WikiDer > Цементная печь

Cement kiln

Горячий конец современной цементной печи среднего размера с покрышками, роликами и приводом

Цементные печи используются для пиропроцессинг этап изготовления Портленд и другие виды гидравлических цемент, в котором карбонат кальция реагирует с кремнезем-содержащие минералы с образованием смеси силикаты кальция. Ежегодно производится более миллиарда тонн цемента, и цементные печи являются сердцем этого производственного процесса: их мощность обычно определяет мощность цементного завода. Поскольку производство цемента является основным энергоемким и источником выбросов парниковых газов, повышение эффективности печи было центральной задачей технологии производства цемента.

Производство цементного клинкера

Башня подогревателя, бункер rawmix и выхлопная труба. Внизу слева: мельница. Внизу справа: вращающаяся печь с каналом третичного воздуха наверху. U-образный канал, ведущий от входа в печь, представляет собой «щелочной сток».

Типичный процесс изготовления состоит из трех этапов:

измельчение смеси известняк и глина или же сланец чтобы сделать прекрасный "rawmix" (см. Rawmill);
нагрев rawmix до спекание температура (до 1450 ° С) в цементной печи;
измельчение полученного клинкер сделать цемент (видеть Цементная мельница).

На втором этапе сырьевая смесь подается в печь и постепенно нагревается за счет контакта с горячими газами из горение печи топливо. При повышении температуры сырой смеси происходят последовательные химические реакции:

От 70 до 110 ° C - свободная вода испаряется.
От 400 до 600 ° C - глинистые минералы разлагаются на составляющие их оксиды; в основном SiO₂ и Al₂О₃. доломит (CaMg (CO₃)₂) разлагается до карбоната кальция (CaCO₃), MgO и CO₂.
От 650 до 900 ° C - карбонат кальция реагирует с SiO₂ формировать белите (Ca₂SiO₄) (также известный как C2S в цементной промышленности).
От 900 до 1050 ° C - оставшийся карбонат кальция разлагается до оксид кальция (CaO) и CO₂.
1300–1450 ° C - происходит частичное (20–30%) плавление, и белит реагирует с оксидом кальция с образованием алит (Ca₃O · SiO₄) (также известный как C3S в цементной промышленности).

Типичные клинкерные конкреции

Алит - характерная составляющая портландцемент. Обычно для завершения реакции требуется пиковая температура 1400–1450 ° C. Частичное плавление вызывает агрегирование материала в комки или узелки, обычно диаметром 1–10 мм. Это называется клинкером. Горячий клинкер затем попадает в охладитель, который восстанавливает большую часть своего тепла и охлаждает клинкер примерно до 100 ° C, при этой температуре его можно удобно транспортировать на хранение. Система цементной печи предназначена для этого. процессы.

Ранняя история

Клинкер из портландцемента впервые был изготовлен (в 1825 г.) в модифицированном виде традиционного статического печь для обжига извести.^[1]^[2]^[3] Основная печь для обжига извести в форме чашки яйца была снабжена удлинителем в форме конуса или улья для увеличения тяги и, таким образом, получения более высокой температуры, необходимой для производства цементного клинкера. В течение почти полувека эта конструкция с небольшими модификациями оставалась единственным способом изготовления. Размер печи был ограничен прочностью кусков сырой смеси: если заряд в печи разрушался под собственным весом, печь гасла. По этой причине печи для обжига ульев никогда не производили более 30 тонн клинкера за партию. Для обработки партии потребовалась одна неделя: день для заполнения печи, три дня для сгорания, два дня для охлаждения и день для разгрузки. Таким образом, печь будет производить около 1500 тонн в год.

Примерно в 1885 г. начались эксперименты по проектированию печей непрерывного действия. Одна конструкция представляла собой шахтную печь, аналогичную по конструкции доменной печи. Rawmix в виде кусков и топлива непрерывно добавлялся вверху, а клинкер непрерывно удалялся внизу. Воздух под давлением продувался из базы для сгорания топлива. Шахтная печь использовалась недолго, прежде чем ее затмила вращающаяся печь, но она имела ограниченное возрождение с 1970 года в Китае и других странах, когда она использовалась для небольших, низкотехнологичных заводов в сельских районах, вдали от транспортные маршруты. В Китае построено несколько тысяч таких печей. Обычная шахтная печь производит 100-200 тонн в сутки.

С 1885 года начались испытания по разработке вращающаяся печь, на который сегодня приходится более 95% мирового производства.

Вращающаяся печь

Генеральный план вращающейся печи

Вращающаяся печь состоит из трубы из стального листа, футерованной огнеупорный кирпич. Трубка слегка наклонена (1–4 °) и медленно вращается вокруг своей оси со скоростью от 30 до 250 оборотов в час. Rawmix подается с верхнего конца, и вращение печи заставляет его постепенно перемещаться вниз к другому концу печи. С другой стороны, топливо в виде газа, маслоили пылевидное твердое топливо, вдувается через «трубу горелки», создавая большое концентрическое пламя в нижней части трубы печи. Когда материал движется под пламенем, он достигает максимальной температуры, прежде чем выпадать из трубы печи в охладитель. Воздух втягивается сначала через охладитель, а затем через печь для сжигания топлива. В охладителе воздух нагревается охлаждающим клинкером, так что температура может достигать 400-800 ° C, прежде чем он попадет в печь, что вызывает интенсивное и быстрое сгорание топлива.

