Procedeu de Fabricatie a Clincherului In Strat Fluidizat

Cuprins

I.Introducere………………………………………………………………………………3

I.1 Scurt istoric……………………………………………………………………………3

II. Procedeu Pyzel……………………………………………………………………….5

III.Procedeul Kawasaki……………………………………………………………….7

III.1 Etapele dezvoltarii kawasaki………………………………………………..8

III.2Structura sistemului………………………………………………………………9

III.3 Caracteristicile sistemului…………………………………………………..10

IV. Etapele procesului………………………………………………………………..11

V. Rezultatele testelor desfasurate……………………………………………….13

V.1 Granularea…………………………………………………………………………..13

VI. Evaluarea testului de performanta………………………………………..15

VII. Dimensionarea……………………………………………………………………18

VIII.Concluzii……………………………………………………………………………19

IX. Bibliografie………………………………………………………………………….20

Obținerea clincherului în strat fluidizat

I Introducere

În tehnologia și ingineria materialelor oxidice, domeniul lianților prezintă o importanță aparte dacă se au in vedere instalațiile în care se produce clincherul, respectic fluxul tehnologic de fabricație al cimentul.

PROCEDEE PENTRU FABRICAREA CIMENTULUI PORTLAND

În industria cimentului există mai multe procedee de fabricație și anume: –

-procedeul uscat,

-procedeul umed,

-procedeul semiuscat și

– procedeul semiumed.

Până la apariția cuptoarelor rotative clincherul se obținea prin procedeul uscat sau semiuscat, iar arderea se făcea în cuptoare verticale. Odată cu apariția cuptorului rotativ s-a putut introduce și procedeul umed de fabricație. Aceste două procedee principale de fabricație a clincherului s-au dezvoltat și perfecționat continuu în decursul anilor.

Dezvoltarea preferențială a unuia din cele două procedee a fost influențată o serie de factori și anume:

– proprietățile fizice ale materiilor prime

– consumul specific de materii prime

– consumul specific de căldură

– consumul specific de energie electrică

– consumul de metal

Consumul specific de căldură ceea ce diferențiază net procedeul umed de cel uscat este consumul de căldură, care este cu cca. 60% mai mare la procedeul umed la utilaje de capacități egale.

Proprietățile fizice ale materiilor prime exercită o influență asupra alegerii procedeului de fabricație, în special prin valoarea umidității naturale a acestora peste 15% uscarea ridică probleme dificile și în acest caz procedeul umed este cel mai indicat de folosit.

Consumul specific de energie electrică.

Din datele literaturii de specialitate reiese că pentru obținerea unei tone de clincher sunt necesari 35-45 KW la procedeul umed și cu cca. 10-20% mai mult pentru procedeul uscat. Tendința generală este micșorarea acestor cifre la ambele procedee. În cazul procedeului uscat acest lucru s-a putut realiza datorită progreselor realizate la omogenizarea și transportul făinii precum și la îmbunătățirea randamentului instalațiilor de măcinare.

Inițial cimentul Portland s-a fabricat exclusiv după procedeul uscat. Odată cu introducerea cuptorului rotativ a apărut procedeul umed, care în scurt timp a căpătat o pondere predominată în producția de ciment, datorită avantajului pe care îl avea în comparație cu procedeul uscat și anume: realizarea amestecului brut, măcinarea și omogenizarea se realizează în bune condiții cu cheltuieli mult mai reduse decât în cazul procedeului uscat.

Creșterea masivă a producției de ciment a dus la mărirea continuă a dimensiunilor de gabarit în special a cuptoarelor rotative, ajungându-se la cuptoare cu w 7,62x232m și capacitate de producție de 3600 t/zi. Aceasta a determinat creșterea complexității utilajelor și mai ales a dificultăților de exploatare.

Ca urmare tehnologia de ardere a evoluat spre sisteme care aveau în vedere scoaterea în afara cuptorului a anumitor faze ale procesului de ardere. Aceasta a dus la micșorarea dimensiunilor de gabarit ale cuptorului dar și la

Necesitatea renunțării la procedeul umed. Cel mai mare cuptor prezent în lume pentru acest procedeu a fost pus în funcțiune în anul 1972 în Japonia și are o productivitate de 5100 t/zi clincher la dimensiuni ale cuptorului w 6,2×125 m. Toate aceste perfecționări ale procesului tehnologic au produs mutații și în ponderea proceselor de fabricație. Astfel că după perioada anilor 1955 ponderea pe plan mondial în producția de ciment o deținea procedeul umed, cca. 80% în perioada anilor 1965, procedeul uscat deținea deja 10% din producția mondială de ciment.

Cuptoare verticale pentru obținerea cimentului (începutul secolului XIX)

De la începutul sec. XX până în prezent se utlizează cuptorul orizontal rotativ

Astăzi, clincherul de ciment portland se obține prin procedeul uscat.

