ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΕΙ ΙΚΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ (BLAINE) ΣΤΗΝ ΑΛΕΣΗ ΚΛΙΝΚΕΡ ΣΕ ΣΦΑΙΡΟΜΥΛΟΥΣ Τσακαλάκης Κώστας, Αναπλ. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Σχολή Μηχ. Μεταλλείων-Μεταλλουργών, Ε.Μ. Πολυτεχνείο Παρουσιάστηκε στο 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Χηµικής Μηχανικής 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 1
ΕΙΣΑΓΩΓΗ H καταναλισκόµενη ενέργεια κατά τη λειοτρίβηση και την άλεση έχει σχέση: µε το µέγεθος της τροφοδοσίας (διαστάσεις των τεµαχίων προς λειοτρίβηση (π.χ. κλίνκερ), µε το µέγεθος του προϊόντος, µε τα φυσικά χαρακτηριστικά του υλικού (σκληρότητα, δείκτης έργου, πυκνότητα), τα χαρακτηριστικά του µύλου (διαστάσεις, σχέση µήκους προς διάµετρο) και µε τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του µύλου (συντελεστής πλήρωσης, σύνθεση του φορτίου). Είναι γνωστό ότι η ειδική επιφάνεια του τσιµέντου (λεπτότητα, Blaine) έχει σχέση µε το µέγεθος των τεµαχίων του προϊόντος. 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 2
ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ Οι ιδιότητες του τσιµέντου, όσο και η συµπεριφορά του κατά τη χρήση του στην παραγωγή σκυροδέµατος (ενυδάτωση), εξαρτώνται, εκτός των άλλων σηµαντικά, και από τη λεπτότητά του δηλαδή από την κοκκοµετρική του ανάλυση. Η λεπτότητα του τσιµέντου εκφράζεται συνήθως από την τιµή του δείκτη Blaine, που δίνεται σε µονάδες cm 2 /g ή m 2 /kg και κυµαίνεται από 2800-6000 cm 2 /g, ανάλογα µε τη χρήση για την οποία προορίζεται 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 3
ΣΤΟΧΟΣ H παρούσα εργασία έχει στόχο τη διερεύνηση της µαθηµατικής σχέσης και τη διαµόρφωση µιας εµπειρικής εξίσωσης που θα συνδέει την καταναλισκόµενη Η.Ε., το δείκτη έργου του κλίνκερ και την ειδική επιφάνεια (λεπτότητα Blaine) του παραγόµενου τσιµέντου κατά την άλεση του κλίνκερ τσιµέντου σε συµβατικούς σφαιρόµυλους 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 4
ΓΕΝΙΚΑ Η παραγωγή του τσιµέντου είναι µια εξαιρετικά ενεργοβόρος διεργασία. Το κόστος παραγωγής τσιµέντου διαµορφώνεται κατά 30-35% από το κόστος ενέργειας. Για την παραγωγή του τσιµέντου χρειάζονται: ορυκτά καύσιµα (κυρίως άνθρακας, πετρέλαιο και φυσικό αέριο) για τις διεργασίες µετατροπής των πρώτων υλών σε κλίνκερ και ηλεκτρική ενέργεια για τις διεργασίες που φαίνονται στο Σχήµα 1. 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 5
Παραγωγή τσιµέντου- Κατανοµή κατανάλωσης Η.Ε. Κατανοµή κατανάλωσης Η.Ε. στην παραγωγή τσιµέντου 5 3,2 26,1 24,6 30 5,1 4,4 35 30 25 20 15 10 5 0 Κατανάλωση Η.Ε. σε kwh Ποσοστιαία % κατανάλωση Η.Ε. 35 30 25 20 15 10 5 0 Αποκάλυψη & εξόρυξη πρώτων υλών Θραύση-προοµογενοποίηση Π.Υ. Λειοτρίβηση, ξήρανση Ανάµειξη, οµογενοποίηση Π.Υ. Παραγωγή κλίνκερ, ψύξη κλίνκερ Άλεση κλίνκερ-παραγωγή τσιµέντου Μεταφορά, ενσάκκιση, φόρτωση κ.α. Λειοτρίβηση άνθρακα κατανάλωση Η.Ε. σε kwh Ποσοστιαία κατανάλωση Η.Ε. στην παραγωγή τσιµέντου 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 6
Ποσοστιαία % κατανάλωση Η.Ε. στις διεργασίες παραγωγής τσιµέντου Ποσοστιαία % κατανοµή της καταναλισκόµενης Η.Ε. στις διάφορες διεργασίες παραγωγής τσιµέντου 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 24,6 30 26,1 4,4 3,2 Μεταφορά, ενσάκκιση, φόρτωση κ.α., 5.1% Παραγωγή κλίνκερ, ψύξη κλίνκερ, 24.6% Ανάµειξη, οµογενοποίηση Π.Υ., 1.6% Αποκάλυψη & εξόρυξη πρώτων υλών, 5% Λειοτρίβηση άνθρακα, 4.4% Άλεση κλίνκερ-παραγωγή τσιµέντου, 30% Λειοτρίβηση Π.Υ., ξήρανση, 26.1% Θραύση-προοµογενοποίηση Π.Υ., 3.2% 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 7
ΚΑΤΑΝΟΜΗ Η.Ε. ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Το 63.7% της Η.Ε. που καταναλώνεται στην παραγωγή τσιµέντου αφορά στις διεργασίες θραύσης, λειοτρίβησης και ξήρανσης των πρώτων υλών και στην άλεση του κλίνκερ και της γύψου (Σχήµα 2). Γίνεται φανερή η µεγάλη σπουδαιότητα που έχει από πλευράς κόστους ηλεκτρικής ενέργειας η διεργασία της άλεσης του κλίνκερ (30% του κόστους Η.Ε.) στην παραγωγή του τσιµέντου. 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 8
ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Μείωση της κατανάλωσης ενέργειας από 6000 MJ/tonne κλίνκερ στα όρια από 3000-3800 MJ/tonne κλίνκερ λόγω τεχνολογικής εξέλιξης την τελευταία τριακονταπενταετία (1965-2000), µε µετατροπή της µεθόδου παραγωγής τσιµέντου από υγρή (wet) σε ξηρή (dry) ή ηµιυγρή (semi-dry), Οι δυνατότητες παραπέρα µείωσης της κατανάλωσης ενέργειας στην τσιµεντοβιοµηχανία είναι µόνο 2.2% περίπου κατά την Ε.Ε. (1993). 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 9
Καταναλώσεις καυσίµων και Η.Ε.-Τιµές µονάδων Η κατανάλωση άνθρακα στην παραγωγή τσιµέντου Portland είναι περίπου 110-140 kg άνθρακα /tonne τσιµέντου (θερµογόνος δύναµη ανθρακίτη 27000 MJ/tonne) περίπου µε κόστος του εισαγόµενου (θερµικού) άνθρακα στην Ευρωπαϊκή Ένωση από 50-55 / tonne. Η H.E. επίσης στην παραγωγή τσιµέντου κυµαίνεται από 100-110 kwh/tonne τσιµέντου µε τιµή της kwh στην Ελλάδα περίπου 0.055 / kwh για την υψηλή τάση στις τσιµεντοβιοµηχανίες. 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 10
ΚΟΣΤΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ (110 kwh/tonne τσιµέντου x 0.055 /kwh) +(0.14 tonnes άνθρακα /tonne τσιµέντου x 55 / tonne άνθρακα) = 13.75 / tonne τσιµέντου ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ 13.75 / tonne τσιµέντου / 0.3 = 46 /tonne τσιµέντου 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 11
ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΕΜΠΕΙΡΙΚΗΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ Για τους υπολογισµούς κατανάλωσης ενέργειας και κόστους παραγωγής είναι απαραίτητη η µε σχετική ακρίβεια γνώση της ειδικής κατανάλωσης kwh/tonne κλίνκερ ως συνάρτηση της λεπτότητας του τσιµέντου (Blaine fineness) και του δείκτη έργου (work index) του κλίνκερ 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 12
ΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΕΜΠΕΙΡΙΚΗΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ Στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται µια εµπειρική εξίσωση υπολογισµού της καταναλισκόµενης Η.Ε. στην άλεση του κλίνκερ τσιµέντου. Με εφαρµογή πολλαπλής παλινδρόµησης ελαχίστων τετραγώνων σε δεδοµένα εταιρειών κατασκευής µύλων και διατάξεων άλεσης κλίνκερ προκύπτει η παρακάτω εµπειρική εξίσωση: 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 13
ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ E Ε η ενέργεια άλεσης του κλίνκερ σε kwh/tonne, F Bl η λεπτότητα του τσιµέντου (Blaine) σε cm 2 /g και w i ο δείκτης έργου (work index) σε kwh/short ton ( 4 ) 1.74 10 F Bl + 0.035 w + 0.4714 = 10 i 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 14
ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΖΟΜΕΝΩΝ ΤΙΜΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εφαρµόζοντας την εξίσωση για διάφορες τιµές του δείκτη λεπτότητας Blaine του τσιµέντου (από 3200-5000, µε βήµα µεταβολής 200 cm 2 /g) και για 3 διαφορετικές τιµές (12, 14 και 16 kwh/s.t.) δείκτη έργου του κλίνκερ, υπολογίζονται οι τιµές της ενέργειας άλεσης κλίνκερ. Οι τιµές αυτές σε αντιπαραβολή µε τις αντίστοιχες πειραµατικές διαµορφώνουν το παρακάτω Σχήµα. 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 15
Σύγκριση πειραµατικών και υπολογιζόµενων τιµών ενέργειας άλεσης Υπολογιζόµεµνες τιµές ενέργειας άλεσης σε kwh/tonne 70 60 50 40 είκτης έργου Wi =12 kwh/s.t. είκτης έργου Wi =14 kwh/s.t είκτης έργου Wi = 16 kwh/s.t. Γραµµή σύγκρισης 30 30 40 50 60 70 Πειραµατικές τιµές ενέργειας άλεσης σε kwh/tonne 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 16
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από την παραπάνω επεξεργασία διαπιστώνεται ότι η προτεινόµενη εµπειρική εξίσωση υπολογίζει µε ικανοποιητική ακρίβεια την ενέργεια άλεσης συναρτήσει του δείκτη έργου του κλίνκερ και της λεπτότητας του τσιµέντου που παράγεται 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 17
ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΠΟΛΥ!!! 5ο Π.Σ.Χ.Μ.-ΘΕΣ/NIKH 2005 18