Цементные печи используются на стадии пирообработки при производстве портландцемента и других видов гидравлического цемента , при которой карбонат кальция вступает в реакцию с кремнеземсодержащими минералами с образованием смеси силикатов кальция . Ежегодно производится более миллиарда тонн цемента, и сердцем этого производственного процесса являются цементные печи: их мощность обычно определяет мощность цементного завода. Повышение эффективности печи, являющейся основным этапом производства цемента, требующим больших затрат энергии и выбросов парниковых газов, является центральной задачей технологии производства цемента. Выбросы цементных печей являются основным источником выбросов парниковых газов , на их долю приходится около 2,5% выбросов неприродного углерода во всем мире. [1]
Типичный процесс производства состоит из трех этапов:
На втором этапе сырьевая смесь подается в печь и постепенно нагревается за счет контакта с горячими газами от сгорания печного топлива . По мере повышения температуры сырьевой смеси происходят последовательные химические реакции:
Алит является характерным компонентом портландцемента . Обычно для завершения реакции требуется пиковая температура 1400–1450 ° C. Частичное плавление приводит к агрегированию материала в комки или узелки, обычно диаметром 1–10 мм. Это называется клинкер. Затем горячий клинкер попадает в холодильник, который рекуперирует большую часть тепла и охлаждает клинкер примерно до 100 °C, при которой его можно удобно транспортировать на хранение. Система цементной печи предназначена для выполнения этих процессов.
Портландцементный клинкер был впервые изготовлен (в 1825 году) в модифицированной форме традиционной статической печи для обжига извести . [2] [3] [4] Основная печь для обжига извести в форме яичной чашки была снабжена удлинителем конической или улейной формы для увеличения тяги и, таким образом, получения более высокой температуры, необходимой для изготовления цементного клинкера. На протяжении почти полувека эта конструкция с небольшими модификациями оставалась единственным методом производства. Размер печи был ограничен прочностью кусков сырьевой смеси: если шихта в печи рухнет под собственным весом, печь погаснет. По этой причине ульевые печи никогда не производили более 30 тонн клинкера за партию. На обработку партии ушла неделя: день на заполнение печи, три дня на обжиг, два дня на охлаждение и день на разгрузку. Таким образом, печь будет производить около 1500 тонн в год.
Примерно в 1885 году начались эксперименты по проектированию печи непрерывного действия. Одной из конструкций была шахтная печь, по конструкции похожая на доменную печь. Сверху непрерывно добавляли сырьевую смесь в виде комков и топлива, а снизу непрерывно удаляли клинкер. Воздух продувался под давлением из основания для сжигания топлива. Шахтная печь использовалась недолго, прежде чем ее затмила вращающаяся печь, но ее возрождение было ограниченным, начиная с 1970 года в Китае и других странах, когда ее использовали на небольших, низкотехнологичных заводах в сельских районах вдали от городов. транспортные маршруты. В Китае построено несколько тысяч таких печей. Типичная шахтная печь производит 100-200 тонн в день.
С 1885 года начались испытания по разработке вращающейся печи , на долю которой сегодня приходится более 95% мирового производства.
Вращающаяся печь состоит из трубы, изготовленной из стального листа и облицованной огнеупорным кирпичом . Трубка слегка наклонена (1–4°) и медленно вращается вокруг своей оси со скоростью от 30 до 250 оборотов в час. Сырьевая смесь подается в верхний конец, и вращение печи заставляет ее постепенно перемещаться вниз к другому концу печи. На другом конце топливо в виде газа, масла или пылевидного твердого топлива вдувается через «трубу горелки», создавая большое концентрическое пламя в нижней части трубы печи. По мере того, как материал движется под пламенем, он достигает своей максимальной температуры, прежде чем выпасть 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 перед попаданием в печь он может достигать температуры от 400 до 800 °C, что вызывает интенсивное и быстрое сгорание топлива.
