяющие контролировать процессы в камере и каналах вставок. Каждая вставка установлена с образованием щели между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью вставки. Щель используют в качестве канала для подачи в рол-камеру газовых смесей. Вставки выполнены с возможностью их выведения из камеры, а в местах контакта вставок с вращающимся корпусом установлены уплотнительные манжеты. В центральной части корпуса камеры установлен загрузочный люк. В частных случаях исполнения в центральной части корпуса устанавливают шиберный затвор для выпуска жидких продуктов плавки и механизм для отбора проб, а на невращающихся вставках устанавливают горелки для сжигания дополнительного топлива. Кроме этого, в отводящем канале рол-камеры устанавливают систему затворов, позволяющую регулировать логистику отходящей пылегазовой смеси. Устройство не может быть аналогом способа.

Известен способ совместного получения стали и портландцемента [6. RU 2710088 C1, 2017]. В способе используют технологические камеры: камеру плавления (КП) и камеру насыщения (КН). Камеры является аналогом рол-камеры [5. RU 2692532 C1, 2018]. Согласно способу, в КП проводят жидкофазное восстановление чугуна, окислительное рафинирование и раскисление-легирование стали, а в КН получают портландцементный клинкер, посредством насыщения известью шлаковых расплавов, полученных в КП. Цементную смесь очищают от металлических включений в процессе избирательного измельчения и воздушной сепарации. Кроме этого, пылегазовую фазу из КП отводят и дожигают в котле-утилизаторе. Данный способ не может быть аналогом заявляемому способу, поскольку он относится к другой области техники.

Таким образом, предлагаемое изобретение не имеет аналогов.

Задачей изобретения является предложение способа производства электроэнергии, ферросилиция и глиноземистого цемента в рамках одного энерготехнологического комплекса (ЭТК). В этом комплексе энергетическая подсистема должна производить электроэнергию, а технологическая - ферросилиций и глиноземистый цемент. При этом энергетическая подсистема будет перерабатывать ВЭР и ВМР, образующиеся в технологической подсистеме, а технологическая подсистема будет перерабатывать ВЭР и ВМР, образующиеся в энергетической подсистеме. Такое взаимодействие материальных и энергетических потоков в рамках единого ЭТК открывает широкие возможности для снижения энергетических затрат на указанных производствах и, в случае необходимости, позволит произвести их углеродную нейтрализацию, то есть прекратить эмиссию СО₂ в атмосферу.

Поставленная задача решается заявляемым способом производства электроэнергии ферросилиция и глиноземистого цемента. В предложенном способе электроэнергию, ферросилиций и глиноземистый цемент получают в рамках одного ЭТК. Электроэнергию получают на тепловой электростанции, посредством сжигания органической составляющей топлива, получения излучающего газового тела, передачу тепловой энергии от газового тела воде, получение водяного пара и преобразование энергии пара в электрическую энергию. А ферросилиций и глиноземистый клинкерный расплав получают в рол-камерах, посредством переработки минеральной составляющей топлива. Сначала в рол-камере плавления проводят жидкофазное восстановление ферросилиция, а затем в рол-камере насыщения производят насыщение известью шлакового расплава из рол-камеры плавления, получая при этом глиноземистый клинкерный расплав. Финишную обработку ферросилиция и глиноземистого клинкера проводят за пределами рол-камер посредством их разливки и охлаждения. При этом режим охлаждения клинкерного расплава выбирают таким образом, чтобы получить заданный минералогический состав глиноземистого клинкера. Цементную смесь формируют из клинкера и технологических добавок. Очистку цементной смеси от металлических включений проводят в процессе избирательного измельчения и воздушной сепарации. Кроме этого, пылегазовую фазу из рол-камеры плавления дожигают в топке котла тепловой электростанции, при этом сжигание органической составляющей топлива проводят в соответствии с топочным режимом котла (ТРК), обеспечивая постоянную штатную работу турбины электрогенератора. Топочный режим котла определяет расход основного топлива, вспомогательного топлива - пылегазовой фазы из рол-камеры плавления и окислителя. Пылегазовую смесь с рол-камеры насыщения используют в качестве теплоносителя для обжига извести за рол-камерой насыщения, при этом все образующиеся в процессе реализации способа газовые смеси после их использования обеспыливают и подвергают десульфурации.

В частных случаях реализации способа в котел тепловой электростанции дополнительно подают газ-охладитель и корректирующие добавки, для корректировки содержания в шлаковом расплаве CaO, FeO, SiO₂ и Al₂O₃, а их расход определяют топочным режимом котла.

В частных случаях реализации способа при жидкофазном восстановлении ферросилиция используют: пыли, шлаковые расплавы, металлолом и техногенные отходы с золошлаковых отвалов.

В частных случаях реализации способа при сжигании органической составляющей топлива используют комплексный окислитель, включающий кислород и наполнитель газового тела. Кислород в окислитель вводят пропорционально органической составляющей топлива, обеспечивая требуемую полноту её сгорания, а расход, состав и температуру наполнителя регулируют таким образом, чтобы сформировать, в процессе сжигания, излучающее газовое тело, способное обеспечить требуемый режим испарения воды и получения пара с заданными параметрами.

В частных случаях реализации способа, образующиеся в процессе реализации способа газовые смеси, после обеспыливания и десульфурации, используют в качестве наполнителя газового тела. С этой целью, из них удаляют избыточный азот и вводят недостающую воду.

В частных случаях реализации способа часть образующихся на тепловой электростанции газовых смесей, после обеспыливания и десульфурации, подвергают криогенной чистке с получением сухого льда. Одну часть, полученного льда подвергают сублимации и используют в приготовлении наполнителя газового тела, а другую - отправляют потребителям или накапливают в хранилищах. Для охлаждения очищаемых газовых смесей используют продукты криогенной ректификации воздуха и сублимируемую часть льда, а мощность тепловой электростанции подбирают таким образом, чтобы минимизировать энергозатраты связанные с производством сухого льда.

Уголь - один из древнейших видов топлива, который до середины ХХ века был основным источником энергии. Сегодня доля угля в мировом производстве энергии сократилась. Это вызвано тем, что уголь, в отличие от природного газа, не сгорает полностью. При производстве энергии используется только органическая составляющая угля, а его минеральная составляющая, в процессе сжигания преобразуется в золу и шлак. Шлак образуется в топке котла тепловой электростанции (ТЭС), а зола-унос задерживается системой аспирации за котлом. При этом зола-унос, кроме минеральной составляющей, содержит в себе несгоревший углерод, содержание которого зависит от условий сжигания топлива. Образование золы и шлака происходит при температуре (1500-1800)°С. Процесс преобразования минеральной составляющей угля в золу и шлак включает в себя эндотермические процессы, связанные с разложением исходных минералов. В связи с этим, после завершения этого процесса отходы угольной энергетики превращаются в более ценный сырьевой материал для производства цемента, чем традиционное сырье. Чтобы еще больше повысить их привлекательность необходимо максимально сохранить тепло, полученное ими при производстве энергии. Если зола-унос, в процессе ее извлечения из газового потока уже успевает остыть, то шлак вовлекают в производство в виде расплава с температурой (1400-1600)°С. Для этого используют топки с жидким шлакоудалением. Расплав накапливают в накопителе котла ТЭС и периодически выпускают для переработки. Химический состав традиционных цементов и ВМР, образующийся при сжигании угля на ТЭС, более чем на 90% состоят из SiO₂, CaO, Al₂O₃ и Fe₂O₃. В связи с этим, для получения цемента заданного состава необходимо из шлакового расплава восстановить избыточные оксиды и внести недостающие. Так как CaO и Al₂O₃ восстановить сложно, то восстанавливают либо Fe₂O₃, либо Fe₂O₃ и SiO₂. Таким образом, содержание во ВМР трудновосстановимых оксидов (CaO и Al₂O₃) является определяющим фактором при выборе технологии переработки. В предлагаемом способе перерабатывают минеральную составляющую и отходы угольной ТЭС, где Al₂O₃>CaO.

Для удаления из расплава избыточных компонентов в способе используют жидкофазное восстановление, то есть восстановление металла производят из жидкой фазы (шлакового расплава). Очевидно, что расплав шлака должен содержать как минимум оксиды восстанавливаемого металла. В связи с этим, для активизации и управления восстановительным процессом, в расплав вводят шихтовые материалы. Шихтовая смесь включает восстановитель, металлосодержащие материалы и (если это необходимо) флюс. Плавление твердых шихтовых материалов происходит в процессе жидкофазного восстановления.

Для получения ферросилиция из шлакового расплава необходимо восстановить не только все железо, но и часть кремния. В начале, восстановительной плавки из шлакового расплава восстанавливается железо, а затем, в его присутствии восстанавливается и кремний. Для восстановления кремния в рол-камере плавления (КП) создают условия, при которых активность SiO₂ будет выше, чем активность CaO. Из теории металлургических процессов известно, что кремний имеет более высокую активность в расплавах, где основность, то есть соотношение B= <1. При этом восстановление SiO₂ идет до тех пор, пока B≤1. В связи с этим в рассматриваемом способе проводят кислый восстановительный процесс. Для этого КП футеруют кислыми или нейтральными огнеупорами, а расход шихтовых материалов регулируют таким образом, чтобы основность реакционной среды (расплава) была меньше единицы. В предлагаемом способе при жидкофазном восстановлении ферросилиция в камеру плавления вносят шлаковый расплав и золу-унос, образующиеся при производстве электроэнергии на ТЭС. Шлаковый расплав используют как реакционную среду (жидкую фазу) и металлосодержащий материал, а золу-унос ТЭС как восстановитель и металлосодержащий материал. Таким образом, в предлагаемом способе в товарный продукт перерабатывают все золошлаковые отходы, образующиеся при производстве электроэнергии на угольной ТЭС.

В частных случаях реализации способа, при жидкофазном восстановлении ферросилиция использую: пыли, металлургические шлаковые расплавы, некондиционные сплавы, металлолом, отвальные шлаки и т.д. Использование этих металлосодержащих и углеродсодержащих материалов в процессе жидкофазного восстановления повышает эффективность металлургического производства и позволяет параллельно решать проблему переработки отходов.

