PL180489B1 - Sposób i instalacja do regulacji temperatury w piecu PL PL PL PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób regulacji temperatury w piecu, zwlaszcza do wytwarzania klinkieru cemento-- wego, znamienny tym, ze mierzy sie zawartosc siarki S(t) na wylocie lub w locie do pieca w funkcji czasu t, po czym steruje sie doplywem paliwa do pieca tak, ze utrzymuje sie odpo-- wiedni wspólczynnik parowania siarki doprowadzanej do pieca. 7. Instalacja do regulacji temperatury w piecu, zw laszcza do wytwarzania klinkieru cementowego, zawierajaca ogrzewacz wstepny, piec oraz elementy zmieniajace natezenie doplywu paliwa do pieca, znam ienna tym, ze pomiedzy piecem a ogrzewaczem wstepnym jest zamocowany miernik do rejestrowania ilosci siarki, polaczony z elementami zmie- niajacymi natezenie doplywu paliwa do pieca. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu i instalacji do regulacji temperatury w piecu, zwłaszcza do wytwarzania klinkieru cementowego.

Powszechnie wiadomo, że cement wytwarza się z wielu surowców, zwłaszcza z wapna (CaCOj), gliny, piasku, popiołu pirytowego, popiołu lotnego i innych materiałów, które miesza się ze sobąi ściera na mączkę, w której zawartość tlenków CaO, SiO₂, AbO₃, Fe₂O₃ musi mieścić się w stosunkowo wąskich granicach. Następnie mączkę tę ogrzewa się wstępnie i praży, usuwając z niej w ten sposób H₂O i CO₂. Następnie pomiędzy tlenkami zachodzi szereg reakcji, a przede wszystkim głównie następujące:

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

Reakcje te, zachodzące pomiędzy substancjami stałymi, przebiegają w stopionej masie z udziałem tlenków glinu i żelaza, niezbędnych do formowania stopionej masy.

W każdym procesie prażenia ostatecznym celem jest zawsze zapewnienie powstania wystarczającej ilości alitu oraz, równocześnie, zmniejszenie ilości swobodnego, jeszcze nie zużytego CaO do dopuszczalnie niskiego poziomu. Tradycyjnie, proces prażenia zachodzi w piecu obrotowym a końcowa reakcja następuje w strefie prażenia pieca obrotowego, przy czym przebiegiem reakcji steruje się regulując temperaturę poprzez sterowanie szybkością spalania i ustawieniem płomienia. W przypadku wytwarzania zwykłych typów klinkieru temperatura podczas procesu prażenia dochodzi do 1400 - 1450°C.

180 489

W związku z tym konieczne jest ciągłe monitorowanie temperatury w piecu, a tym samym monitorowanie również składu i jakości klinkieru, ale dotychczas bezpośredni pomiar interesującej temperatury nie był możliwy.

Nie ma możliwości zainstalowania w piecu termopar (Pt-PtRh) w sposób zapewniający, że nie zostaną zniszczone w przeciągu krótkiego okresu czasu wskutek styczności z twardym klinkierem.

Istnieje możliwość stosowania pirometrów radiacyjnych, ale tylko pod warunkiem dobrej widoczności w strefie spalania, co jest raczej rzadkie ze względu na pewną ilość pyłu zawsze towarzyszącą procesowi spalania.

Pośrednim sygnałem, szeroko wykorzystywanym do oceny temperatury, jest pomiar siły potrzebnej do obracania pieca. Sygnał ten można wykorzystać dzięki temu, że im wyższa temperatura klinkieru, tym powstaje większa ilość stopionej masy, a tym samym podczas wirowania pieca więcej jego ładunku jest wciągane wyżej wzdłuż jego ściany. W rezultacie rośnie moment siły (siła x ramię), co powoduje również wzrost mocy potrzebnej do obracania pieca. Ale moment siły jest sygnałem pośrednim, na który wpływa wiele czynników: narzucona asymetria w wyniku powstawania kożucha, właściwości przyczepne surowców wzdłuż całej długości pieca, etc. W rezultacie nie ma możliwości dokładnego ustalenia chwili zapewniającej wystarczające spalanie.

