CZ290835B6 - Způsob regulace teploty v peci a zařízení k výrobě cementového slínku - Google Patents

Abstract

Postup regulace teploty v peci pro v²robu cementov ho sl nku p°i teplot ve spalovac z n v rozmez od 1100 do 1500 .degree.C, p°i kter m se m ° obsah s ry S(t) odv d n² na v²stupu z pece nebo zav d n² na vstupu do pece v oblasti mezi pec (II) a p°edeh° va em (I) v z vislosti na ase t, na e se vstup paliva do pece reguluje tak, e pro s ru, kter je uv d na do pece, je udr ov n po adovan² vypa°ovac faktor E. Vyn lez umo uje regulaci teploty v peci a t m pak ° zen v²roby v n vyr b n ho sl nku za sou asn ho sn en emise NO.sub.x.n. z pece na minimum. Zp sobem podle vyn lezu se zji uje okam it teplota ve slinovac z n v²po tem na z klad uvol ov n s ry v peci. Vypa°ovac faktor E je vypo ten na z klad m °en obsahu s ry v materi lu, kter² p°ich z do pece (II) z p°edeh° va e (I), nebo m °en obsahu s ry v plynech vych zej c ch z pece. e eno je rovn za° zen pro v²robu cementov ho sl nku.\

Description

(57) Anotace:

Postup regulace teploty v peci pro výrobu cementového slínku při teplotě ve spalovací zóně v rozmezí od 1100 do 1500 °C, při kterém se měří obsah síry S(t) odváděný na výstupu z pece nebo zaváděný na vstupu do pece v oblasti mezi pecí (II) a předehřívačem (1) v závislosti na čase t, načež se vstup paliva do pece reguluje tak, že pro síru, která je uváděna do pece, je udržován požadovaný vypalovací faktor E. Vynález umožňuje regulaci teploty v peci a tím pak řízení výroby v ní vyráběného slínku za současného snížení emise NO_X z pece na minimum. Způsobem podle vynálezu se zjišťuje okamžitá teplota ve slinovací zóně výpočtem na základě uvolňování síry v peci. Vypalovací faktor E je vypočten na základě měření obsahu síry v materiálu, který přichází do pece (II) z předehřívače (I), nebo měření obsahu síry v plynech vycházejících z pece. Řešeno je rovněž zařízení pro výrobu cementového slínku.

(11) Číslo dokumentu:

290 835 (13) Druh dokumentu: B6 (51) Int. Cl.⁷:

C 04 B 7/44

Z 290835 B6

Způsob regulace teploty v peci a zařízení k výrobě cementového slínku

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu regulace teploty v peci pro výrobu cementových slínků a zařízení pro výrobu cementového slínku.

Dosavadní stav techniky

Z dosavadního stavu techniky je všeobecně známo, že se cement vyrábí smísením řady surovin, zvláště vápence CaCO₃, jílu, písku, kyzu, létavého popílku a jiných materiálů, a jejich přetvořením na surovinovou moučku, ve které musí být upraven v relativně úzkém rozmezí obsah oxidu vápenatého CaO, křemičitého SiO₂, hlinitého A1₂O₃ a železitého Fe₂O₃. Surovinová moučka je následně podrobena procesům předehřívání a kalcinování, při nichž je odváděn CO₂ a H₂O. Mezi oxidy pak proběhne řada reakcí, na prvním místě především následující reakce:

CaO + SiO₂ -> (CaO)₂(SiO₂) (bělit) (CaO)₂(SiO₂) + CaO -> (CaO)₃(SiO₂) (alit)

Tyto reakce mezi pevnými látkami probíhají v tavenině s oxidy hliníku a železa, které jsou pro tvorby taveniny nezbytné.

Každý proces vy palování cementu má vždy obecný cíl zajistit vytvoření dostatečného množství alitu a současně snížit objem volného, dosud nezreagovaného CaO na přijatelně nízkou úroveň. Tradičně se vypalování uskutečňuje v rotační peci a konečná reakce probíhá ve slinovací sekci této pece, přičemž průběh reakce je řízen regulací teploty, která se provádí nastavením plamene a rychlosti přívodu paliva. Teplota se během vypalování běžného typu slínku blíží rozmezí 1400 °C až 1450 °C.

Je tudíž nezbytné nalézt způsob měření poskytující nepřetržité údaje o teplotě v peci, indikující tímto způsobem také složení a kvalitu slínku. Dosud ale nebylo možno měřit tuto důležitou teplotu přímo.

Termočlánky (Pt-PtRh) není možno instalovat takovým způsobem, aby bylo zajištěno, že nebudou během krátké doby zničeny kontaktem s tvrdým slínkem.