Рол-камера плавления (КП) [6. RU 2710088 C1, 2017], в которой проводят жидкофазное восстановление ферросилиция, представляет собой полупериодический химический реактор, где одна часть продукта накапливается, а другая часть, газовая фаза, непрерывно отводится в топку котла тепловой электростанции ТЭС. Поскольку отвод газа проходит в реальном масштабе времени, то параметры газового потока являются важным информационным каналом при управлении процессами в КП и в топке котла ТЭС. Так температура и химический состав газа позволяют оценить энергетику процесса, а изменение его расхода - оценить интенсивность восстановительных процессов (MeO+C=Me+CO) в камере и уточнить расход материалов, вносимых в топку котла ТЭС. На Фиг. 1 показан график изменения расхода газа в отводящем канале камеры в течение восстановительной плавки, от начала ввода шихтовых материалов до выпуска продуктов. График представляет собой трапецию ABCD. τ2 - время подачи шихтовых материалов. Угол наклона стороны АВ характеризует скорость нарастание расхода газа по мере внесения в камеру шихтовых материалов, а τ1 - время выхода на штатный режим плавки. ВС=τ3 - время работы при штатном режиме плавки. Его определяют, как разницу τ2 - τ1. Высота трапеции q_г - секундный расход газа через отводящий канал при штатном режиме плавки. Этот расход постоянен, поскольку при штатном режиме выработавшие свой ресурс угольные частицы замещаются вновь вводимыми в камеру. Угол наклона стороны CD характеризует скорость затухания восстановительных процессов в камере, после прекращения подачи шихтовых материалов, а τ4 - время затухания процесса. Если в процессе плавки фракционный и марочный состав восстановителя не меняется, то τ1=τ4, а трапеция ABCD является равнобедренной. Основание трапеции AD=τ5=τ2+τ1 - это полное время плавки, от начала подачи материала до выпуска продуктов. Площадь трапеции равна расходу газа через отводящий канал за плавку V_г, Расход газа определяют из материального баланса плавки.

В рассматриваемом способе пылегазовую фазу, образующуюся в КП, в течение восстановительной плавки (жидкофазного восстановления ферросилиция), используют в качестве вспомогательного топлива при производстве пара для турбины электрогенератора. Расход пылегазовой фазы из КП в течение всего металлургического цикла меняется. Чтобы, в этих условиях, обеспечить заданную паропроизводительность котла, в топку вводят основное топливо. Обычно в качестве основного топлива в способе используют уголь, зола которого имеет повышенное содержание Al₂O₃. Однако, в частных случаях реализации способа, в качестве основного топлива используют: торф, горючие сланцы, мазут, природный газ и т.д.

Каждому периоду металлургической плавки в КП соответствует свой топочный режим котла (ТРК). ТРК - это определенный расчетным путем расход основного топлива, вспомогательного топлива (пылегазовой фазы из КП) и окислителя.

Дожигание в топке котла раскаленных газов из камеры плавления приводит к чрезмерному росту температуры, образующегося газового тела. В связи с этим, в частных случаях реализации способа для оптимизации технологических параметров излучающего газового тела ТРК определяет расход, химический состав и температуру газа-охладителя. Обычно в качестве газа-охладителя используют воздух или наполнитель газового тела (трехатомные газы). Введение газа-охладителя позволяет удержать температуру излучающего газового тела на комфортном, для радиационной камеры котла, уровне.

В рассматриваемом способе используют котлы с жидким шлакоудалением. При этом шлак не удаляют сразу, а накапливают до определенного объема. После выпуска шлаковый расплав сначала участвует в производстве ферросилиция, а затем, в производстве цемента. В связи с этим, в частных случаях реализации способа в топку котла вносят корректирующие добавки, а ТРК определяет их расход, температуру и химический состав. Добавки корректируют содержание в шлаковом расплаве: CaO, FeO, SiO₂ Al₂O₃. Это позволяет с одной стороны оптимизировать вязкость расплава в накопителе котла, а с другой, получить требуемый химический состав расплава для последующей переработки. Внесение корректирующих добавок в топку котла снижает КПД тепловой электростанции, но повышает энергетическую эффективность металлургического и цементного производства в энерготехнологическом комплексе.

Для обеспечения заданной паропроизводительности котла в конкретный период металлургической плавки в рол-камере плавления. Разделяют три основных ТРК. ТРК-1 на восстановительном этапе плавки в КП. В частных случаях реализации способа он может включать основное топливо, вспомогательное топливо (пылегазовая фаза из КП), окислитель, охладитель и корректирующие добавки. ТРК-2 на окислительном этапе плавки, если проводят окислительное рафинирование восстановленного металла. ТРК-3 - при автономной работе котла, когда котел отделен затвором от КП. В этот момент пылегазовая фаза из рол-камеры насыщения в котел не поступает, и он работает только на основном топливе. Кроме этого в топку вносят: окислитель, охладитель и корректирующие добавки. Для более точного расчета технологических параметров ТЭС ТРК-1, ТРК-2 и ТРК-3 уточняют, разделяя на несколько режимов. Так ТРК-1 разделяют, по числу плавок на восстановительном этапе. Обычно в способе используют только одну восстановительную плавку - ТРК1-1. При этом следует отметить, что в ТРК1-1 участвует пылегазовая фаза, которая поступает из КП, в период, когда плавка проходит в штатном режиме (см. Фиг. 1). Если восстановительная плавка в КП еще (уже) не в штатном режиме, то используют ТРК1-0 - включающий соответствующий ВЭР из КП. При более точном расчете ТРК-3 разделяют на три режима ТРК3-1, когда потребителем пара является только турбина электрогенератора, ТРК3-2, когда пар расходуется не только на работу турбины, но и на работу пароэжекторного вакуумного насоса и ТРК3-3, когда пар расходуется на турбину и на производство тепловой энергии. Таким образом, используя ТРК, определяют технологические параметры ТЭС, в течение всего металлургического цикла работы КП от начала подачи шихтовых материалов, до выпуска ферросилиция и шлакового расплава.

Полученный в процессе жидкофазного восстановления ферросилиций выпускают из КП (рол-камеры насыщения) и отправляют на финишную обработку, которая включает: разливку, охлаждение, дробление, сортировку и т.д. В частных случаях реализации способа при выпуске ферросплава из рол-камеры, а также при его разливке и охлаждении защищают инертным газом от окисления.

Глиноземистый цемент - гидравлическое вяжущее вещество, предназначенное для изготовления быстротвердеющих, строительных и жаропрочных растворов и бетонов. Содержание основных окислов в глиноземистом цементе колеблется в следующих пределах: Al₂O₃ - (35-80)%; CaO - (18-32)%; SiO₂ - (0.5-2)%; Fe₂O₃ - (0.5-1)% [9]. Основными минералами глиноземистого цемента являются алюминаты кальция, которые определяют процессы гидратации и нарастания прочности цементного камня. Важнейшим минералом является однокальциевый алюминат CaO^.Al₂O₃.

Шлаковый расплав, полученный в результате жидкофазного восстановления, имеет повышенное содержание Al₂O₃, основность B= и FeO. Чтобы привести шлаковый расплав к заданному составу глиноземистого цемента в него необходимо внести CaO, Fe₂O₃ и т.д. При этом основным вносимым компонентом (по вносимой массе) является СаО. Насыщение расплава известью производят в рол-камере насыщения (КН) [6] в два этапа. Сначала в КН обжигают известь, которую предполагается внести в шлаковый расплав, а затем в известь заливают шлаковый расплав из камеры плавления. В результате интенсивного перемешивания в КН получают клинкерный расплав, который выпускают из камеры насыщения, разливают в изложницы и направляют на охлаждение.

Важную роль при производстве глиноземистых цементов играет режим охлаждения клинкерного расплава, который определяют, исходя из химического состава расплава и заданных прочностных характеристик цемента. Обычно охлаждение клинкера в изложницах производят на специальном участке. На этом участке устанавливают холодильники, обогреватели и нагревательные колодцы для отжига закаленного клинкера. Каждому составу клинкера соответствует свой режим охлаждения.

Полученный в процессе охлаждения расплава клинкер может содержать металлические включения. Присутствие металла в цементе нежелательно, поскольку строительный материал, полученный с использованием данного цемента, и металл могут иметь различные коэффициенты объемного расширения. Это может привести к разрушению строительных конструкций. Очистку цементной смеси от металла проводят в два этапа. Сначала производят избирательное измельчение цементной смеси, а затем, в процессе воздушной сепарации, отделяют более плотный металл от хорошо измельченного и менее плотного цемента.

Отходящую из рол-камеры насыщения пылегазовую фазу используют в качестве теплоносителя для обжига извести. Для этого за камерой насыщения устанавливают агрегат для обжига с возможностью подачи в него пылегазовой смеси. Сначала в агрегат подают пылегазовую фазу, образующуюся в процессе обжига извести в самой камере, а затем - пылегазовую смесь, образующуюся в процессе насыщения расплава известью. Если в процесс такого обжига энергии отходящих из КН газов не хватило для окончательного обжига заданного объема извести, то эту некондиционную известь окончательно обжигают в КН на следующем производственном цикле реализации способа.

При реализации способа образуется большое количество газовых смесей, которые отделяют от пыли и подвергают десульфурации. Для обеспыливания газовых смесей используют: циклоны, фильтры, электростатические осадители и другие агрегаты и аспирационные комплексы. Извлеченную пыль, в зависимости от её состава, возвращают в производство или реализуют как товарный продукт.

Зола-унос ТЭС, содержит в своем составе железо и углерод. Поэтому её используют как шихтовой материал при жидкофазном восстановлении ферросилиция. Кроме этого зола может иметь повышенное содержание: Na, K, Zn, Pb и т.д. Это следствие двукратной возгонки этих компонентов сначала в рол-камере плавления, а затем в топке котла ТЭС. Задавая повторно материал в производство, мы способствуем еще большему накапливанию возгоняемых компонентов в смеси. В связи с этим, перед очередной подачей золы ТЭС в производство, определяют состав возгоняемых компонентов. При достижении содержания отдельными компонентами заданных значений, материал снимают с производства и отправляют потребителю. Пыли отправляют как сырьевой материал на предприятия цветной металлургии или как удобрение в сельское хозяйство.

Пыль, извлеченная из газовых смесей, участвующих в обжиге извести, содержит много CaO и используется как сырьевой материал, при десульфурации газовых смесей, при насыщении расплава известью или отгружается потребителям.

Для удаления из газовых смесей серы (SO₂) используют различные десульфураторы и скрубберы, действие которых основано на интенсивной промывке газов известковыми суспензиями. В частных случаях реализации способа, полученный в результате такой промывки гипс используют в качестве добавки при приготовлении цементных смесей.

В частных случаях реализации способа при сжигании органической составляющей основного и дополнительного топлива в котле ТЭС используют комплексный окислитель, в состав которого входит кислород и наполнитель газового тела. Таким образом, в топочном режиме котла (ТРК) вместе с кислородом появляется еще один компонент - наполнитель газового тела.

Под кислородом, в рассматриваемом способе, следует понимать технический кислород, содержащий по меньшей мере 95% О₂. Сжигание топлива в кислороде позволяет исключить из образующегося газового тела балластный (не участвующий в теплообмене излучением) N₂ и радикально решить проблему выброса в атмосферу таких вредных соединений, как N_xO_y. Кислород вводят в топку котла пропорционально органической составляющей топлива, обеспечивая требуемую полноту её сгорания. В рассматриваемом способе, как правило, не стремятся к полному сжиганию углерода в топливе, поскольку зола-унос ТЭС используется как углеродсодержащий компонент шихты при жидкофазном восстановлении чугуна.