Самые ранние успешные вращающиеся печи были разработаны в Пенсильвании примерно в 1890 году по проекту Фредерика Рэнсома [5] и имели диаметр около 1,5 м и длину 15 м. Такая печь производила около 20 тонн клинкера в сутки. Первоначально в качестве топлива использовалась нефть, которая в то время была легко доступна в Пенсильвании. С этим топливом особенно легко было получить хорошее пламя. В течение следующих 10 лет была разработана технология сжигания угольной пыли, позволяющая использовать самое дешевое доступное топливо. К 1905 году самые большие печи имели размеры 2,7 х 60 м и производили 190 тонн в день. На тот момент, всего после 15 лет разработки, на вращающиеся печи приходилось половина мирового производства. С тех пор мощность печей неуклонно росла, и самые крупные печи сегодня 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 способом) до всего лишь 10 минут (в коротких печах с предварительным декарбонизатором). Вращающиеся печи работают 24 часа в сутки и обычно останавливаются только на несколько дней один или два раза в год для необходимого технического обслуживания. Одними из основных работ по техническому обслуживанию вращающихся печей являются работы по механической обработке и шлифовке поверхности шин и роликов, которые можно выполнять при работе печи на полную мощность со скоростью до 3,5 об/мин. Это важная дисциплина, поскольку нагрев и охлаждение — долгие, расточительные и разрушительные процессы. Достигнута непрерывная работа в течение 18 месяцев.
С древнейших времен использовались два различных метода приготовления сырьевых смесей: минеральные компоненты либо подвергались сухому измельчению до образования мукообразного порошка, либо мокрому измельчению с добавлением воды для получения мелкой суспензии консистенции краски, и с типичным содержанием воды 40–45%. [6]
Мокрый процесс имел очевидный недостаток: когда суспензия вводилась в печь, на испарение воды тратилось большое количество дополнительного топлива. Кроме того, для заданной производительности клинкера требовалась печь большего размера, поскольку большая часть длины печи была занята процессом сушки. С другой стороны, мокрый процесс имел ряд преимуществ. Мокрое измельчение твердых минералов обычно намного эффективнее сухого измельчения. При сушке в печи суспензия образует зернистую крошку, идеальную для последующего нагрева в печи. При сухом процессе очень трудно удерживать мелкодисперсную порошкообразную сырьевую смесь в печи, поскольку быстротекущие дымовые газы имеют тенденцию снова выдувать ее обратно. Стало практикой распылять воду в сухие печи, чтобы «угасить» 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 мокрого процесса, оснащенная теплообменниками зоны сушки, имела размеры 3,3 х 120 м, производила 680 тонн в день и использовала 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 мокрого процесса, печи размером 5,8 х 225 м производили 3000 тонн в день.
Интересным примечанием к истории мокрого процесса является то, что некоторые производители фактически сделали очень старые установки мокрого процесса прибыльными за счет использования отработанного топлива . Заводы, сжигающие отходы топлива, имеют отрицательную стоимость топлива (им платят предприятия, которым необходимо утилизировать энергосодержащие материалы, которые можно безопасно утилизировать в цементной печи благодаря высоким температурам и более длительному времени хранения). В результате неэффективность мокрого процесса является преимуществом для производителя. При размещении предприятий по сжиганию отходов на старых участках мокрого производства более высокий расход топлива фактически означает более высокую прибыль для производителя, хотя при этом производятся, соответственно, большие выбросы CO 2 . Производители, которые считают, что такие выбросы следует сократить, отказываются от использования мокрого процесса.
Примечательно, что в 1930-х годах в Германии были предприняты первые попытки перепроектировать печную систему, чтобы минимизировать потери топлива. [7] Это привело к двум важным событиям:
Колосниковый подогреватель состоит из камеры, содержащей цепную подвижную решетку из высокотемпературной стали, прикрепленную к холодному концу вращающейся печи. [8] Сухую порошкообразную сырьевую смесь превращают в твердые гранулы диаметром 10–20 мм в чане для гранулирования с добавлением 10–15% воды. Гранулы загружаются на движущуюся решетку, а горячие дымовые газы из задней части печи проходят через слой окатышей снизу. Это очень эффективно сушит и частично прокаливает сырьевую смесь. Затем пеллеты попадают в печь. Из печи выдувается очень мало порошкообразного материала. Поскольку для изготовления гранул сырьевая смесь увлажняется, этот процесс называется «полусухим». Колосниковый подогреватель также применим для «полумокрого» процесса, при котором сырьевая смесь изготавливается в виде суспензии, которую сначала обезвоживают с помощью фильтра высокого давления, а полученную «фильтровальную лепешку» экструдируют в гранулы. , которые подаются на решетку. При этом содержание воды в пеллетах составляет 17-20%. Колосниковые подогреватели 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 х 60 м, производившую 1050 тонн в день, используя около 0,11-0,13 тонны угольного топлива на каждую тонну произведенного клинкера. Установлены системы производительностью до 3000 тонн в сутки.