Radiační pyrometry mohou být užity pouze tehdy, když je v slinovací zóně dobrá viditelnost, což je zřídka kdy, protože během vypalovacího procesu se nevyhnutelně tvoří určitá dávka prachu.

Nepřímý signál, který se velmi rozšířeně využívá k indikaci teploty, spočívá v měření síly, které je užito k otáčení pece. Důvod, proč může být tohoto signálu užito, je ten, že čím vyšší je teplota slínku, tím větší množství roztavené hmoty se tvoří, což způsobuje, že je unášeno během rotace více vsádky směrem výše po stěnách rotační pece. V důsledku toho se zvýší otáčivý moment (síla x rameno), a tím se zvýší také síla potřebná k otáčení pece. Avšak otáčivý moment je relativní signál, který je ovlivněn množstvím faktorů : nepravidelnostmi při tvoření krusty, přilnavostí surovin po celé délce pece a tak dále.

V důsledku toho není možné přesně určit, jaký má být moment k zajištění požadovaného vypálení.

Jiná metoda měření teploty ve slinovací zóně představuje měření emisí NO_X pece. Tvorba NO_X ve slinovací zóně závisí specificky na teplotě plamene a při konstantní produkci a neměnném

-1 CZ 290835 B6 nastavení hořáku je ovlivněna jenom přebytkem vzduchu potřebným pro vypalovací proces, a protože obecným cílem je udržet přebytek vzduchu konstantní, měření emisí NO_X představuje přímé měření slinovací teploty. V důsledku toho pracují pece řadu let na základě měření NO_X a jsou řízeny jak manuálně, tak automaticky, například pomocí fuzzy logiky.

Je však známým faktem, že emise NO_X jsou škodlivé pro životní prostředí, a proto je vynakládáno velké úsilí na snížení těchto emisí, včetně emisí z rotačních pecí cementáren.

Tato opatření silně redukují množství regulace pece. Nejlépe je to patrno z křivky tvorby NO_X 10 jako funkce teploty T (°C) (viz obrázek 1). Křivka se získá měřením tvorby NO_X v závislosti na konečné teplotě slínku za podmínky určitého nastavení plamene.

Při vypalování běžného slinkuje pracovní bod situovaný ponejvíce v pozici A. Zde je vznikající NO_X v podstatě termického původu, to znamená, že atom dusíku v NO_X pochází z N₂ ze vzduchu 15 a odchylky pod/nad cílovou teplotou se zřetelně promítají v podstatných změnách množství tvořeného NO_X.

Při provádění opatření k redukci úrovně NO_X se dosáhne v souladu s nižší teplotou v peci pracovního bodu B, kde tvořený NO_X pochází hlavně z paliva. V blízkosti bodu B je teplotní závislost 20 tvorby NO_X zanedbatelná a měřené NO_X nemůže být v praxi užito jako řídicího parametru v takovémto systému s nízkými hladinami NO_X.

Navíc je mimo snížení emisí NO_X možno při snížení teploty plamene dosáhnout úspor energie, což činí tyto podmínky v peci během vypalování zvláště vhodné.

Aby byly získány pracovní podmínky s nízkou úrovní emisí NO_X, může být užita možnost rozšíření plamene v peci, například snížením primárního toku vzduchu neboli primární rychlostí hořáku. Při použití tohoto způsobu bude mít slínek nižší konečnou teplotu, ale na druhé straně vyžaduje tento slínek při teplotách nad minimálním limitem, kdy je možná tvorba alitu, delší 30 retenční čas.

Jiný způsob získání pracovních podmínek s nízkou hodnotou emisí NO_X a nižší potřebnou teplotou plamene zahrnuje přídavek minerálizátoru do surovinové moučky, čímž se snižuje potřebná teplota pro tvorbu alitu. Například přídavek síry a fluoru dovoluje, aby proces vypalování slínku 35 probíhal při teplotě, která je přibližně o 125 °C nižší než běžná, to je při teplotě 1275 až 1325 °C.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je tedy zajistit možnost regulace teploty v peci, a tak při výrobě slínku prováděné v cementářské peci současně dosáhnout redukci emisí NO_X pece na absolutní minimum.

Toho je dosaženo způsobem podle tohoto vynálezu, kde je okamžitá teplota ve slinovací zóně získána výpočtem na základě uvolňování síry v peci.