Innym sposobem pomiaru temperatury w strefie spalania jest pomiar emisji z pieca NO_X. Powstawanie NO_X w strefie spalania jest związane głównie z poziomem temperatury płomieni, i w warunkach produkcji ciągłej i niezmiennej regulacji palnika, ma na niego wpływ tylko nadmiar powietrza potrzebnego do spalania, oraz, ze względu na to, że ostatecznym celem jest utrzymywanie tego nadmiaru powietrza na stałym poziomie, emisja NO_X jest bezpośrednim wskaźnikiem temperatury spalania. Z tego względu piece pracują od wielu lat na zasadzie pomiaru emisji ΝΟχ zarówno w przypadku regulacji ręcznej jak automatycznej, np. za pomocą układu logicznego Fuzzy.

Jednakże powszechnie wiadomo, że emisjaNOxjest szkodliwa dla środowiska naturalnego, w związku z czym czyni się wiele wysiłków koncentrujących się głównie na zmniejszeniu emisji NOx w tym z pieców obrotowych w cementowniach.

Działania te silnie zmniejszają możliwości sterowania pracą pieca. Najlepiej można to zrozumieć analizując krzywąpowstawania NOx w funkcji temperatury T (°C). Krzywą tę wyznacza się mierząc ilość wytwarzanego NOx w funkcji temperatury końcowej klinkieru dla danego ustawienia płomienia.

W przypadku wypalania zwykłego klinkieru punktem pracy jest punkt oznaczony A. W tym miejscu powstający NOx jest w zasadzie pochodzenia termicznego, tj. atom azotu w NOx pochodzi z N₂ z powietrza, a odchyłki temperatury od docelowej w górę i w dół silnie wpływają na znaczne zmiany ilości powstającego NOx.

W przypadku prowadzenia działań maj ących na celu zmniej szenie poziomu NOx, co odpowiada obniżeniu temperatury w piecu, dochodzi się do punktu roboczego B, w którym powstający NOx pochodzi głównie z paliwa. W pobliżu punktu B zależność powstawania NOx od temperatury jest pomijalnie mała i, w dotychczasowej praktyce, pomiaru zawartości NOx nie można wykorzystywać jako parametru kontrolnego w trybie pracy o tak niskim poziomie wytwarzania NOx.

Skutkiem obniżenia temperatury płomienia są, oprócz zmniejszenia emisji NOx, oszczędności energetyczne, co jest szczególnie pożądane w eksploatacji pieca.

W celu uzyskania odpowiednich warunków roboczych o niskiej emisji NOx, można rozszerzyć płomień w piecu, na przykład zmniejszając pierwotny strumień powietrza lub pierwotną wydajność palnika. Dzięki temu sposobowi klinkier ma niższą temperaturę końcową, ale, z drugiej strony, trzeba go dłużej trzymać w temperaturach powyżej minimalnej granicy, w której może powstawać alit.

Innym sposobem uzyskiwania warunków·' roboczych o niskiej emisji NOx i niższej temperaturze płomienia jest dodawanie mineralizatora do mączki, co obniża temperaturę po4

180 489 tr:z<sbi^^do powstawania alitu. Skutkiem dodania, na przykład, siarki i fluorku jest wystąpienie procesu prażenia klinkieru w temperaturze, która jest o około 125°C niższa od normalnej, tj. w temperaturze 1275 - 1235°C.

W związku z tym, celem wynalazku jest zapewnienie możliwości regulacji temperatur^' w piecu, a tym samym sterowania produkcją klinkieru wytwarzanego w piecu do wyrobu cementu, z równoczesnym zmniejszeniem emisji NO_X z pieca do absolutnego minimum.

Sposób regulacji temperatury w piecu, zwłaszcza do wytwarzania klinkieru cementowego, charakteryzuje się według wynalazku tym, że mierzy się zawartość siarki S(t) na wylocie lub wlocie do pieca w funkcji czasu t, po czym steruje się dopływem paliwa do pieca tak, że utrzymuje się odpowiedni współczynnik parowania siarki doprowadzanej do pieca.

