DK172272B1 - Fremgangsmåde til styring af temperaturen i en ovn, samt et anlæg til udøvelse af fremgangsmåden. - Google Patents

Description

i DK 172272 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til styring af temperaturen i en ovn til fremstilling af cementklinker, samt et anlæg til fremstilling af cementklinker.

5 Fremstilling af cement sker som bekendt ved, at en række råmaterialer, især kalk (CaC03), ler, sand, kisaske, flyveaske og andre sammenblandes og formales til et råmel, hvor indholdet af oxiderne CaO, Si02, A1203, Fe203 skal være afstemt indenfor forholdsvist snævre grænser. Råmelet forvarmes og kalcineres 10 dernæst, hvorunder H20 og C02 uddrives. Der indtræder derefter en række reaktioner mellem oxiderne, først og fremmest reaktionerne : 2 CaO + Si02 -» (Ca0)2(Si02) (belit) (Ca0)2(Si02) + CaO - (Ca0)3(Si02) (alit) 15

Disse reaktioner mellem faste stoffer forløber i en smelte, til hvis dannelse aluminium- og jernoxiderne er nødvendige.

Målet ved enhver brænding er altid at opnå dannelse af en 20 tilstrækkelig mængde alit og samtidigt nedbringe mængden af fri, endnu ikke forbrugt CaO til et acceptabelt lavt niveau. Traditionelt foregår brændingen i en roterovn, hvor slutreak-tionen foregår i roterovnens brændezone, og reaktionsforløbet kontrolleres ved indstilling af temperaturen ved hjælp af 25 indfyring og flammeindstilling. Temperaturen under brændingen ligger på ca. 1400-1450°C for de almindelige typer af klinker.

Det er således nødvendigt at foretage en måling, der løbende angiver temperaturen i ovnen og dermed klinkernes sammensætning 30 og kvalitet, men hidtil har det ikke været muligt at måle den interessante temperatur direkte.

Thermoelementer (Pt-PtRh) er umulige at anbringe, således at man undgår, at de bliver ødelagt af kontakten med de hårde 35 klinker i løbet af kort tid.

Strålingspyrometre kan bruges, men kun hvis der er god sigtbarhed i brændezonen, hvilket der sjældent er, da der dannes en DK 172272 B1 2 del støv under brændingen.

Et indirekte signal, der er meget anvendt til at fastsætte temperaturen, er en måling af den kraft, der bruges til at 5 dreje ovnen rundt. Årsagen til at man kan anvende dette signal er, at jo varmere klinkerne er, desto mere smelte dannes der, og jo mere af chargen trækkes højere opad siden på roterovnen under rotationen. Herved øges kraftmomentet (kraft x arm) og dermed øges også den effekt, der skal bruges til at drive ovnen 10 rundt. Kraftmomentet er imidlertid et relativt signal, der påvirkes af mange ting: tilfældig skævhed i knastopbygningen, råmaterialernes klæbeegenskaber i hele ovnens udstrækning etc. Der kan derfor ikke gives nogen bestemt værdi for, hvad momentet skal være for at give tilstrækkelig brænding.

15

En anden metode til måling af temperaturen i brændezonen er måling af NOx-emissionen fra ovnen. NOx dannelsen i brændezonen hænger direkte sammen med temperaturniveauet i flammen, og influeres ved konstant produktion og uændret brænderindstilling 20 kun af luftoverskuddet til forbrændingen, og da dette søges holdt konstant, er N0X emissionen et direkte udtryk for brændetemperaturen. Der har da også i årevis været kørt ovne efter N0X målinger, både manuelt reguleret og automatisk, f.eks Fuzzy-reguleret.

25

Det forholder sig imidlertidigt sådan, at emissionen af N0X er skadeligt for miljøet, og derfor går mange bestræbelser ud på at nedbringe cementovnsanlægs emission af N0X, herunder roterovnens emission.

30

Disse tiltag reducerer mulighederne for at styre ovnen ganske alvorligt. Det forstås bedst ved at betragte en kurve over N0X dannelsen som funktion af temperaturen T (°C)(se figur 1). Kurven er fundet ved at måle N0X dannelsen som en funktion af 35 klinkernes sluttemperatur ved én bestemt flammeindstilling.

