Τεχνολογία Παραγωγής Τσιμέντου και Σκυροδέματος

Τεχνολογία Παραγωγής Τσιμέντου και Σκυροδέματος Ενότητα: Παραγωγή Θερμότητας στην Περιστροφική Κάμινο Κωνσταντίνος Γ. Τσακαλάκης, Καθηγητής Ε.Μ.Π. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων - Μεταλλουργών

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

Contents 1. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕΣΑ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΗ ΚΑΜΙΝΟ... 1 1.1 Ενεργειακές καταναλώσεις στην παραγωγή του κλίνκερ... 1 1.2 Είδη καυσίμων της τσιμεντοβιομηχανίας... 4 1.3 Εναλλακτικά καύσιμα (alternative fuels)... 6 1.3.1 Ο μόνιμος άνθρακας... 8 1.3.2 Η τέφρα της καύσης Ενσωμάτωση στο κλίνκερ - Επίδραση στην αναλογία των πρώτων υλών παραγωγής κλίνκερ... 10 2. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΝΑΓΚΑΙΑΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΑΕΡΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ... 11 2.1 Έλεγχος των προτεινόμενων εξισώσεων προσδιορισμού ελάχιστης παροχής αέρα καύσης, συναρτήσει των ιδιοτήτων του καυσίμου... 13 2.2 Προσδιορισμός της περίσσειας ή της έλλειψης αέρα στην κάμινο... 14 2.3 Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) στα απαέρια της καμίνου... 18 3. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΛΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΗΝ ΚΑΜΙΝΟ... 21

1. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕΣΑ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΗ ΚΑΜΙΝΟ 1.1 Ενεργειακές καταναλώσεις στην παραγωγή του κλίνκερ Είναι γνωστό ότι η διαδικασία πύρωσης του ασβεστολίθου, ως ιδιαιτέρως ενδόθερμη αντίδραση, είναι η κύρια διεργασία κατανάλωσης ενέργειας, ενώ οι αντιδράσεις συσσωμάτωσης που ακολουθούν είναι κατά κύριο λόγο εξώθερμες αντιδράσεις. Η κατανάλωση ενέργειας (ποσότητα καυσίμου), που είναι απαραίτητη στην παραγωγή του κλίνκερ, εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τη μέθοδο κατεργασίας της φαρίνας, αλλά και από τις αντίστοιχες διατάξεις. Οι καταναλώσεις αυτές, είναι: 1. 3000-3800 MJ/ t κλίνκερ για ξηρή μέθοδο παραγωγής με 3-6 στάδια προθέρμανσης/πύρωσης ασβεστολίθου (dry process preheater/precalciner) 2. 3100-4200 MJ/ t κλίνκερ για ξηρή μέθοδο παραγωγής με διάφορα στάδια προθέρμανσης (dry process preheater) 3. 3300-4500 MJ/ t κλίνκερ ημι-ξηρή/ημι-υγρή μέθοδο παραγωγής (Lepol-kiln) 4. Έως 5000 MJ/ t κλίνκερ για ξηρή μέθοδο παραγωγής σε μεγάλου μήκους καμίνους (dry process long kilns) 5. 5000-6000 MJ/ t κλίνκερ για υγρή μέθοδο παραγωγής σε μεγάλου μήκους καμίνους (wet process long kilns) and 6. 3100-4200 MJ/ t κλίνκερ για κατακόρυφες φρεατώδεις καμίνους. Στον Πίνακα 3.1 συγκρίνονται αναλυτικά οι θερμικές καταναλώσεις σε διατάξεις ξηρής μεθόδου (preheater/precalciner) και υγρής μεθόδου παραγωγής κλίνκερ. Οι επιπλέον ενεργειακές καταναλώσεις στην παραγωγή του κλίνκερ τσιμέντου αφορούν στις τεχνολογικά αναπόφευκτες ενεργειακές απώλειες της διεργασίας, οι οποίες καταγράφονται στον πίνακα. Η απρόσκοπτη λειτουργία της περιστροφικής καμίνου απαιτεί την ύπαρξη επαρκούς πηγής θερμότητας, η οποία καταρχήν θα αυξήσει τη θερμοκρασία της καμίνου στην απαιτούμενη τιμή λειτουργίας και κατόπιν θα τη διατηρήσει σε αποδεκτό θερμοκρασιακό εύρος, αναπληρώνοντας τις απώλειες, λόγω ακτινοβολίας και αγωγής στο σύστημα της καμίνου και στα απαέρια, εξασφαλίζοντας έτσι την απαιτούμενη θερμότητα για τις διεργασίες πυροσυσσωμάτωσης του μείγματος των πρώτων υλών. Η θερμότητα για τη λειτουργία της περιστροφικής καμίνου και την επιτέλεση των αντιδράσεων πυροσυσσωμάτωσης (κλινκεροποίηση) προκύπτει από την καύση των χρησιμοποιούμενων καυσίμων. 1