Первые успешные вращающиеся печи были разработаны в Пенсильвания около 1890 г., по проекту Фредерик Рэнсом,^[4] и были около 1,5 м в диаметре и 15 м в длину. Такая печь производила около 20 тонн клинкера в сутки. Первоначально в качестве топлива использовалась нефть, которая в то время была доступна в Пенсильвании. На этом топливе было особенно легко получить хорошее пламя. В течение следующих 10 лет была разработана технология сжигания путем вдувания пылевидного угля, позволяющая использовать самое дешевое доступное топливо. К 1905 году самые большие печи были размером 2,7 х 60 м и производили 190 тонн в сутки. На тот момент, после всего 15 лет разработки, вращающиеся печи составляли половину мирового производства. С тех пор мощность печей постоянно увеличивается, и сегодня самые большие печи производят около 10 000 тонн в день. В отличие от статических печей, материал проходит быстро: это занимает от 3 часов (в некоторых старых печах с мокрым процессом) до всего 10 минут (в коротких печах с прекальцинатором). Вращающиеся печи работают 24 часа в сутки и обычно останавливаются только на несколько дней один или два раза в год для необходимого технического обслуживания. Одной из основных работ по техническому обслуживанию вращающихся печей является обработка поверхности покрышек и роликов и шлифование, которые могут выполняться, когда печь работает на полную мощность со скоростью до 3,5 об / мин. Это важная дисциплина, потому что нагрев и охлаждение - длительные, расточительные и вредные процессы. Непрерывная работа на протяжении 18 месяцев.

Мокрый процесс и сухой процесс

% мощности в Северной Америке с использованием мокрого процесса

Средняя энергия топлива, используемая в печах в Северной Америке

С давних времен использовались два разных метода приготовления сырой смеси: минеральные компоненты либо перемалывались в сухом виде с образованием мукообразного порошка, либо с добавлением воды для получения мелкого помола. суспензия консистенции краски и типичном содержании воды 40–45%.^[5]

Мокрый процесс имел очевидный недостаток, заключающийся в том, что при вводе суспензии в печь для испарения воды использовалось большое количество дополнительного топлива. Кроме того, для данной производительности клинкера требовалась печь большего размера, потому что большая часть длины печи использовалась для процесса сушки. С другой стороны, мокрый способ имел ряд преимуществ. Мокрое измельчение твердых минералов обычно намного эффективнее сухого измельчения. Когда суспензия сушится в печи, она образует гранулированную крошку, которая идеально подходит для последующего нагрева в печи. В сухом процессе очень трудно сохранить сырую смесь мелкодисперсного порошка в печи, потому что быстро текущие газы сгорания стремятся снова выдуть ее. Стало практикой распылять воду в сушильные печи, чтобы «увлажнить» сухую смесь, и, таким образом, в течение многих лет разница в эффективности между двумя процессами была небольшой, и в подавляющем большинстве печей использовался мокрый процесс. К 1950 году типичная большая печь с мокрым процессом, оснащенная теплообменниками зоны сушки, имела размер 3,3 x 120 м, производила 680 тонн в день и потребляла около 0,25–0,30 тонн угольного топлива на каждую тонну произведенного клинкера. До того, как энергетический кризис 1970-х годов положил конец новым установкам для мокрого процесса, печи размером 5,8 x 225 м производили 3000 тонн в день.

Интересное примечание к истории мокрого процесса состоит в том, что некоторые производители фактически сделали очень старые предприятия мокрого процесса прибыльными за счет использование отработанного топлива. Установки, сжигающие отработанное топливо, имеют отрицательную стоимость топлива (им платят предприятия, которым необходимо утилизировать материалы, обладающие энергоемкостью и которые могут быть безопасно утилизированы в цементной печи благодаря высоким температурам и более длительному времени хранения). В результате неэффективность мокрого процесса является преимуществом для производителя. При размещении операций по сжиганию отходов на более старых участках мокрого процесса более высокий расход топлива фактически означает более высокую прибыль для производителя, хотя он, соответственно, производит более высокие выбросы CO.₂. Производители, которые считают, что такие выбросы следует сократить, отказываются от использования мокрого процесса.

Подогреватели

Примечательно, что в 1930-х годах в Германии были предприняты первые попытки изменить конструкцию печной системы, чтобы свести к минимуму потери топлива.^[6] Это привело к двум важным событиям:

подогреватель решетки
подогреватель газовой подвески.