Ved brænding af almindelige klinker har man et driftspunkt, der ligger omtrent som A. Her er den dannede N0X overvejende af DK 172272 B1 3 thermisk oprindelse, det vil sige at nitrogen-atomet i N0X stammer fra luftens N2, og høje/lave afvigelser fra den ønskede temperatur vil afspejle sig markant i en væsentlig ændring i mængden af dannet N0X.

5

Ved tiltag til en nedbringelse af N0X, svarende til en lavere temperatur i ovnen, bevæger man sig til et driftspunkt B, hvor den dannede N0X overvejende stammer fra brændslet. I nærheden af punkt B er temperaturafhængigheden af N0X dannelsen negligi-10 bel og reelt kan man, under en sådan low-N0x driftsform, ikke anvende N0X målingen som styringsparameter.

Udover at sænke N0X emissionen spares der også energi, når flammetemperaturen sænkes, hvilket gør disse forhold særligt 15 ønskværdige under driften af ovnen.

For at få driftsforhold med lav NOx-emission kan man f.eks vælge at forlænge flammen i ovnen, eventuelt ved at mindske brænderens primærluftstrøm eller primærhastighed. Klinkerne får 20 ved denne metode en lavere sluttemperatur, men til gengæld skal de så have et længere ophold ved temperaturer over den minimale, hvor alit-dannelsen kan finde sted (ca. 1280°C).

En anden metode til at opnå driftsforhold med lav NOx-emission 25 og lavere nødvendig flammetemperatur er at tilsætte en minera-lisator til råmelet, hvorved den temperatur, der er nødvendig for at alit-dannelsen kan finde sted, sænkes. Tilsætningen af svovl og fluor foranlediger f.eks, at klinkerbrændingen kan finde sted ved en temperatur, der er ca. 125 grader lavere end 30 normalt, dvs. ved 1275-1325°C.

Formålet med opfindelsen er således at kunne styre temperaturen i ovnen og dermed fremstillingen af de klinker, der produceres i cementovnen, samtidigt med at ovnens emission af N0X bliver 35 lavest mulig.

Dette opnås med fremgangsmåden ifølge opfindelsen, hvor svovlindholdet S(t) ud af ovnen eller ind i ovnen måles til tiden t, DK 172272 B1 4 hvorefter en fordampningsfaktor E(t) for det til ovnen tilførte svovl beregnes udfra S(t). Udfra den beregnede værdi af E(t) reguleres brændselstilførelsen til ovnen indtil der opnås en ønsket værdi af fordampningsfaktoren E(t) og dermed en ønsket 5 temperatur i ovnen.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende og ved hjælp af tegningerne, hvor 10 Figur 1, viser mængden af dannet N0X som funktion af temperaturen,

Figur 2, viser fordampningsfaktoren E som funktion af temperaturen, 15

Figur 3, viser en principskitse for massestrømme i et anlæg til fremstilling af cement.

Fordampning anvendes her som betegnelse for de dekomponerings-20 reaktioner, der hovedsageligt foregår ved temperaturer over 1100°C:

CaS04 -* CaO + S02 + 1/2 02 K2S04 -* K20 + S02 + 1/2 02 25

Ved fordampningsfaktoren E forstås den brøkdel af svovlet S, som tilføres ovnens brændezone med de kalcinerede råmaterialer, og som fordamper. Denne faktor er interessant, fordi den stiger væsentligt når temperaturen ligger i området ca. 1100°C -30 1500eC (se figur 2), og fordi netop dette temperaturområde bruges ved brænding af klinker.

Et udtryk for fordampningsfaktoren E kan findes ved at lave to massebalancer over et anlæg til fremstilling af cementklinker 35 (se figur 3).

Et sådant anlæg består af et system I, hvor råmaterialerne forberedes til brænding, og et system II, hvor brændingen DK 172272 B1 5 foregår. System I kan hensigtsmæssigt omfatte en cyklonforvarmer og eventuelt en kalcinator, og system II kan hensigtsmæssigt omfatte en roterovn.

5 Svovlindholdet af de enkelte strømme, dvs. de mængder af svovl Sz som passerer ud og ind af systemerne I og II, kan måles i kg svovl / time eller som kg svovl / kg klinker produceret i anlægget.

10 Til system I føres råmaterialer 1 med et svovlindhold SfødnIng og afgangsgasser 2 fra roterovnen med et svovlindhold Soynrøg. Desuden kan der ved 3 tilføres svovl, Seek brend, via sekundær brændstof til kalcinator eller stigrør.