Важным недостатком сжигания топлива в кислороде является высокая температура горения. Чтобы удержать температуру в топке на комфортном для котла уровне, в комплексный окислитель вводят наполнитель газового тела. Расход, состав и температуру наполнителя регулируют таким образом, чтобы получить в процессе сжигания топлива излучающее газовое тело, способное обеспечить требуемый режим испарения воды и получения пара с заданными параметрами. Иногда наполнитель газового тела вводят ещё и как газ-охладитель (см. выше). Введение наполнителя двумя частями, позволяет уберечь от переохлаждения и загущения минеральную составляющую топлива. В этом случае первую часть наполнителя вводят, как обычно, вместе с окислителем. Расход этой части регулируют таким образом, чтобы не перегреть и не переохладить минеральную составляющую топлива (шлак в накопителе котла ТЭС). Вторую часть наполнителя (газ-охладитель) вводят в газовое тело на выходе из топки, когда минеральная составляющая уже находится в накопителе котла и температура газового тела уже не оказывает на неё влияния.

Известно, что при передаче тепла излучением хорошо работают трехатомные газы, такие как: CO₂, H₂O и т.д., именно эти газы и являются основными при формировании наполнителя газового тела. Таким образом, в результате использования комплексного окислителя, в топке котла образуется излучающее газовое тело, в состав которого входит первичный газ - результат окисления органических компонентов топлива кислородом и наполнитель газового тела. Это позволяет: во-первых, повысить эффективность теплообменных процессов в котле, за счет замены азота трехатомными газами, а во-вторых, открывает широкие возможности по управлению мощностью котла, что очень важно в условиях меняющегося энергопотребления. Так, для уменьшения паропроизводительности котла, первичный газ частично замещают наполнителем газового тела, а для увеличения паропроизводительности, наполнитель частично замещают первичным газом. Такая регулировка позволяет изменять температуру излучающего газового тела, сохраняя неизменным его объемный расход, что важно для стабилизации пылеотвода из низкоскоростных газовых каналов котла.

В процессе сжигания топлива в котле ТЭС образуется газовая смесь, которую после обеспыливания и десульфурации выпускают в атмосферу. Такая смесь при традиционном окислении топлива воздухом содержит примерно 70 об.% N₂ и только 30 об.% CO₂ и Н₂О. Переход на предложенный в способе комплексный окислитель, позволяет получать газ с содержанием (96-99) об.% трехатомных газов (CO₂ и Н₂О) и только (1-4) об.% N₂. Наличие в этой газовой смеси азота объясняется его присутствием в органическом топливе.

Газовые смеси, образующиеся на цементном производстве, в рол-камере насыщения, содержат (99-100) об.% трехатомных газов и всего (0-1) об.% N₂, так как в рол-камеру вносят значительно меньше топлива. Обычно газ с рол-камеры насыщения в количественном выражении составляет всего (1-10) мас.% от газа с ТЭС.

Состав результирующей газовой смеси, образующейся в процессе производственного цикла, будет близок к составу газа с тепловой электростанции. Газовую смесь с таким содержанием трехатомных газов можно использовать в качестве наполнителя газового тела. Однако при многократной циркуляции такого газа, в нем будет расти содержание азота (он содержится в топливе), что приведет к снижению эффективности работы котла. Чтобы обеспечить заданный состав наполнителя газового тела, необходимо, перед каждым новым циклом использования газовой смеси, удалять из нее избыточные компоненты (азот) и вводить недостающие (Н₂О). Влага частично переходит в конденсат.

Удаление избыточных компонентов проводят, например, адсорбционным или мембранным способом. При этом, как правило, чистке подвергают только газ, поступающий с ТЭС, а газ с рол-камеры насыщения используют при формировании наполнителя газового тела без очистки.

Потерянную влагу возмещают подачей в результирующую смесь пара. Это позволяет не только воспроизвести требуемый состав наполнителя газового тела, но и поднять его температуру, чтобы не нарушить тепловой режим котла.

В частных случаях реализации способа для удаления из газовой смеси избыточных компонентов проводят её криогенную чистку. Суть чистки заключается в последовательной десублимации и отделении компонентов газовой смеси. В результате получают чистый СО₂ (сухой лед) с плотность 1561 кг/м³. На Фиг. 2 показана принципиальная технологическая схема подготовки НГТ и криогенной чистки дымовых газов в рамках ЭТК.

Ключевой идеей, лежащей в основе совместного производства стали, электроэнергии и цемента, является взаимное использование союзными производствами образующихся здесь вторичных ресурсов. При криогенной чистке газовых смесей используют «холодные» вторичные ресурсы - продукты криогенной ректификации воздуха. Чтобы максимально увеличить их охлаждающую способность, на кислородной станции 1 производят не только жидкий кислород и жидкий аргон, но и жидкий азот.

На переработку поступают дымовые газы с ТЭС 2 и цементного производства 3 (чистый газ). Газ с металлургического производства используют в ТЭС. Газовую фазу с ТЭС 2 направляют в газгольдер 4, а с цементного производства 3 - в газгольдер 5. При этом часть газа с ТЭС (газ без очистки) и, основную часть чистого газа направляют в смесительный газгольдер 6, где формируют состав НГТ. Оставшуюся часть газа с ТЭС из газгольдера 4 направляют на криогенную чистку (газ на очистку).

В процессе криогенной чистки различают два этапа: этап предварительного охлаждения газовой смеси и этап фазового превращения (получения льда). На этапе предварительного охлаждения из газовой смеси извлекают компоненты, которые переходят в другое агрегатное состояние раньше СО₂, а на этапе фазового превращения уже углекислый газ отделяют от избыточных компонентов, посредством перевода его в твёрдое состояние (сухой лед).

На первой стадии предварительного охлаждения в теплообменнике 7 из газовой смеси удаляют водяной конденсат. Температура газовой смеси в теплообменнике 7 - T_см≥273 K. На второй стадии предварительного охлаждения в теплообменниках 8, 9 и 10, отделяют остатки H₂O и SO₂, по мере перехода их в твердую фазу. Температура газовой смеси в этот период находится в диапазоне Т_см=(273-195) K. Подготовленная, таким образом, газовая смесь с температурой Т_см≈195 K поступает на этап фазового превращения (образования льда). На этом этапе в качестве охладителей используют первичные (жидкие) продукты криогенной ректификации воздуха, а именно жидкий азот, жидкий кислород и жидкий аргон. Схема получения льда зависит от того какой продукт криогенной ректификации воздуха используют в качестве охладителя:

При использовании жидкого азота. Очищаемую газовую смесь сжимают в компрессоре 11, вводят в неё жидкий азот и направляют в детандер 12. При этом образуется гетерогенная термодинамическая система «очищаемая газовая смесь - жидкий азот». Основные компоненты этой системы находится в процессе фазового перехода. Жидкий азот, взаимодействуя с компонентами очищаемой газовой смеси, нагревается и переходит в газообразное состояние, забирая тепло фазового перехода у углекислого газа. В результате такого теплообмена значительная часть диоксида углерода переходит в твердое состояние. Поскольку процесс происходит с образованием новой фазы (сухого льда), то его можно считать изотермическим (Т=194К). Оставшийся в газообразном состоянии диоксид углерода переводят в твердое состояние, посредством совершения газовой смесью механической работы в детандере. Работа детандера в изотермическом процессе определяется формулой

L_дт=RT ln (Дж/кг) (1)

где p1 и p2 соответственно исходное и конечное давление рабочего тела в детандере.

Таким образом, сжимая в компрессоре 11 очищаемую газовую смесь, получают необходимое исходное давление рабочего тела, обеспечивая, тем самым, перевод оставшегося газообразного диоксида углерода в лед. Совершенную в детандере 12 механическую работу преобразуют в электрическую энергию, которую используют в рамках ЭТК.

Таким образом, в результате теплообмена и расширения газовой смеси, производят отвод тепла фазового перехода от углекислого газа. Образующаяся при этом твердая фаза (сухой лед) и вторичный азот (газ), попадают в осадительную камеру детандера 13, где сухой лед СО₂ задерживают, а вторичный азот с температурой Т_втN=194 K отводят. Вместе с вторичным азотом из осадительной камеры уходит азот и кислород, содержавшийся в очищаемой газовой смеси.

При использовании жидкого кислорода и аргона. Часть вторичного азота, из осадительной камеры 13, охлаждают в рекуперативных теплообменниках 14 и 15. В качестве охладителей здесь используют соответственно жидкий кислород и жидкий аргон, которые в процессе теплообмена меняют свое агрегатное состояние. Охлажденный, таким образом, вторичный азот, вместе с жидким азотом, вводят в очищаемую газовую смесь после компрессора 11 и направляют в детандер 12. В образовавшейся термодинамической системе «очищаемый газ - охлажденный вторичный азот - жидкий азот», в результате теплообмена и совершения механической работы, образуется сухой лед (СО₂) и новый вторичный азот (газ). Сухой лед задерживают в осадительной камере детандера 13, а вторичный азот с температурой Т_втN=194 K удаляется из камеры, унося с собой азот и кислород из очищаемой газовой смеси.

Образующиеся на этапе фазового превращения вторичные теплоносители (N₂, O₂ и Ar) используют в качестве охладителей на стадии предварительного охлаждения очищаемой газовой смеси. После чего азот направляют, например, на производство удобрений, а кислород и аргон используют в способе. Кислород используют как окислитель, а аргон - как инертный газ, в металлургическом производстве.

Полученный в результате криогенной чистки лед поступает на склад 16. Одну порцию, подлежащего сублимации льда, направляют сначала в теплообменник 7, где он меняет свое агрегатное состояние, охлаждая газовую смесь, поступающую на очистку, а затем в смесительный газгольдер 6, где производят формирование НГТ. Другую порцию льда через шлюз 17 подают в сублимационную камеру 18, где он меняет свое агрегатное состояние, охлаждая воду с конденсатора ТЭС. Регулируя подачу льда, в сублимационной камере создают избыточное давление. Газ, с повышенным давлением, из камеры 18 подогревается в теплообменнике 19 и совершает работу, вращая турбину электрогенератора 20. Произведенная здесь электроэнергия используется в рамках ЭТК, а СО₂ с заданным давлением и температурой поступает в смесительный газгольдер 6, где формируют НГТ.

Расход газовых смесей, используемых при формировании НГТ, регулируют таким образом, чтобы содержание азота, в результирующем составе, не превысило допустимого значения. Полученную газовую смесь подают из газгольдера 6 к котлу ТЭС 2 через смешивающий подогреватель 21, где в неё вводят водяной пар. Температуру и расход пара регулируют таким образом, чтобы обеспечить заданный состав НГТ и не нарушить температурный режим работы подогревателя в котле ТЭС. Полученный в результате криогенной очистки, но неиспользуемый в способе лед (СО₂) перевозят к месту дальнейшей переработки или захоронения.