Решетка предпусковых подогревателей

Подогреватель колосниковой решетки состоит из камеры, содержащей цепную подвижную решетку из жаропрочной стали, прикрепленную к холодному концу вращающейся печи.^[7] Сухая порошковая сырая смесь превращается в твердые гранулы диаметром 10–20 мм в кювете с добавлением 10-15% воды. Гранулы загружаются на движущуюся решетку, а горячие дымовые газы из задней части печи проходят через слой гранул снизу. Это очень эффективно сушит и частично прокаливает сырую смесь. Затем гранулы попадают в печь. Из печи выдувается очень мало порошкообразного материала. Поскольку сырьевая смесь демпфируется для получения гранул, это называется «полусухим» процессом. Колосниковый подогреватель также применим к «полувлажному» процессу, в котором сырьевая смесь производится в виде суспензии, которую сначала обезвоживают с помощью фильтра высокого давления, а полученный «осадок на фильтре» экструдируют в гранулы. , которые подаются на решетку. В этом случае содержание воды в гранулах составляет 17-20%. Подогреватели с решетчатыми решетками были наиболее популярны в 1950-х и 60-х годах, когда типичная система имела решетку длиной 28 м и шириной 4 м и вращающуюся печь размером 3,9 x 60 м, производившую 1050 тонн в день, используя около 0,11-0,13 тонн угольное топливо на каждую тонну произведенного клинкера. Установлены системы до 3000 тонн в сутки.

Подогреватели газовой подвески

Циклон в разрезе, показывающий воздушный путь

Ключевым элементом подогревателя газовой подвески является циклон. Циклон представляет собой конический сосуд, в который по касательной пропускают пыленосный газовый поток. Это создает в сосуде вихрь. Газ покидает сосуд через коаксиальный «искатель завихрения». Твердые частицы под действием центробежной силы выбрасываются к внешнему краю сосуда и выходят через клапан в вершине конуса. Циклоны изначально использовались для очистки запыленных газов, оставшихся после простых обжиговых печей с сухим процессом. Если, вместо этого, весь исходный сырьевая смесь проходит через циклон, обнаруживается, что имеет место очень эффективный теплообмен: газ эффективно охлаждается, следовательно, выделяется меньше тепла в атмосферу, а исходная смесь становится эффективно отапливается. Эта эффективность еще больше увеличивается, если несколько циклонов соединены последовательно.

4-ступенчатый подогреватель, показывающий путь подачи

Количество ступеней циклонов, используемых на практике, варьируется от 1 до 6. Энергия в виде мощности вентилятора требуется для протяжки газов через цепочку циклонов, а в цепочке из 6 циклонов - стоимость дополнительного вентилятора. -мощность, необходимая для дополнительного циклона, превышает полученное преимущество в эффективности. Использование теплых выхлопных газов для сушки сырья в мельница, а если сырье влажное, желателен горячий газ от менее эффективного подогревателя. По этой причине наиболее часто встречающиеся подогреватели суспензии имеют 4 циклона. Горячее сырье, выходящее из основания колонны подогревателя, обычно на 20% кальцинировано, поэтому в печи требуется меньше последующей обработки и, следовательно, можно достичь более высокой удельной производительности. Типичные большие системы, установленные в начале 1970-х годов, включали циклоны диаметром 6 м, вращающуюся печь размером 5 x 75 м, производящую 2500 тонн в день, с использованием примерно 0,11-0,12 тонн угольного топлива на каждую тонну произведенного клинкера.

Наказанием за эффективность подогревателей подвески является их склонность к забиванию. Соли, такие как сульфат и хлорид натрия и калия, имеют тенденцию испаряться в зоне обжига печи. Они уносятся обратно в виде пара и снова конденсируются при достаточно низкой температуре. Поскольку эти соли рециркулируют обратно в смесь сырых смесей и снова попадают в зону горения, устанавливается цикл рециркуляции. Печь с 0,1% хлорида в сырьевой смеси и клинкере может иметь 5% хлорида в материале средней части печи. Конденсация обычно происходит в подогревателе, и липкий осадок жидких солей склеивает пыльную сырую смесь в твердый осадок, как правило, на поверхностях, с которыми сталкивается поток газа. Это может заблокировать подогреватель до такой степени, что поток воздуха в печи больше не будет поддерживаться. Затем возникает необходимость вручную удалить нарост. Современные установки часто имеют автоматические устройства, установленные в уязвимых местах, чтобы регулярно удалять наросты. Альтернативный подход состоит в том, чтобы «стравить» часть выхлопных газов печи на входе в печь, где соли все еще находятся в паровой фазе, и удалить из нее твердые частицы. Это обычно называют «утечкой щелочи», и это нарушает цикл рециркуляции. Это также может быть полезно с точки зрения качества цемента, поскольку снижает содержание щелочи в клинкере. Однако горячий газ уходит в отходы, поэтому процесс неэффективен и увеличивает расход топлива печи.

Предкальцинаторы

% мощности в Северной Америке с использованием устройств предварительной накачки

Среднесуточная производительность (тонн) печей в Северной Америке

В 1970-х годах прекальцинатор был впервые использован в Япония, и впоследствии стало предпочтительным оборудованием для новых крупных установок по всему миру.^[8] Прекальцинатор представляет собой усовершенствованный подогреватель суспензии. Философия такова: количество топлива, которое может быть сожжено в печи, напрямую зависит от размера печи. Если часть топлива необходимо сжечь Rawmix сжигается вне печи, мощность системы может быть увеличена для данного размера печи. Пользователи подогревателей подвески обнаружили, что мощность может быть увеличена путем впрыска дополнительного топлива в основание подогревателя. Логичным развитием было установка в основании подогревателя камеры сгорания специальной конструкции, в которую угольная пыль вводится. Это называется прекальцинатором с «сквозным прохождением воздуха», потому что воздух для горения как печного топлива, так и топлива кальцинатора проходит через печь. Этот вид прекальцинатора может сжигать до 30% (обычно 20%) своего топлива в декарбонизаторе. Если бы в декарбонизатор было введено больше топлива, дополнительное количество воздуха, проходящего через печь, могло бы чрезмерно охладить пламя печи. Сырье кальцинируется на 40-60% перед поступлением во вращающуюся печь.