Podstata způsobu regulace teploty v peci pro výrobu cementového slínku spočívá podle vynálezu v tom, že se měří obsah síry S(t) odváděný na výstupu z pece nebo zaváděný na vstup do pece v oblasti mezi pecí a předehřívačem v závislosti na čase t, načež se vstup paliva do pece reguluje tak, že pro síru, která se uvádí do pece, se udržuje požadovaný vypařovací faktor E, který 50 představuje v libovolném časovém okamžiku, poměr mezi množstvím síry odpařené ve slinovací zóně k množství pevné vázané síry vstupující do slinovací zóny.

Ve výhodném provedení tohoto způsobu je obsah síry Spec piyn (t) měří v plynech opouštějících pec.

-2CZ 290835 B6

Podle dalšího výhodného provedení způsobu podle vynálezu se obsah síry S_cyk. (t) měří v proudu materiálu vstupujícího do pece.

Teplota ve slinovací zóně pece se při provádění postupu podle vynálezu pohybuje výhodně v rozmezí od 1100 do 1500 °C, podle ještě výhodnějšího provedení tato teplota ve slinovací zóně pece leží v rozmezí od 1100 do 1350 °C, a podle nej výhodnějšího provedení tato teplota ve slinovací zóně pece leží v rozmezí od 1275 do 1325 °C.

Do rozsahu předmětného vynálezu rovněž náleží zařízení pro výrobu cementového slínku, ve kterém surovinová moučka prochází předehřívačem (I), poté případně kalcinátorem, načež je nakonec vypálena v peci (II), přičemž teplotní podmínky v peci mohou být regulovány pomocí změn rychlosti přívodu paliva do pece (II), přičemž podstata tohoto zařízení spočívá v tom, že mezi pec (II) a předehřívač (I) je umístěno měřidlo pro zaznamenávání obsahu síry odváděné na vstupu z pece a zaváděné do pece v oblasti mezi pecí (II) a předehřívačem (I), přičemž rychlost přívodu paliva do pece se mění jako funkce naměřeného množství síry podle způsobu definovaného v některém z nároků 1 až 6.

Ve výhodném provedení tohoto zařízení podle vynálezu je měřidlo osazeno na výstupním vedení plynu (2) z pece (II).

Podle dalšího výhodného provedení tohoto zařízení podle vynálezu je měřidlo osazeno na přívodním vedení (5) suroviny z předehřívače (I) do pece (II).

Popis přiložených obrázků

Vynález je dále popsán detailněji, přičemž je použito odkazů na přiložené obrázky, kde:

- na obrázku 1 je ilustrováno množství vytvářeného NO_X jako funkce teploty,

- obrázek 2 ukazuje vypařovací faktor E jako funkci teploty,

- obrázek 3 ukazuje hrubý náčrt hmotového toku v zařízení na výrobu cementu.

Podrobný popis vynálezu

K určení rozkladných reakcí je v tomto vynálezu použito odpařování, které v zásadě probíhá při teplotách nad 1100 °C.

CaSO₄ -> CaO + SO₂ + 1/2 O₂

K₂SO₄ -> K₂O + SO₂ + 1/2 O₂

Vypařovací faktor E je definován jako poměr množství síry S, která je vedena do slinovací zóny pece spolu s kalcinovanými surovinami, a množství síry, která je uvolněna. Tento faktor je velmi zajímavý, neboť v teplotním intervalu 1100 až 1500 °C podstatně roste (viz obrázek 2), a proto právě tento teplotní interval je užit pro proces vypalování slínku.

Vztah pro vypařovací faktor E může být nalezen sestavením dvou bilančních rovnic toku hmoty v zařízení pro výrobu cementového slínku (viz obrázek 3).

Toto zařízení sestává ze systému zahrnujícího předehřívač I, kde jsou suroviny připravovány pro vypálení, a systému zahrnujícího pec II, ve kterém probíhá vypalovací proces. Systém zahrnující

-3CZ 290835 B6 předehřívač I může výhodně obsahovat cyklonový předehřívač a případně kalcinátor a systém zahrnující pec II může výhodně obsahovat rotační pec.

Obsah síry v různých proudech, to je množství síry S_x, které vstupuje do systému zahrnujícího předehřívač I a systému zahrnujícího pec II a tyto systémy pouští, může být vyjádřen jako kilogramy síry za hodinu nebo jako kilogramy síry na kilogram slínku, který je produkován v zařízení.

Suroviny s obsahem síry S_pOč přiváděné přívodem 1 a výstupním plyny postupující do výstupního vedení 2 plynu a opouštějí rotační pec, který mají obsah síry S_pecpi_yn, jsou vedeny do systému zahrnujícího předehřívač I.