Важным фактором, определяющим жизнеспособность этого частного случая реализации способа, является энергоемкость производства льда, которая зависит от соотношения энергетической и технологической подсистемы в составе ЭТК. При достижении оптимального соотношения энергоемкость производства льда будет минимальна. Это соотношение уникально для каждого конкретного ЭТК. Кроме этого, оно может меняться в зависимости от качества сырья, состава производимых продуктов, технологических режимов производства и так далее. В связи с этим, на этапе проектирования энерготехнологического комплекса, когда определены условия его эксплуатации, выбирают мощность тепловой электростанции, чтобы приблизить соотношение энергетической и технологической подсистемы к оптимальному значению. Оценить соразмерность этих подсистем можно по расходу в них кислорода, или, что, то же самое, по расходу энергии на производство кислорода.

Углекислый газ играет важную роль в формировании климата на нашей планете. Находясь в атмосфере, он задерживает инфракрасное излучение. В связи с этим, снижение содержания СО₂ в атмосфере приводит к понижению средней годовой температуры на земле, а рост - к повышению. Для поддержания баланса в природе существуют как источники, так и потребители углекислого газа. Крупнейшими природными производителями СО₂ являются вулканы, а основными потребителями - растения (фитопланктон, леса и т.д.). Таким образом, на нашей планете существует замкнутый биогеохимический цикл обращения углерода. С началом промышленной революции человек тоже заявил о себе как о крупном производителе СО₂. Тепловая энергетика, металлургия и цементная промышленность - основные производители углекислого газа. В настоящее время мы наблюдаем беспрецедентный рост диоксида углерода в атмосфере. Это может привести к экологической катастрофе.

Одной из задач изобретения является предложение способа, позволяющего провести углеродную нейтрализацию: сталеплавильного, энергетического и цементного производств в рамках ЭТК. Для решения этой задачи необходимо провести отделение, образующегося здесь СО₂ и организовать его транспортировку к месту переработки или захоронения. Как было показано выше, криогенная очитка газовой смеси позволят отделить СО₂ из дымовых газов и превратить его в лед с плотностью 1561 кг/м³. Такая плотность продукта делает возможной его перевозку к месту переработки или захоронения обычным транспортом. Это, в свою очередь, открывает широкие возможности по переработке СО₂ как природными, так и промышленными потребителями. Следует отметить, что перевод газообразного диоксида углерода в твердое состояние, решает целый ряд проблем и при геологическом захоронении СО₂.

Таким образом, предложенный способ, в частных случаях его реализации, позволяет провести углеродную нейтрализацию энергетического, ферросплавного и цементного производства в рамках ЭТК.

Далее, упомянутые выше существенные признаки, достоинства и преимущества заявляемого способа будут проиллюстрированы на примерах. Приведенные примеры не ограничивают всех возможностей способа.

Пример 1

В качестве примера рассмотрим работу энерготехнологического комплекса (ЭТК), который производит электроэнергию [7. ГОСТ 32144-2013 Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: «Стандартинформ», 2014. – 16 с.], ферросилиций ФС75 [8. ГОСТ 1415-93 «Ферросилиций. Технические требования и условия поставки. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1993 - 14с], глиноземистый цемент ГЦ [9. ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия. - М.: «Стандартинформ», 2007. – 6 с.].

Производство электроэнергии

Производство электроэнергии осуществляют на ТЭС мощностью 50МВт. В качестве топлива используют бурый уголь марки «Б2», добываемый в Тульской, Смоленской, Рязанской, Калужской и Тверской областях низшая теплота сгорания МДж/кг. Технический состав угля и состав золы, усреднено по Подмосковному угольному бассейну, приведен в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Состав угля на рабочую массу, % (мас.)

Ср	Hр	Nр	Oр	Sр	Aр	Vр	Wр
28.7	2.2	0.6	8.6	2.7	25.2	21.4	32.0

Таблица 2 - Состав золы угля, % (мас.)

Fe2O3	SiO2	Al2O3	CaO	MgO
8.0	48.0	37.5	5.5	1.0

Рол-камера плавления (КП) связана отводящим каналом с топкой ТЭС. Это позволят использовать в качестве топлива при производстве электроэнергии раскаленную пылегазовую фазу (ВЭР), образующуюся в процессе восстановительной плавки в КП. Каждому периоду металлургической плавки в КП соответствует свой топочный режим котла (ТРК). В качестве окислителя и газа-охладителя используют воздух. В таблице 3 показана продолжительность ТРК и приведены технологические параметры, характеризующие энергетику пылегазовой фазы (вспомогательного топлива), поступающих в топку ТЭС из КП.

Таблица 3 - Время ТРК и параметры ВЭР на выходе из КП

	1-0	1-1	3-1	За цикл
Время режима, с	584	1577	1439	3600
εСО %*	99	99	0
Темп газа из КП, С	1675	1675	0

* ε_СО - Степень дожигания CO в газовой фазе на выходе из КП, %.

Время производственного цикла 3600 с (1.00 ч). В таблице 4 показаны материальные балансы сжигания топлива при соответствующих ТРК.

Таблица 4 - Материальные балансы сжигания топлива на ТЭС

В таблице 5 Приведены основные технологические параметры работы ТЭС в течение всего металлургического цикла.

Таблица 5 - Технологические параметры работы ТЭС

	1-0	1-1	3-1	За цикл
b (г/кВт ч)*	364.15	341.90	386.40	363.30
Паропроизвод-сть, т/ч	198.1	198.1	198.1	198.1
Температура пара, С	535	535	535	535
Давление пара, МПа	8.8	8.8	8.8	8.8

* b - Удельный расход условного топлива, г/кВт ч.

В результате работы ТЭС за один производственный цикл (3600с) получают 50000 кВт-ч электроэнергии, расходуя при этом 363.30 грамм условного топлива на один кВт-ч. Основные статьи расхода произведенной электроэнергии в рамках ЭТК приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Статьи расхода электроэнергии в ЭТК

Всего произведено эл. энергии за цикл, кВт-ч	50000
Затраты энергии на работу ТЭС, кВт-ч	3000
Затраты энергии на кислород для рол-камер, кВт-ч	3897
Затраты энергии на цементное производство, кВт-ч	1256
Энергия, отпущенная в ЕЭС, кВт-ч	41847
Доля энергии, отпущенной в ЕЭС, %	83.7

Восстановительная плавка в рол-камере плавления

Внутренний диаметр рол-камеры плавления (КП) - 3.3 м. Длина цилиндрической части камеры по футеровке - 2.42 м. Диаметр отводящего канала - 1.06 м. Масса камеры плавления без расплава - 54.0 т. Допустимый объем расплава, который может находиться в камере - 6.0 м³. КП футерована кислыми огнеупорами и вращается вокруг оси симметрии на четырех опорных роликах. Частоту вращения варьируют в диапазоне (0-30) об/мин. Вращение задают четыре симметрично расположенных привода, которые синхронизируются в процессе работы гидромуфтами. Крутящий момент передается через два зубчатых колеса, симметрично расположенных относительно центра камеры. Шихтовые материалы вводят в КП через подающую вставку, а через отводящую вставку отводят пылегазовую смесь. Отводящий канал КП связан через систему затворов с котлом ТЭС. На центральной цилиндрической части КП расположен загрузочный люк, шиберный затвор для выпуска жидких продуктов плавки и механизм для отбора проб.

Для получения ферросилиция из шлакового расплава ТЭС восстанавливают все железо и часть кремния. Движущей силой восстановительного процесса является углерод, вносимый в КП с углем и золой ТЭС. При этом, углерод, накопленный в сплаве, также принимает активное участие в восстановительном процессе и может быть выработан полностью, если в расплаве остаются активные компоненты.

Чтобы получить ферросилиций заданного состава в КП дополнительно вводят железную руду или кремний.

Для тепловой балансировки процесса в КП дожигают СО поступающий из ванны, а в случае недостатка тепла в зону дожигания подают природный газ и кислород.

Перед началом восстановительной плавки в КП, через загрузочный люк, заливают 11.66 т шлака, выпущенного из накопителя котла ТЭС. Через подающую вставку во вращающуюся камеру пневмотранспортом подают 5.78 т угля марки «Т», 1.51 т золы-уноса ТЭС и 0.11 т железной руды. Технический состав угля марки «Т» и химический состав его золы приведен в таблицах 7 и 8.

Таблица 7 - Состав угля марки «Т» на рабочую массу, % (мас.)

Ср	Hр	Nр	Oр	Sр	Aр	Vр	Wр
68.6	3.1	1.5	3.1	0.4	16.8	9.97	6.5

Таблица 8 - Состав золы угля марки «Т», % (мас.)

Fe2O3	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O	TiO2
12.0	55.0	25.0	3.5	1.0	0.7	1.4	0.7

Расход шихтовых материалов регулируют таким образом, чтобы фиктивная скорость, отходящих из ванны газов, находилась в диапазоне (0.3-1.7) м/с. Время подачи материала – 1869 с (см. Фиг. 1). Для дожигания образующихся в камере плавления горючих газов вводят кислород в объеме 6013 нм³. В процессе плавки получают 3.66т ферросилиция ФС75 [8] и 6.73 т глиноземистого шлака. Составы продуктов, полученных в процессе реализации способа, приведены в таблицах 9-14. Плавку проводят при температуре 1520°С. В процессе восстановительной плавки по отводящему каналу в топку котла ТЭС уходит 17.05 т газа. Степень дожигания СО в газовой смеси 99.9%. Дополнительного топлива в зону дожигания рол-камеры плавления не вносят. Вместе с дымовыми газами из КП уходит 0.19 т пыли и примесей газа. Температура пылегазовой смеси - 1675°С. Пыль, отходящая в топку ТЭС, имеет повышенное содержание калия. Это следствие возгонки этого элемента сначала в топке котла ТЭС, а затем в КП. В связи с этим содержание K₂O в составе золы-уноса ТЭС растет от цикла к циклу. При достижении содержания K₂O в золе ТЭС>15% ее не задают в переработку, а отгружают потребителю как калийное удобрение. Полное время восстановительной плавки с учетом выпуска продуктов 3061 с.

Насыщение шлакового расплава известью в рол-камере насыщения

Внутренний диаметр рол-камеры насыщения (КН) - 3.3 м. Длина цилиндрической части камеры по футеровке - 2.42 м. Диаметр отводящего канала - 1.06 м. Масса КН без расплава - 54.0 т. Допустимый объем расплава, который может находиться в камере - 6.0 м³. КН имеет основную футеровку и вращается вокруг оси симметрии на четырех опорных роликах. Частоту вращения регулируют в диапазоне (0-30) об/мин. Вращение задают четыре симметрично расположенных привода, которые синхронизируются в процессе работы гидромуфтами. Крутящий момент передается через два зубчатых колеса, симметрично расположенных относительно центра камеры. В центральной части КН располагают загрузочный люк.