Конечная разработка - это прекальцинатор с разделением воздуха, в котором горячий воздух для горения в декарбонизаторе поступает по воздуховоду непосредственно из холодильника, минуя печь. Обычно в прекальцинаторе сжигается 60-75% топлива. В этих системах сырье, поступающее во вращающуюся печь, на 100% кальцинируется. Печи нужно только нагреть сырье до температуры спекания. Теоретически максимальный КПД был бы достигнут, если бы все топливо было сожжено в подогревателе, но спекание операция предполагает частичное таяние и узелковое образование для производства клинкера, и вращение вращающейся печи остается наиболее эффективным способом сделать это. Крупные современные установки обычно имеют две параллельные гирлянды из 4 или 5 циклонов, одна из которых присоединена к печи, а другая - к камере прекальцинатора. Вращающаяся печь размером 6 x 100 м производит 8 000–10 000 тонн в день, используя около 0,10-0,11 тонны угольного топлива на каждую тонну произведенного клинкера. В этих установках печь меньше массивной башни подогревателя и охладителя. Такая печь производит 3 миллиона тонн клинкера в год и потребляет 300 000 тонн угля. Диаметр 6 м, по-видимому, является пределом размера вращающихся печей, потому что гибкость стальной оболочки становится неуправляемой при этом размере или выше, и огнеупорный кирпич футеровка имеет тенденцию разрушаться при прогибе печи.

Особым преимуществом воздухоразделительного прекальцинатора является то, что большая часть или даже 100% выхлопного газа печи, содержащего щелочь, может быть отведена в виде щелочи (см. Выше). Поскольку на это приходится только 40% подводимого тепла в систему, это можно сделать с меньшими потерями тепла, чем при простом отводе воздуха из подогревателя суспензии. Из-за этого теперь всегда рекомендуются воздухоразделительные прекальцинаторы, когда на цементном заводе доступно только высокощелочное сырье.

Прилагаемые цифры показывают движение в сторону использования более эффективных процессов в Северной Америке (данные по которым легко доступны). Но средняя производительность одной печи, например, Таиланд вдвое больше, чем в Северной Америке.

Вспомогательное оборудование

Основное оборудование помимо трубы печи и подогревателя:

Кулер
Топливные мельницы
Поклонники
Оборудование для очистки выхлопных газов.

Кулеры

Пара печей со вспомогательными холодильниками в Ашаке, Нигерия Sysy

Ранние системы использовали вращающиеся охладители, которые представляли собой вращающиеся цилиндры, похожие на печь, в которую опускался горячий клинкер.^[9] Воздух для горения проходил через охладитель по мере того, как клинкер двигался вниз, каскадно проходя через воздушный поток. В 1920-х годах спутниковые охладители стали обычным явлением и использовались до недавнего времени. Они состоят из набора (обычно 7–9) трубок, прикрепленных к трубе печи. Их преимущество в том, что они плотно прилегают к печи и не требуют отдельного привода. Примерно с 1930 года был разработан колосниковый охладитель. Он состоит из перфорированной решетки, через которую обдувается холодный воздух, заключенной в прямоугольную камеру. По решетке движется слой клинкера глубиной до 0,5 м. Эти охладители имеют два основных преимущества: они быстро охлаждают клинкер, что желательно с точки зрения качества (чтобы избежать этого. алит, термодинамически нестабильно ниже 1250 ° C, вернуться к белите и свободный CaO при медленном охлаждении), и, поскольку они не вращаются, горячий воздух может выводиться из них для использования при сушке топлива или для использования в качестве воздуха для горения прекальцинатора. Последнее преимущество означает, что они стали единственным типом, используемым в современных системах.

Топливные мельницы

Топливные системы делятся на две категории:^[10]

Прямая стрельба
Непрямая стрельба

цементный завод

При прямом сжигании топливо с контролируемой скоростью подается в топливную мельницу, а мелкодисперсный продукт немедленно выдувается в печь. Преимущество этой системы заключается в том, что нет необходимости хранить опасное наземное топливо: оно используется сразу после его изготовления. По этой причине эта система была выбрана для старых печей. Недостатком является то, что топливный завод должен работать все время: если он выходит из строя, печь должна останавливаться, если нет резервной системы.

При непрямом сжигании топливо измельчается с помощью мельницы, работающей с перерывами, а мелкодисперсный продукт хранится в бункере достаточного размера для подачи в печь в периоды простоя топливной мельницы. Мелкодисперсное топливо дозируется из силоса с контролируемой скоростью и выдувается в печь. В настоящее время этот метод более предпочтителен для систем прекальцинатора, поскольку и печь, и прекальцинатор могут питаться топливом из одной и той же системы. Для безопасного хранения тонкодисперсного топлива требуются специальные методы, а угли с высоким содержанием летучие вещества обычно измельчаются в инертной атмосфере (например, CO₂).