În cazul acestuia materiile prime înainte de a fi măcinate sunt uscate sau mau recent dacă umiditatea nu depășește 15% uscarea se efectuează concomitent cu măcinarea.

În acest caz cuptorul cu care se clincherizează amestecul de materii prime se alimentează cu făină.

Făina preincalzita la 800˚C in schimbatorul de caldura de tip Humboldt ajunge in cuptorul rotativ unde se definitiveaza procesul de decarbonatare si se desfasoara procesul de clincherizare. Aceste procese se realizeaza prin incalzirea treptata a materialului pina la 1200-1450 0C si datorita circulatiei materialului in contracurent cu gazele calde. Circulatia fainii de la capul rece la capul cald se realizeaza datorita inclinarii si a rotirii cuptorului, iar circulatia gazelor in contracurent se realizeaza prin tiraj.

Productia de ciment genereaza foarte multa poluare, sub forma emisiilor de dioxid de carbon. Fabricile de ciment genereaza 5% din totalul emisiilor de dioxid carbon de pe mapamond, noxe responsabile de incalzirea globala.

"Producerea cimentului este una dintre sursele importante de dioxid de carbon din lume, iar cererea pentru acest produs creste", a declarat Julian Allwood, profesor in inginerie la Universitatea Cambridge.

…tendințe actuale

Se dezvolta conceptul de dezvoltare durabila prin care se incearca reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera, utilizarea de deseuri sau subprodusele altor industrii pentru fabricarea cimentului portland.

In aceasta lucrare voi incerca sa evidentiez un ‘sistem’ modern de obtinere a clincherului, si anume obtinerea clincherului in strat fluidizat care permite:

ardere eficienta a carbunelui de calitate inferioara,

reducerea semnificativa a emisiilor de oxid de azot si

cresterea eficientei termice prin recuperarea eficienta a caldurii rezultata din materiile solide si gazoase obtinute in urma procesului,

Prin dezvoltarea acestui sistem se urmarește protejarea mediului inconjurator , conservarea energiei si nevoia stringenta de ciment, prin folosirea caracteristicilor combustiei, transferului de caldura, dispersia granulelor si granularea in strat fluidizat.

Arderea clincherului de ciment in strat fluidizat este studiata de mai multi ani si aplicata in instalatii semiindustriale si industriale.

Sunt cunoscute doua procedee de obținere a clincherului în strat fluidizat:

Procedeul Pyzel și

Procedeul Kawasaki

2.Procedeul Pyzel

Cel mai bine cunoscut este procedeul inventat de Pyzel in 1957, in vederea producerii unui clincher de ciment portland cu un continut foarte redus de alcalii.

In figura II.1 este reprezentata schema unei instalatii care produce circa 500 tone de clincher de ciment portland pe zi.

Fig.II.1 Schema arderii clincherului in strat fluidizat sistem „Pyzel”

Cuptorul este format dintr-un cilindru de circa 6 m diametru și 12 m inaltime.Productivitatea specifica este de 14 t/m2 sectiune trasversala în 24 de ore.

Se introduce in cuptorul (1) de sus, clincherul recirculat de 0.8 pana la 8 mm diametru,iar de jos, prin fundul clindrului, prevazut cu gauri de 10 mm diametru.Faina este refulata de o pompa pneumatica (2) cu alimentator elicoidal (pompa Fuller) după ce a trecut în t prealabil printr-o serpentina amplasata in partea superioara a reactorului si este astfel preincalzita la circa 1243oC.

Amestecul brut, format din 80 % faina bruta, cu modulul silicic ridicat si 20 % clincher de nucleu recirculat, este incalzit la temperatura de 1863oC.

Faina bruta injectata in stratul fluidizat (9) format din clinherul recirculat, inveleste granulele de clincher recirculat; reactiile de clincherizare se produc la suprafata nucleului, in straturi extrem de subtiri.In acest fel nu se produc forte de adeziune asa de mari ca sa se produca lipirea granulelor individuale, aflate intr-o miscare rapida.

Combustibilul se introduce prin orificii din fundul reactorului.

Clincherul ars paraseste reactorul printr-un prea plin si eate racit intr-un racitor gratar (4) sau intr-un racitor vertical pana la circa 643oC.Din racitor clincherul trece pe o sita vibratoare (7) care le separa in doua fractiuni + 2.5 mm si – 2.5 mm.Fractiunea – 2.5 mm este recirculata in reactor unde serveste ca clincher de nucleu.