Πίνακας 3.1 Ενεργειακές απαιτήσεις στην παραγωγή του κλίνκερ (επεξεργασία δεδομένων, Taylor H. F. W., 1997, Cement Chemistry, 2nd Edition, Thomas Telford, London.) Κατανάλωση ενέργειας στην παραγωγή του κλίνκερ (MJ/t κλίνκερ) Μέθοδος παραγωγής Ξηρή Υγρή Θεωρητική απαίτηση θερμότητας στις χημικές αντιδράσεις 1807 1741 παραγωγής κλίνκερ Εξάτμιση υγρασίας πρώτων υλών 13 2364 Απώλεια θερμότητας στα απαέρια και στη σκόνη 623 753 Θερμικές απώλειες στο κλίνκερ 88 59 Απώλεια θερμότητας στον αέρα ψύξης του κλίνκερ 427 100 Απώλειες θερμότητας με ακτινοβολία και μεταφορά 348 682 ΣΥΝΟΛΟ 3306 5699 Κατανάλωση άνθρακα (t / t κλίνκερ) (Θερμογόνος δύναμη χρησιμοποιούμενου άνθρακα 25.3 GJ/ t) 0.13 0.23 Κατανάλωση άνθρακα τ. Ινδίας (t / t κλίνκερ) (Θερμογόνος δύναμη χρησιμοποιούμενου άνθρακα 16.74 GJ/ t) 0.20 0.34 Η καύση είναι η χημική αντίδραση (οξείδωση) του άνθρακα, του υδρογόνου και του θείου του καυσίμου με το οξυγόνο του αέρα, αντιδράσεις που είναι εντόνως εξώθερμες. C + O 2 CO 2 (-94.03 kcal/mol) ή -7836 kcal/kg Η 2 + ½ O 2 Η 2 Ο (-67.88 kcal/mol) ή -33940 kcal/kg S + O 2 SO 2 (-70.81 kcal/mol) ή -2213 kcal/kg Οι παραπάνω αντιδράσεις καύσης αφορούν σε πλήρη καύση των καυσίμων, ενώ όταν γίνεται ατελής καύση του καυσίμου, η αντίδραση που λαμβάνει χώρα είναι: C + ½ O 2 CO (Σχηματισμός μονοξειδίου του άνθρακα CO αντί CO 2 ) Η ατελής αντίδραση, παρά το γεγονός ότι και αυτή είναι εξώθερμη, εκλύει περίπου το 1/3 ( 2500 kcal/kg) της θερμότητας που εκλύει η πλήρης καύση και γίνεται αντιληπτή από το μαύρο καπνό που παράγεται και υποδηλώνει άνθρακα ο οποίος δεν έχει «καεί» για να παράξει θερμότητα. Για να λάβουν χώρα οι αντιδράσεις πλήρους καύσης πρέπει να ικανοποιούνται δύο προϋποθέσεις: 2