Поклонники

Через систему печи необходимо пропускать большой объем газов.^[11] В частности, в системах подогревателя подвески, для этого на выходе из системы должна быть обеспечена высокая степень всасывания. Вентиляторы также используются для нагнетания воздуха через слой охладителя и подачи топлива в печь. На вентиляторы приходится большая часть электроэнергии, потребляемой в системе, обычно это 10–15 кВт · ч на тонну клинкера.

Очистка газа

Выхлопные газы из современной печи обычно составляют 2 тонны (или 1500 кубических метров при STP) на тонну произведенного клинкера.^[12] Газы несут большое количество пыли - обычно 30 граммов на кубический метр. Экологические нормы, действующие в разных странах, требуют, чтобы этот показатель был снижен до (обычно) 0,1 грамма на кубический метр, поэтому эффективность улавливания пыли должна быть не менее 99,7%. Методы захвата включают электрофильтры и рукавные фильтры. Смотрите также выбросы из цементных печей.

Печное топливо

Использованные шины загружаются из середины печи в пару длинных печей

Топливо, которое использовалось для первичного сжигания, включает: каменный уголь, нефтяной кокс, мазут, натуральный газ, отходящий газ из свалок и факельный газ нефтепереработки.^[13] Поскольку клинкер доводится до максимальной температуры в основном за счет лучистой теплопередачи, а светлый (т.е. излучательная способность), и для этого необходимо горячее пламя, для обжига в печи предпочтительны высокоуглеродистые топлива, такие как уголь, который дает светящееся пламя. При благоприятных обстоятельствах высокосортный битуминозный уголь может воспламеняться при 2050 ° C. Природный газ может производить пламя только с температурой, в лучшем случае, 1950 ° C, и оно также является менее ярким, поэтому имеет тенденцию приводить к снижению производительности печи.

Альтернативные виды топлива

В дополнение к этому первичному топливу в печи загружались различные горючие отходы. Эти альтернативные виды топлива (AF) включают:

Цементные печи - это привлекательный способ утилизации опасных материалов по следующим причинам:

температуры в печи, которые намного выше, чем в других системах сжигания (например, в мусоросжигательных установках),
щелочные условия в печи, обеспечиваемые сырой смесью с высоким содержанием кальция, которая может поглощать кислые продукты сгорания,
способность клинкера впитывать в свою структуру тяжелые металлы.

Ярким примером является использование утилизированных автомобильных покрышек, которые очень трудно утилизировать другими способами. Целые шины обычно загружают в печь, скатывая их в верхний конец печи с подогревателем, или бросая их через прорезь посередине длинной мокрой печи. В любом случае высокие температуры газа (1000–1200 ° C) вызывают почти мгновенное, полное и бездымное сгорание шины. В качестве альтернативы шины измельчаются на стружку 5–10 мм, в которой они могут быть введены в камеру сгорания прекальцинатора. Сталь и цинк в шинах химически включаются в клинкер, частично заменяя железо, которое в противном случае необходимо было бы использовать в качестве сырья.

Для обеспечения безопасной эксплуатации необходим высокий уровень контроля как топлива, так и продуктов его сгорания.^[14]

Для максимальной эффективности печи лучшим выбором будет обычное высококачественное топливо. Однако сжигание любого топлива, особенно опасных отходов, может привести к токсичным выбросам.^[15] Таким образом, операторам цементных печей необходимо внимательно следить за многими параметрами процесса, чтобы гарантировать постоянное минимизацию выбросов. В США цементные печи регулируются как основной источник загрязнения воздуха. EPA и должны соответствовать строгим требованиям контроля загрязнения воздуха.^[16]

Управление печью

В сети дифракция рентгеновских лучей с автоматической подачей пробы для измерения свободного оксида кальция

Целью работы печи является производство клинкера с требуемыми химическими и физическими свойствами с максимальной скоростью, которую позволяет размер печи, при соблюдении экологических стандартов при минимально возможных эксплуатационных расходах.^[17] Печь очень чувствительна к стратегиям управления, а плохо работающая печь может легко удвоить эксплуатационные расходы цементного завода.^[18]

Образование желаемых минералов клинкера включает нагревание сырой смеси через указанные выше температурные стадии. Завершающее преобразование, которое происходит в самой горячей части печи под пламенем, является реакцией белите (Ca₂SiO₄) с оксидом кальция с образованием алит (Ca₃O · SiO₅):

Ca₂SiO₄ + CaO → Ca₃SiO₅

Также сокращено в обозначение химика цемента (CCN) как:

C₂S + C → C₃S

Силикат трикальция термодинамически нестабилен ниже 1250 ° C, но может сохраняться в метастабильном состоянии при комнатной температуре за счет быстрого охлаждения: при медленном охлаждении он имеет тенденцию возвращаться к белите (Ca₂SiO₄) и CaO.

