Цементные печи используются для пиропроцессной стадии производства портландцемента и других типов гидравлического цемента , в которой карбонат кальция реагирует с кремнеземсодержащими минералами, образуя смесь силикатов кальция . В год производится более миллиарда тонн цемента, и цементные печи являются сердцем этого производственного процесса: их мощность обычно определяет мощность цементного завода. Как основная энергоемкая и выделяющая парниковые газы стадия производства цемента, повышение эффективности печи стало центральной проблемой технологии производства цемента. Выбросы из цементных печей являются основным источником выбросов парниковых газов , составляя около 2,5% неприродных выбросов 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 топлива печи . 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 заставляет материал собираться в комки или узелки, обычно диаметром 1–10 мм. Это называется клинкером. Затем горячий клинкер попадает в охладитель, который возвращает большую часть его тепла и охлаждает клинкер примерно до 100 °C, при этой температуре 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] Базовая печь для обжига извести в форме яйцевидной чаши была снабжена коническим или ульеобразным расширением для увеличения тяги и, таким образом, получения более высокой температуры, необходимой для производства цементного клинкера. В течение почти полувека эта конструкция и незначительные модификации оставались единственным методом производства. Печь была ограничена по размеру прочностью кусков сырьевой смеси: если загрузка в печи разрушалась под собственным весом, печь гасла. По этой причине печи-ульи никогда не производили более 30 тонн клинкера за партию. На обработку партии уходила одна неделя: день на заполнение печи, три дня на выжигание, два дня на охлаждение и день на разгрузку. Таким образом, печь производила около 1500 тонн в год.
Около 1885 года начались эксперименты по проектированию печей непрерывного действия. Одной из конструкций была шахтная печь, похожая по конструкции на доменную печь. Сырьевая смесь в виде кусков и топлива непрерывно добавлялась сверху, а клинкер непрерывно удалялся снизу. Воздух под давлением продувался снизу для сжигания топлива. Шахтная печь имела короткий период использования, прежде чем ее затмила вращающаяся печь, но она имела ограниченный ренессанс с 1970 года в Китае и других странах, когда она использовалась для небольших, низкотехнологичных заводов в сельской местности вдали от транспортных путей. Несколько тысяч таких печей было построено в Китае. Типичная шахтная печь производит 100-200 тонн в день.
С 1885 года начались испытания вращающейся печи , на долю которой сегодня приходится более 95% мирового производства.
Вращающаяся печь состоит из трубы, изготовленной из стального листа и облицованной огнеупорным кирпичом . Труба 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 двигаться вниз к другому концу печи. С другого конца топливо в виде газа, нефти или измельченного твердого топлива вдувается через «трубу горелки», создавая большое концентрическое пламя в нижней части трубы печи. Когда материал движется под пламенем, он достигает своей пиковой температуры, прежде чем выпасть из трубы печи в охладитель. Воздух сначала втягивается через охладитель, а затем через печь для сжигания топлива. В охладителе воздух нагревается остывающим клинкером, так что он может быть от 400 до 800 °C, прежде чем он попадет в печь, тем самым вызывая интенсивное и быстрое сгорание топлива.
Самые ранние успешные вращающиеся печи были разработаны в Пенсильвании около 1890 года на основе конструкции Фредерика Рэнсома [5] и имели диаметр около 1,5 м и длину 15 м. Такая печь производила около 20 тонн клинкера в день. Первоначально топливом была нефть, которая была легко доступна в Пенсильвании в то время. С этим топливом было особенно легко получить хорошее пламя. В течение следующих 10 лет была разработана технология сжигания путем вдувания пылевидного угля, что позволило использовать самое дешевое доступное топливо. К 1905 году самые большие печи имели размер 2,7 x 60 м и производили 190 тонн в день. На тот момент, всего через 15 лет разработки, вращающиеся печи составляли половину мирового производства. С тех пор производительность печей неуклонно росла, и самые большие печи сегодня производят около 10 000 тонн в день. В отличие от статических печей, материал проходит через них быстро: это занимает от 3 часов (в некоторых старых печах мокрого процесса) до всего лишь 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 обслуживания. Одной из основных работ по техническому обслуживанию вращающихся печей является обработка и шлифовка поверхности бандажей и роликов, которые можно выполнять, пока печь работает на полную мощность со скоростью до 3,5 об/мин. Это важная дисциплина, поскольку нагрев и охлаждение — это длительные, расточительные и разрушительные процессы. Были достигнуты бесперебойные работы на протяжении 18 месяцев.