In tabelul II.1 sunt date bilanturile termice ale procedeului Pyzel pentru 500 de t/24 h in urmatoarele trei variante:

A – fara recuperarea caldurii gazelor evacuate;

B – cu preincalzirea aerului de fluidizare;

C – cu preincalzirea aeului de fluidizare si a fainii brute conform figurii II.1

Tabelul II.1

Bilanturile termice ale unui cuptor „Pyzel” cu si fara recuperarea caldurii gazelor evacuate

Consumul specific de energie electrica este ridicat la circa 55 KWh/t clincher.La aceasta se mai adauga si consumul specific relativ mare de energie termica (combustibil), astfel procedeul Pyzel va fi folosit numai in cazuri speciale, cand se cere un clincher cu un continut extrem de redus in alcalii si cand se pot folosi substante combustibile incluse in unele materii prime.

Un alt sistem de obtinere a clincherului in strat fluidizat este acela propus de cei de la Kawasaki.

III. Sistemul cuptoarelor de ciment in strat fluidizat

Kawasaki Heavy Industries, Ltd.

Instalația de ardere pentru obtinerea cimentului in strat fluidizat consta in 2 cuptoare avand functii separate de granulare si sinterizare, adica cuptorul de granulare a materiilor prime la dimensiunea fixata in avans si cuptorul de sinterizare pentru sinterizarea granulelor la temperaturi inalte urmarindu-se producerea de ciment de calitate, la care se adauga doua racitoare constand intr-o combinatie de racitor in strat fluidizat si un racitor in strat compact pentru a mari eficienta recuperarii de caldura.Prin urmare acest sistem este numit sistemul celor doua cuptoare.

Cea mai importanta tehnologie a acestui sistem este granularea desfasurata in cuptorul de granulare.In celelalte cercetari si dezvoltari ale sistemului de cuptoare pentru obtinerea cimentului in strat fluidizat baza pentru controlul granularii era alimentata din exterior pentru a permite aderarea la materiile prime si marirea dimensiunii acestora.In noul sistem totusi baza pentru controlul granularii este generata in mod autogen in cuptorul de granulare prin care o parte a materiilor brute se omogenizeaza si cealalta parte se concaseaza in jurul lor pentru a se mari , proces numit auto-granulare la temperaturi ridicate.

Pentru a stabiliza granularea in procesul de auto-granulare la temperaturi inalte este necesara pastrarea unei proportii constante de generare a pulberii si eliminarea selectiva a granulelor ce ating masura fixata in acelasi timp, problema greu de rezolvat.In procesul de dezvoltare a tehnologieifunctii separate de granulare si sinterizare, adica cuptorul de granulare a materiilor prime la dimensiunea fixata in avans si cuptorul de sinterizare pentru sinterizarea granulelor la temperaturi inalte urmarindu-se producerea de ciment de calitate, la care se adauga doua racitoare constand intr-o combinatie de racitor in strat fluidizat si un racitor in strat compact pentru a mari eficienta recuperarii de caldura.Prin urmare acest sistem este numit sistemul celor doua cuptoare.

Cea mai importanta tehnologie a acestui sistem este granularea desfasurata in cuptorul de granulare.In celelalte cercetari si dezvoltari ale sistemului de cuptoare pentru obtinerea cimentului in strat fluidizat baza pentru controlul granularii era alimentata din exterior pentru a permite aderarea la materiile prime si marirea dimensiunii acestora.In noul sistem totusi baza pentru controlul granularii este generata in mod autogen in cuptorul de granulare prin care o parte a materiilor brute se omogenizeaza si cealalta parte se concaseaza in jurul lor pentru a se mari , proces numit auto-granulare la temperaturi ridicate.

Pentru a stabiliza granularea in procesul de auto-granulare la temperaturi inalte este necesara pastrarea unei proportii constante de generare a pulberii si eliminarea selectiva a granulelor ce ating masura fixata in acelasi timp, problema greu de rezolvat.In procesul de dezvoltare a tehnologiei, cuptorul de granulare a fost modificat trecandu-se de la o utilizare a stratului revarsat la o utilizare a stratului fluid si la tehnologiile importante vizand controlul granularii si prevenirea aderarii la peretele interior al cuptorului.

Pe baza acestui sistem au fost efectuate teste , de referinta vizand o productie de 2t/z, pilot vizand o productie de 20t/z si la scara larga vizand o productie de 200t/z iar cercetarea si dezvoltarea au continuat o perioada indelungata.In timpul testului realizat la scara larga, implicand o productie de 200t/z, a fost implementat si testul sistemului cu un cuptor rotativ.

Acest sistem cu un cuptor este superior din punct de vedere al economiei realizate si stabilitatii operationale, iar calitatea produselor este aproape aceeasi cu cea a sistemului cu doua cuptoare, cu exceptia cimentului specializat.Aceste sisteme sunt considerate inovatii ce contribuie la protejarea mediului inconjurator deoarece eficienta energetica contribuie la reducerea emisiei de dioxid de carbon iar caracteristicile superioare ale combustiei substratului fluidizat permite utilizarea carbunelui de calitate inferioara si reducerea semnificativa a emisiei de oxid de azot.Controlul excelent al temperaturii conduce la imbunatatirea calitatii cimentului si in acelasi timp la diversificarea cimentului conform numeroaselor sale posibilitati de utilizare.