Síra, Ssekpai., může být také dodávána prostřednictvím přídavného paliva prostřednictvím proudu 3 do kalcinátoru (předehřívače) nebo do přiváděcího potrubí.

Proud 4 ochlazených výstupních plynů s obsahem síry v plynu Svý_St. opouští systém zahrnující předehřívač I a předkalcinovaný nebo pouze předehřátý materiál je odváděn ze systému zahrnujícího předehřívač I a zaváděn prostřednictvím přívodního vedení 5 suroviny (předkalcinovaný nebo předehřátý materiál) do systému zahrnujícího pec II, v obvyklém provedení z cyklonu do pece, s obsahem síry S_cyk.

Vstupní proudy do systému zahrnujícího pec II se skládají z předehřátého nebo předkalcinovaného materiálu s obsahem síry S_cyk. přiváděného přívodním vedením 5 suroviny a přívodem 6 pecního paliva, to je primárního paliva s obsahem síry S_pri_{m pa}i. Výstupní proudy se skládají z plynů opouštějících pec s obsahem síry S_pecplyn prostřednictvím výstupního vedení 2, plynu a odvodem 7 hotového slínku s obsahem síry S_siinek·

Vypařovací faktor E představuje v jakémkoli určitém čase poměr množství síry, které se uvolní v slinovací zóně k množství pevné, vázané síry, které vstupuje do slinovací zóny. Možnost měření obsahu síry v těchto dvou zajímavých tocích v slinovací zóně však neexistuje.

Zatím je situace taková, že množství síry, které se uvolňuje ve slinovací zóně je přibližně stejné, jako množství síry, která vychází z pece ve výstupním vedení 2 plynu, S_{pec p]yn} mínus příspěvek pocházející z primárního paliva S_prim.pai. a množství pevné, vázané síry, která vstupuje do spalovací zóny je přibližně rovno množství, které vychází ze systému I v přívodním vedení 5 suroviny S_cyk.. To je možno vyjádřit vztahem:

^pec.plyn ^prim.pal.

E =-------------Scyk.

Obsah síry v primárním palivu bude konstantní pro určitý typ paliva, a proto hodnota S_pri_m._Pai. je známa za předpokladu, že je známa spotřeba paliva během časové periody t. Hodnoty S_cyk bude během časové periody kolísat díky nepravidelnostem při vstupu síry do slinovací zóny a výchylkám teploty ve slinovací zóně. V rotační peci, kde může postup materiálu z místa vstupu do pece, kde je měřen S_cyk., do spalovací zóny trvat relativně dlouhou dobu, musí být do měření zakalkulováno časové zpoždění oproti měření S_pec.piyn, které je téměř okamžité, což řídí vztahem:

E(t) =

(0

Scyk.(t-T)

V každém konkrétním okamžiku je možno říci, že množství síry vstupující do pece prostřednictvím přívodního vedení 5 suroviny je zhruba stejné, jako součet množství síry, které vstupuje přívodem 1 suroviny (S_poč), výstupním vedení 2 plynu (S_pec.piyn) a proudem 3 (S_sek._pai.) zmenšený o

-4CZ 290835 B6 množství síry, které vystupuje proudem 4 (δ^,ρΐ^). Ve většině systémů je obsah síry v posledně zmiňovaném toku Svý_st._piyn roven nule:

Scyk. ~~ Spoj (t) + Spec.plyn(t) + S_se[- _pai (t) nebo

Spec.plyn S_cyk(t) S_poj(t) S_sek.pal.(0

To znamená, že E(t) může být vypočten jak na základě měření obsahu síry v plynech vystupujících z pece, tak na základě měření obsahu síry v materiálu přiváděném do pece:

(A)

(t)

nebo (B)

E(t) =

Scyk (t) - S_poč (t) - Ssek.pal.(t)

Scyk-(t Ό

Tyto dva vztahy budou platit pouze v případě rotačních pecí, ale podobné vztahy mohou být sestaveny pro jiné pece, například stacionární pece.

Obecně nemá smysl umístit SO2-metr na odvod výstupních plynů z rotační pece. Je to z toho důvodu, že emise tohoto škodlivého plynu z pecního systému do atmosféry nejsou v žádném případě závislé na naměřené hodnotě S_pec.pi_yn, a to díky téměř 100% účinné absorpci SO₂ v předchozí předehřívací fázi nebo v kalcinátoru, kde je relativně velký přebytek vzduchu.

Obecně není složité stanovit na základě běžných analýz a známých dávek vstupních surovin příspěvky surovin a paliva k množství síry.