Полученный в камере плавления шлаковый расплав по содержанию глинозема соответствует высокоглиноземистому цементу ВГЦ-II, но из-за повышенного содержания SiO₂, MgO и TiO₂ не может отгружаться в этом качестве потребителю. В связи с этим, расплав насыщают известью, чтобы получить цемент ГЦ [9. ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия. - М.: «Стандартинформ», 2007. – 6 с.].

В рассматриваемом примере перед насыщением в технологической камере обжигают известь, которую предполагается вносить в расплав, а затем, в эту известь вводят насыщаемый расплав шлака. Обжиг извести не удлиняет цикл переработки, поскольку проводится в то время, когда в КП получают глиноземистый шлаковый расплав.

Для обжига извести в КН загружают 8.51 т известняка. Чтобы компенсировать затраты энергии на эндотермические процессы в КН вносят 1.74 т угля марки «Т», 2379 нм³ кислорода и 293 нм³ воздуха. В результате получают 5.07 т извести, 8.83т газовой фазы и 0.13 т пыли. Температура пылегазовой смеси 1415°С. Время обжига извести 1097 с, его регулируют расходом шихтовых материалов. Скорость газового потока в отводящем канале – 30 м/с.

На заключительном этапе в КН вносят 6.73 т шлака из КП и 0.90 т железной руды (корректирующая добавка). Для выхода на заданную температуру расплава вводят 0.13 т угля марки «Т», 171 нм³ кислорода и 21.0 нм³ воздуха. В результате получают 12.56 т клинкерного расплава, 0.42 т газовой фазы и 0.12 т пыли. Составы продуктов приведены в таблицах 9-14. Температура пылегазовой фазы 1654°С. Температура расплава 1465°С. Время насыщения расплава известью 1140 с.

Полное время переработки шлакового расплава в КН, включая обжиг извести, насыщение расплава известью и выпуск глиноземистого клинкерного расплава – 2837 с.

Охлаждение клинкерного расплава

Полученный клинкерный расплав по своему химическому составу соответствует виду ГЦ [9. ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия. - М.: «Стандартинформ», 2007. – 6 с.]. Однако чтобы достичь заданных прочностных характеристик цемента необходимо соответствующим образом провести его кристаллизацию. Для этого, полученный в результате насыщения расплав разливают в изложницы и отправляют на участок для регулируемого охлаждения. Охлаждение производят водяным спреем с последующим обжигом в нагревательных колодцах.

Очистка цемента от металлических включений

После охлаждения клинкерного расплава формируют цементную смесь, в которую входит 12.56 т клинкера и 0.26 т гипса, который получают в процессе десульфурации отходящих газовых смесей. Чтобы исключить попадание в цемент металлических включений производят его чистку. Чистку проводят в два этапа. Сначала осуществляют избирательное измельчение неметаллической составляющей цементной смеси, а затем, регулируемым воздушным потоком, отделяют хорошо измельченный и менее плотный глиноземистый цемент, от более плотного и не измельченного металла. В результате получают 12.82 т глиноземистого цемента ГЦ [9. ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия. - М.: «Стандартинформ», 2007. – 6 с.].

Обжиг извести за КН

Пылегазовая смесь, образующаяся в рол-камере насыщения при получении клинкерного расплава, используют для обжига извести в агрегате, расположенном за камерой. Агрегат для обжига включает две обжиговые шахты, работающие поочередно. Одна шахта под загрузкой и выгрузкой, а другая - рабочая. К началу обжига в рабочей шахте находится 4.42 т известняка. Сначала в шахту подают газовую фазу, образующуюся в КН при обжиге извести. Температура газовой смеси 1415°С, время этого периода 1097 с. Затем в шахту подают газовую смесь, образующуюся при насыщении расплава известью. Температура газовой смеси 1654°С, время – 1140 с. При удельном расходе тепла на обжиг извести 4.6 МДж/кг, для обжига указанной порции требуется 11.65 ГДж тепла, в то время как из КН в шахту поступает 16.69 ГДж. Таким образом, в течение производственного цикла (3600 с) в рабочей шахте за КН удается получить 2.53 т извести, которую используют при десульфурации отходящих газов, получая гипс.

Составы получаемых продуктов

Таблица 9 - Составы вторичных ресурсов, поступивших на переработку с ТЭС

	ΣFeO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O	ZnO	S	C
Шлак ТЭС	8.00	47.90	37.38	5.48	1.00	0.00	0.00	0.00	0.24	0.00
Зола-унос ТЭС	6.88	41.23	32.18	4.72	0.86	0.43	0.87	0.03	0.00	12.80

Таблица 10 - Состав вторичных ресурсов c восстановительной плавки

	ΣFeO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O	TiO2	ZnO	S	C
Шлак	0.10	11.00	75.35	11.06	2.06	0.10	0.20	0.10	0.00	0.03	0.00
Пыль	4.11	15.68	9.79	1.44	0.31	4.60	9.21	0.09	0.37	3.19	51.21

Таблица 11 - Состав ферросплава ФС75 ГОСТ1415-63

Fe	Si	Mn	S	P	C
23.43	76.52	0.001	0.028	0.011	0.01

Таблица 12 - Состав глиноземистого клинкерного расплава ГЦ по ГОСТ969-91

Fe2O3	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	MnO	Na2O	K2O	TiO2	SO3	P2O5
6.12	9.44	41.33	41.42	1.16	0.00	0.07	0.15	0.08	0.22	0.01

Таблица 13 - Состав газовой смеси с ТЭС после десульфурации, об.%

CO2	SO2	H2O	O2	N2
17.69	0.00	19.54	0.68	62.09

Таблица 14 - Состав газовой смеси с рол-камеры насыщения после десульфурации, об.%

CO2	SO2	H2O	O2	N2
78.92	0.00	16.29	0.01	4.78

Результаты, полученные в процессе реализации способа

Таким образом, в результате работы ЭТК в течение производственного цикла (3600 с) получают 50000 кВт-ч электроэнергии [7. ГОСТ 32144-2013 Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: «Стандартинформ», 2014. – 16 с.]. При этом в энергосистему страны отпускают 41847 кВт-ч (83.7%), а 8153 кВт-ч (16.3%) энергии расходуют в рамках ЭТК, получая 3.66т ферросилиция ФС75 [8. ГОСТ 1415-93 «Ферросилиций. Технические требования и условия поставки. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1993 – 14 с.] и 12.82 т глиноземистого цемента ГЦ [9. ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия. - М.: «Стандартинформ», 2007. – 6 с.].

Пример 2

В качестве примера рассмотрим работу энерготехнологического комплекса (ЭТК), который перерабатывает золошлаковый отвал угольной ТЭС. Производя при этом электроэнергию [7. ГОСТ 32144-2013 Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: «Стандартинформ», 2014. – 16 с.], ферросилиций ФС70 [8. ГОСТ 1415-93 «Ферросилиций. Технические требования и условия поставки. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1993 – 14 с.], глиноземистый цемент ГЦ [9. ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия. - М.: «Стандартинформ», 2007. – 6 с.]. Рассмотрим один производственный цикл переработки 9841 с (2.73 ч). Время производственного цикла определяют как временной интервал межу выпусками шлакового расплава из накопителя котла ТЭС. В рассматриваемом примере он составляет 9841 с (2.73 ч).

Подготовка отвального шлака к переработке

В течение одного производственного цикла 58.65 т отвального шлака самосвалом доставляют к месту переработки. В процессе переработки из отвального шлака убирают мусор, измельчают и сушат. Для измельчения используют 1699 кВт-ч электроэнергии, а для сушки 9685 м³ природного газа. В производство направляют 51 т сухой золошлаковой смеси. Состав подготовленной к переработке золошлаковой смеси приведен в таблице 15.

Таблица 15 - Состав золошлаковой смеси с отвала ТЭС

Fe2O3	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	MnO	Na2O	K2O	TiO2	C	H2O
12.67	47.06	22.62	1.90	0.92	0.00	0.93	1.81	0.78	10.86	0.45

Производство электроэнергии

Производство электроэнергии осуществляют на ТЭС мощностью 50 МВт. В качестве топлива используют природный газ с низшей теплотой сгорания МДж/м³. Рол-камера плавления (КП) связана отводящим каналом с топкой ТЭС. Это позволят использовать в качестве дополнительного топлива при производстве электроэнергии раскаленную пылегазовую фазу, образующуюся в процессе восстановительной плавки в КП. Каждому периоду металлургической плавки в КП соответствует свой топочный режим котла (ТРК). В качестве окислителя и газа-охладителя, в примере, используют воздух. В таблице 16 показана продолжительность ТРК и приведены технологические параметры, характеризующие энергетику пылегазовой фазы, поступающей из КП. В этом примере пылегазовую фазу из КП считаем вспомогательным, а природный газ основным топливом для производства электроэнергии. В таблице 17 показаны материальные балансы сжигания топлива при соответствующих ТРК.

Таблица 16 - Время ТРК и параметры ВЭР на выходе из КП

	1-0	1-1	3-1	За цикл
Время режима, с	228	8712	901	9841
εСО %*	99	99	0
Темп газа из КП, С	1673	1673	0

ε_СО - Степень дожигания CO в газовой фазе на выходе из КП, %.

Таблица 17 - Материальные балансы сжигания топлива на ТЭС

В результате работы ТЭС за один производственный цикл (9841 с) получают 58230 кВт-ч электроэнергии, расходуя при этом 292.85 грамм условного топлива на один кВт-ч. В таблице 18 Приведены основные технологические параметры работы ТЭС в течение металлургического цикла.

Таблица 18 - Технологические параметры работы ТЭС

	1-0	1-1	3-1	За цикл
b (г/кВт ч)*	271.85	222.3	321.40	232.52
Паропроизвод-сть, т/ч	198.1	198.1	198.1	198.1
Температура пара, С	535	535	535	535
Давление пара, МПа	8.8	8.8	8.8	8.8

* b - Удельный расход условного топлива, г/кВт ч.

Основные статьи расхода произведенной электроэнергии в рамках ЭТК приведены в таблице 19.

Таблица 19 - Статьи расхода электроэнергии в ЭТК

Всего произведено эл. энергии за цикл, кВт-ч	58230
Затраты энергии на работу ТЭС, кВт-ч	3494
Затраты энергии на подготовку шлака	1699
Затраты энергии на кислород для рол-камер, кВт-ч	16990
Затраты энергии на цементное производство, кВт-ч	3101
Энергия, отпущенная в ЕЭС, кВт-ч	32946
Доля энергии, отпущенной в ЕЭС, %	56.6

Восстановительная плавка в рол-камере плавления

Внутренний диаметр рол-камеры плавления (КП) - 3.3 м. Длина цилиндрической части камеры по футеровке - 5.20 м. Диаметр отводящего канала - 1.06 м. Масса камеры плавления без расплава - 115.0 т. Допустимый объем расплава, который может находиться в камере - 12.9 м³. Устройство КП как в примере 1.