С самых древних времен использовались два различных метода приготовления сырьевой смеси: минеральные компоненты либо измельчались в сухом виде до состояния мукообразного порошка, либо измельчались во влажном виде с добавлением воды для получения мелкодисперсной суспензии с консистенцией краски и типичным содержанием воды 40–45% [6] .
Мокрый процесс страдал от очевидного недостатка, заключающегося в том, что при загрузке шлама в печь для испарения воды использовалось большое количество дополнительного топлива. Кроме того, для заданного выхода клинкера требовалась более крупная печь, поскольку большая часть длины печи была отведена под процесс сушки. С другой стороны, мокрый процесс имел ряд преимуществ. Мокрое измельчение твердых минералов обычно намного эффективнее сухого измельчения. Когда шлам высушивается в печи, он образует гранулированную крошку, которая идеально подходит для последующего нагрева в печи. При сухом процессе очень сложно удерживать мелкозернистую сырьевую смесь в печи, поскольку быстро текущие дымовые газы имеют тенденцию выдувать ее обратно. Стало практикой распылять воду в сухие печи, чтобы «заглушить» сухую смесь, и поэтому в течение многих лет между двумя процессами не было большой разницы в эффективности, и подавляющее большинство печей использовали мокрый процесс. К 1950 году типичная большая мокрая печь, оснащенная теплообменниками с зоной сушки, имела размеры 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 мокрым установкам, печи размером 5,8 x 225 м производили 3000 тонн в день.
Интересная сноска об истории мокрого процесса заключается в том, что некоторые производители фактически сделали очень старые предприятия мокрого процесса прибыльными за счет использования отходов топлива . Заводы, которые сжигают отходы топлива, имеют отрицательную стоимость топлива (их оплачивают отрасли, которым необходимо утилизировать материалы, которые содержат энергию и могут быть безопасно утилизированы в цементной печи благодаря ее высоким температурам и более длительному времени удержания). В результате неэффективность мокрого процесса является преимуществом — для производителя. При размещении операций по сжиганию отходов в старых местах мокрого процесса более высокий расход топлива фактически означает более высокую прибыль для производителя, хотя он производит соответственно больше выбросов CO2 . Производители, которые считают, что такие выбросы следует сократить, отказываются от использования мокрого процесса.
В 1930-х годах, что примечательно, в Германии были предприняты первые попытки перепроектировать систему печи для минимизации потерь топлива. [7] Это привело к двум важным событиям:
Решетчатый подогреватель состоит из камеры, содержащей цепную подвижную решетку из высокотемпературной стали, прикрепленную к холодному концу вращающейся печи. [8] Сухая порошкообразная сырьевая смесь превращается в твердые гранулы диаметром 10–20 мм в брикетировочном котле с добавлением 10–15% воды. Гранулы загружаются на подвижную решетку, а горячие дымовые газы из задней части печи пропускаются через слой гранул снизу. Это очень эффективно сушит и частично прокаливает сырьевую смесь. Затем гранулы падают в печь. Очень мало порошкообразного материала выдувается из печи. Поскольку сырьевая смесь увлажняется для изготовления гранул, это называется «полусухим» процессом. Решетчатый подогреватель также применим к «полумокрому» процессу, в котором сырьевая смесь изготавливается в виде пульпы, которая сначала обезвоживается с помощью фильтра высокого давления, а полученный «фильтрационный кек» экструдируется в гранулы, которые подаются на решетку. В этом случае содержание воды в гранулах составляет 17-20%. Решетчатые 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 x 60 м, производя 1050 тонн в день, используя около 0,11-0,13 тонн угольного топлива на каждую тонну произведенного клинкера. Были установлены системы производительностью до 3000 тонн в день.