Korzystnie mierzy się zawartość siarki S_gazj, piec(t) w gazach wylotowych z pieca.

Korzystnie mierzy się zawartość siarki S_cykL(t) w strumieniu materiału doprowadzanego do pieca.

Korzystnie stosuje się temperaturę w strefie prażenia pieca leżącą w przedziale wartości 1100- 1500°C.

Korzystnie stosuje się temperaturę w strefie prażenia pieca leżącą w przedziale wartości 1100- 1350°C.

Korzystnie stosuje się temperaturę w strefie prażenia pieca leżącą w przedziale wartości 1275 - 1325°C.

Instalacja do regulacji temperatury w piecu, zwłaszcza do wytwarzania klinkieru cementowego, zawierająca ogrzewacz wstępny, piec oraz elementy zmieniające natężenie dopływu paliwa do pieca, odznacza się według wynalazku tym, że pomiędzy piecem a ogrzewaczem wstępnym jest zamocowany miernik do rejestrowania ilości siarki, połączony z elementami zmieniającymi natężenie dopływu paliwa do pieca.

Korzystnie miernik jest usytuowany w kanale wylotowym gazów z pieca.

Korzystnie miernik jest usytuowany w kanale zasilającym pieca.

Wynalazek przedstawiono szczegółowo w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres ilości powstającego NOx w funkcji temperatury, fig. 2 - współczynnik parowania E w funkcji temperatury, fig. 3 - podstawowy schemat masowego natężenia przepływu materiałów w instalacji do wytwarzania cementu.

Według wynalazku, parowanie wykorzystuje się do wyznaczenia reakcji rozkładu występujących w temperaturach powyżej 1100°C.

CaSO4 -> CaO + SO₂ + 1/2 O₂ K₂SO4->K₂O + SO₂+ 1/2 O₂

Współczynnik parowania E definiuje się jako część siarki S doprowadzanej do strefy wypalania pieca wraz z prażonymi surowcami i ulegający parowaniu. Współczynnik ten jest bardzo interesujący ponieważ w istotny sposób rośnie kiedy temperatura leży w przedziale wartości 1100°C - 1500°C (patrz fig. 2) oraz ponieważ proces wypalania klinkieru przebiega w tym przedziale temperatur.

Wzór na współczynnik parowania E można wyznaczyć z zestawienia dwóch bilansów masy w instalacji do wytwarzania klinkieru cementowego (patrz fig. 3).

Instalacja tego typu składa się z układu I, w którym przygotowuje się surowce do wypalania, oraz z układu II, w którym odbywa się wypalanie. W skład układu I może wchodzić, korzystnie, cyklonowy ogrzewacz wstępny i ewentualnie kalcynator, natomiast w skład układu II może wchodzić, korzystnie, piec obrotowy.

Zawartość siarki w różnych strumieniach, tj. ilość siarki Sx wpływającej i wypływającej z obu układów I i II można mierzyć w kg siarki na godzinę lub w kg siarki na kg klinkieru wytwarzanego w instalacji.

Surowce 1 zawierające siarkę w ilości S_dop i gazy wylotowe 2 z pieca obrotowego zawierające siarkę w ilości Sg-ay p_ec. doprowadza się do układu I.

W miejscu 3 może być również doprowadzana siarka, Sd_Od. _z paiwa, pochodząca z paliwa wtórnego doprowadzanego do kalcynatora lub do kanału wznośnego.

180 489

Z układu I wypływa strumień zimnych gazów wylotowych 4 zawierający siarkę gazowąw ilości oraz wstępnie wyprażony lub silnie wstępnie ogrzany strumień materiału 5, zazwyczaj z cyklonu, płynący do pieca i zawierający siarkę w ilości S_cykL.

Strumienie wlotowe do układu II zawierają materiał 5 wstępnie ogrzany lub wstępnie wyprażony zawierający siarkę w ilości Sc_ykl. i paliwo 6 do pieca, tj. paliwo pierwotne zawierające siarkę w ilości S_paL pj_erw.. Strumienie wylotowe składająsię z gazów wylotowych S_gaZy _piec. 2 z pieca oraz z gotowego klinkieru 7 zawierającego siarkę w ilości S_kHnk/

W dowolnej chwili, współczynnik parowania E stanowi stosunek ilości siarki parującej w strefie wypalania do łącznej ilości siarki w stanie stałym, wpływającej do strefy wypalania. Jednakże, nie ma możliwości pomiaru ilości siarki w strefie wypalania w tych dwóch interesujących strumieniach.

