1. Краткая характеристика предприятия

Мощность завода по выпуску цемента на 1990 год составила 2320 млн. тонн.

Завод работает по мокрому способу производства цемента и оснащен четырьмя вращающимися печами: №№ 1, 2, 3, размером Ш5,0/4,5/5,0Ч170 производительностью 62 т/час и № 2 размером Ш5,0Ч170 производительностью 68 т/час.

Основными сырьевыми материалами, используемыми для производства цемента, являются: мел Кременковского и глина Горшихинского месторождений.

Для корректировки химического состава смеси используются минеральные добавки:

- гипс Камско-Устьинского рудника;

- колчеданные огарки из Череповца;

- шлак Магнитогорского комбината;

- лигносульфонаты технические с Кондопожского ЦБК.

2. Краткая характеристика технологии производства

очистка дымовой газ абсорбционный

Основными производственными подразделениями на предприятии являются:

1. Цементное производство

карьер (горный цех);

сырьевой цех;

цех обжига клинкера;

цех помола цемента;

объединенный склад;

открытый склад огарков;

сушильное отделение;

цех отгрузки;

транспортный цех.

2. Строительный участок.

3. Механический цех.

4. Электроцех.

5. Участок механизации.

6. Локомотивное депо.

7. Мазутное хозяйство.

8. Промежуточный склад сырья № 1 станция «Заводская».

9. Промежуточный склад добавок № 2 на берегу реки Волга.

10. Очистные сооружения.

Карьер (горный цех)

Мел добывается открытым способом и экскаваторами грузится в думпкары, которые по местной железнодорожной линии подают сырье в сырьевой цех завода

Сырьевой цех

Сырьевые компоненты (мел, глина и пиритные огарки), доставленные в сырьевой цех со складов, загружаются в сырьевые мельницы экскаватором. В мельницах происходит помол сырья с одновременной подачей воды. Соотношение сырьевых компонентов равно: мела - 80%, глины 17%, огарок - 3%. В результате помола получается сырьевой шлам с влажностью 40%. Сырьевой шлам хранится в шламбассейнах и из них подается на вращающиеся печи.

Цех обжига клинкера

Обжиг шлама происходит в высокотемпературных вращающихся печах. На заводе 4 вращающиеся печи: печи №№ 1, 3 ,4 размером Ш5,0/4,5/5,0Ч170, производительностью 62 т/час и печь № 2 размером Ш5,0/5,6Ч170 производительностью 68 т/час. Температура отходящих газов 200-240°С. С дымовыми газами в атмосферу выбрасываются газообразные продукты сгорания мазута (SO2, NOX, CO).

Печи оборудованы дымовыми трубами высотой 80 м, одна труба на две печи. Уловленная в электрофильтрах пыль возвращается во вращающиеся печи. Часть пыли (?10%), уловленной электрофильтрами, перекачивается в силос и отгружается потребителям.

Сырьевая пыль из пылеосадительных камер печей № 1, 2, 3, 4 выгружается в автотранспорт. Выбросы от указанных источников являются неорганизованными, кратковременными.

Обожженный шлам в виде клинкера поступает из печей в колосниковые холодильники, где охлаждается до 80°. Затем транспортерами подается в объединенный склад на хранение. Каждая вращающаяся печь оборудована отдельным холодильником. Улавливание пыли осуществляется в циклонах. Возврат уловленной пыли производится на клинкерный транспортер, который совместно с клинкером подает ее в объединенный склад.

Цех помола цемента

В цехе помола цемента установлены шесть цементных мельниц: №№ 1-2 размером Ш 3,0Ч14 м, производительностью 41 т/ч и №№ 3-6 размером Ш 3,2Ч15 м производительностью 46-47 т/ч.

Цементная мельница № 7 Ш3,0Ч8,5 м, производительностью 21,5 т/час установлена в сырьевом цехе. В объединенном складе производится загрузка клинкера и добавок в бункера цементных мельниц. Все мельницы оборудованы обеспыливающими установками. Готовый цемент пневмо-камерными насосами перекачивается в цементные силоса.