15 Ud af system I går en strøm af afkølede røggasser 4 med et svovlindhold Srøg og det forkalcinerede eller blot forvarmede gods strømmer ved 5, almindeligvis fra en cyklon, ned i ovnen med svovlindholdet Scyk.

20 De indgående strømme i system II udgøres af det forvarmede eller forkalcinerede gods Scyk 5 og ovnbrændsel 6, dvs. primær brændstoffet, med svovlindholdet Sprlm brend. De udgående strømme udgøres af afgangsgasserne Sovnrøg 2 fra ovnen, samt af de færdige klinker 7 med svovlindholdet Sklinker.

25

Fordampningsfaktoren E er til enhver tid forholdet mellem den mængde af svovl, der fordamper i brændezonen, og den mængde af fast bundet svovl, der passerer ind i brændezonen. Der findes dog ingen mulighed for at måle svovlindholdet i disse to 30 interessante strømme i brændezonen.

Imidlertid vil det være sådan at den mængde af svovl, der fordamper i brændezonen, tilnærmelsesvist er lig med den mængde svovl, som passerer ud af ovnen ved 2, Sovnrøg, minus det bidrag, 35 der kommer fra primær brændstoffet, SpriB brimd, og mængden af fast bundet svovl, der passerer ind i brændezonen, vil tilnærmelsesvist være lig med den strøm, der passere ned fra system I ved 5, Scyk. Det vil sige at: DK 172272 B1 6 c . o —ix-ovnrøg-=prim, brand E * Si.

^cyk

Svovlindholdet i sekundær brændstoffet vil være konstant, for 5 en bestemt type brændsel og Sprlin brend kendes derfor hvis brændselsforbruget til tiden t kendes. Scyk vil variere med tiden som følge af svingende svovl tilførsel til brændezonen og varierende temperatur i brændezonen. I en roterovn, hvor passagen af godset fra indløbet af ovnen, hvor Scyk måles, og til brændezo-10 nen, kan tage forholdsvis lang tid, må man regne med en tidsforsinkelse τ på målingerne, i forhold til målingen af S ovnrøg * d©r sker tilnærmelsesvist øjeblikkeligt, det vil sige: -§cvnrøgii-)———^prlm. brand ( ^ )- 15 E(t) * Scyk(t-T) Mængden af svovl, som går ind i ovnen ved 5 vil på ethvert tidspunkt kunne siges at være nogenlunde lig med summen af den mængde svovl, der passerer ind ved 1 (Sfødnlng), 2 (Sovnrøg) og ved 20 3 (Ssek brend), men minus den mængde svovl, der passerer ud ved 4 (Srøg). Svovlindholdet af den sidstnævnte strøm, Srøg, vil dog i langt de fleste ovnsystemer være lig med 0: ^cyk^) = Sfødnlng(t) + Soynrøg(t) + Ssekbrend(t) 25 eller Sovnrøg(t) = Seyk(t) - Sfødning(t) - Ssek brend( t)

Det vil sige at E(t) kan beregnes både ved måling af svovlindholdet i afgangsgassen fra ovnen og ved måling af svovlind-30 holdet i det gods, der går til ovnen: - ^ovnrøgX-i-1-^prlm.brand( ) (A) E(t) = Sfødning( t-x) + Sovnrøg( t-τ) + Seek brand( t-T) 35 eller —§cykLi-i-—fødnlng-^ ί.)—~~—§Uek, brand———^rim, brand ( ^* ) (B) E(t) = Scyk(t-T)

Formlerne A og B gælder for en roterovn, men tilsvarende 40 7 DK 172272 B1 formler kan udledes for andre f.eks stationære ovne.

Almindeligvis anses det for nytteløst at anbringe en S02-måler på afgangsrøgen fra roterovnen. Dette skyldes at ovnsystemets 5 emission til atmosfæren af denne skadelige gaskomponent, på ingen måde hænger sammen med måleværdien af Sovnrøg, da der sker en nærmest 100% effektiv absorption af S02 i nederste forvarmertrin eller i kalcinatoren, hvor luftoverskudet er forholdsvist stort.

10

De bidrag som råmaterialer og brændsel giver til svovlmængden, kan som regel let udregnes ud fra de aktuelle analyser og doseringer af indfødningen.