После предыдущей восстановительной плавки в КП оставляют 4.00 т оборотного шлака. Перед началом восстановительной плавки в КП, через загрузочный люк, заливают 0.883 т. шлака, выпущенного из накопителя котла ТЭС. Через подающую вставку во вращающуюся камеру пневмотранспортом подают 22.18 т угля марки «Т». Технический состав угля марки «Т» и химический состав его золы приведен в таблицах 7 и 8. Вместе с углем в рол-камеру подают 51.00 т подготовленного отвального шлака (золошлака) ТЭС. Время подачи материала – 8826 с (см. Фиг. 1). Для дожигания образующихся в камере плавления горючих газов вводят кислород в объеме 30903 нм³. В процессе плавки получают 16.92 т ферросилиция ФС70 [8. ГОСТ 1415-93 «Ферросилиций. Технические требования и условия поставки. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1993 – 14 с.] и 20.11 т глиноземистого шлака. Составы продуктов, полученных в процессе реализации способа, приведены в таблицах 20-25. Плавку проводят при температуре 1530°С. В процессе восстановительной плавки по отводящему каналу в топку котла ТЭС уходит 82.88 т газа. Степень дожигания СО в газовой смеси 99%. Вместе с дымовыми газами из КП уходит 2.30 т пыли и примесей газа. Температура пылегазовой смеси - 1673°С. Пыль, отходящая в топку ТЭС, имеет повышенное содержание калия. Это следствие возгонки этого элемента сначала в топке котла ТЭС, а затем в КП. В связи с этим, на следующем производственном цикле, золу-унос ТЭС не задают в переработку, а отгружают потребителю как калийное удобрение. Полное время восстановительной плавки с учетом выпуска продуктов 9840 с.

Насыщение шлакового расплава известью в рол-камере насыщения

Внутренний диаметр рол-камеры насыщения (КН) - 3.3 м. Длина цилиндрической части камеры по футеровке - 5.20 м. Диаметр отводящего канала - 1.06 м. Масса КН без расплава - 115.0 т. Допустимый объем расплава, который может находиться в камере - 12.9 м³. Устройство КН как в примере 1.

Для обжига извести в КН загружают 22.30 т известняка. Чтобы компенсировать затраты энергии на эндотермические процессы в КН вносят 4.37 т угля марки «Т», 5967.09 нм³ кислорода и 733.97 нм³ воздуха. В результате получают 13.24 т извести, 22.57 т газовой фазы и 0.33 т пыли. Температура пылегазовой смеси 1348°С. Время обжига извести 6897 с. Время регулируют расходом шихтовых материалов. В этом примере время обжига замедляют, чтобы камера не простаивала (не остывала). Поэтому материалы подают таким образом, чтобы скорость газового потока в отводящем канале не превышала 12 м/с.

На заключительном этапе в КН вносят 16.11 т шлака из КП и 2.00 т железной руды (корректирующая добавка). Для выхода на заданную температуру расплава вводят 0.34т угля марки «Т», 467.56 нм³ кислорода и 57.57 нм³ воздуха. В результате получают 31.01 т клинкерного расплава, 1.12 т газовой фазы и 0.31 т пыли. Составы продуктов приведены в таблицах 20-25. Температура пылегазовой фазы 1640°С. Температура расплава 1482°С. Время насыщения расплава известью 1800 с.

Полное время переработки шлакового расплава в КН, включая обжиг извести, насыщение расплава известью и выпуск глиноземистого клинкерного расплава – 9297 с.

Охлаждение клинкерного расплава

Охлаждение клинкерного расплава проводят как в примере 1.

Очистка цемента от металлических включений

После охлаждения клинкерного расплава формируют цементную смесь, в которую входит 31.01 т клинкера и 0.63 т гипса. Очистку цементной смеси от металлических включений проводят как в примере 1. В результате получают 31.64 т глиноземистого цемента ГЦ [9. ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия. - М.: «Стандартинформ», 2007. – 6 с.].

Обжиг извести за КН

Пылегазовая смесь, образующаяся в рол-камере насыщения при получении клинкерного расплава, используют для обжига извести в агрегате, расположенном за рол-камерой. Агрегат для обжига извести за КН как в примере 1. К началу обжига в рабочую шахту загружают 15.38 т известняка. Сначала в шахту подают газовую фазу, образующуюся в КН при обжиге извести. Температура газовой смеси 1348°С, время этого периода 6897 с. Затем в шахту подают газовую смесь, образующуюся при насыщении расплава известью. Температура газовой смеси 1640°С, время – 1800 с. При удельном расходе тепла на обжиг извести 4.6 МДж/кг, для обжига указанной порции требуется 40.5 ГДж тепла. Именно столько тепла поступает из КН в шахту для обжига. Таким образом, в течение производственного цикла (9841 с) в рабочей шахте за КН удается получить 8.81 т извести. Часть извести используют при десульфурации отходящих газов и получении гипса, а оставшуюся часть - реализуют сторонним потребителям.

Составы получаемых продуктов

Таблица 20 - Составы вторичных ресурсов с ТЭС в составе ЭТК

	ΣFeO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O	TiO2	S	C
Шлак ТЭС	14.41	54.36	26.01	2.20	1.04	0.32	0.64	1.02	0.00	0.00
Зола-унос ТЭС	1.50	5.64	2.70	0.23	0.11	29.62	59.26	0.11	0.00	0.83

Таблица 21 - Состав вторичных ресурсов c восстановительной плавки

	ΣFeO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O	TiO2	ZnO	S	C
Шлак	0.10	6.01	77.25	6.53	3.09	1.33	2.65	3.02	0.00	0.02	0.00
Пыль	6.36	23.99	11.48	0.97	0.46	12.73	25.47	0.45	0.00	0.39	17.70

Таблица 22 - Состав ферросплава ФС75 ГОСТ1415-63

Fe	Si	Mn	S	P	C
30.77	69.20	0.001	0.01	0.01	0.01

Таблица 23 - Состав глиноземистого клинкерного расплава ГЦ по ГОСТ969-91

Fe2O3	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	MnO	Na2O	K2O	TiO2	SO3	P2O5
5.59	6.70	41.07	41.04	1.66	0.00	0.71	1.42	1.60	0.20	0.01

Таблица 24 - Состав газовой смеси с ТЭС после десульфурации, об.%

CO2	SO2	H2O	O2	N2
23.79	0.00	16.22	4.23	55.76

Таблица 25 - Состав газовой смеси с рол-камеры насыщения после десульфурации, об.%

CO2	SO2	H2O	O2	N2
83.22	0.00	12.95	0.00	3.83

Результаты, полученные в процессе реализации способа

Таким образом, в результате работы ЭТК в течение производственного цикла (9841 с) получают 58230 кВт-ч электроэнергии [7. ГОСТ 32144-2013 Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: «Стандартинформ», 2014. – 16 с.]. При этом в энергосистему отпускают 32946 кВт-ч (56.6%), а 25284 кВт-ч (43.4%) энергии расходуют в рамках ЭТК. Кроме этого, за один производственный цикл перерабатывают 51.00 т отвального шлака, получая 16.92 т ферросилиция ФС70 [8. ГОСТ 1415-93 «Ферросилиций. Технические требования и условия поставки. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1993 – 14 с.] и 31.64 т глиноземистого цемента ГЦ [9. Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия. - М.: «Стандартинформ», 2007. – 6 с.].

Пример 3

Рассмотрим частный случай реализации примера 2, когда для сжигания органической части угля на ТЭС используют комплексный окислитель, в состав которого входит технический кислород и наполнитель газового тела (НГТ). Состав наполнителя газового тела приведен в таблице 26.

Таблица 26 - Состав наполнителя газового тела об.%.

CO2	SO2	H2O	O2	N2
95.00	0.00	4.00	0.00	1.00

В таблице 27 показана продолжительность ТРК и приведены технологические параметры, характеризующие энергетику пылегазовой фазы, поступающей в топку ТЭС из КП.

Таблица 27 - Время ТРК и параметры ВЭР на выходе из КП

	1-0	1-1	3-1	Цикл
Время режима, с	228	8688	904	9820
εСО %*	99	99	100	99
Темп газа из КП, С	1673	1673	0	1673

* ε_СО - Степень дожигания CO в газе на выходе из ПК, %.

Время металлургического (производственного) цикла 9820 с (2.73 ч).

В таблице 28 показаны материальные балансы при соответствующих ТРК ТЭС.

Таблица 28 - Материальные балансы при соответствующих ТРК ТЭС

Кислород (Т=26°С) и наполнитель газового тела (Т=350°С) подают по отдельным каналам, а их смешивание происходит непосредственно в топке котла. Состав, газовой смеси, отходящей из котла ТЭС, после обеспыливания и десульфурации, приведен в таблице 29.

Таблица 29 - Состав газовой смеси с ТЭС после десульфурации, об.%

CO2	SO2	H2O	O2	N2
86.95	0.00	11.40	0.00	1.65

В таблице 30 приведены основные технологические параметры работы ТЭС в течение всего производственного цикла.

Таблица 30 - Технологические параметры работы ТЭС

	1-0	1-1	3-1
b (г/кВт ч)*	271	222	320
Паропроизводительность, т/ч	82.01	82.02	82.00
Температура пара, С	535	535	535
Давление пара, МПа	8.8	8.8	8.8

* b - Удельный расход условного топлива, г/кВт-ч.

Технологические параметры работы котла позволяют обеспечить паром постоянную штатную работу турбоагрегата мощностью 21.3МВ т. При этом за один производственный цикл (9820 с) ТЭС вырабатывает 58100 кВт-ч, используя в среднем 232 г условного топлива на один кВт-ч.

Восстановительный этап плавки (производство ферросилиция)

Восстановительную плавку проводят как в примере 2.

Насыщение шлакового расплава известью в КН

Насыщение шлакового расплава известью проводят как в примере 2. Вместе с тем, чтобы снизить содержание азота в отходящем с КН газа сжигание топлива проводят в кислороде. В таблице 31 приведен материальный баланс обжига извести в КН.

Таблица 31 - Материальный баланс обжига извести в КН

Приход, т/пл.	Расход, т/пл.
Известняк	22.30	Известь	13.24
Уголь марки «Т»	4.37	Газовая фаза	21.91
Тех. кислород	8.81	Пыль	0.33
Итого:	35.48	Итого:	35.48

В таблице 32 приведен материальный баланс насыщения глиноземистого расплава известью.

Таблица 32 - Материальный баланс насыщения расплава известью

Приход, т/пл.	Расход, т/пл.
Известь	13.24	Клинкер	31.01
Шлак из КП	16.11	Газовая фаза	1.06
Железная руда	2.00	Пыль	0.31
Уголь марки «Т»	0.34	Итого:	32.38
Тех. кислород	0.69
Итого:	32.38	Невязка баланса, %	0.00

Полное время этапа, включая обжиг извести в КН, насыщение расплава известью и выпуск глиноземистого клинкера – 9012 с.