Ключевым элементом газоподогревателя является циклон . Циклон представляет собой конический сосуд, в который тангенциально подается пылесодержащий газовый поток. Это создает вихрь внутри сосуда. Газ выходит из сосуда через коаксиальный «вихреискатель». Твердые частицы под действием центробежной силы выбрасываются к внешнему краю сосуда и выходят через клапан в вершине конуса . Первоначально циклоны использовались для очистки запыленных газов после простых печей сухого процесса. Если вместо этого вся сырьевая смесь принудительно проходит через циклон, происходит очень эффективный теплообмен : газ эффективно охлаждается, следовательно, выделяется меньше тепла в атмосферу, а сырьевая смесь эффективно нагревается. Эффективность теплопередачи еще больше увеличивается, если несколько циклонов соединены последовательно.
Количество ступеней циклонов, используемых на практике, варьируется от 1 до 6. Для протягивания газов через цепочку циклонов требуется энергия в виде мощности вентилятора, а при цепочке из 6 циклонов стоимость добавленного вентилятора -мощность, необходимая для дополнительного циклона, превышает получаемое преимущество в эффективности. Обычно для сушки сырья на сырьевой мельнице используется теплый выхлопной газ , а если сырье влажное, желателен горячий газ из менее эффективного подогревателя. По этой причине наиболее часто встречающиеся подвесные подогреватели имеют 4 циклона. Горячее сырье, которое выходит из основания колонны подогревателя, обычно прокаливается на 20%, поэтому печи требуется меньше последующей обработки и, следовательно, можно достичь более высокой удельной производительности. Типичные крупные системы, установленные в начале 1970-х годов, имели циклоны диаметром 6 м, вращающуюся печь размером 5 х 75 м, производительностью 2500 тонн в день, используя около 0,11-0,12 тонны угольного топлива на каждую тонну произведенного клинкера.
Платой за эффективность предпусковых подогревателей подвески является их склонность к засорению. Соли, такие как сульфат и хлорид натрия и калия, имеют тенденцию испаряться в зоне обжига печи. Они уносятся обратно в виде пара и повторно конденсируются при достижении достаточно низкой температуры. Поскольку эти соли рециркулируют обратно в сырьевую смесь и снова попадают в зону обжига, 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, а липкий осадок жидких солей склеивает пыльную сырьевую смесь в твердый осадок, обычно на поверхностях, на которые воздействует газовый поток. Это может заглушить подогреватель до такой степени, что поток воздуха в печи больше не сможет поддерживаться. Тогда возникает необходимость вручную удалить нарост. В современных установках часто в уязвимых местах устанавливаются автоматические устройства, которые регулярно выбивают наросты. Альтернативный подход состоит в том, чтобы «отвести» часть выхлопных газов печи на входе в печь, где соли все еще находятся в паровой фазе, а также удалить и выбросить содержащиеся в ней твердые вещества. Обычно это называют «утечкой щелочи», и она нарушает цикл рециркуляции. Это также может быть полезно с точки зрения качества цемента, поскольку снижает содержание щелочи в клинкере. Содержание щелочи является важнейшим свойством цемента. Действительно, цемент со слишком высоким содержанием щелочи может вызвать вредную щелочно-кремнеземную реакцию (ASR) в бетоне , изготовленном из заполнителей , содержащих химически активный аморфный кремнезем . Гигроскопичный и набухающий силикагель натрия образуется внутри реакционноспособных агрегатов, в которых образуются характерные внутренние трещины. Эта расширяющаяся химическая реакция, происходящая в бетонной матрице, создает в бетоне высокие растягивающие напряжения и создает трещины, которые могут разрушить бетонную структуру. Однако горячий газ уходит в отходы, поэтому процесс неэффективен и увеличивает расход топлива в печи.
В 1970-х годах печь предварительного обжига была впервые применена в Японии и впоследствии стала предпочтительным оборудованием для новых крупных установок по всему миру. [9] Устройство предварительного декарбонизации представляет собой усовершенствованную версию подогревателя суспензии. Философия такова: количество топлива, которое можно сжечь в печи, напрямую связано с ее размером. Если часть топлива, необходимого для сжигания сырьевой смеси , сжигается вне печи, производительность системы можно увеличить для данного размера печи. Пользователи подогревателей подвески обнаружили, что мощность можно увеличить, впрыскивая дополнительное топливо в основание подогревателя. Логичным развитием стала установка в основании подогревателя специально сконструированной камеры сгорания, в которую впрыскивается угольная пыль . Это называется предварительным обжигом с продувкой, поскольку весь воздух для горения как печного топлива, так и обжигового топлива проходит через печь. Этот тип печи предварительного декарбонизации может сжигать до 30% (обычно 20%) топлива в декарбонизаторе. Если бы в обжиговую печь впрыскивалось больше топлива, дополнительное количество воздуха, проходящего через печь, чрезмерно охлаждало бы пламя печи. Перед подачей во вращающуюся печь сырье прокаливается на 40-60%.