III.1 ETAPELE DEZVOLTARII

Cercetarea si dezvoltarea sistemului de cuptoare pentru obtinerea cimentului in strat fluidizat au inceput la KHI(Kawasaki Heavy Industries, Ltd.), in 1984 iar studiul principal si cateva teste de baza asupra granularii si clincherizarii au fost executate la o uzina cu o capacitate de referinta de 2 t/zi in colaborare cu SOC(Sumitomo Osake Cement Co, Ltd.). Pe baza acelor cercetari si descoperiri actiunea a fost demarata sub auspiciul MITI din 1986 pana la finalul lunii martie a acestui an.In mijlocul anului 1989 o uzina pilot cu o capacitate productie de 20 t/zi a fost finalizata la fabrica Tochigi a SOC in colaborare cu CCUJ(Centrul pentru utilizarea carbunelui, Japonia), SOC si KHI, iar testele de baza au inceput.Testul pilot a fost implementat pana la sfarsitului lunii martie,1993 in scopul confirmarii proceselor de baza, posibilitatilor de redimensionare, soliditatea sistemului(echipamentelor, operatiunilor, calitatii produsului) etc.

Din aprilie 1993 planificarea fundamentala si constructia unei uzine pilot cu capacitate de productie la scara larga adica a unei uzine avand o capacitate de 200 t/zi a inceput pe baza rezultatelor testelor initiale.In acelasi timp modalitatea de organizare a cercetarii si dezvoltarii a fost modificata pentru a continua proiectul in colaborare cu CCUJ si JCA(Asociatia nipona de ciment).Fabrica cu o capacitate de productie de 200 t/zi a fost finalizata la sfarsitul anului 1995.Testele de verificare vizand uzina cu productie la scara larga au fost executate incepand din februarie 1996 pana la sfarsitul anului 1997 urmarind sa adapteze sistemul practicilor industriale.In timpul testelor sistemul cu un cuptor al uzinei cu productie la scara larga a fost testat si s-au obtinut datele de baza pentru acesta.

Pe parcursul cercetarilor sistemele cuptoarelor de ciment in strat fluidizat cuprinzand sistemul cu un cuptor si sistemul cu doua cuptoare au fost dezvoltate ca tehnologie centrala a auto-granularii la temperaturi ridicate.Bazele celor doua sisteme sunt prezentate aici.

III.2.Structura sistemului

Structurile sistemului cu 1 cuptore si ale sistemului cu 2 cuptoare sunt descrise in figura III.2.

Fig .III.2 Sistemul cu un cuptor

Sistemul cu 2 cuptoare

Fig III.2 Sistemul cu doua cuptoare

-preincalzitor in suspensie constand in ciclon cu 4 trepte pentru preincalzirea si calcinarea materiilor prime, ce aplica tehnologia conventionala.

-cuptor de granulare pentru granularea materiilor prime in granule cu diametru mediu de 1-2mm la temperaturi atingand un nivel de 1300oC, fara alimentarea de pulbere de clincher.Acesta este procesul de baza al sistemului.

-cuptor de sinterizare pentru sinterizarea eficienta a granulelor produse in cuptorul de granulare la temperaturi atingand 1400oC.

-racitoare constand in racitor cu actiune rapida asupra stratului fluidizat pentru racirea clincherului ars de la 1400o la 1000oC vizand obtinerea unui clincher de calitate superioara si racitorul pentru strat compact pentru recuperarea eficienta a caldurii clincherului si racirea clincherului pana la atingerea temperaturii fixate de aproximativ 150oC. Combinarea racitorului cu actiune rapida asupra stratului fluidizat cu racitorul pentru strat compact asigura recuperarea eficienta a caldurii in timpul procesului de racire astfel incat cantitatea de aer necesar racirii se reduce la cantitatea necesara pentru arderea combustibilului in racitorul cu actiune rapida asupra stratului fluidizat si in racitorul pentru strat compact , in timp ce in racitorul conventional cu gratar un surplus de aer rece era necesar datorita dificultatii recuperarii caldurii.Prin urmare consumul de caldura si in acelasi timp emisia de CO2 se reduce in sistemul de cuptoare pentru obtinerea cimentului in strat fluidizat.