Цех отгрузки

После помола готовый цемент пневмокамерными насосами перекачивается сжатым воздухом по цементоводам в цемсилоса. На заводе предусмотрено для хранения цемента 11 силосов цемента и 1 силос для хранения пыли от печей № 1-4. Цементные силоса и силос пыли не имеют обеспыливающих установок, поэтому при загрузке и их разгрузке наблюдается выделение пыли.

Цемсилоса являются одним из самых значительных источников выделения пыли на заводе. Из силосов цемент отгружается на двух постах в железнодорожные вагоны и на двух постах в автотранспорт.

Очистка отходящих газов от вращающихся печей осуществляется в электрофильтрах: типа Лурги - печи № 1,2,3 и типа ПГД4Ч38 -печь № 4. При этом степень очистки дымовых газов составляет: печь № 1 - 92,7%, печь № 2 -95,2%, печь № 3 - 96,9%, печь № 4 - 98,7%.

3. Основные методы очистки отходящих газов

3.1 Очистка газов от диоксида серы

Основными промышленными методами очистки топочных газов от диоксида серы являются абсорбция и добавление сорбентов в зону горения. Обычно применяются абсорбционные методы - известковый и известняковый, мокрые, полусухие и сухие. Основные их недостатки - образование большого объема сульфитов и сульфатов и сложность утилизации последних.

Известковый и известняковый методы

Основные химические реакции, протекающие при взаимодействии SO2 с пульпой гидроксида кальция или известняка, описываются следующими уравнениями:

CO+H2O> Ca(OH)2

Ca(OH)2+CO2>CaCO3+H2O

CaCO3+CO2> Cа(HCO3)2

Образующаяся пульпа имеет сложный переменный состав и содержит смесь сульфита и сульфата кальция, непрореагировавших СаСО3 или Са(ОН)2. Это затрудняет дальнейшее использование шлама.

Магнезитовый метод

Сущность метода состоит во взаимодействии SO2 с суспензией Mg(OH)2 по реакции:

Mg(OH)2 +SO2+5H2O>MgSO3 . 6H2O

Достоинствами метода являются его цикличность, высокая эффективность (степень очистки 90-92%), возможность утилизации SO2. Основной недостаток процесса - большое количество твердофазных стадий, что приводит к сильному абразивному износу аппаратуры и загрязнению среды твердыми частицами. Весьма значительными являются и энергетические расходы на разложение сульфита и сульфата магния.

Аммиачные методы

В основе этих методов лежит процесс абсорбции SO2 раствором сульфита аммония:

SO2+(NH4)2SO3+H2O- 2NH4HSO3

В дальнейшем в результате химических превращений из образующегося гидросульфита аммония выделяют оборотный раствор (NH4)2SO3.

Недостатками метода являются большие энергетические затраты, коррозионная активность абсорбционного раствора, высокие капитальные и эксплуатационные затраты.

Недостатком всех аммиачных методов очистки отходящих газов ТЭС и ряда других производств является необходимость глубокого охлаждения газов перед стадией абсорбции.

Общий недостаток всех абсорбционных методов - необходимость дополнительного нагрева очищенных газов перед их выбросом в атмосферу. Это связано с тем, что несмотря на высокую эффективность метода (до 98%), концентрация SO2 в очищенных газах превышает ПДК. Для ее снижения в приземном слое до необходимых норм требуется выброс через высокие трубы, а для создания подъемной силы температура газового потока должна быть 110-150С, т. е. нужен дополнительный нагрев очищенных газов.

3.2 Очистка газов от оксидов азота

Весьма распространенными поглотителями оксидов азота являются растворы соды, едкого натра и карбоната аммония, известковое молоко и пр.

Весьма важным недостатком абсорбции щелочными растворами является невысокая эффективность (70-85%), поэтому концентрация оксидов азота в очищенных газах значительно превышает ПДК и требуется многократное их разбавление.