Последней разработкой является установка предварительного обжига с разделением воздуха, в которой горячий воздух для сгорания в обжиговой печи поступает по воздуховоду непосредственно из охладителя, минуя печь. Обычно в декарбонизаторе сгорает 60-75% топлива. В этих системах сырье, поступающее во вращающуюся печь, обжигается на 100%. Печи нужно только поднять сырье до температуры спекания. Теоретически максимальная эффективность была бы достигнута, если бы все топливо сжигалось в подогревателе, но операция спекания включает в себя частичное плавление и шаркование с образованием клинкера, и раскатывание во вращающейся печи остается наиболее эффективным способом сделать это. Большие современные установки обычно имеют две параллельные цепочки из 4 или 5 циклонов, один из которых прикреплен к печи, а другой - к камере предварительного обжига. Вращающаяся печь размером 6 х 100 м дает производительность 8000–10 000 тонн в сутки, расходуя около 0,10–0,11 тонны каменноугольного топлива на каждую тонну произведенного клинкера. В этих установках печь затмевается массивной башней подогревателя и охладителем. Такая печь производит 3 миллиона тонн клинкера в год и потребляет 300 тысяч тонн угля. Диаметр 6 м, по-видимому, является предельным размером вращающихся печей, поскольку гибкость стального корпуса становится неуправляемой при этом размере или выше, а футеровка из огнеупорного кирпича имеет тенденцию разрушаться при изгибе печи.
Особым преимуществом воздухоразделительной печи предварительного обжига является то, что большая часть или даже 100% отходящих газов печи, содержащих щелочь, может быть отведена в виде отвода щелочи (см. выше). Поскольку на это приходится только 40% тепловложения системы, это можно сделать с меньшими потерями тепла, чем при простом выпуске воздуха из подогревателя подвески. В связи с этим теперь всегда назначают воздухоразделительные печи предварительного обжига, когда на цементном заводе имеется только высокощелочное сырье.
Прилагаемые цифры показывают движение к использованию более эффективных процессов в Северной Америке (данные по которой легко доступны). Но средняя производительность печи, например, в Таиланде вдвое выше, чем в Северной Америке.
Важным оборудованием, помимо печи и подогревателя, являются:
В ранних системах использовались вращающиеся охладители, которые представляли собой вращающиеся цилиндры, похожие на печи, в которые опускался горячий клинкер. [10] Воздух для горения втягивался через охладитель по мере того, как клинкер опускался 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 заключается в том, что они герметично прикреплены к печи и не требуют отдельного привода. Примерно с 1930 года был разработан колосниковый охладитель. Он состоит из перфорированной решетки, через которую продувается холодный воздух, заключенной в прямоугольную камеру. По решетке перемещается слой клинкера глубиной до 0,5 м. Эти охладители имеют два основных преимущества: (1) они быстро охлаждают клинкер, что желательно с точки зрения качества клинкера; он избегает этого алита ( C
3S ), термодинамически нестабильны при температуре ниже 1250 ° C, превращаются в белит ( C
2S ) и свободный CaO (C) при медленном охлаждении:
(поскольку алит отвечает за раннее развитие прочности при схватывании и затвердевании цемента, желательно как можно большее содержание клинкера в алите)
и (2) поскольку они не вращаются, из них можно отводить горячий воздух для использования при сушке топлива или в качестве воздуха для горения в печи предварительного декарбонизации. Последнее преимущество означает, что они стали единственным типом, используемым в современных системах.
Топливные системы делятся на две категории: [11]
При прямом сжигании топливо подается с контролируемой скоростью в топливную мельницу, а мелкий продукт сразу же вдувается в печь. Преимущество этой системы в том, что нет необходимости хранить опасное наземное топливо: оно используется сразу после изготовления. По этой причине эта система была предпочтительной для старых печей. Недостатком является то, что топливный завод должен работать постоянно: если он выйдет из строя, печь придется остановить, если нет резервной системы.
При непрямом сжигании топливо измельчается в мельнице периодического действия, а мелкий продукт хранится в бункере достаточного размера для снабжения печи в периоды простоя топливной мельницы. Мелкодисперсное топливо дозируется из бункера с контролируемой скоростью и вдувается в печь. В настоящее время этот метод предпочтителен для систем предварительного обжига, поскольку и печь, и печь предварительного обжига могут снабжаться топливом из одной и той же системы. Для безопасного хранения мелкодисперсного топлива требуются специальные методы, а угли с высоким содержанием летучих веществ обычно перемалываются в инертной атмосфере (например, CO 2 ).