Nadal sytuacja jest taka, że ilość siarki parującej w strefie wypalania jest w przybliżeniu równa ilości siarki wypływającej z pieca wylotem 2, Sgazy piec. minus ilość pochodząca z paliwa pierwotnego, Spa peny. a ilość kombinowanej siarki w stanie stałym wpływającej do strefy wypalaniajest w przybliżeniu równa ilości przepływającej z układu I wylotem 5, Scyk.. Z tego wynika, że:

Sgazypiec. ~ Spal.pierw.

Scykl.

Zawartości siarki w paliwie pierwotnym jest w konkretnym typie paliwa stała, w związku z czym, jeżeli znane jest zużycie paliwa w danym okresie t to jest również znana zawartość siarki Spp. werS.· S_Cykt. zmienia si ę z -upływ em czasu we względu ma wahanla ilo ści riarki na wlocie do strefy mypalanie i wahania temperatury w strefie wyzelenie. W piecu obrotowym, w którym przepływ materiału od wlotu pieca, gdzie jest mieżone Sc_y)d., do strefy wypalania jest stosunkowo długi, trzeba w pawierech uwzględniać opóźnienie czasowe x, w stosunku do pomiaru Sg^y pi,^e., co odbywa się prawie natychmiast; oznacza to, że:

Sgiąpiec $)~Spdpterw. fi)

W dowolnej wybranej chwili czasu ilość siarki wpływającej do pieca wlotem 5 można w przybliżeniu określić jako równą sumie ilość siarki wpływającej wlotem 7 ^_ορ}), wlotem 2 (S^jiazy piec.) oraz wlotem 3 (Spa, w,.), minus ilość siarki wypływająca wylotem 4 (^gazy w,.). Ponadto w większości instalacji piecowych zawartość siarki w ostatnim wspomnianym strumieniu Sgazy wył. jest równa 0:

Scykl. ^_ Sd_Op[.(t) + Sgazy piec.CO + Spał. wiór. (0 lub ⁵gazy piec. ScykJ.(O ~ Sdopł(t) - Spaj.wtór.(t)

Sgąpec®-Spdpi0\v

W) +Sg^_c(t-T:)⁺S_Id. wtćr.fi-tf

Z tego wynika, że E(t) można wyznaczyć zarówno mierząc zawartość siarki w gazach wylotowych z pieca jak i mierząc zawartość siarki w materiale doprowadzanym do pieca:

/D \Ί7/+\ ^kl. ft) ~ Sdop_. fi) ~ Spal. wtór. fi) ^<e>E“>=—yyr—

180 489

Oba te równania są ważne wyłącznie dla pieców obrotowych, natomiast dla innych pieców, na przykład stacjonarnych, można opracować równania podobne.

Generalnie, nie ma miejsca na zamontowanie miernika SO2 w kanale wylotowym gazów z pieca obrotowego, ponieważ emisja z układu piecowego do atmosfery tego szkodliwego składnika gazowego nie jest w żaden sposób związana z mierzoną wartością S_gaZy pec ze względu na prawie 100% sprawność pochłaniania SO2 w dolnym stopniu ogrzewacza wstępnego lub w kalcynatorze, gdzie istnieje stosunkowo duży współczynnik nadmiaru powietrza.

Generalnie, nie jest trudno ocenić ilości siarki z surowców i paliwa na podstawie analizy bieżącej i dawkowania na wlocie zasilającym.