III.3. Caracteristicile sistemului

Sistemul cu 2 cuptoare se potriveste uzinelor cu o capacitate redusa de productie pentru obtinerea de ciment special si sistemul cu un cuptor este indicat pentru uzinele cu capacitate de productie redusa si cu capacitate sporita pentru obtinerea de ciment uzual, ciment cu accelerare accentuata a prizei si ciment cu intarire moderata.Caracteristicile comune ale ambelor sisteme sunt urmatoarele:

a)flexibilitate sporita in alegerea diverselor tipuri de carbune

In timpul schimbului de caldura prin transferul de caldura datorat stratului fluid in sistem, este suficient ca temperatura stratului fluid sa fie ridicata la un nivel de 1400oC , necesar pentru reactia de clincherizare.Carbunele de calitate inferioara ca si carbunele de calitate superioara poate fi ars eficient datorita combustiei superioare si transferului de caldura caracteristici proprii stratului fluid astfel incat alegerea tipurilor de carbune se poate face dintr-o gama larga.Pe de alta parte alegerea tipurilor de carbune este restrictionata in cuptorul rotativ deoarece schimbul de caldura se face prin intermediul transferului caldurii prin radiatii astfel incat temperaturile necesare procesului se situeaza intre 1800-2000oC.

b)reducerea consumului de caldura de la 10 pana la 25%

Clincherul produs cu cuptorul pentru granulare in strat fluidizat si cuptorul de ciment in strat fluidizat ajunge prin granulare la o marime uniforma redusa, astfel incat combinatia intre racitorul cu actiune rapida asupra stratului fluidizat si intre racitorul pentru strat compact avand rezultate bune asupra schimbului de caldura pot fi folosite si conduc la o recuperare de caldura mai eficienta cu 80%.

Suprafata pe care se pierde din caldura scade in comparatie cu sistemul de cuptor rotativ astfel incat consumul de caldura scade cu 10-25% daca luam in considerare acesti doi factori.

c)reducerea emisiilor de CO2 cu 10-25% si reducerea emisiilor de NOx cu peste 40%

Avand in vedere faptul ca consumul de caldura nu doar scade dar carbunele inferior cu continut scazut de carbon poate fi utilizat, emisiile de co2 datorate arderii scad in consecinta.

Emisiile de oxid de azot se reduc semnificativ datorita reducerii oxidului de azot termic prin arderea in stratul fluid la o temperatura mai scazuta.

d)modificarea semnificativa a productivitatii pentru diferite tipuri de ciment

Temperaturile de granulare si sinterizare pot fi controlate cu acuratete prin utilizarea caracteristicilor combustiei in strat fluid astfel incat diferite tipuri de ciment pot fi obtinute usor prin modificarea productiei.Sistemul este superior datorita faptului ca diverse tipuri de ciment specializat de calitate inalta pot fi produse la costuri reduse.

e)constructii reduse ca suprafata, costuri reduse de exploatare si intretinere

Aria de instalare se reduce cu aproximativ 70% si costurile de constructie se micsoreaza cu 10-30% datorita absentei cuptorului rotativ.Se renunta la partile rotative ca cuptorul rotativ si racitorul cu gratar ducand la prelungirea duratei de existenta a masinii.Reduce costurile de exploatare si intretinere precum si consumul de caldura.

IV. Etapele procesului

Etapele procesului desfasurat in uzina de test sunt aratate in fig IV.3, si constau in pregatirea si alimentarea cu materii prime, preincalzitorul cu precalcinare a amestecului brut, realizarea procesului de obtinere a clincherului în strat fluidizat utilizând sistemul de cuptoare pentru obtinerea cimentului in strat fluidizat, prelucrarea reziduurilor de gaz si facilitatile auxiliare.

IV.1. Specificatiile de baza ale instalatiilor de test

Specificatiile de baza al uzinei pilot cu o capacitate de productie de 20t/z si ale uzinei cu capacitate de productie la scara larga de 200t/z sunt prezentate in tabelul IV.2

V. Rezultatele testelor desfasurate

Testele initiale desfasurate intr-o uzina pilot cu o capacitate de productie de 20 t/zi s-au desfasurat pe parcursul a 4 ani.In aceasta perioada tehnologia de baza si echipamentele au fost dezvoltate iar caracteristicile lor au fost confirmate.

Apoi proiectarea si constructia unei uzine cu capacitate de productie la scara larga au inceput spre a confirma factorii necesari maririi productiei si caracteristicile operationale ale sistemului.Testele initiale in uzina cu capacitate de productie la scara larga s-au desfasurat din februarie 1996 pana la sfarsitul lunii decembrie

V.1 Granularea in cuptorul de clincherizare

In conditiile pastrarii temperaturii in cuptorul de clinherizare la un nivel de 1300oC si introducerii materiilor prime in interior granularea se desfasoara incontinuu.In acest caz nu e necesara alimentarea bazei pentru clincher din exterior deoarece aceasta e generata in mod autogen in sistem.Viteza in crestere a granulelor depinde de marimea pulberii si de viteza de acoperire astfel incat este important sa obtii acele valori pentru a controla marimea granulei.