Через печную систему приходится перемещать большой объем газов. [12] Для этого, в частности, в системах подогрева подвески, на выходе системы должна быть обеспечена высокая степень всасывания. Вентиляторы также используются для подачи воздуха через слой охладителя и подачи топлива в печь. На вентиляторы приходится большая часть потребляемой в системе электроэнергии, обычно составляющая 10–15 кВт·ч на тонну клинкера.
Выхлопные газы современной печи обычно составляют 2 тонны (или 1500 кубических метров на СТП ) на тонну изготовленного клинкера. [13] Газы содержат большое количество пыли — обычно 30 граммов на кубический метр. Экологические нормы, специфичные для разных стран, требуют, чтобы это значение было снижено (обычно) до 0,1 грамма на кубический метр, поэтому эффективность улавливания пыли должна быть не менее 99,7%. Методы улавливания включают электростатические осадители и рукавные фильтры. См. также выбросы цементных печей .
Топливо, которое использовалось для первичного сжигания, включает уголь , нефтяной кокс , мазут , природный газ , отходящий газ из свалок и факельный газ нефтеперерабатывающих заводов. [14] Поскольку клинкер доводится до своей максимальной температуры в основном за счет лучистой теплопередачи, а для этого необходимо яркое (т.е. с высокой излучательной способностью ) и горячее пламя, для обжига часто отдают предпочтение высокоуглеродистому топливу, такому как уголь, который создает светящееся пламя. стрельба. Там, где он дешев и легко доступен, иногда также используется природный газ. Однако, поскольку пламя получается гораздо менее ярким, это приводит к снижению производительности печи. [15]
Помимо этого первичного топлива, в печи подаются различные горючие отходы. К таким альтернативным видам топлива (AF) относятся:
Цементные печи являются привлекательным способом утилизации опасных материалов по следующим причинам:
Ярким примером является использование списанных автомобильных покрышек, утилизировать которые другими способами очень сложно. Целые шины обычно помещают в печь, закатывая их в верхний конец печи предварительного нагрева или опуская через прорезь в середине длинной мокрой печи. В любом случае высокие температуры газа (1000–1200 °C) вызывают почти мгновенное, полное и бездымное сгорание шины. Альтернативно шины измельчаются на стружку размером 5–10 мм, в таком виде их можно впрыскивать в камеру сгорания предварительного декарбонизатора. Сталь и цинк в шинах химически включаются в клинкер, частично заменяя железо, которое в противном случае пришлось бы использовать в качестве сырья.
Для обеспечения безопасной эксплуатации необходим высокий уровень контроля как за топливом, так и за продуктами его сгорания. [16]
Для достижения максимальной эффективности печи лучшим выбором является высококачественное обычное топливо. Однако сжигание любого топлива, особенно опасных отходов, может привести к токсичным выбросам. [17] Таким образом, операторам цементных печей необходимо внимательно следить за многими переменными процесса, чтобы обеспечить постоянное минимизацию выбросов. В США цементные печи регулируются Агентством по охране окружающей среды как основной источник загрязнения воздуха и должны соответствовать строгим требованиям по контролю загрязнения воздуха. [18]
Целью эксплуатации печи является производство клинкера с необходимыми химическими и физическими свойствами с максимальной скоростью, которую позволяют размеры печи, при соблюдении экологических стандартов и при минимально возможных эксплуатационных затратах. [19] Печь очень чувствительна к стратегиям контроля, и плохо эксплуатируемая печь может легко удвоить эксплуатационные расходы цементного завода. [20]
Формирование желаемых минералов клинкера включает нагревание сырьевой смеси на указанных выше температурных стадиях. Заключительным превращением, происходящим в самой горячей части печи, под пламенем, является реакция белита ( C 2 S = 2CaO·SiO 2 или Ca 2 SiO 4 ) с оксидом кальция с образованием алита ( C 3 S = 3CaO·SiO 2 , или Ca 3 SiO 5 ):
Также сокращенно в обозначениях химиков-цементистов (CCN):
Если реакция неполная, в клинкере остается избыточное количество свободного оксида кальция . Регулярное измерение содержания свободного CaO используется как средство отслеживания качества клинкера. В качестве параметра управления печью данные о свободном CaO несколько неэффективны, поскольку даже при быстром автоматизированном отборе проб и анализе данные, когда они поступают, могут оказаться «устаревшими» на 10 минут, и для минутной оценки необходимо использовать более актуальные данные. поминутный контроль.