Ключевым компонентом подогревателя газовзвеси является циклон . Циклон представляет собой конический сосуд, в который по касательной подается поток газа, содержащий пыль. Это создает вихрь внутри сосуда. Газ покидает сосуд через коаксиальный «вихревой искатель». Твердые частицы отбрасываются к внешнему краю сосуда под действием центробежной силы и выходят через клапан в вершине конуса. Циклоны изначально использовались для очистки пылесодержащих газов, покидающих простые печи сухого процесса. Если вместо этого всю подачу сырьевой смеси принудительно пропускать через циклон, происходит очень эффективный теплообмен : газ эффективно охлаждается, следовательно, в атмосферу выделяется меньше тепла, а сырьевая смесь эффективно нагревается. Эффективность теплопередачи дополнительно увеличивается, если несколько циклонов соединены последовательно.
Количество циклонных ступеней, используемых на практике, варьируется от 1 до 6. Энергия в виде мощности вентилятора требуется для протягивания газов через цепочку циклонов, и при цепочке из 6 циклонов стоимость дополнительной мощности вентилятора, необходимой для дополнительного циклона, превышает получаемое преимущество в эффективности. Обычно теплый отходящий газ используют для сушки сырья в сырьевой мельнице , 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 покидает основание цепочки подогревателя, обычно прокаливается на 20%, поэтому печи требуется меньше последующей обработки, и, следовательно, она может 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, производящую 2500 тонн в день, и потребляющую около 0,11–0,12 тонны угольного топлива на каждую тонну произведенного клинкера.
Платой за эффективность подвесных подогревателей является их склонность к засорению. Соли, такие как сульфат и хлорид натрия и калия, имеют тенденцию испаряться в зоне обжига печи. Они переносятся 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 в середине печи. Конденсация обычно происходит в подогревателе, и липкий осадок жидких солей склеивает пыльную сырьевую смесь в твердый осадок, как правило, на поверхностях, на которые воздействует поток газа. Это может засорить подогреватель до такой степени, что поток воздуха больше не может поддерживаться в печи. Затем возникает необходимость вручную разбивать наросты. Современные установки часто имеют автоматические устройства, установленные в уязвимых точках, чтобы регулярно выбивать наросты. Альтернативный подход заключается в «сливе» части отработанных газов печи на входе в печь, где соли все еще находятся в паровой фазе, и удалении и утилизации твердых веществ из этого. Обычно это называется «сливом щелочи», и это нарушает цикл рециркуляции. Это также может быть полезно для качества цемента, поскольку снижает содержание щелочи в клинкере. Содержание щелочи является критическим свойством цемента. Действительно, цемент со слишком высоким содержанием щелочи может вызвать вредную реакцию щелочи и кремния (ASR) в бетоне, изготовленном с заполнителями, содержащими реактивный аморфный кремнезем . Гигроскопичный и набухающий натриевый силикагель образуется внутри реактивных заполнителей, которые развивают характерные внутренние трещины. Эта экспансивная химическая реакция, происходящая в бетонной матрице, создает высокое растягивающее напряжение в бетоне и создает трещины, которые могут разрушить бетонную конструкцию. Однако горячий газ расходуется впустую, поэтому процесс неэффективен и увеличивает расход топлива в печи.
В 1970-х годах предварительный кальцинатор был впервые представлен в Японии и впоследствии стал оборудованием выбора для новых крупных установок по всему миру. [9] Предварительный кальцинатор является развитием предварительных подогревателей суспензии. Философия такова: количество топлива, которое может быть сожжено в печи, напрямую связано с размером печи. Если часть топлива, необходимого для сжигания сырьевой смеси , сжигается вне печи, выход системы может быть увеличен для данного размера печи. Пользователи предварительных подогревателей суспензии обнаружили, что выход может быть увеличен путем впрыскивания дополнительного топлива в основание предварительных подогревателей. Логичным развитием стала установка специально разработанной камеры сгорания в основании предварительных подогревателей, в которую впрыскивается пылевидный уголь . Это называется предварительным кальцинатором «с продувкой воздухом», потому что воздух для горения как для топлива печи, так и для топлива кальцинатора проходит через печь. Этот тип прекальцинатора может сжигать до 30% (обычно 20%) своего топлива в кальцинаторе. Если бы в кальцинатор было впрыснуто больше топлива, дополнительное количество воздуха, проходящего через печь, чрезмерно охладило бы пламя печи. Сырье кальцинируется на 40-60% перед тем, как попасть во вращающуюся печь.