Następnie można obliczyć E(t), na podstawie (A) opartego na pomiarach zawartości SO2 w gazach wylotowych z pieca, Sg _ie(^_, lub na podstawie (B) jeżeli zawartość siarki mierzy się w strumieniu wypływającym z cyklonu rozdzielającego za kalcynatorem i dalej na wlocie do ^{pieca S}cykl.·

Ponieważ jedyną substancją zawierającą siarkę w wysokiej temperaturze i prz.y nadmiarze powietrza jest SO2, najłatwiejszym sposobem pomiaru Sgazy piec j^est zainstalowanie miernika SO2, analizującego w sposób ciągły gazy wylotowe z pieca, na jego wylocie.

Głównym źródłem błędów w tym sposobie jest porywanie spieczonej mączki przez gazy wylotowe, w wyniku czego dwutlenek siarki wchodzi w następującą reakcję chemiczną:

(C) SO2 + 1/2 O2 + CaO - CaSO4

Jeżeli gaz wylotowy jest oczyszczany i chłodzony wodą co jest podstawową zasadą działania pewnych instalacji, część SO2 może również związać się z wodą o odczynie alkalicznym ze względu na obecność CaO. W rezultacie sygnał z analizatora gazów będzie zbyt mały.

Jednakże, jeżeli pamięta się o tym źródle błędów, często możliwe jest przyjęcie założenia, że znika stała część objętości SO2, w związku z czym sygnał ten można wykorzystać do sterowania temperaturą ponieważ rzeczywista ilość parującego SO2 jest proporcjonalna do zmie^rzonej U^ości SO2, ^Sgaz^y pec zrruerz = stała X Sgazy piecowe.

Sposobu tego nie można stosować do sterowania temperaturą jeżeli strumień SO2 z pieca (np. ze względu na kanał bocznikowy mający za zadanie zmniejszanie ilości SO2 i chlorku krążących w instalacji pieca) jest tak mały, że prawie cały SO2 jest wchłaniany przez zawirowany CaO. W razie obecności tu SO2, wyrażenie to mówi więcej o niedoborze powietrza w piecu, patrz równanie (C), niż o temperaturze w strefie intensywnego wypalania.

Ilość siarki doprowadzanej do pieca obrotowego można określić kilku znanymi sposobami. Na przykład, za pomocą analizatora rentgenowskiego Outokumpo zdolnego do ciągłego wyznaczania ilości takich pierwiastków jak Fe, Ca i S w materiale cyklonowym. W tym celu, z cyklonu odprowadza się część strumienia mączki, chłodzi go i zagęszcza przed doprowadzeniem do analizatora. Otrzymywany sygnał o zawartości S lub stosunku S/Ca stanowi dokładną informację o ilości siarki wypływającej do pieca obrotowego.

Claims (9)

1. Sposób regulacji temperatury w piecu, zwłaszcza do wytwarzania klinkieru cementowego, znamienny tym, że mierzy się zawartość siarki S(t) na wylocie lub wlocie do pieca w funkcji czasu t, po czym steruje się dopływem paliwa do pieca tak, że utrzymuje się odpowiedni współczynnik parowania siarki doprowadzanej do pieca.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mierzy się zawartość siarki S_goy piec (t) w gazach wylotowych z pieca.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mierzy się zawartość siarki Scyk.(t) w strumieniu materiału doprowadzanego do pieca.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że stosuje się temperaturę w strefie prażenia pieca leżącą w przedziale wartości 1100 - 1500°C.

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że stosuje się temperaturę w strefie prażenia pieca leżącą w przedziale wartości 1100 - 1350°C.

6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że stosuje się temperaturę w strefie prażenia pieca leżącą w przedziale wartości 1275 - 1325°C.

7. Instalacja do regulacji temperatury w piecu, zwłaszcza do wytwarzania klinkieru cementowego, zawierająca ogrzewacz wstępny, piec oraz elementy zmieniające natężenie dopływu paliwa do pieca, znamienna tym, że pomiędzy piecem a ogrzewaczem wstępnym jest zamocowany miernik do rejestrowania ilości siarki, połączony z elementami zmieniającymi natężenie dopływu paliwa do pieca.

8. Instalacja według zastrz. 7, znamienna tym, że miernik jest usytuowany w kanale wylotowym (2) gazów z pieca.

9. Instalacja według zastrz. 7, znamienna tym, że miernik jest usytuowany w kanale zasilającym (5) pieca.