Превращение белита в алит требует частичного плавления, причем образующаяся жидкость является растворителем, в котором протекает реакция. Количество жидкости и, следовательно, скорость завершающей реакции зависит от температуры. Для достижения цели по качеству клинкера наиболее очевидным способом контроля является достижение клинкером максимальной температуры, при которой завершающая реакция протекает в необходимой степени. Еще одной причиной поддержания постоянного образования жидкости в горячем конце печи является то, что спекаемый материал образует перегородку, которая предотвращает вытекание более холодного исходного сырья из печи. Сырье в зоне обжига, поскольку оно представляет собой порошок, выделяющий углекислый газ , является чрезвычайно текучим. Охлаждение зоны горения и потеря несгоревшего материала в охладителе называется «промывкой» и помимо потерь в производстве может привести к серьезному ущербу.
Однако для эффективной работы необходимо поддерживать стабильные условия во всей системе печи. Сырье на каждом этапе должно иметь такую температуру, чтобы оно было «готово» к обработке на следующем этапе. Для этого необходимо оптимизировать и поддерживать температуру как сырья, так и газа в каждой точке. Внешних средств контроля, доступных для достижения этой цели, немного:
В случае печей с предварительным декарбонизатором доступны дополнительные средства управления:
Независимое использование скорости вентилятора и расхода топлива ограничено тем, что всегда должно быть достаточное количество кислорода для сжигания топлива и, в частности, для сжигания углерода до углекислого газа . Если образуется окись углерода , это представляет собой трату топлива, а также указывает на восстановительные условия внутри печи, которых следует избегать любой ценой, поскольку это вызывает разрушение минеральной структуры клинкера. По этой причине выхлопные газы постоянно анализируются на содержание O 2 , CO , NO и SO 2 .
Оценка пиковой температуры клинкера всегда была проблематичной. Контактное измерение температуры невозможно из-за химически агрессивной и абразивной природы горячего клинкера, а оптические методы, такие как инфракрасная пирометрия , затруднены из-за пыли и задымленной атмосферы в зоне горения. Традиционный метод оценки заключался в осмотре слоя клинкера и опытном определении количества образовавшейся жидкости. 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 пределами которой виден порошкообразный «свежий» корм. Для облегчения этой процедуры на колпаке печи монтируются камеры с возможностью инфракрасного измерения или без нее. На многих печах ту же информацию можно получить по потребляемой мощности двигателя печи, поскольку липкий корм, поднимающийся высоко на стенку печи, увеличивает эксцентричную вращательную 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 общую температуру сырья и пламени. SO 2 образуется в результате термического разложения сульфата кальция в клинкере и поэтому также является показателем температуры клинкера. Современные компьютерные системы управления обычно определяют «расчетную» температуру, используя данные всех этих источников информации, а затем приступают к ее контролю.
Как упражнение по управлению процессом , управление печью является чрезвычайно сложной задачей из-за множества взаимосвязанных переменных, нелинейных реакций и переменных задержек процесса. Компьютерные системы управления впервые были опробованы в начале 1960-х годов, первоначально с плохими результатами, главным образом из-за плохих измерений процесса. С 1990 года сложные системы диспетчерского управления высокого уровня стали стандартными для новых установок. Они работают с использованием стратегий экспертной системы , которые поддерживают «достаточную» температуру в зоне горения, ниже которой рабочее состояние печи катастрофически ухудшается, что требует быстрого реагирования и «жесткого» контроля.
Выбросы от цементных заводов определяются как непрерывными, так и прерывистыми методами измерения, которые описаны в соответствующих национальных руководствах и стандартах. Непрерывное измерение в основном используется для измерения пыли ( твердых частиц ), NO x ( оксидов азота ) и SO 2 ( диоксида серы ), тогда как остальные параметры, соответствующие законодательству о загрязнении окружающей среды, обычно определяются прерывисто путем индивидуальных измерений.
Следующие описания выбросов относятся к современным печным установкам, основанным на технологии сухого процесса.