Адсорбционные методы

В случае небольших объемов газов нашли применение адсорбционные методы. Хорошим сорбентом оксидов азота служит активированный уголь, но его применение затрудняется из-за легкой окисляемости, что может привести к сильному разогреву. Силикагель по адсорбционным свойствам несколько уступает углю, но он более прочен и не окисляется кислородом, а окисление NO в NO2 в его присутствии протекает даже быстрее. Однако широкому распространению этих методов препятствует то, что одновременно сорбируются и другие примеси, в результате снижается адсорбционная емкость сорбентов и осложняются процесс десорбции и использование ценных компонентов.

Каталитическое восстановление

Одним из основных, хорошо освоенных промышленных методов очистки отходящих газов от оксидов азота является их восстановление на катализаторе до молекулярного азота. При использовании неселективного катализатора восстановитель расходуется не только на восстановление азота, но и вступает во взаимодействие с кислородом, обычно содержащимся в газовом потоке.

Наиболее широкое распространение получило селективное каталитическое восстановление оксидов азота аммиаком:

6NO+4NH3>5N2+6H2O

6NO2+8NH3>7N2+12H2O

Основным недостатком метода является необходимость точного дозирования аммиака, что при переменном составе отходящих газов (меняется концентрация оксидов азота) практически невозможно.

Основной недостаток метода - необходимость точного дозирования аммиака. При недостатке аммиака происходит проскок оксидов азота, а при избытке - проскок аммиака, и отходящие газы загрязняются токсичными соединениями.

Также для очистки от диоксида серы и оксидов азота используется карбамидный метод, который не требует предварительной подготовки газов, а в результате образуются нетоксичные продукты - СО2, Н2О, N2, (NH4)2SO4. Описание метода - в п. 4.2

4. Разработка технологической схемы очистки отходящих газов вращающихся печей

4.1 Очистка газов от неорганической пыли

Так как концентрация пыли велика (50г/м3), то введена стадия предварительной очистки в циклоне.

Для дальнейшего улавливания пыли возможно использование рукавных фильтров или электрофильтров.

Рукавные фильтры обеспечивают очистку пылегазовых смесей через цилиндрические длинные рукава из специальных фильтрованных тканей: при температуре очищаемых газов до 140°С - из лавсана, при температуре от 140 до 300°С -из стеклоткани. Запыленный газовый поток подается в рукава, очищается в результате налипания на стенки рукавов содержащихся в них частиц при прохождении под разрежением или давлением через ткань. Через определенные промежутки времени рукава очищаются (регенерируют) встряхиванием или обратной продувкой воздухом. В некоторых случаях используют оба способа одновременно.

Степень пылеочистки в них достигает 99,9%. Преимуществом рукавных фильтров являются их компактность и низкая стоимость. Они могут работать при большей концентрации пыли (до 300г/мі ) без снижения степени пылеочистки. Однако применение рукавных фильтров ограничивается из-за низкой стойкости к воздействию высокой температуры, забивания ткани при влажной пыли и более высоких по сравнению с электрофильтрами эксплутационных расходов.

Электрофильтр - наиболее эффективный пылеочистительный аппарат. Принцип очистки газа в нем основан на приобретении взвешенными частицами электрических зарядов под действием электрического поля высокого напряжения (до 105 В).

Частицы пыли, получив от коронирующих электродов отрицательный заряд, притягиваются к осадительным электродам и осаждаются на них. Налипшая на электроды пыль периодически удаляется встряхиванием, собирается в бункера и через шлюзовые затворы поступает в транспортирующее устройство.

При обеспыливании большого количества газов, содержащих пыль с невысоким электрическим сопротивлением, применение электрофильтров более целесообразно, чем рукавных, так как они имеют меньшее аэродинамическое сопротивление и не требуют расхода дефицитных и дорогих тканей.

Исходя из этого, для пылеочистки газов от вращающихся печей наиболее целесообразно применить электрофильтр. Предлагается использовать электрофильтр типа ЭФД со следующими характеристиками:

Производительность по газу, тыс.м3/ч 10,0 - 1000,0

Температура газа, не более, 0С 300

Высота электродной системы электрофильтра, м 3,0 -15,0 ( до 18)

Эффективность очистки составляет 99,96%.