Конечным достижением является «воздушно-разделительный» прекальцинатор, в котором горячий воздух для горения для кальцинатора поступает в воздуховод непосредственно из охладителя, минуя печь. Обычно 60-75% топлива сжигается в прекальцинаторе. В этих системах сырье, поступающее во вращающуюся печь, на 100% прокаливается. 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 образование шариков для получения клинкера, и прокатное действие вращающейся печи остается наиболее эффективным способом сделать это. Крупные современные установки обычно имеют две параллельные цепочки из 4 или 5 циклонов, одна из которых прикреплена к печи, а другая - к камере прекальцинатора. Вращающаяся печь размером 6 x 100 м производит 8000–10 000 тонн в день, используя около 0,10–0,11 тонны угольного топлива на каждую тонну произведенного клинкера. Печь кажется крошечной по сравнению с массивной башней подогревателя и охладителем в этих установках. 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, поскольку гибкость стального корпуса становится неуправляемой при этом размере или выше, а футеровка из огнеупорного кирпича имеет тенденцию разрушаться, когда печь изгибается.
Особым преимуществом прекальцинатора с воздушным разделением является то, что большая часть, или даже 100%, отходящих газов печи, содержащих щелочь, может быть отведена в качестве щелочного отвода (см. выше). Поскольку это составляет всего 40% от подводимого системой тепла, это может быть сделано с меньшими потерями тепла, чем при простом отводе из подогревателя суспензии. Из-за этого прекальцинаторы с воздушным разделением теперь всегда назначаются, когда на цементном заводе доступно только высокощелочное сырье.
Сопровождающие цифры показывают движение в сторону использования более эффективных процессов в Северной Америке (по которым данные легко доступны). Но средняя производительность печи, например, в Таиланде в два раза выше, чем в Северной Америке.
Помимо трубы печи и подогревателя необходимо следующее оборудование:
Ранние системы использовали роторные охладители, которые представляли собой вращающиеся цилиндры, похожие на печь, в которые опускался горячий клинкер. [10] Воздух для горения поднимался через охладитель, когда клинкер опускался вниз, каскадируя 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 трубке печи. Их преимущество в том, что они герметично соединены с печью и не требуют отдельного привода. Примерно с 1930 года был разработан колосниковый охладитель. Он состоит из перфорированной решетки, через которую продувается холодный воздух, заключенный в прямоугольную камеру. Слой клинкера глубиной до 0,5 м движется вдоль решетки. Эти охладители имеют два основных преимущества: (1) они быстро охлаждают клинкер, что желательно с точки зрения качества клинкера; это позволяет избежать того, что алит ( C
3S ), термодинамически нестабильный ниже 1250 °C, превращается в белит ( C
2S ) и свободного CaO (C) при медленном охлаждении:
(поскольку алит отвечает за раннее развитие прочности при схватывании и затвердевании цемента, желательно максимально возможное содержание клинкера в алите)
и (2) поскольку они не вращаются, из них можно выводить горячий воздух для использования в сушке топлива или в качестве воздуха для горения в прекальцинаторе. 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 немедленно вдувается в печь. Преимущество этой системы в том, что нет необходимости хранить опасное топливо: оно используется сразу после производства. По этой причине эта система была выбором для старых печей. Недостатком является то, что топливная мельница должна работать все время: если она ломается, печь должна останавливаться, если нет резервной системы.
При непрямом обжиге топливо измельчается периодически работающей мельницей, а мелкий продукт хранится в силосе достаточного размера для снабжения печи в периоды остановки топливной мельницы. Мелкое топливо дозируется из силоса с контролируемой скоростью и вдувается в печь. Этот метод в настоящее время является предпочтительным для систем прекальцинатора, поскольку и печь, и прекальцинатор могут питаться топливом из одной и той же системы. Для безопасного хранения мелкого топлива требуются специальные методы, а угли с высоким содержанием летучих веществ обычно измельчаются в инертной атмосфере (например, CO2 ) .