15 E(t) kan herefter udregnes, enten efter (A) hvis man måler indholdet af S02 i ovnrøggassen, Sovnrøg, 2 eller efter (B) hvis man måler svovlindholdet i den strøm, der passerer fra udskillecyk-lonen efter kalcinatoren og ned i ovnen, Scyk, 7.

20 Da S02 er den eneste svovlholdige komponent ved høj temperatur og luftoverskud, er den letteste måde, at måle Sovnrøg, at anbringe en S02-måler, som løbende analyserer ovnrøggassen, i ovnudløbet.

25 En væsentlig fejlkilde ved denne metode er, at der ophvirvles kalcineret råmel i røgen, således at svovldioxidet bindes ved reaktionen: (C) S02 + h02 + CaO -» CaS04 30

Hvis røggasprøven renses og køles med vand, hvilket er princippet i visse systemer, kan en del af S02 desuden bindes af vandet, der er basisk på grund af CaO. Dette betyder igen at gasanalysatorens signal bliver for lille.

Udfra disse fejlkilder kan man dog ofte påregne, at det er en fast brøkdel af S02-mængden, der forsvinder, hvorfor signalet stadig kan bruges til styring af temperaturen, da den reelle 35 DK 172272 B1 8 fordampede mængde S02 er proportional med den målte mængde S02, ® ovn røg, milt = konstant x Sovnrøg.

Metoden kan ikke benyttes til styring, såfremt S02-strømmen ud 5 af ovnen (f.eks på grund af at der er lavet et bypass til reduktion af S02 og klorid cirkulationen i ovnsystemet) er af så begrænset en størrelse, at tilnærmelsesvist al S02 absorberes af ophvirvlet CaO. Hvis der her optræder S02, er det mere et udtryk for luftunderskud i ovnen, jvf. ligning (C), end for 10 en høj brændezonetemperatur.

Den mængde af svovl, der tilgår roterovnen, kan bestemmes ved flere kendte metoder. For eksempel med en Outokumpo x-ray analyzer, som løbende kan bestemme indholdet af grundstofferne 15 Fe, Ca og S i cyklongodset. Til det formål udtager man en delstrøm af råmel fra cyklonen, køler den ned og kompakterer den før den tilføres analysatoren. Det signal man modtager for S-indhold eller for forholdet S/Ca er et præcist udtryk for den mængde af svovl, der passerer ned i roterovnen.

Claims (9)

1. Fremgangsmåde til styring af temperaturen i en ovn til fremstilling af cementklinker KENDETEGNET VED at svovlind- 5 holdet S(t) ud af ovnen eller ind i ovnen måles til tiden t, at en fordampningsfaktor E(t) for det til ovnen tilførte svovl beregnes udfra S(t), og udfra den beregnede værdi af E(t) reguleres brændselstilførelsen til ovnen indtil der opnås en ønsket værdi af fordampningsfaktoren E(t) og dermed en ønsket 10 temperatur i ovnen.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, KENDETEGNET VED at svovlindholdet Sovnrøg(t) måles i ovnens afgangsgas.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, KENDETEGNET VED at svovlindholdet Scyk(t) måles i tilgangen af gods til ovnen.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, 2 eller 3 KENDETEGNET VED at temperaturen i ovnens brændezone ligger i intervallet 1100- 20 1500°C.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 1, 2 eller 3 KENDETEGNET VED at temperaturen i ovnens brændezone ligger i intervallet 1100-1350eC. 25

6. Fremgangsmåde ifølge krav 1, 2 eller 3 KENDETEGNET VED at temperaturen i ovnens brændezone ligger i intervallet 1275-1325°C.

7. Anlæg til fremstilling af cementklinker, hvor råmelet først passerer en forvarmer, derefter eventuelt en kalcinator for tilsidst at blive brændt i en ovn, og hvor temperaturfor-holdende i ovnen kan reguleres ved at ændre brændselstilførslen til ovnen KENDETEGNET VED at der mellem ovnen og forvarmeren, 35 eller mellem ovnen og en eventuel kalcinator, er anbragt en måler, hvor svovlindholdet ud af eller ind i ovnen registreres og at brændselstilførslen til ovnen ændres som en funktion af den målte mængde svovl. DK 172272 B1

8. Anlæg ifølge krav 7 KENDETEGNET VED at måleren er anbragt i ovnens røggas kanal.

9. Anlæg ifølge krav 7 KENDETEGNET VED at måleren er anbragt i 5 den kanal (5), hvor kalcineret eller forvarmet gods ledes til ovnen.