Новые критерии оценки эффективности цементного производства

Критерии технологической конкурентоспособности цементного производства и качества цемента

Острая и объективная потребность в цементе в РФ обусловливает необходимость разработки проекта «Модернизация действующих и создание новых цементных заводов». Реализовать такой проект можно двумя путями:

• 1-й путь пассивный – инерционно-рыночный;
• 2-й путь активный – путь инновационного прорыва.

На наш взгляд предпочтительным является последний.

При этом опять возникает вопрос – какой выбрать способ производства – мокрый или сухой?

Для ответа на него нужны новые научно-обоснованные методы расчета и выбора оптимальной технологии цемента (ТЦ), которая, конечно, должна быть адекватной имеющимся конкретным условиям и обеспечивать выпуск требуемого рынком адресного ассортимента видов марок цемента с оптимальными потребительскими свойствами.

Устойчивое и эффективное развитие цементного предприятия обязательно предполагает повышение конкурентоспособности этого предприятия и выпускаемой им продукции. С научной точки зрения конкурентоспособность предприятия и его продукции должна базироваться на оценке комплекса показателей, учитывающих качественные и количественные характеристики информационных, материальных, энергетических и финансовых потоков предприятия.

Ниже приводятся новые критерии оценки энергетической эффективности цементного производства, разработанные на основе эксергетического анализа технологии цемента [1, 2]. При разработке этих критериев мы исходили из того, что цемент, как товарный рыночный продукт, может считаться конкурентоспособным, если при сравнении с себе подобным одного вида марки цементом он обладает рядом преимуществ, которые проявляются в значениях этих критериев.

Особенности производства цемента требуют введения нового понятия (критерия) – технологическая конкурентоспособность производства цемента, учитывающего характеристики всех указанных потоков. Предлагаемый критерий конкурентоспособности (КС) определяется соотношением себестоимости цемента к его качеству. Выражение для КС имеет вид:

где С(Э) – себестоимость цемента, выраженная через общий удельный расход электроэнергии на получение 1 т цемента и его долю «а» в общей структуре себестоимости

dср– средний размер частиц цемента, мкм.

Чем меньше этот безразмерный критерий КС, тем лучше сравниваемый цемент и технология его получения, потому что он отражает энергетическую эффективность отдельного цементного производства и учитывает общие энергозатраты на получение 1 т цемента, которые необходимо уменьшать, и качество цемента, которое следует повышать. Поэтому необходимо стремиться к минимальному значению критерия, т.е. КСmin.
Рассмотрим конкретный пример определения критерия КС для мокрого (М) и сухого (С) способов производства цемента. Примем для этих производств следующие данные, близкие к фактическим:

• удельный расход электроэнергии Э и топлива Q на получение 1 т цемента и клинкера равны;
• доля «а» электроэнергии в структуре себестоимости составляет
  амокр.=15%; асух.= 23%.

Тогда расчетная себестоимость на получение 1 т цемента, выраженная через общий удельный расход электроэнергии, составит

В значениях С(Э) = 600 кВт·ч/т входят и все остальные статьи расхода себестоимости цемента.

Если стоимость одного кВт·ч принять одинаковой и равной 1,56 руб. (по данным ОАО «Осколцемент» на 01.04.2007), то себестоимость цемента в рублях равна

Смокр.= Ссух.= 600ґ1,56 = 936 руб./т.

Результаты расчета еще раз показывают: себестоимость 1 т цемента при принятых значениях Э, Q и а может быть гипотетически получена одинаковой при мокром и сухом (с вращающейся печью) способах производства, т.е.

С(Э)мокр.= С(Э)сух. (3)

Равенство (3) получено при известных условиях Qмокр.>Qсух.; Эмокр.<Эсух., асух.>амокр., когда жестко выдерживается соотношение
а (сух.) / а(мокр.) = Э (сух.) / Э (мокр.) , (4)

поэтому при расчетах нужно точно знать значения этих параметров и их вклад в себестоимость цемента. Произвольное изменение величин Э и а в сторону уменьшения Э и увеличения а, т.е. искусственного получения мнимых преимуществ сухого способа производства реально не достижимо [3, 4]. Для дальнейших расчетов примем, что выполнено условие (3).

Различие в способах производства проявляется в различных значениях качества Акл. и эксергии полученного клинкера Екл.. Следует признать, что такая характеристика клинкера как Екл. ранее вообще не учитывалась в расчетах, всегда полагали, что качество клинкера одинаково в обоих способах обжига клинкера, т.е.

Акл.мокр.= Акл.сух.. Это значит, что изначально принималась одинаковой эксергия клинкера, т.е. Екл.мокр.= Екл.сух., но это принципиально не так, так как не соответствует реальной действительности. Ниже приводятся различные доказательства существования фактического неравенства Екл.мокр.№ Екл.сух., а значит Акл.мокр.№ Акл.сух..

1. Доказательство неравенства Екл.мокр.№ Екл.сух. из определения критерия КС. Предлагаемый критерий предназначен для оценки любых технических решений по увеличению эффективности производства. Выше мы приняли, что С(Э)мокр.=С(Э)сух.. Если принять согласно традиционным представлениям, что качество клинкера одинаково, т.е. Екл.мокр.= Екл.сух., что при одинаковой интенсивности измельчения Ецем.мокр.= Ецем.сух., то из уравнения (1) получим, что КСмокр.= КСсух.. Это значит, что нет никакого смысла в реализации каких-либо технических решений, т.к. при этом технологический критерий конкурентоспособности сохраняется на прежнем уровне, в то время как его нужно уменьшать. Неизменность критерия КС означает, что нет влияния способа производства на эффективность процесса, что совершенно не соответствует действительности, поэтому должно иметь место неравенство Екл.мокр.№ Екл.сух., а значит Акл.мокр.№ Акл.сух..
2. Доказательство неравенства Екл.мокр.№ Екл.сух. из сравнения эксергетического баланса обеих способов обжига клинкера (уравнения 5, 6).