Большой объем газов должен быть перемещен через систему печи. [12] В частности, в системах подогревателей подвески, для этого необходимо создать высокую степень всасывания на выходе из системы. Вентиляторы также используются для нагнетания воздуха через слой охладителя и подачи топлива в печь. Вентиляторы потребляют большую часть электроэнергии, потребляемой в системе, обычно 10–15 кВт·ч на тонну клинкера.
Выхлопные газы из современной печи обычно составляют 2 тонны (или 1500 кубических метров по стандартным нормам ) на тонну произведенного клинкера. [13] Газы переносят большое количество пыли — обычно 30 граммов на кубический метр. Экологические нормы, действующие в разных странах, требуют, чтобы это количество было снижено до (обычно) 0,1 грамма на кубический метр, поэтому улавливание пыли должно быть эффективным не менее 99,7%. Методы улавливания включают электростатические осадители и рукавные фильтры. См. также выбросы цементной печи .
Топливо, которое использовалось для первичного сжигания, включает уголь , нефтяной кокс , тяжелое топливо , природный газ , отходящий газ свалок и факельный газ нефтеперерабатывающих заводов. [14] Поскольку клинкер доводится до своей пиковой температуры в основном за счет лучистого теплообмена, а для этого необходимо яркое (т. е. с высокой излучательной способностью ) и горячее пламя, для сжигания в печи часто предпочитают топливо с высоким содержанием углерода, такое как уголь, который производит светящееся пламя. Там, где он дешев и легко доступен, иногда также используют природный газ. Однако, поскольку он производит гораздо менее яркое пламя, это, как правило, приводит к снижению производительности печи. [15]
В дополнение к этим основным видам топлива, в печи подавались различные горючие отходы. Эти альтернативные виды топлива (AF) включают:
Цементные печи являются привлекательным способом утилизации опасных материалов по следующим причинам:
Ярким примером является использование отработанных автомобильных покрышек, которые очень трудно утилизировать другими способами. Целые покрышки обычно вводят в печь, закатывая их в верхний конец печи предварительного нагрева или сбрасывая их через щель посередине длинной мокрой печи. В любом случае высокие температуры газа (1000–1200 °C) вызывают почти мгновенное, полное и бездымное сгорание покрышки. В качестве альтернативы покрышки измельчают на 5–10-миллиметровую стружку, в таком виде их можно вводить в камеру сгорания прекальцинатора. Сталь и цинк в покрышках химически включаются в клинкер, частично заменяя железо, которое в противном случае должно подаваться в качестве сырья.
Для поддержания безопасной эксплуатации необходим высокий уровень контроля как топлива, так и продуктов его сгорания. [16]
Для максимальной эффективности печи лучшим выбором являются высококачественные обычные виды топлива. Однако сжигание любого топлива, особенно опасных отходов, может привести к токсичным выбросам. [17] Таким образом, операторам цементных печей необходимо внимательно следить за многими параметрами процесса, чтобы гарантировать постоянную 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 работы печи является производство клинкера с требуемыми химическими и физическими свойствами с максимальной скоростью, которую позволяет размер печи, при соблюдении экологических стандартов и при минимально возможных эксплуатационных расходах. [19] Печь очень чувствительна к стратегиям контроля, и плохо управляемая печь может легко удвоить эксплуатационные расходы цементного завода. [20]
Формирование желаемых клинкерных минералов включает нагревание сырьевой смеси через температурные стадии, упомянутые выше. Завершающее преобразование, которое происходит в самой горячей части печи, под пламенем, представляет собой реакцию 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 ):
В нотации химика-цементовщика (CCN) также обозначается как:
Если реакция не завершена, в клинкере остается избыточное количество свободного оксида кальция . Регулярное измерение содержания свободного CaO используется как средство отслеживания качества клинкера. Как параметр в управлении печью, данные о свободном CaO несколько неэффективны, поскольку даже при быстром автоматизированном отборе проб и анализе данные, когда они поступают, могут быть «устаревшими» на 10 минут, и для поминутного контроля необходимо использовать более оперативные данные.