Если реакция неполная, избыточное количество свободного оксид кальция остаются в клинкере. Регулярное измерение содержания свободного CaO используется как средство отслеживания качества клинкера. В качестве параметра контроля печи данные о свободном CaO в некоторой степени неэффективны, потому что даже при быстром автоматическом отборе и анализе данные, когда они поступают, могут быть "устаревшими" на 10 минут, и для минутного периода необходимо использовать более немедленные данные. поминутный контроль.

Превращение белита в алит требует частичного плавления, в результате чего жидкость является растворитель в котором происходит реакция. Количество жидкости и, следовательно, скорость завершающей реакции зависят от температуры. Для достижения цели по качеству клинкера наиболее очевидным контролем является достижение клинкером максимальной температуры, чтобы окончательная реакция протекала до требуемой степени. Еще одна причина для поддержания постоянного образования жидкости в горячем конце печи заключается в том, что спекаемый материал образует перегородку, которая предотвращает вытекание охлаждающего материала на входе в печь из печи. Сырье в зоне кальцинирования, поскольку это порошок, выделяющий диоксид углерода, очень текучий. Охлаждение зоны горения и утечка несгоревшего материала в охладитель называется «промывкой», и в дополнение к потере продукции может вызвать серьезный ущерб.

Однако для эффективной работы необходимо поддерживать устойчивые условия во всей системе печи. Корм на каждом этапе должен иметь такую температуру, чтобы он был «готов» к переработке на следующем этапе. Чтобы гарантировать это, температура как сырья, так и газа должна быть оптимизирована и поддерживаться в каждой точке. Для этого доступно несколько внешних элементов управления:

Скорость подачи: определяет производительность печи.
Скорость вращающейся печи: это контролирует скорость, с которой корм движется через трубу печи.
Скорость впрыска топлива: контролирует скорость, с которой нагревается «горячий конец» системы.
Скорость или мощность вытяжного вентилятора: это контролирует поток газа и скорость, с которой тепло отводится от «горячего конца» системы к «холодному концу».

В случае печей с прекальцинаторами доступны дополнительные средства управления:

Независимый контроль подачи топлива в печь и декарбонизатор
Независимое управление вентиляторами при наличии нескольких цепочек подогревателя.

Независимое использование скорости вентилятора и расхода топлива ограничено тем фактом, что всегда должно быть достаточно кислорода для сжигания топлива и, в частности, для сжигания углерода до двуокиси углерода. Если монооксид углерода Это представляет собой трату топлива, а также указывает на восстановительные условия в печи, которых следует избегать любой ценой, поскольку это вызывает разрушение минеральной структуры клинкера. По этой причине выхлопные газы постоянно анализируются на предмет О₂, CO, НЕТ и ТАК₂.

Оценка максимальной температуры клинкера всегда была проблематичной. Контактное измерение температуры невозможно из-за химически агрессивной и абразивной природы горячего клинкера, а также оптических методов, таких как инфракрасное излучение. пирометрия трудны из-за наличия пыли и дыма в зоне горения. Традиционный метод оценки заключался в просмотре слоя клинкера и определении количества образования жидкости на основе опыта. По мере образования большего количества жидкости клинкер становится более липким, и слой материала поднимается выше по восходящей стороне печи. Обычно также можно оценить длину зоны образования жидкости, за которой можно увидеть порошкообразный «свежий» корм. Для облегчения этого на кожухе печи устанавливаются камеры с возможностью инфракрасного измерения или без него. Во многих печах ту же информацию можно получить на основе потребляемой мощности двигателя печи, поскольку липкий корм, движущийся высоко по стенке печи, увеличивает эксцентричную поворотную нагрузку печи. Дополнительную информацию можно получить в анализаторах выхлопных газов. Образование NO из азота и кислорода происходит только при высоких температурах, поэтому уровень NO указывает на комбинированную температуру подачи и пламени. ТАК₂ образуется при термическом разложении сульфат кальция в клинкере, и поэтому также дает указание температуры клинкера. Современные компьютерные системы управления обычно делают «расчетную» температуру, используя вклад всех этих источников информации, а затем приступают к ее контролю.

Как упражнение в контроль над процессом, управление печью является чрезвычайно сложной задачей из-за множества взаимосвязанных переменных, нелинейных характеристик и переменных задержек процесса. Системы компьютерного управления впервые были опробованы в начале 1960-х годов, первоначально с плохими результатами из-за плохих измерений процесса. С 1990 года сложные системы диспетчерского управления высокого уровня стали стандартом для новых установок. Они работают с использованием экспертная система Стратегии, которые поддерживают «ровно достаточную» температуру зоны горения, ниже которой рабочее состояние печи катастрофически ухудшится, что требует быстрого реагирования, «острие» контроля.

Выбросы из цементных печей

Выбросы от цементных заводов определяются как непрерывными, так и периодическими методами измерения, которые описаны в соответствующих национальных руководствах и стандартах. Непрерывное измерение в основном используется для пыли, НЕТ_Икс и так₂, в то время как остальные параметры, относящиеся к законодательству о загрязнении окружающей среды, обычно определяются с перерывами путем индивидуальных измерений.

Следующие ниже описания выбросов относятся к современным печным установкам, основанным на технологии сухого процесса.