Полученный клинкерный расплав разливают в изложницы и отправляют на участок для регулируемого охлаждения.

Обжиг извести за КН

Образующиеся в процессе насыщения дымовые газы используют для обжига извести в шахтах, расположенных за камерой насыщения. К началу обжига в рабочей шахте находится 15.35 т известняка. Сначала в шахту подают газовую фазу, образующуюся в КН при обжиге извести. Температура газовой смеси 1380°С, время этого периода 6612 с. Затем в шахту подают газовую смесь, образующуюся при насыщении шлакового расплава. Температура газовой смеси 1660°С, время – 1800 с. При удельном расходе тепла на обжиг извести 4.6 МДж/кг, для обжига указанной порции требуется 40.46 ГДж тепла. Именно столько тепла и поступает из КН в шахту для обжига. Таким образом, в течение производственного цикла (9820 с) в рабочей шахте за КН удается получить 8.80 т извести. Часть извести 0.29 т используют при очистке газов ТЭС от SO₂. Остальную известь 8.51 т отгружают сторонним потребителям. В таблице 33 приведен усредненный состав газовой смеси, отходящей из рол-камеры насыщения и обжиговой шахты в течение производственного цикла.

Таблица 33 - Состав газовой смеси с рол-камеры насыщения, об.%

CO2	SO2	H2O	O2	N2
93.68	0.00	5.94	0.00	0.38

Приведенные данные показывают, что сжигание топлива в кислороде позволяет получить газовую смесь с низким содержанием азота. Эту газовую смесь считают «чистым газом» и используют при формировании НГТ без очистки.

Подготовка наполнителя газового тела и получение льда СО₂

Технологическая схема подготовки наполнителя газового тела и получение сухого льда показана на фиг. 2. В течение цикла (9820 с), на производство НГТ и получение сухого льда (СО₂) поступает 264.53 т газа с ТЭС и 29.50 т газа с рол-камеры насыщения. Эти газовые смеси содержат 257.64 т СО₂. В таблице 34 приведен материальный баланс производства наполнителя газового тела.

Таблица 34 - Материальный баланс производства НГТ

Приход, т/ц	Расход, т/ц
Газ. смесь с КН	27.92	Наполнитель газового тела	153.50
Газ. смесь с ТЭС «без очистки»	48.60	Конденсат	0.00
Газ. смесь с ТЭС «после очистки»	75.43	Итого:	153.50
Водяной пар	1.54
Итого:	153.49	Невязка, %	0.007

Таким образом, весь газ с КН и 48.60 т газа с ТЭС отправляют в НГТ без очистки. Кроме этого, в наполнитель газового тела вводят 1.54 т пара. (Т=300°С). Это позволяет с одной стороны выйти на заданное содержание Н₂О в НГТ (см. таблицу 26), а с другой - поднять температуру наполнителя до 31°С перед его подачей в нагреватель котла ТЭС. Оставшийся после производства НГТ газ (190.08) отправляют на криогенную очистку и производство льда (СО₂). Для охлаждения газовой смеси при получении льда используют продукты криогенной ректификации воздуха, полученные в течение производственного цикла на кислородной станции: 72.22 т жидкого кислорода, 4.02 т жидкого аргона и 231.60 т жидкого азота. Получение в рамках ЭТК жидкого азота привело к увеличению удельного расхода электроэнергии на производство кислорода. Если в углерод-позитивном производстве (пример 2) этот показатель 0.455 кВт-ч/м³О₂, то в углерод-нейтральном производстве (в этом примере) он составил 0.794 кВт-ч/м³О₂.

На стадии предварительного охлаждения очищаемую газовую смесь охлаждают азотом, кислородом и аргоном, перешедшими в газовую фазу в процессе получения льда. На первом этапе в теплообменнике 7 (см. фиг. 2), смесь охлаждают до температуры 273 K. В результате этого переводят в конденсат и удаляют 2.94 т Н₂О. Далее, в теплообменниках 8, 9 и 10 (см. фиг. 2), очищаемую газовую смесь охлаждают до температуры 195 K. На этой стадии предварительного охлаждения из газовой смеси в твердую фазу, отделяют 0.48 т избыточных компонентов (остатки H₂O и SO₂). На этапе фазового превращения (получение льда) очищаемую газовую смесь делят на две порции. Первую порцию 127.49 т отправляют на охлаждение жидким азотом, а вторую 59.17 т на охлаждение жидким кислородом и аргоном.

Первую порцию сжимают в компрессоре 11 до 0.19 МПа, вводят в неё 196.90 т жидкого азота и направляют в детандер 12. При этом образуется термодинамическая система «очищаемый газ - жидкий азот». В результате теплообмена и совершения этой термодинамической системой механической работы (детандер вращает электрогенератор), происходит отвод энергии от углекислого газа, с образованием сухого льда (СО₂) и вторичного азота (газ). Сухой лед СО₂ задерживается в осадительной камере детандера 13 (см. фиг. 2), а вторичный азот с температурой Т_втN=194 K отводится, унося с собой азот и кислород из очищаемой газовой смеси. Часть отводимого из камеры детандера вторичного азота 138.90 т, направляют в рекуперативные теплообменники 14 и 15 (см. фиг. 2), где он охлаждается жидким кислородом и жидким аргоном. При этом происходит фазовое превращения жидких теплоносителей (О₂ и Ar) в газ.

Вторую порцию очищаемой газовой смеси (59.17 т) сжимают в компрессоре 11 до 0.16 МПа, вводят в неё 138.90т охлажденного вторичного азота, 34.74 т жидкого азота и направляют в детандер 12. При этом образуется термодинамическая система «очищаемый газовая смесь - охлажденный вторичный азот (газ) - жидкий азот». В результате теплообмена и совершения этой термодинамической системой механической работы (детандер вращает электрогенератор), происходит отвод энергии от углекислого газа, с образованием сухого льда (СО₂) и вторичного азота (газ). Сухой лед СО₂ задерживается в осадительной камере детандера 13, а вторичный азот с температурой Т_втN=194 K отводится, унося с собой азот и кислород из очищаемой газовой смеси. Кроме этого, в результате вращения детандерами 12 электрогенераторов производят 2847 кВт-ч электроэнергии, которая используется в ЭТК.

Образующиеся на этапе фазового превращения вторичные теплоносители (N₂,O₂ и Ar) используют в качестве охладителей на этапе предварительного охлаждения очищаемой газовой смеси. После чего вторичный азот 235.09 т отправляют на производство азотных удобрений, а кислород и аргон используют в способе. Кислород как окислитель, а аргон, как инертный газ.

В результате криогенной очистки получают 183.13 т сухого льда. При этом 107.70 т льда железнодорожным транспортом отправляют на дальнейшую переработку, а 75.43 т размораживают в специальной установке и используют при формировании НГТ. Для этого, сухой лед со склада 16 (см. фиг. 2) через шлюз 17 вводят в сублимационную камеру 18, где он превращается в газ, охлаждая воду с конденсатора ТЭС. Регулируя подачу льда, в сублимационной камере создают избыточное давление, равное 3.0 МПа. Далее углекислый газ, через теплообменник 19, поступает в турбину электрогенератора 20, где совершает работу, производя 1806 кВт-ч электроэнергии. Электроэнергию используют в рамках ЭТК, а 75.43 т СО₂ поступает в смесительный газгольдер 6, где формируют НГТ.

В течение производственного цикла 9820 c (2.73 ч) в газгольдере 6 накапливается результирующая газовая смесь, которую подают в смешивающий подогреватель 21, где в неё вводят 1.54 т водяного пара с температурой 300°С. В результате получают (153.5 т) НГТ заданного состава (см. таблицу 26) с температурой 31°С, который подают в подогреватель котла ТЭС.

В таблице 35 приведен баланс электроэнергии в углерод-нейтральном (пример 3) и углерод-позитивном (пример 2), в течение производственного цикла.

Таблица 35 - Баланс электроэнергии в ЭТК РОЛМЕЛТ, в течение цикла

Наименование статей баланса	Пример 3	Пример 2
Приходные статьи
Произведено эл. энергии на ТЭС, кВт-ч	58100	58230
Произведено эл. энергии на детандерах, кВт-ч	2847	0
Произведено эл. энергии при размораживании льда, кВт-ч	1806	0
Итого:	62753	58230
Расходные статьи
На работу ТЭС, кВт-ч	3486	3494
На подготовку отвального шлака, кВт-ч	1699	1699
На производство кислорода для технологич. подсистемы, кВт-ч	29770	16990
На производство кислорода для энергетич. подсистемы, кВТ-ч	10560	0
На компримирование газовых смеси перед детандерами, кВТ-ч	2497	0
На цементное производство, КВт-ч	3101	3101
Электроэнергия направленная в ЕЭС, кВт-ч	11640	32946
Итого:	62753	58230

Приведенные данные показывают, что в примере 3 появились новые статьи расхода электроэнергии, связанные с получением кислорода для энергетической подсистемы ЭТК и компримированием газовой смеси перед детандерами. Кроме этого, из-за выпуска жидкого азота, производство кислорода стало более энергоемким. Вместе с тем, в примере 3 появился и новые источники энергии, связанные с работой детандеров и размораживанием части льда. Таким образом, результирующий расход энергии при производстве сухого льда составил (10560+2497)-(2847+1806)=8404 кВт-ч. Если эту энергию отнести к массе СО₂, образующегося в ЭТК (257.64 т), то мы получим удельные энергозатраты, связанные с отделением и десублимацией диоксида углерода. В рассматриваемом примере этот показатель - 0.117 ГДж/т СО₂, а если учесть здесь затраты, которые понесло металлургическое производство, получая более энергоемкий кислород, то он возрастет до 0.295 ГДж/т СО₂.

Результаты, полученные в процессе реализации способа

Таким образом, за 9820 (2.73 ч), перерабатывают 51.00 т подготовленного золошлака. При этом производят 16.92 т ферросилиция (ФС70 ГОСТ1415-93), 31.64 т глиноземистого цемента (ГЦ ГОСТ969-91) и 62753 кВт-ч электроэнергии. Причем 51113 кВт-ч электроэнергии используют в рамках ЭТК, а 11640 кВт-ч углерод-нейтральной электроэнергии (18.55%) отправляют сторонним потребителям в ЕЭС. Кроме этого, потребителям отправляют 107.70 т сухого льда.

Пример 4

Чтобы минимизировать энергозатраты, связанные с выделением и десублимацией диоксида углерода, проведем подбор мощности ТЭС, входящей в состав ЭТК (пример 3). Для этого, мощность ТЭС будем увеличивать с 21.3 МВт до 50 МВт. В таблице 36 приведены результаты подбора мощности ТЭС.