Превращение белита в алит требует частичного плавления, при этом полученная жидкость является растворителем , в котором происходит реакция. Количество жидкости, а следовательно, и скорость реакции финишной обработки связаны с температурой. Для достижения цели по качеству клинкера наиболее очевидным контролем является то, что клинкер должен достичь пиковой температуры, чтобы реакция финишной обработки происходила в требуемой степени. Еще одной причиной поддержания постоянного образования жидкости в горячем конце печи является то, что спекаемый материал образует плотину, которая не позволяет охладителю, находящемуся выше по потоку, выливаться из печи. Подача в зоне прокалки, поскольку она представляет собой порошок, выделяющий углекислый газ , является чрезвычайно текучей. Охлаждение зоны обжига и потеря несгоревшего материала в охладителе называется «промывкой» и, помимо того, что это приводит к потере производства, может нанести огромный ущерб.
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. Чтобы обеспечить это, температура сырья и газа должна быть оптимизирована и поддерживаться в каждой точке. Доступных внешних средств управления для достижения этого немного:
В случае печей для предварительного обжига доступны дополнительные средства управления:
Независимое использование скорости вентилятора и расхода топлива ограничивается тем фактом, что для сжигания топлива, и в частности для сжигания углерода до углекислого газа , всегда должно быть достаточно кислорода . Если образуется окись углерода , это представляет собой напрасную трату топлива, а также указывает на восстановительные условия внутри печи, которых следует избегать любой ценой, поскольку они вызывают разрушение структуры клинкерного минерала. По этой причине отходящий газ постоянно анализируется 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 запыленной и дымовой атмосферы в зоне обжига. Традиционный метод оценки заключался в осмотре слоя клинкера и определении количества образовавшейся жидкости опытным путем. По мере образования большего количества жидкости клинкер становится более липким, а слой материала поднимается выше по восходящей стороне печи. Обычно также можно оценить длину зоны образования жидкости, за которой можно увидеть порошкообразную «свежую» загрузку. Для облегчения этого процесса на колпаке печи устанавливаются камеры с возможностью инфракрасного измерения или без нее. Во многих печах ту же информацию можно получить из потребляемой мощности двигателя печи, поскольку липкая загрузка, находящаяся высоко на стенке печи, увеличивает эксцентриковую вращательную нагрузку печи. Дополнительную информацию можно получить из анализаторов отходящих газов . Образование NO из азота и кислорода происходит только при высоких температурах, поэтому уровень NO дает представление о комбинированной температуре подачи и пламени. SO 2 образуется при термическом разложении сульфата кальция в клинкере и поэтому также дает представление о температуре клинкера. Современные компьютерные системы управления обычно делают «расчетную» температуру, используя вклады всех этих источников информации, а затем приступают к ее контролю.
Как упражнение в управлении процессом , управление печью является чрезвычайно сложным из-за множества взаимосвязанных переменных, нелинейных реакций и переменных задержек процесса. Компьютерные системы управления были впервые опробованы в начале 1960-х годов, изначально с плохими результатами, в основном из-за плохих измерений процесса. С 1990 года сложные высокоуровневые системы контроля стали стандартом на новых установках. Они работают с использованием стратегий экспертной системы , которые поддерживают «достаточную» температуру зоны горения, ниже которой рабочее состояние печи катастрофически ухудшится, поэтому требуется быстрое реагирование, «острое» управление.
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 пыли ( твердых частиц ), NO x ( оксидов азота ) и SO 2 ( диоксида серы ), в то время как остальные параметры, соответствующие законодательству о загрязнении окружающей среды, обычно определяются прерывисто путем отдельных измерений.
Приведенные ниже описания выбросов относятся к современным печным установкам, работающим по технологии сухого способа.