В процессе обжига клинкера выделяется CO2 . На CO 2 приходится основная доля этих газов. Выбросы CO 2 связаны как с сырьем, так и с энергетикой. Выбросы, связанные с сырьем, образуются при декарбонизации известняка ( CaCO 3 → CaO + CO 2 ) и составляют около половины общих выбросов CO 2 . Использование топлива с более высоким содержанием водорода, чем уголь, и использование альтернативных видов топлива могут снизить чистые выбросы парниковых газов. [16]
Для производства 1 т портландцемента необходимо в процессе производства измельчить до пыли примерно 1,5–1,7 т сырья, 0,1 т угля и 1 т клинкера (помимо других компонентов цемента и сульфатных агентов ). В этом процессе этапы обработки сырья, подготовки топлива, обжига клинкера и помола цемента являются основными источниками выбросов твердых частиц. Хотя совсем недавно, в 1960-х годах, выбросы твердых частиц на выходе из дымовой трубы цементных вращающихся печей были зафиксированы на уровне до 3000 мг/м 3 , сегодня законные пределы обычно составляют 30 мг/м 3 , но достижимы и гораздо более низкие уровни.
Процесс обжига клинкера представляет собой высокотемпературный процесс, приводящий к образованию оксидов азота (NO x ). Образующееся количество напрямую связано с температурой основного пламени (обычно 1850–2000 °C). На монооксид азота (NO) приходится около 95%, а на диоксид азота (NO 2 ) — около 5% этого соединения, присутствующего в отходящих газах установок вращающихся печей . Поскольку большая часть NO в атмосфере преобразуется в NO 2 , выбросы указаны как NO 2 на кубический метр выхлопных газов.
Без принятия мер по снижению связанное с процессом содержание NO x в отходящих газах вращающихся печей в большинстве случаев значительно превышало бы требования, например, европейского законодательства для установок по сжиганию отходов (0,50 г/м 3 для новых установок и 0,80 г/м 3 для установок по сжиганию отходов ). действующие заводы). Мероприятия по снижению направлены на выравнивание и оптимизацию работы станции. Технически, для соблюдения предельных значений выбросов применяются ступенчатое сжигание и селективное некаталитическое восстановление NO (SNCR).
Для преобразования сырьевой смеси в портландцементный клинкер необходимы высокие температуры процесса. Температура шихты в зоне спекания вращающихся печей составляет около 1450 °C. Для их достижения необходима температура пламени около 2000 °C. По причинам качества клинкера процесс обжига происходит в окислительных условиях, при которых преобладает частичное окисление молекулярного азота в воздухе для горения, приводящее к образованию оксида азота (NO). Эту реакцию еще называют термическим образованием NO. Однако при более низких температурах, преобладающих в печи предварительного обжига, термическое образование NO незначительно: здесь азот, связанный в топливе, может привести к образованию так называемого NO, связанного с топливом. Для снижения NO используется ступенчатое сжигание: топливо в кальцинатор добавляется при недостаточном количестве воздуха для горения. Это приводит к образованию CO.
Затем CO восстанавливает NO до молекулярного азота:
Затем добавляется горячий третичный воздух для окисления оставшегося CO.
Сера поступает в процесс сжигания клинкера вместе с сырьем и топливом. В зависимости от происхождения сырье может содержать серу, связанную в виде сульфида или сульфата. Более высокие выбросы SO 2 системами вращающихся печей в цементной промышленности часто объясняются сульфидами, содержащимися в сырье, которые окисляются с образованием SO 2 при температурах от 370 °C до 420 °C, преобладающих в подогревателе печи. Большую часть сульфидов составляют пирит или марказит , содержащиеся в сырье. Учитывая концентрации сульфидов, обнаруженные, например, в месторождениях сырья в Германии, концентрация выбросов SO 2 может достигать 1,2 г/м 3 в зависимости от местоположения объекта. В некоторых случаях для снижения выбросов SO 2 используется впрыскивание гидроксида кальция .
Поступившая с топливом сера полностью преобразуется в SO 2 при сжигании во вращающейся печи. В подогревателе и печи этот SO 2 реагирует с образованием сульфатов щелочных металлов, которые связываются в клинкере, при условии, что в печи поддерживаются окислительные условия.
Концентрация CO и органически связанного углерода в выхлопных газах является критерием скорости выгорания топлива, используемого на установках по преобразованию энергии, таких как электростанции . Напротив, процесс обжига клинкера представляет собой процесс переработки материала, который всегда должен осуществляться с избытком воздуха из соображений качества клинкера. В сочетании с длительным временем пребывания в высокотемпературном диапазоне это приводит к полному выгоранию топлива.