In momentul in care materiile prime sunt introduse in cuptorul de clincherizare o parte se unesc spre a forma baza clincherului iar cealalta parte adera la granulele existente marindu-le dimensiunea.In acest caz raportul materialelor de baza ce trebuie formate este foarte important in mentinerea starii de granulare.Daca poate fi pastrat constant starea de granulare poate fi mentinuta constant si cuptorul de granulare functioneaza bine.Proportia de materii de baza ce trebuie generate depinde de temperatura de granulare, compozitia si densitatea materiilor prime, rapiditatea dispozitivului de alimentare a materiilor prime si de starea echipamentului.Raportul de materii de baza pentru clincher a scazut aproape proportional cu temperatura de granulare si viteza dispozitivului de alimentare in conditiile unei densitati constante a materiilor prime si a crescut in acelasi timp cu densitatea materiilor prime.

In sistemul de cuptoare pentru ciment in strat fluidizat generarea de materii de baza pentru clincher a fost controlata spre a fi mentinuta constanta si cuptorul de de granulare a fost utilizat constant fara alimentarea cu materii de baza din exterior..Ambele sunt aproape identice astfel incat distributia granulelor din punct de vedere al marimii in cuptorul de cristalizare va fi mentinuta in cazul redimensionarii sistemului.

Temperatura stratului fluid in timpul operatiei a fost aproximativ stabila si variind intre +/- 3grade (ca ajustare).S-a confirmat ca sistemul era deasemenea potrivit pentru granularea si sinterizarea cimentului special ca de exemplu cimentul cu intarire rapida, ce presupuneau un control precis al temperaturii.

Fig.2 Fig.3

Sectiunea microscopica tranversala si structura minerala microscopica a granulei de clincher.

Reactia clincherului in cuptorul de sinterizare

Granulele alimentate din cuptorul de granulare sunt sinterizate in cuptorul de sinterizare la temperaturi de aprox 1400oC si devenind astfel clincher de calitatea ceruta.Ca rezultat al testarii s-a confirmat ca,calitatea era identica sau superioara fata de cele produse in fabricile comerciale.

Timpul mediu de stationare in uzine cu capacitate de productie la scara larga a ajuns la jumatatea aceluia din uzina pilot, astfel ca era important sa se confirme in uzina cu capacitate de productie la scara larga daca se putea mentine calitatea clincherului. Rezultatelor testului au confirmat ca, calitatea clincherului in uzina cu capacitate de productie la scara larga s-a mentinut si in conditiile injumatatirii timpului de stationare din uzina pilot la acelasi nivel de temperatura necesar sinterizarii, si ca cenusa rezultată din arderea carbunelui reactiona cu clincherul. In uzina industriala cu capacitate de productie de 3000 t/zi timpul mediu de productie in cuptorul de sinterizare atinge aprox. 15 minute.Totodată s-a confirmat mentinerea calitatii in conditiile in care timpul mediu de productie se pastreaza la aprox 10 minute, dupa rezultatele testelor de laborator.Astfel ca se asteapta pastrarea calitatii clincherului si in uzinele industriale cu capacitate de productie la scara larga.Avand in vedere ca exista un surplus de caldura de sinterizare se poate ridica temperatura de sinterizare pentru a se mentine nivelul calitatii daca este necesar.

Eficienta recuperarii caldurii prin racitoare

Eficienta recuperarii caldurii prin racitoare a atins un nivel de peste 80% prin combinatia racitorului cu actiune rapida asupra stratului fluidizat cu racitorul pentru strat compact , imbunatatindu-se cu peste 20% fata de racitorul gratar conventional.Relatiile dintre eficienta recuperarii caldurii si masa de aer specifica in racitorul cu actiune rapida asupra stratului fluidizat si racitorul pentru strat compact sunt aratate in urmatoarele figurile.

Potrivit figurilor eficienta recuperarii caldurii creste o data cu cresterea masei de aer pentru racire peste punctul desemnat de 100%, astfel incat aerul pentru racit poate fi considerat o reducere de costuri, luand in considerare balanta gazelor sistemului. Eficienta recuperarii caldurii in racitorul pentru strat compact creste in acelasi timp cu cresterea cantitatii de aer pentru racit si atinge gradul sau de saturatie in jurul punctului desemnat cu 100%.Aceasta arata ca punctul desemnat este aproape punctul optim.In plus gradul semnificativ al eficientei recuperarii caldurii in uzina pilot si in uzina cu capacitate de productie la scara larga este aproape acelasi , dupa cum arata figurile prin urmare se asteapta ca eficienta recuperarii caldurii sa poate fi pastrata la acelasi nivel in urmatoarele redimensionari ale uzinelor.

Emisiile de CO2

Reducerea consumului de caldura conduce la reducerea emisiilor de co2 in consecinta, si utilizarea carbunelui de calitate inferioara cu continut scazut de carbon permite intr-un grad si mai ridicat reducerea emisiilor de co2 in sistem.In uzina cu capacitate de productie la scara larga consumul de caldura a scazut cu 20-25% si a contribuit la reducerea emisiilor de CO2 cu 20-25% din combustia de carburant in comparatie cu uzinele conventionale cu cuptor rotativ.