В процессе обжига клинкера выделяется CO 2 . CO 2 составляет основную долю этих газов. Выбросы CO 2 связаны как с сырьем, так и с энергией. Выбросы, связанные с сырьем, производятся в процессе декарбонизации известняка ( CaCO 3 → CaO + CO 2 ) и составляют около половины от общего объема выбросов CO 2 . Использование топлива с более высоким содержанием водорода, чем уголь, и использование альтернативных видов топлива может сократить чистые выбросы парниковых газов. [16]
Для производства 1 т портландцемента необходимо измельчить до состояния пыли около 1,5–1,7 т сырья, 0,1 т угля и 1 т клинкера (помимо других компонентов цемента и сульфатных агентов ) в процессе производства. В этом процессе основными источниками выбросов твердых частиц являются этапы обработки сырья, подготовки топлива, сжигания клинкера и помола цемента . Хотя совсем недавно, в 1960-х годах, выбросы твердых частиц из труб цементных вращающихся печей составляли до 3000 мг/м3 , сегодня допустимые пределы обычно составляют 30 мг/ м3 , и достижимы гораздо более низкие уровни.
Процесс обжига клинкера представляет собой высокотемпературный процесс, в результате которого образуются оксиды азота (NO x ). Образующееся количество напрямую связано с основной температурой пламени (обычно 1850–2000 °C). Оксид азота (NO) составляет около 95%, а диоксид азота (NO 2 ) — около 5% этого соединения, присутствующего в отходящих газах вращающихся печей . Поскольку большая часть NO преобразуется в NO 2 в атмосфере, выбросы приводятся как NO 2 на кубический метр отходящих газов.
Без мер по сокращению, технологические содержания NO x в отходящих газах установок с вращающимися печами в большинстве случаев значительно превышали бы спецификации, например, европейского законодательства для установок по сжиганию отходов (0,50 г/м 3 для новых установок и 0,80 г/м 3 для существующих установок). Меры по сокращению направлены на сглаживание и оптимизацию работы установки. Технически, для того чтобы справиться с предельными значениями выбросов, применяются ступенчатое сжигание и селективное некаталитическое восстановление NO (SNCR).
Для преобразования сырьевой смеси в портландцементный клинкер требуются высокие температуры процесса. Температура загрузки печи в зоне спекания вращающихся печей составляет около 1450 °C. Для достижения этих температур необходимы температуры пламени около 2000 °C. Для обеспечения качества клинкера процесс обжига происходит в окислительных условиях, при которых преобладает частичное окисление молекулярного азота в воздухе горения, приводящее к образованию оксида азота (NO). Эту реакцию также называют термическим образованием NO. Однако при более низких температурах, преобладающих в прекальцинаторе, термическое образование NO незначительно: здесь азот, связанный в топливе, может привести к образованию того, что известно как NO, связанное с топливом. Для снижения NO используется ступенчатое сжигание: топливо для кальцинатора добавляется с недостаточным количеством воздуха 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 обжига клинкера через сырье и топливо. В зависимости от происхождения сырье может содержать серу, связанную в виде сульфида или сульфата. Более высокие выбросы SO 2 вращающимися печными системами в цементной промышленности часто связаны с сульфидами, содержащимися в сырье, которые окисляются с образованием SO 2 при температурах от 370 °C до 420 °C, преобладающих в подогревателе печи. Большинство сульфидов представляют собой пирит или марказит, содержащиеся в сырье. Учитывая концентрации сульфидов, обнаруженные, например, в немецких месторождениях сырья, концентрации выбросов SO 2 могут достигать 1,2 г/м 3 в зависимости от местоположения участка. В некоторых случаях для снижения выбросов SO 2 используется инъекционный гидроксид кальция .
Сера, поступающая с топливом, полностью преобразуется в SO 2 во время сгорания во вращающейся печи. В подогревателе и печи этот SO 2 реагирует с образованием щелочных сульфатов, которые связываются в клинкере, при условии, что в печи поддерживаются окислительные условия.
Концентрации CO и органически связанного углерода в выхлопных газах являются мерилом скорости сгорания топлива, используемого на заводах по преобразованию энергии, таких как электростанции . Напротив, процесс сжигания клинкера представляет собой процесс преобразования материала, который всегда должен осуществляться с избытком воздуха по соображениям качества клинкера. В сочетании с длительным временем пребывания в диапазоне высоких температур это приводит к полному сгоранию топлива.