Углекислый газ

Вовремя клинкер процесс горения CO₂ испускается. CO₂ составляет основную долю этих газов. CO₂ выбросы связаны как с сырьем, так и с энергией. Выбросы, связанные с сырьем, производятся во время известняк декарбонизация (CaCO₃ -> CaO + CO₂) и составляют около половины всего CO₂ выбросы. Использование топлива с более высоким содержанием водорода, чем уголь, и использование альтернативных видов топлива может снизить чистые выбросы парниковых газов.^[14]

Пыль

Для производства 1 т портландцемента необходимо от 1,5 до 1,7 т сырья, 0,1 т угля и 1 т клинкера (помимо других компонентов цемента и сульфатные агенты) во время производства должны быть измельчены до мелкой пыли. В этом процессе стадии обработки сырья, подготовки топлива, сжигания клинкера и измельчения цемента являются основными источниками выбросов твердых частиц. Пока выбросы твердых частиц до 3000 мг / м³ были измерены на выходе из штабеля цементных заводов с вращающимися печами еще в 1960-х годах, допустимые пределы обычно составляют 30 мг / м³ сегодня достижимы и гораздо более низкие уровни.

Оксиды азота (NO_Икс)

Процесс обжига клинкера - это высокотемпературный процесс, в результате которого образуется оксиды азота (НЕТ_Икс). Образовавшееся количество напрямую связано с температурой основного пламени (обычно 1850–2000 ° C). Монооксид азота (НЕТ) составляет около 95%, и диоксид азота (НЕТ₂) примерно на 5% этого соединения, присутствующего в выхлопных газах вращающаяся печь растения. Поскольку большая часть NO преобразуется в NO₂ в атмосфере выбросы обозначены как NO₂ на кубометр выхлопных газов.

Без редукционных мер, связанных с процессом НЕТ_Икс содержание в выхлопном газе вращающихся печей в большинстве случаев значительно превышает спецификации, например, Европейское законодательство для мусоросжигательных заводов (0,50 г / м³ для новых растений и 0,80 г / м³ для существующих заводов). Меры по снижению нацелены на сглаживание и оптимизацию работы завода. Технически ступенчатое сжигание и Селективное некаталитическое восстановление NO (SNCR) применяются для соблюдения предельных значений выбросов.

Для превращения сырьевой смеси в портландцементный клинкер требуются высокие температуры процесса. Температура загрузки печи в зоне спекания вращающихся печей составляет около 1450 ° C. Для этого необходима температура пламени около 2000 ° C. Из соображений качества клинкера процесс обжига происходит в окислительных условиях, при которых частичное окисление молекулярного азот в воздухе для горения, что приводит к образованию окись азота (НЕТ) доминирует. Эта реакция также называется термическим образованием NO. Однако при более низких температурах, преобладающих в прекальцинаторе, термическое образование NO незначительно: здесь азот, связанный в топливе, может привести к образованию так называемого связанного с топливом NO. Поэтапное сжигание используется для уменьшения выбросов NO: топливо в кальцинатор добавляется при недостаточном количестве воздуха для горения. Это вызывает образование CO.
Затем CO восстанавливает NO до молекулярного азота:

2 CO + 2 NO → 2 CO₂ + N₂.

Затем добавляют горячий третичный воздух для окисления оставшегося CO.

Диоксид серы (SO₂)

Сера вводится в процесс обжига клинкера через сырье и топливо. В зависимости от происхождения сырье может содержать серу, связанную в виде сульфида или сульфата. Выше ТАК₂ Выбросы вращающихся печей в цементной промышленности часто связаны с сульфидами, содержащимися в сырье, которые окисляются с образованием SO₂ при температурах от 370 ° C до 420 ° C, преобладающих в подогревателе печи. Большинство сульфидов пирит или же марказит содержится в сырье. Учитывая обнаруженные концентрации сульфидов, например в немецких месторождениях сырья, SO₂ концентрация выбросов может достигать 1,2 г / м³ в зависимости от местоположения сайта. В некоторых случаях вводили гидроксид кальция используется для понижения SO₂ выбросы.

Сера, поступающая с топливом, полностью превращается в SO.₂ при горении во вращающейся печи. В подогревателе и печи этот SO₂ реагирует на форму щелочь сульфаты, которые связаны в клинкере, при условии, что в печи поддерживаются окислительные условия.

Окись углерода (CO) и общий углерод

Концентрации выхлопных газов CO и органически связанный углерод являются критерием скорости выгорания топлива, используемого в установках преобразования энергии, таких как энергостанции. Напротив, процесс обжига клинкера - это процесс преобразования материала, который всегда должен проводиться с избытком воздуха из соображений качества клинкера. В сочетании с длительным временем пребывания в диапазоне высоких температур это приводит к полному выгоранию топлива.