Potrivit unui studiu de fezabilitate asupra unei uzine cu o capacitate de 3000t/z, aceasta reprezentand capacitatea medie de productie comerciala in Japonia, emisiile de CO2 pot fi reduse cu 10-12% prin reducerea consumului de caldura, in comparatie cu uzinele pe baza de cuptor rotativ, desi reducerea emisiilor de CO2 descreste in acelasi timp cu marirea capacitatii de productie.

Emisiile de oxid de azot

Oxidul de azot variaza funcție de temperatura de aprindere, viteza de combustie, procentul excesiv de aer samd. Temperatura de aprindere in sistemul cu cuptor de ciment in strat fluidizat atinge un nivel de 1300-1400oC fara flacara, in timp ce aceea a unui sistem pe baza de cuptor rotativ se situeaza intre 1800-2000oC cu flacara.In consecinta emisiile termice de oxid de azot se reduc considerabil.

Emisiile de oxid de azot au atins un nivel de aproximativ o treime din cele generate prin sistem pe baza de cuptor rotativ cand a fost utilizat petrolul greu si a atins in medie 60% cand a fost utilizat carbune pulverizat, desi variaza în funcție de continutul de azot al carbunelui.

VI. Evaluarea testului de performanta

Evaluarea rezultatelor testului de performanta pentru o uzina cu o capacitate de productie de 200t/z este aratata in tabelul VI.3

Performanta a atins 105% din obiectiv, de unde rezulta 827kcal pe kg de clincher pentru consumul de caldura si 55.6kwh pe tona de clincher pentru consum de energie.Avand in vedere ca datele in sistemul pe baza de cuptor rotativ sunt de 1.150kcal si 46kwh pe kg de clincher, energia totala economisita atinge 25%.

Test pentru diferite tipuri de carbune

Analiza datelor pentru doua tipuri de carbune utilizate pentru teste incrucisate este aratata in tabelul VI.4

Carbune Akahira si TK a fost incarcat in cuptorul de granulare pe rand pentru fiecare test si ars. Combustie in stratul fluidizat s-a pastrat in conditii bune in proporție de 92%-94% din cazuri si conditiile de granulare si sinterizare au fost aproape identice cu cele pentru testele normale la utilizarea în ambele cazuri ale aceluiași tip de cărbune.Arderea a fost mentinuta in sistemul cuptorului in strat fluidizat in pofida faptului ca un carbune cu un nivel de ardere ce produce energie redusa cat si un carbune cu un nivel ridicat de ardere caracterizat prin volatilitate redusa nu este potrivit pentru cuptorul rotativ din cauza evidentei unei scaderi in temperatura de aprindere cat si intarzierii combustiei.

S-a confirmat deasemenea ca nu exista stratificare la intrarea alimentarii cu carbune si nicio aglomerare partiala de cenusa de carbune in stratul fluidizat, si ca cenusa de carbune a reactionat cu clincherul si a fost absorbita de acesta aproape integral.In consecinta stratificarea interioare in cuptorului de granulare nu a avut loc datorita antrenarii de cenusa.

Rezultatul testarii sistemului echivalent cu un cuptor

Pe durata testelor vizand uzina cu o capacitate de productie de 200t/z s-a descoperit faptul ca continutul de oxid de calciu al granulelor de clincher eliminate din cuptorul de cristalizare s-a redus la mai putin de 1% cand dimensiunea granulei de clincher a fost mentinuta la cea fixata.Acest fenomen sugera ca reactia de clincherizare are loc in acelasi timp cu marirea dimensiunii granulei de clincher si ca faptul ca continutul de oxid de calciu al granulei depinde de marimea sa.Cu alte cuvinte procesul de granulare determina generarea mineralelor de clincher C2S, C3S utilizand faza lichida ca liant astfel incat pastrarea marimii granulei contribuie la pastrarea calitatii clincherului si in consecinta la reducerea oxidului de calciu.

Intr-un cuptor de granulare dotat cu sistemul de eliminare aflat la extrema inferioara granulele de clincher se maresc pana la dimensiunea fixata si sunt eliminate selectiv din cuptorul de granulare iar particulele de dimensiuni mai mici decat marimea impusa sunt returnate in cuptor de granulare pentru a fi cristalizate in continuare astfel incat timpul de stationare al granulelor de clincher eliminate din cuptor de cristalizare este pastrat aproape constant pentru a finaliza reactia de clincherizare.Astfel s-a presupus ca nivelul calitatii clincherului poate fi mentinut la un nivel practic chiar daca cuptorul de sinterizare ar fi eliminat.

Prin urmare sistemul avand la baza un cuptor ce utilizeaza doar cuptor de granulare (echivalentul sistemului cu un cuptor) a fost testat alaturi de sistemul cu doua cuptoare urmarind reducerea accentuata a temperaturii de ardere si a nivelului de energie consumat.