Пыль, вынесенная из вращающейся печи и осажденная в электрофильтре, вновь возвращается в производственный цикл. Это возможно сделать несколькими путями:

- примешивание к шламу или сырьевой муке, поступающей в печь;

- подача в печь с горячего ее конца способом вдувания;

- обжигается после корректировки состава в отдельной вращающейся печи;

- поступает в печь за цепную завесу в пылевидном или гранулированном состоянии.

4.2 Очистка газов от оксидов азота, серы и фтористого водорода

Для очистки отходящих газов Ульяновского цементного завода от оксидов азота, серы и фтористого водорода предполагается использовать карбамидный метод.

В общем виде процесс очистки описывается приведенными ниже уравнениями реакций:

NO+NO2+(NH2)2CO>2H2O+CO2+2N2

SO2+(NH2)2CO+2H2O+ЅO2?(NH4)2SO4+CO

Взаимодействие оксидов азота с карбамидом может протекать по трем направлениям. Первое можно представить следующими реакциями:

NO+NO2+H2O>2HO-NO

(NH2)2CO+HO-NO>NH 2CООH+[NH 2NO]>NH 2COOH+H2O+N2

NH2COOH+HO-NO>HOCOOH+NH2NO>2H2O+CO2+N2

Согласно второму пути сначала происходит гидролиз карбамида до карбамида аммония, а затем - его взаимодействие с азотистой кислотой.

Согласно третьему пути при попадании капель раствора на горячие стенки аппарата с температурой более 185С возможно быстрое испарение воды с последующим плавлением (132С) и разложением (>185С) карбамида с образованием изоциануровой кислоты, которая также реагирует с оксидами азота.

Взаимодействие оксидов азота с карбамидом протекает предположительно по всем трем направлениям и вклад каждого из них зависит от условий проведения процесса.

Взаимодействие диоксида серы с карбамидом протекает через стадию гидролиза (NH2)2CO до карбамата аммония:

(NH2)2 CO+H2O-NH2COOH+NH3>NH4OCONH2

NH4OCJNH2+SO2+H2O>NH4HSO3+NH2COOH

NH2COOH+H2O-HOCOOH+NH3 >NH4HCO3

NH4HCO3+SO2>NH4HSO3+CO2+H2O

NH4HSO3+NH3+ЅO2?(NH4)2SO4

Зависимость степени очистки от рН процесса

На степень очистки газов карбамидным методом существенно влияет pH абсорбционного раствора. В случае эквимольной смеси оксидов азота удовлетворительная степень очистки (более 80%) достигается в интервале pH=5-9, наилучшая (более 95%) - при pH=5-6. Ухудшение очистки при pH меньше 5 связано с разложением HNO2 в кислой среде; при pH более 9 и высокой температуре происходит интенсивный щелочной гидролиз карбамида до аммиака, диоксида углерода и воды. В интервале pH=5-9 ионы H+ оказывают положительное каталитическое действие на гидролиз карбамида до карбамата аммония. Кроме того, ионы OH? способствуют лучшему растворению кислых газов в абсорбционном растворе.

Степень очистки от SO2 резко возрастает с изменением pH от 6,5 до 10 (при температуре 80С). При pH, меньшем 3, очистки вообще не происходит. В ходе абсорбции SO2 значение pH раствора уменьшается с 8 до 5,5-6 и долго остается на этом уровне. Проведение процесса при более высокой температуре приводит к увеличению pH раствора до 8,5-8,7 вследствие медленного разложения карбамида с выделением аммиака. Таким образом при температурах 70-95С раствор карбамида оказывается буферным. В интервале от 20 до 55С степень очистки от диоксида серы снижается вследствие уменьшения растворимости газа в жидкости; при повышении температуры более 55С эффективность процесса начинает возрастать и при 80С достигает 98%.

На основание этого целесообразно принять при проведении очистки рН=7-8 и t=80°C.