Выбросы CO и органически связанный углерод во время процесса обжига клинкера вызваны поступлением небольших количеств органических компонентов через природное сырье (остатки организмов и растений, включенные в породу в ходе геологической истории). Они преобразуются во время предварительного нагрева сырья в печь и окисляются с образованием CO и CO.₂. В этом процессе небольшие порции органических газовых примесей (общий органический углерод). Таким образом, в случае процесса сжигания клинкера содержание CO и органических следовых газов в чистом газе не может быть напрямую связано с условиями горения. Количество выделившегося CO₂ составляет около полутонны на тонну клинкера.^[19]

Диоксины и фураны (ПХДД / Ф)

Вращающиеся печи цементной промышленности и классические мусоросжигательные заводы в основном различаются условиями горения, преобладающими при обжиге клинкера. Сырье для печи и отходящие газы вращающейся печи направляются в противотоке и тщательно перемешиваются. Таким образом, распределение температуры и время пребывания во вращающихся печах создают особенно благоприятные условия для полного разрушения органических соединений, введенных либо с топливом, либо полученным из него. По этой причине только очень низкие концентрации полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов (в просторечии "диоксины и фураны") можно найти в выхлопных газах вращающихся цементных печей.

Полихлорированные бифенилы (ПХБ)

Эмиссионное поведение Печатная плата сопоставимо с диоксинами и фуранами. ПХД могут быть введены в процесс с использованием альтернативного сырья и топлива. Системы вращающихся печей цементной промышленности практически полностью уничтожают эти следовые компоненты.^{[нужна цитата]}

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ)

ПАУ (согласно EPA 610) в выхлопных газах вращающихся печей обычно присутствует распределение, в котором преобладают нафталин, на долю которого приходится более 90% по массе. Системы вращающихся печей цементной промышленности практически полностью уничтожают ПАУ, поступающие через топливо. Выбросы происходят из органических компонентов в сырье.

Бензол, толуол, этилбензол, ксилол (BTEX)

Как правило бензол, толуол, этилбензол и ксилол присутствуют в выхлопных газах вращающихся печей в характерном соотношении. BTEX образуется при термическом разложении органических компонентов сырья в подогревателе.

Газообразные неорганические соединения хлора (HCl)

Хлориды являются незначительными дополнительными составляющими, содержащимися в сырье и топливе процесса обжига клинкера. Они высвобождаются при сжигании топлива или нагревании сырья для печи и в первую очередь реагируют со щелочами из сырья для печи с образованием хлоридов щелочных металлов. Эти соединения, которые изначально являются парообразными, конденсируются на сырье для печи или печной пыли при температурах от 700 ° C до 900 ° C, затем снова попадают во вращающуюся систему печи и снова испаряются. Этот цикл в зоне между вращающейся печью и подогревателем может привести к образованию покрытия. Байпас на входе в печь позволяет эффективно сократить циклы хлоридов щелочных металлов и уменьшить проблемы, связанные с образованием покрытия. В процессе обжига клинкера газообразные неорганические соединения хлора либо вообще не выделяются, либо выделяются только в очень малых количествах.

Газообразные неорганические соединения фтора (HF)

90-95% фтора, присутствующего во вращающихся печах, связано с клинкером, а остальная часть связана с пылью в виде фторид кальция устойчив в условиях процесса горения. Ультратонкие фракции пыли, проходящие через фильтр измерительного газа, могут создавать впечатление низкого содержания газообразных соединений фтора в системах вращающихся печей цементной промышленности.

Микроэлементы

Характеристики выбросов отдельных элементов в процессе обжига клинкера определяются входным сценарием, поведением на заводе и эффективностью осаждения пылесборным устройством. Микроэлементы, вводимые в процесс горения через сырье и топливо, могут полностью или частично испаряться в горячих зонах подогревателя и / или вращающейся печи в зависимости от их летучести, вступать в реакцию с компонентами, присутствующими в газовой фазе, и конденсироваться на сырье для печи в охлаждающих секциях системы печи. В зависимости от летучести и рабочих условий это может привести к формированию циклов, которые либо ограничиваются печью и подогревателем, либо также включают комбинированную установку для сушки и измельчения. Микроэлементы из топлива первоначально попадают в дымовые газы, но выбрасываются в крайне малой степени только благодаря удерживающей способности печи и подогревателя.

В условиях, преобладающих в процессе обжига клинкера, нелетучие элементы (например, мышьяк, ванадий, никель) полностью связаны в клинкере.

Такие элементы, как вести и кадмий предпочтительно реагировать с избытком хлоридов и сульфатов в секции между вращающейся печью и подогревателем, образуя летучие соединения. Благодаря большой площади поверхности эти соединения конденсируются на частицах, подаваемых в печь, при температурах от 700 ° C до 900 ° C. Таким образом, летучие элементы, накопленные в системе печь-подогреватель, снова осаждаются в циклонном подогревателе, почти полностью оставаясь в клинкере.

Таллий (в виде хлорида) конденсируется в верхней зоне циклонного подогревателя при температурах от 450 ° C до 500 ° C. Как следствие, может быть сформирован цикл между подогревателем, сушкой сырья и очисткой выхлопных газов.

Меркурий и его соединения не осаждаются в печи и подогревателе. Они конденсируются на пути выхлопных газов из-за охлаждения газа и частично адсорбируются частицами сырья. Эта часть осаждается в фильтре выхлопных газов печи.

Вследствие поведения микроэлементов в процессе обжига клинкера и высокой эффективности осаждения пылесборных устройств концентрации выбросов микроэлементов находятся на низком уровне.

Navigation