Таблица 36 Результаты подбора мощности ТЭС

Мощность ТЭС в составе ЭТК, МВт	21.30	25.00	30.00	40.00	45.00	47.00	50.00
Доля энергетической подсистемы в ЭТК, д.е.	0.262	0.293	0.311	0.331	0.395	0.435	0.505
Расход энергии на десублимацию СО2, ГДж/т СО2	0.295	0.274	0.265	0.258	0.252	0.264	0.318

Долю энергетической или технологической подсистемы в ЭТК рассчитывали, как долю расхода электроэнергии на производство кислорода для этих подсистем (см. таблицу 35). Полученные результаты показывают, что наименьший расход энергии, при выделении и десублимации диоксида углерода 0.252 ГДж/т СО₂ достигается, когда мощность ТЭС равна 45 МВт.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показан график изменения расхода газа в отводящем канале камеры в течение восстановительной плавки, от начала ввода шихтовых материалов до выпуска продуктов. График представляет собой трапецию ABCD. τ2 - время подачи шихтовых материалов. Угол наклона стороны АВ характеризует скорость нарастание расхода газа по мере внесения в камеру шихтовых материалов, а τ1 - время выхода на штатный режим плавки. ВС=τ3 - время работы при штатном режиме плавки. Его определяют, как разницу τ2 - τ1. Высота трапеции q_г - секундный расход газа через отводящий канал при штатном режиме плавки. Этот расход постоянен, поскольку при штатном режиме выработавшие свой ресурс угольные частицы замещаются вновь вводимыми в камеру. Угол наклона стороны CD характеризует скорость затухания восстановительных процессов в камере, после прекращения подачи шихтовых материалов, а τ4 - время затухания процесса. Если в процессе плавки фракционный и марочный состав восстановителя не меняется, то τ1=τ4, а трапеция ABCD является равнобедренной. Основание трапеции AD=τ5=τ2+τ1 - это полное время плавки, от начала подачи материала до выпуска продуктов. Площадь трапеции равна расходу газа через отводящий канал за плавку V_г, Расход газа определяют из материального баланса плавки.

На Фиг. 2 показана принципиальная технологическая схема подготовки НГТ и криогенной чистки дымовых газов в рамках ЭТК.

На переработку поступают дымовые газы с ТЭС 2 и цементного производства 3 (чистый газ). Газовую фазу с ТЭС направляют в газгольдер 4, а с цементного производства - в газгольдер 5. При этом часть газа с ТЭС (газ без очистки) и основную часть чистого газа направляют в смесительный газгольдер 6, где формируют состав НГТ. Оставшуюся часть газа с ТЭС из газгольдера 4 направляют на криогенную чистку (газ на очистку).

На первой стадии предварительного охлаждения в теплообменнике 7 из газовой смеси удаляют водяной конденсат. Температура газовой смеси в теплообменнике 7 - T_см ≥ 273K. На второй стадии предварительного охлаждения в теплообменниках 8, 9 и 10 отделяют остатки H₂O и SO₂, по мере перехода их в твердую фазу. Температура газовой смеси в этот период находится в диапазоне Т_см=(273-195) K. Подготовленная, таким образом, газовая смесь с температурой Т_см≈195 K поступает на этап фазового превращения (образования льда). На этом этапе в качестве охладителей используют первичные (жидкие) продукты криогенной ректификации воздуха, а именно жидкий азот, жидкий кислород и жидкий аргон. Схема получения льда зависит от того какой продукт криогенной ректификации воздуха используют в качестве охладителя:

При использовании жидкого азота. Очищаемую газовую смесь сжимают в компрессоре 11, вводят в неё жидкий азот и направляют в детандер 12. Образующаяся в детандере твердая фаза (сухой лед) и вторичный азот (газ), попадают в осадительную камеру детандера 13, где сухой лед (СО₂) задерживают, а вторичный азот с температурой Т_втN=194 K отводят. Вместе с вторичным азотом из осадительной камеры уходит азот и кислород, содержавшийся в очищаемой газовой смеси.

При использовании жидкого кислорода и аргона. Часть вторичного азота, из осадительной камеры 13, охлаждают в рекуперативных теплообменниках 14 и 15. В качестве охладителей здесь используют соответственно жидкий кислород и жидкий аргон, которые в процессе теплообмена меняют свое агрегатное состояние. Охлажденный, таким образом, вторичный азот, вместе с жидким азотом, вводят в очищаемую газовую смесь после компрессора 11 и направляют в детандер 12. В образовавшейся термодинамической системе «очищаемый газ - охлажденный вторичный азот - жидкий азот», в результате теплообмена и совершения механической работы, образуется сухой лед (СО₂) и новый вторичный азот (газ). Сухой лед задерживают в осадительной камере детандера 13, а вторичный азот с температурой Т_втN=194 K удаляется из камеры, унося с собой азот и кислород из очищаемой газовой смеси.

Образующиеся на этапе фазового превращения вторичные теплоносители (N₂, O₂ и Ar) используют в качестве охладителей на стадии предварительного охлаждения очищаемой газовой смеси. После чего азот направляют, например, на производство удобрений, а кислород и аргон используют в способе. Кислород используют как окислитель, а аргон - как инертный газ, в металлургическом производстве.

Полученный в результате криогенной чистки лед поступает на склад 16. Одну порцию, подлежащего сублимации льда, направляют сначала в теплообменник 7, где он меняет свое агрегатное состояние, охлаждая газовую смесь, поступающую на очистку, а затем в смесительный газгольдер 6, где производят формирование НГТ. Другую порцию льда через шлюз 17 подают в сублимационную камеру 18, где он меняет свое агрегатное состояние, охлаждая воду с конденсатора ТЭС. Регулируя подачу льда, в сублимационной камере создают избыточное давление. Газ, с повышенным давлением, из камеры 18 подогревается в теплообменнике 19 и совершает работу, вращая турбину электрогенератора 20. Произведенная здесь электроэнергия используется в рамках ЭТК, а СО₂ с заданным давлением и температурой поступает в смесительный газгольдер 6, где формируют НГТ.

Расход газовых смесей, используемых при формировании НГТ, регулируют таким образом, чтобы содержание азота, в результирующем составе, не превысило допустимого значения. Полученную газовую смесь из газгольдера 6 подают к котлу ТЭС через смешивающий подогреватель 21, где в неё вводят водяной пар. Температуру и расход пара регулируют таким образом, чтобы обеспечить заданный состав НГТ и не нарушить температурный режим работы подогревателя в котле ТЭС. Полученный в результате криогенной очистки, но неиспользуемый в способе лед (СО₂) перевозят к месту дальнейшей переработки или захоронения.

Список использованных источников

1. Кудинов А.А. Тепловые электростанции. Схемы и оборудование: учебное пособие. - М.: Инфра-М. 2015. - 325.

2. Жихар Г.И. Котельные установки тепловых электростанций: учебное пособие. - Минск. «Вышэйшая школа». 2015. - 525.

3. Кизильштейн Л.Я. Следы угольной энергетики (статья) // Наука и жизнь - 2008. - №5. - С. 42-47.

4. Бутт Ю.М., Окороков С.Д., Сычев М.М., Тимашев В.В. Технология вяжущих веществ: учебник для вузов / под ред. Ю.М. Бутта - М.: «Высшая школа», 1968. - 620 с.

5. RU 2692532 C1, 2018.

6. RU 2710088 C1, 2017.

7. ГОСТ 32144-2013 Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: «Стандартинформ», 2014. - 16 с.

8. ГОСТ 1415-93 «Ферросилиций. Технические требования и условия поставки. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1993 - 14 с.

9. ГОСТ 969-91 Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия. - М.: «Стандартинформ», 2007. - 6 с.

1. Способ производства электроэнергии, ферросилиция и глиноземистого цемента в одном энерготехнологическом комплексе, включающий сжигание в котле тепловой электростанции органической составляющей топлива с получением излучающего газового тела, передачу тепловой энергии от газового тела воде, получение водяного пара и преобразование энергии пара в электрическую энергию на тепловой электростанции, и переработку минеральной составляющей топлива в виде шлакового расплава и золы в рол-камерах, причем сначала в рол-камеру плавления подают шлаковый расплав и золу, проводят их жидкофазное восстановление с получением ферросилиция и шлакового расплава, подаваемого затем в рол-камеру насыщения, содержащую обожженную известь, и производят его насыщение известью, с получением глиноземистого клинкерного расплава, при этом финишную обработку ферросилиция и глиноземистого клинкера проводят за пределами рол-камер посредством их разливки и охлаждения, при этом режим охлаждения клинкерного расплава выбирают таким образом, чтобы получить заданный минералогический состав глиноземистого клинкера, причем из охлажденного глиноземистого клинкера и технологических добавок формируют цементную смесь и очищают ее от металлических включений в процессе ее избирательного измельчения и воздушной сепарации, при этом пылегазовую фазу из рол-камеры плавления дожигают в котле тепловой электростанции, причем сжигание органической составляющей топлива проводят в соответствии с топочным режимом котла, обеспечивая постоянную штатную работу турбины электрогенератора, при этом топочный режим котла определяет расход основного топлива, вспомогательного топлива - пылегазовой фазы из рол-камеры плавления и окислителя, а пылегазовую смесь из рол-камеры насыщения используют в качестве теплоносителя для обжига извести за рол-камерой насыщения, при этом все образующиеся в процессе реализации способа газовые смеси после их использования обеспыливают и подвергают десульфурации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в котел тепловой электростанции дополнительно подают газ-охладитель и корректирующие добавки, для корректировки содержания в шлаковом расплаве CaO, FeO, SiO₂ и Al₂O₃, а их расход определяют топочным режимом котла.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при жидкофазном восстановлении ферросилиция дополнительно используют пыли, шлаковые расплавы, металлолом и техногенные отходы с золошлаковых отвалов.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что при сжигании органической составляющей топлива используют комплексный окислитель, включающий кислород и наполнитель газового тела, при этом кислород вводят пропорционально органической составляющей топлива, обеспечивая требуемую полноту её сгорания, а расход, состав и температуру наполнителя регулируют таким образом, чтобы сформировать в процессе сжигания излучающее газовое тело, способное обеспечить требуемый режим испарения воды и получения пара с заданными параметрами.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что образующиеся в процессе реализации способа газовые смеси после обеспыливания и десульфурации используют в качестве наполнителя газового тела, для этого из них удаляют избыточный азот и вводят недостающую воду.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что часть образующихся на тепловой электростанции газовых смесей после обеспыливания и десульфурации подвергают криогенной чистке с получением сухого льда, при этом одну часть полученного льда подвергают сублимации и используют в приготовлении наполнителя газового тела, а другую – отправляют потребителям или накапливают в хранилищах, при этом для охлаждения очищаемых газовых смесей используют продукты криогенной ректификации воздуха и сублимируемую часть льда, а мощность тепловой электростанции подбирают таким образом, чтобы минимизировать энергозатраты, связанные с производством сухого льда.