Datele principale ale performantei in sistemul echivalent cu un cuptor sunt aratate in tabel, comparativ cu cele ale sistemului bazat pe 2 cuptoare , sisteme testate pe parcursul verificarilor efectuate in uzina cu capacitate de productie de 200t/z.

Datele esentiale ale performantei cuptoarelor de ciment in strat fluidizat ce au fost planificate pe baza rezultatelor testelor in sistemul echivalent cu un cuptor sunt deasemenea aratate in tabel.Testele de inceput cu sistemul echivalent cu un cuptor au fost implementate in conditiile opririi combustiei in cuptorul de sinterizare iar cuptorul de sinterizare a fost modificat pentru a fi utilizat ca racitor cu actiune rapida asupra stratului fluidizat.Aprinderea petrolului greu la inaltimea cuptorului de sinterizare a fost utilizata pentru a ridica temperatura combustibilului spre a mentine viteza acestuia de-a lungul separatorului.Asa cum se poate observa in tabel consumul de energie, de caldura, si emisiile de oxid de azot in sistemul echivalent cu un cuptor s-au redus in comparatie cu sistemul pe baza de 2 cuptoare astfel incat costurile si pastrarea mediului s-au imbunatatit intr-o masura mai mare in sistemul cu un cuptor.In sistemul de cuptoare de ciment in strat fluidizat performanta s-a imbunatatit ceea ce a condus la reducerea costurilor si la protecția mediului inconjurator.Pe de alta parte in privinta calitatii cimentului obtinut in sistemul bazat pe un cuptor rezistenta in primele 7 zile a fost ridicata dar la 28 de zile a scazut putin, desi standardele recunoscute la nivel mondial au fost atinse.In cuptoarele de ciment pe baza de strat fluidizat calitatea cimentului trebuie sa fie imbunatatita deoarece clincherul este racit rapid in cuptorul de sinterizare localizat sub extrema inferioara a separatorului cuptorului de ciment in strat fluidizat.Cimentul special precum cimentul cu priza rapida, a fost testat cu rezultate bune in sistemul bazat pe doua cuptoare.Nu au fost testate aceste tipuri de ciment in sistemul cu un cuptor.

VII.Dimensionarea

Cea mai des intalnita metoda pentru dimensionarea unui strat fluid este marirea diametrului echipamentului in concordanta cu capacitatea necesara pastrand viteza redusa si inaltimea constanta a stratului si a echipamentului.In echipamentul actual conditiile vizand pierderea de caldura, preincalzirea si eficienta recuperarii caldurii variaza considerabil cu dimensiunea echipamentului astfel incat este important sa se ia in considerare acesti factori pentru dimensionare.

In dimensionarea prin pastrarea inaltimii echipamentului pierderea de caldura raportata la consumul total de caldura scade in concordanta cu capacitatea astfel incat rata de productie specifica clincherului scade si consumul de caldura scade in consecinta.Timpul mediu de productie scade in fuctie de cresterea capacitatii cand inaltimea stratului este constanta.

In dimensionarea sistemului timpul de depunere este important deoarece determina calitatea clincherului.Potrivit rezultatelor testelor derulate in uzine si conform datelor rezultate din testele de laborator s-a confirmat ca nivelul calitatii cliencherului depinde de temperatura si timp si poate fi mentinut intr-o uzina industriala cu o capacitate de productie de cel putin 3000t/z .

Astfel incat cuptorul de granulare si cel de sinterizare in sistemul cu doua cuptoare si cuptorul de ciment in strat fluid in sistemul cu un cuptor pot fi dimensionate prin marirea diametrului pe baza consumului de caldura si capacitatea prin pastrarea inaltimii stratului aproape constanta.Un exemplu de redimensionare al sistemelor de cuptoare de ciment in strat fluid pentru uzinele comerciale este aratat in tabelul VII.5.

VIII. Concluzii

Avantajele stratului fluidizat constau in, uniformitatea compozitionala, intensitatea transferului termic, posibilitatea de mecanizare si automatizare a proceselor si temperaturii de ardere, reducerea emisiilor de CO2, reducerea spatiului ocupat, intretinere usoara.

Bibliografie:

"Manualul Inginerului din industria cimentului",vol II, Editura Tehnica, Bucuresti,1999

Dorel Radu, „Instalatii de clincherizare”, Editura Printech, 2002

I. Teoreanu, D. Becherescu, EM. Beilich, M. Rehner., „Instalatii termotehnologice”, Editura Tehnica, Bucuresti, 1979

[1] Note de curs „Tehnologia liantilor si a betoanelor I”, Prof.dr.ing. Alina BADANOIU

Articol, Isao Hashimoto, Tatsuya Watanabe Departamentul de inginerie al fabricii industriale Kawasaki Heavy Industries, Ltd.