Hodnota E(t) může být vypočtena buď na základě vztahu (A) založeného na měření obsahu SO₂ v plynech opouštějících pec, S_pecpi_yn, nebo na základě vztahu (B), pokud je obsah síry měřen v proudu, který opouští separační cyklon po kalcinátoru a vstupuje do pece, S_cyk.

Jelikož je SO₂ jedinou sirnou sloučeninou vztahující při vysoké teplotě a přebytku vzduchu, představuje nejjednodušší způsob pro měření S_pecpi_yn instalování SO₂-metru, který kontinuálně analyzuje odcházející plyn na výstupu z pece.

Hlavním zdrojem chyb spojených s tímto způsobem je fakt, že vystupující plyn víří drť kalcinované suroviny a že oxid siřičitý podléhá chemické reakci:

(C)

SO₂ + 1/2 O₂ + CaO -> CaSO₄

Pokud je vzorek vystupujícího plynu čištěn a chlazen vodou, což představuje v určitých systémech základní princip, může být část objemu SO₂ vázána vodou, která vykazuje zásaditou reakci díky CaO. Jako důsledek toho může být signál analyzátoru příliš malý.

-5CZ 290835 B6

Avšak pokud je těmto zdrojům chyb věnována větší pozornost, je často možno zjistiti, že objemový podíl SO₂, který se takto ztrácí, je fixní a díky tomu může byt tento signál i přesto použit pro kontrolu teploty, neboť reálné množství uvolněného SO₂ je úměrné naměřenému množství SO₂, pec.plyn,anal.

= konstanta x S_{pec p}i_>71

Tento způsob nemůže být užit za účelem kontroly v těch případech, kdy je velikost proudu SO₂ vystupující z pece (například díky obtokovému potrubí připojenému za účelem snížení cirkulace SO₂ a chloridů v pecním systému) limitována tak, že téměř všechen SO₂ je absorbován vířícím CaO. Přítomnost SO₂ je zde pak spíše vyjádřením nedostatku vzduchu v peci, než vysoké teploty ve slinovací zóně (srovnej s rovnicí (C)).

Množství síry vedené do rotační pece může být určeno několika známými způsoby, například prostřednictvím Outokumpova rentgenového analyzátoru schopného kontinuálně stanovit obsah prvků Fe, Ca, a S materiálu v cyklonu. Pro tento účel je část toku surovin odváděna z cyklonu, chlazena a před uvedením do analyzátoru zhutněna. Signál získaný pro analyzování obsahu síry nebo pro poměr S/Ca poskytuje přesné určení množství síry, které vstupuje do rotační pece.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob regulace teploty v peci pro výrobu cementového slínku, vyznačující se tím, že se měří obsah síry S(t) odváděný na výstupu z pece nebo zaváděný na vstupu do pece v oblasti mezi pecí a předehřívačem v závislosti na čase t, načež se vstup paliva do pece reguluje tak, že pro síru, která se uvádí do pece, se udržuje požadovaný vypařovací faktor E, který představuje, v libovolném časovém okamžiku, poměr mezi množstvím síry odpařené ve slinovací zóně k množství pevné vázané síry vstupující do slinovací zóny.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsah síry S_pec._Piyn (t) se měří v plynech opouštějících pec.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsah síry S_cyk (t) se měří v proudu materiálu vstupujícího do pece.
4. 4. Způsob podle nároku 1, 2 nebo 3, vy z n a č uj í c í se t í m , že teplota ve slinovací zóně pece leží v rozmezí od 1100 do 1500 °C.
5. 5. Způsob podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že teplota ve slinovací zóně pece leží v rozmezí od 1100 do 1350 °C.
6. 6. Způsob podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že teplota ve slinovací zóně pece leží v rozmezí od 1275 do 1325 °C.
7. 7. Zařízení pro výrobu cementového slínku, ve kterém surovinová moučka prochází předehřívačem (I), poté případně kalcinátorem, načež je nakonec vypálena v peci (II), přičemž teplotní podmínky v peci mohou být regulovány pomocí změn rychlosti přívodu paliva do pece (II), vyznačující se tím, že mezi pec (II) a předehřívač (I) je umístěno měřidlo pro zaznamenávání obsahu síry odváděné na výstupu z pece a zaváděné do pece v oblasti mezi pecí (II) a předehřívačem (I), přičemž rychlost přívodu paliva do pece se mění jako funkce naměřeného množství síry podle způsobu definovaného v některém z nároků 1 až 6.

   -6CZ 290835 B6
8. 8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že měřidlo je osazeno na výstupním vedení (2) plynu z pece (II).i
9. 9. Zařízení podle nároku 7, v y z n a č u j í c í se t í m , že měřidlo je sazeno na přívodním;