Выбросы CO и органически связанного углерода в процессе сжигания клинкера вызваны небольшими количествами органических компонентов, поступающих с природным сырьем (остатками организмов и растений, включенными в породу в ходе геологической истории). Они преобразуются во время предварительного нагрева загрузки печи и окисляются с образованием CO и CO 2 . В этом процессе также образуются небольшие количества органических примесей газов ( общий органический углерод ). Поэтому в случае процесса сжигания клинкера содержание CO и органических примесей в чистом газе не может быть напрямую связано с условиями горения. Количество выделяемого CO 2 составляет около полутонны на тонну клинкера. [21]
Вращающиеся печи цементной промышленности и классические мусоросжигательные заводы в основном различаются по условиям горения, преобладающим при обжиге клинкера. Сырье печи и отходящие газы вращающейся печи подаются противотоком и тщательно перемешиваются. Таким образом, распределение температуры и время пребывания во вращающихся печах создают особенно благоприятные условия для полного разрушения органических соединений, поступивших либо с топливом, либо полученных из него. По этой причине в отходящих газах цементных вращающихся печей можно обнаружить только очень низкие концентрации полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов (в просторечии « диоксины и фураны »).
Поведение выбросов ПХБ сравнимо с поведением диоксинов и фуранов. ПХБ могут быть введены в процесс через альтернативное сырье и топливо. Системы вращающихся печей цементной промышленности практически полностью уничтожают эти микроэлементы. [ нужна цитата ]
ПАУ (согласно EPA 610) в отходящих газах вращающихся печей обычно появляются в распределении, в котором преобладает нафталин , доля которого составляет более 90% по массе. Системы вращающихся печей цементной промышленности практически полностью уничтожают ПАУ, поступающие с топливом. Выбросы производятся органическими компонентами сырья.
Как правило , в отходящих газах вращающихся печей присутствуют бензол , толуол , этилбензол и ксилол в характерном соотношении. БТЭК образуется при термическом разложении компонентов органического сырья в подогревателе.
Хлориды представляют собой второстепенные дополнительные компоненты, содержащиеся в сырье и топливе, используемом в процессе обжига клинкера. Они выделяются при сгорании топлива или нагревании загрузки печи и в первую очередь реагируют со щелочами из загрузки печи с образованием хлоридов щелочных металлов. Эти соединения, которые изначально являются парообразными, конденсируются на загружаемом материале печи или печной пыли при температуре от 700 °C до 900 °C, впоследствии снова попадают во вращающуюся печь 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 хлорида щелочи и уменьшить проблемы с образованием покрытия. В процессе обжига клинкера газообразные неорганические соединения хлора либо не выделяются вовсе, либо выделяются в очень небольших количествах.
Из присутствующего во вращающихся печах фтора 90—95% связано в клинкере, а остальная часть связана с пылью в виде фторида кальция , устойчивого в условиях процесса обжига. Ультратонкие фракции пыли, проходящие через измерительный газовый фильтр, могут создавать впечатление низкого содержания газообразных соединений фтора в системах вращающихся печей цементной промышленности.
Поведение выбросов отдельных элементов в процессе сжигания клинкера определяется сценарием ввода, поведением на установке и эффективностью осаждения пылеулавливающего устройства. Микроэлементы (например, тяжелые металлы ), введенные 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 газе. фазе и конденсируются на загрузке печи в более холодных секциях печной системы. В зависимости от летучести и условий эксплуатации это может привести к образованию циклов, которые либо ограничиваются печью и подогревателем, либо включают также комбинированную установку сушки и измельчения. Микроэлементы из топлива первоначально попадают в дымовые газы, но выделяются в крайне малых количествах только благодаря удерживающей способности печи и подогревателя.
В условиях, сложившихся в процессе обжига клинкера, нелетучие элементы (например , мышьяк , ванадий , никель ) полностью связываются в клинкере.
Такие элементы, как свинец и кадмий , преимущественно реагируют с избытком хлоридов и сульфатов на участке между вращающейся печью и подогревателем, образуя летучие соединения. Благодаря большой площади поверхности эти соединения конденсируются на частицах сырья печи при температуре 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 температуре от 450 до 500 °C. Как следствие, может быть образован цикл между предварительным нагревателем, сушкой сырья и очисткой выхлопных газов.
Ртуть и ее 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 отходящих газов печи.
Благодаря поведению микроэлементов в процессе обжига клинкера и высокой эффективности осаждения пылеулавливающих устройств концентрации выбросов микроэлементов в целом находятся на низком уровне. [ нужна цитата ]
МГЭИК рекомендует использовать данные о клинкере, а не данные о цементе, для оценки выбросов CO2, поскольку CO2 выбрасывается во время производства клинкера, а не во время производства цемента. В методе уровня 1 используется значение по умолчанию МГЭИК для доли извести в клинкере, которое составляет 64,6 процента. В результате коэффициент выбросов составляет 0,507 тонн CO2/тонну клинкера.