Выбросы CO и органически связанного углерода в процессе обжига клинкера вызваны небольшими количествами органических компонентов, поступающих через природное сырье (остатки организмов и растений, включенных 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 порции органических газовых примесей ( общий органический углерод ). В случае процесса обжига клинкера содержание CO и органических газовых примесей в чистом газе, следовательно, может не 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 отличаются условиями горения, преобладающими при сжигании клинкера. Подача в печь и отходящие газы вращающейся печи транспортируются противотоком и тщательно перемешиваются. Таким образом, распределение температуры и время пребывания во вращающихся печах создают особенно благоприятные условия для полного уничтожения органических соединений, введенных либо через топливо, 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 сопоставимо с поведением диоксинов и фуранов. ПХБ могут быть введены в процесс через альтернативное сырье и топливо. Системы вращающихся печей цементной промышленности уничтожают эти следовые компоненты практически полностью. [ необходима цитата ]
ПАУ (согласно EPA 610) в отходящих газах вращающихся печей обычно появляются в распределении, в котором доминирует нафталин , доля которого составляет более 90% по массе. Системы вращающихся печей цементной промышленности практически полностью уничтожают ПАУ, поступающие с топливом. Выбросы образуются из органических компонентов в сырье.
Как правило, в отходящих газах вращающихся печей присутствуют бензол , толуол , этилбензол и ксилол в характерном соотношении. BTEX образуется при термическом разложении органических компонентов сырья в подогревателе.
Хлориды являются второстепенными дополнительными компонентами, содержащимися в сырье и топливе процесса обжига клинкера. Они выделяются при сжигании топлива или нагревании сырья печи и в первую очередь реагируют со щелочами из сырья печи с образованием хлоридов щелочных металлов. Эти соединения, которые изначально являются парообразными, конденсируются на сырье печи или пыли печи при температурах от 700 °C до 900 °C, затем снова попадают в систему вращающейся печи и снова испаряются. Этот цикл в области между вращающейся печью и подогревателем может привести к образованию покрытия. Обход на входе печи позволяет эффективно сократить циклы хлоридов щелочных металлов и уменьшить проблемы с образованием покрытия. В процессе обжига клинкера газообразные неорганические соединения хлора либо вообще не выделяются, либо выделяются в очень малых количествах.
Из фтора, присутствующего во вращающихся печах, 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 создать впечатление низкого содержания газообразных соединений фтора в системах вращающихся печей цементной промышленности.
Поведение выбросов отдельных элементов в процессе обжига клинкера определяется входным сценарием, поведением на установке и эффективностью осаждения пылеулавливающего устройства. Микроэлементы (например, тяжелые металлы ), вводимые в процесс обжига через сырье и топливо, могут полностью или частично испаряться в горячих зонах подогревателя и/или вращающейся печи в зависимости от их летучести, реагировать с компонентами, присутствующими в газовой фазе, и конденсироваться 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 выбрасываются в крайне малом объеме только из-за удерживающей способности печи и подогревателя.
В условиях, существующих в процессе обжига клинкера, нелетучие элементы (например, мышьяк , ванадий , никель ) полностью связываются в клинкере.
Такие элементы, как свинец и кадмий , преимущественно реагируют с избыточными хлоридами и сульфатами в секции между вращающейся печью и подогревателем, образуя летучие соединения. Благодаря большой площади поверхности, эти соединения конденсируются на частицах загрузки печи при температурах от 700 °C до 900 °C. Таким образом, летучие элементы, накопленные в системе печь-подогреватель, снова осаждаются в циклонном подогревателе, оставаясь почти полностью в клинкере.
Таллий (в виде хлорида) конденсируется в верхней зоне циклонного подогревателя при температурах от 450 °C до 500 °C. В результате может быть образован цикл между подогревателем, сушкой сырья и очисткой отходящих газов.
Ртуть и ее соединения не осаждаются в печи и подогревателе. Они конденсируются на пути отходящих 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 находятся на низком общем уровне. [ необходима ссылка ]
МГЭИК рекомендует использовать данные по клинкеру, а не по цементу, для оценки выбросов CO2, поскольку CO2 выделяется во время производства клинкера, а не во время производства цемента. Метод уровня 1 использует значение по умолчанию МГЭИК для доли извести в клинкере, которое составляет 64,6 процента. Это приводит к коэффициенту выбросов 0,507 тонн CO2/тонну клинкера.