Зависимость степени очистки от концентраций раствора карбамида, оксидов азота и диоксида серы

При абсорбции исходная концентрация раствора карбамида будет равна 40г/л. Изучение зависимости степени очистки дымовых газов от NOx от концентрации карбамида показало, что уже при его содержании 40 г/л достигается 95%-ная степень очистки от оксидов азота. При дальнейшем увеличении концентрации карбамида степень очистки увеличивается незначительно - до 98% при содержании 100 г/л. При концентрации карбамида 5 г/л степень очистки составляет 70%. Её увеличение с ростом концентрации карбамида, очевидно, связано с возрастанием скорости диффузии молекул последнего к границе раздела фаз. Отмечено также, что при содержании оксидов азота более 1 г/мі степень очистки не зависит от их концентрации и составляет 98-99%. Степень очистки возрастает с 63 до 95% при изменении содержания NOx от 40 до 200 мг/мі, при дальнейшем его увеличении до 1000 мг/мі степень очистки возрастает незначительно - с 95 до 98%. Вероятно, это связано со снижением скорости диффузии в газовой фазе при малых концентрациях оксидов азота.

Зависимости степени очистки от концентраций карбамида и диоксида серы имеют тот же характер, что и в случае оксидов азота. С изменением концентрации карбамида от 5 до 40 г/л степень очистки возрастает с 82 до 98%, а в интервале 40-100 г/л практически не изменяется. При концентрации SO2 выше 200 мг/мі степень очистки от SO2 не зависит от концентрации последнего.

Зависимость степени очистки от концентрации сульфата аммония и времени пребывания газов в аппарате

При очистке дымовых газов от диоксида серы в абсорбционном растворе образуется сульфат аммония. Его накопление в растворе вплоть до содержания 350 г/л практически не влияет на степень очистки. Так, при концентрации сульфата аммония 20 г/л она составляет 99%, при 350 г/л -95%. При содержании сульфата аммония 400 г/л происходит некоторое снижение степени очистки, что связано с изменением физических свойств раствора: увеличиваются плотность и вязкость, что приводит к снижению скорости диффузии в растворе. Поэтому процесс очистки в абсорбционной колонне будет проводиться до концентрации сульфата аммония 350г/л.

Для очистки дымовых газов от оксидов азота более чем на 95% время пребывания газов в аппарате должно составлять 0,5-1,5с. Степень очистки возрастает с увеличением времени пребывания, однако при малых скоростях газа (менее 0,2 м/с) она снижается вследствие возрастания толщины диффузного подслоя. При больших скоростях газа наблюдается проскок неочищенного газа. Необходимая плотность орошения - от 0,3 до 1 л на 1мі газа.

4.3 Фильтрация суспензии

После абсорбции суспензия поступает на фильтрацию. Для этого используется закрытый нутч-фильтр.

Характеристики нутч-фильтра:

Площадь фильтрации - 0,85м2;

Объем приемника осадка - 300л;

Объем приемника фильтрата - 12м3;

Масса - 300кг.

После нутч-фильтра осадок и фильтрат поступают в приемники, откуда удаляются 1 раз за смену.

В дальнейшем шлам используется в процессе по производству ванадия, а фильтрат отправляется на переработку, где из него выделяются карбамид и сульфат аммония, являющиеся ценными удобрениями и использующиеся для сельского хозяйства в качестве азотных удобрений как для прямого внесения в почву, так и для приготовления смешанных удобрений.

5. Расчет параметров абсорбционной колонны

Диаметр колонны

Диаметр абсорбционной колонны равен:

D=5м (один из стандартных диаметров, принятых в химической промышленности).

Высота колонны

Высоту можно определить, зная скорость движения газов по колонне и время пребывания в аппарате:

Н=u*t

Скорость движения газов по абсорбционной колонне:

u=4v/рD2

где v - объемный расход газов, D - диаметр колонны.

Тогда u=(4*170)/(3,14*52)=8,86м/с

Отсюда высота абсорбционной колонны:

Н=8,86*1,5=13м

Емкость аппарата

Объем колонны вычисляем по формуле: Vапп.=Н*рr2

Vапп.=13*3,14*2,52=255 м3

Производительность по газу

Так как объемный расход очищаемых газов составляет 170 м3/час, то производительность аппарата равна: 170*3600=612 тыс. м3/час

6. Материальный баланс