Разница в реакционной способности шлама и муки, потерях тепла, выраженная в значениях их эксергии составляет:

Из совместного решения уравнений (10 и 11) следует, что
Екл.мокр.>Екл.сух

Нами показано [1, 2], что между активностью клинкера Акл. и его эксергией существует прямая пропорциональность, т.е.

Акл.= f(Екл.) и что, чем больше Екл., тем больше Акл., поэтому следует, что конкретно Акл.мокр.> Акл.сух..

Следует отметить, что результат (12) получен только при сравнении традиционных способов обжига клинкера во вращающихся печах. При обжиге термообработанной сырьевой муки в аппаратах кипящего слоя имеет место отличная от уравнения (12) и обратная зависимость: Екл.мокр.<Екл.кип.сл.(13), что доказывает преимущества обжига клинкера в печах кипящего слоя как по минимальным затратам топлива, так и по максимальному значению эксергии клинкера.

3. Доказательство неравенства Екл.мокр.№ Екл.сух. при расчете полной эксергии клинкера и цемента.

В соответствии с определением эксергии цемента [2] ее величина определяется из выражения

Ецем=КцемЧЕкл., (14)

Кцем = f(М1–М4), (15)

Полная эксергия клинкера определяется суммой 3-х его составляющих [2]:
Екл. = Е(ФХ)кл. + Е(ФМ)кл.+Е(Т)кл., (16)

где Е(ФХ)кл. – химическая составляющая эксергии клинкера, определяемая его физико-химическим и минералогическим составом; ее величина обусловливает абсолютную величину активности клинкера.
Е(ФХ)кл. = f(вид сырьевых компонентов; КН; n;р; C3S; С2S; C3A;C4AF). (17)

Для определения Е(ФХ)кл. создана специальная автоматизированная система расчета и оптимизации состава сырьевых шихт [7].

Если исходные компоненты сырьевой шихты приняты одинаковыми для обоих составов, то Е(ФХ)кл.мокр.= Е(ФХ)кл.сух., где Е(ФМ)кл. – механическая составляющая эксергии клинкера, определяемая его физико-механическими свойствами, ее величина характеризует дисперсию колебаний активности клинкера D(Акл.);

Е(ФМ) = f(dср.кл.; g; Э), (18)

где dср.кл – средний размер гранул клинкера; g – вес литра клинкера; Э – размалываемость клинкера.

Из экспериментальных данных по dср.кл,, g, Э следует, что Е(ФМ)кл.мокр.іЕ(ФМ)кл.сух..

Таким образом, уравнения (11–18) учитывают комплекс физико-химических и механических свойств исходного сырья, шихты, шлама, клинкера и цемента, где Е(Т)кл – термическая составляющая эксергии клинкера, определяемая способом обжига клинкера, а значит и величиной скорости подвода тепла к материалу. Термическая составляющая эксергии клинкера характеризует скорость набора прочности цемента, т.е. А/t.

Известно, что для каждого из рассматриваемых способов обжига клинкера существует различная интенсивность теплового воздействия на материал. Интенсивность воздействия – это произведение амплитуды (Q) на частоту воздействия (мин-1). Эту интенсивность можно характеризовать через осредненную скорость подвода тепла к материалу, которую в свою очередь правомерно оценивать через отношение удельного расхода условного топлива на 1 т клинкера к среднему времени превращения tм материала в обжиговой системе. И чем больше отношение Q/t, тем больше Е(Т).

Примем для вращающихся печей мокрого и сухого способов производства следующие данные:

Т.к. Акл.= f(Екл.), следовательно Акл.кип.сл.>Акл.мокр.>Акл.сух., что и требовалось доказать. Институт «Южгипроцемент» экспериментально доказал, что Акл.м>Акл.сух.

Другими словами, термическая составляющая эксергии клинкера больше для мокрого способа, чем для сухого.

Таким образом, мы получили, что для одинаковой сырьевой шихты
Е(ФХ)кл.мокр.= Е(ФХ)кл.сух.;

Е(ФМ)кл.мокр.і Е(ФМ)кл.сух.;

Е(Т)кл.мокр.> Е(Т)кл.сух.. (20)

Это значит, что теоретически доказано

Екл.мокр.> Екл.сух.;

Акл.мокр.> Акл.сух..

Следовательно, по критерию конкурентоспособности производства цемента даже при принятом равенстве его себестоимости для обоих способов [КС]мокр.< [КС]сух., что свидетельствует о преимуществе мокрого способа обжига клинкера во вращающихся печах по сравнению с сухим. Этот вывод становится еще более четко выраженным, когда учитывается реально существующее неравенство С(Э)сух.>С(Э)мокр., которое доказано в работах Хвостенкова С.И. [3, 4].

При обжиге шлама во вращающейся печи получается клинкер повышенной активности, из которого может быть получен цемент более высокого качества, при этом имеет место меньшая дисперсия активности клинкера, что приводит к более стабильному качеству цемента.

Таким образом, с точки зрения энергетических затрат и качества цемента предпочтительным является мокрый способ. Аналогичный вывод был получен нами ранее [5, 6]. Это же убедительно доказано в работах Хвостенкова С.И [3, 4].