Πρέπει να υπάρχει επαρκής ποσότητα οξυγόνου (από τον αέρα) για ανάμειξη με το καύσιμο και η πραγματική ποσότητα του εισαγόμενου αέρα πρέπει να είναι μεγαλύτερη της θεωρητικά απαιτούμενης, δηλαδή να υπάρχει περίσσεια αέρα. Η περίσσεια αέρα (%) εξαρτάται από τον τύπο του καυσίμου, το σύστημα έναυσης, το μέγεθος των τεμαχίων του καυσίμου προκειμένου περί στερεών ή το μέγεθος των σταγονιδίων προκειμένου περί υγρών καυσίμων. Πρέπει να διατηρείται δεδομένη ελάχιστη θερμοκρασία για την έναυση του μείγματος καυσίμου-οξυγόνου. Το οξυγόνο της αντίδρασης προέρχεται από τον αέρα, ο οποίος περιέχει περίπου 78.1% κ.ο. (75.5% κ.β.) άζωτο και 20.9% κ.ο. (23% κ.β.) οξυγόνο, οπότε για να επιτευχθεί πλήρης καύση απαιτούνται τουλάχιστον 5 όγκοι αέρα για κάθε ένα όγκο οξυγόνου που απαιτείται για την πλήρη καύση. Τόσο ή έλλειψη όσο και η υπερβολική περίσσεια αέρα έχουν δυσμενείς οικονομικές επιπτώσεις στη διεργασία παραγωγής κλίνκερ στις περιστροφικές καμίνους. Η έλλειψη, επειδή παράγει μικρότερες ποσότητες της αναγκαίας θερμότητας διεξαγωγής των αντιδράσεων πυροσυσσωμάτωσης, λόγω ατελούς καύσης. Επίσης, η υπερβολική περίσσεια αέρα έχει οικονομικές επιπτώσεις στη διεργασία. Αυτό συμβαίνει, επειδή ποσοστό της παραγόμενης θερμότητας καταναλώνεται για την ανύψωση της θερμοκρασίας της περίσσειας του αέρα (άζωτο και υπολειπόμενο οξυγόνο από το απαιτούμενο στις αντιδράσεις καύσης) και κατόπιν απάγεται ως λανθάνουσα θερμότητα στα καπναέρια, αντί να χρησιμοποιείται στην κυρίως διεργασία της πυροσυσσωμάτωσης. Εκτός των άλλων, υπερβολική περίσσεια αέρα και θερμότητα στην περιοχή του άκρου εισόδου της τροφοδοσίας (περιοχή αλύσεων προθέρμανσης) μπορεί να οδηγήσει σε εκδήλωση πυρκαϊάς, λόγω του άνθρακα που περιέχεται στο υλικό (χάλυβας) των αλύσεων. Άρα, οι συνθήκες καύσης μέσα στην κάμινο πρέπει να είναι κατάλληλες ώστε να γίνεται πλήρης καύση του καυσίμου που υπάρχει, χωρίς σημαντικές απώλειες θερμότητας στο περιβάλλον, φαινόμενο που έχει οικονομικές επιπτώσεις στο κόστος της διεργασίας. Οι υποδείξεις των κατασκευαστών καυστήρων προτείνουν, ανάλογα με τον τύπο του καυσίμου, τα παρακάτω ποσοστά % περίσσειας αέρα: Φυσικό αέριο 10-20% Πετρέλαιο 10-20% Λειοτριβημένος άνθρακας 20-25% 3

Όπως μνημονεύθηκε προηγουμένως, σημαντικό ρόλο στην καύση παίζει και η θερμοκρασία έναυσης του καυσίμου, η οποία για τους διάφορους τύπους καυσίμων δίνεται στον Πίνακα 3.2. Από τον Πίνακα 3.2 είναι φανερό ότι, οι θερμοκρασίες έναυσης των αερίων καυσίμων είναι μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες των υγρών και στερεών καυσίμων, γεγονός που καθορίζει τη θέση του ακροφυσίου του καυστήρα μέσα στην κάμινο. Πίνακας 3.2 Θερμοκρασίες έναυσης ορυκτών καυσίμων στην τσιμεντοβιομηχανία. (επεξεργασία δεδομένων, 3. Peray E. K., 1986, The Rotary Cement Kiln, Chemical Publishing Co.,Inc., N.Y). Είδος καυσίμου Θερμοκρασία έναυσης, C Ανθρακας 250 Πετρέλαιο 200 Fuel Oil No.1 210 Fuel Oil No.2 256 Fuel Oil No.4 262 Φυσικό αέριο 550 Petcoke 620-670 1.2 Είδη καυσίμων της τσιμεντοβιομηχανίας Τα ορυκτά καύσιμα που χρησιμοποιούνται στις διατάξεις των περιστροφικών καμίνων είναι τριών ειδών: Αέρια, υγρά, στερεά και εναλλακτικά ή συνδυασμός τουλάχιστον δύο ειδών από τα παραπάνω. Τα αέρια καύσιμα, κυρίως φυσικό αέριο ( 95% CH 4 ), επειδή είναι το φθηνότερο από τα υπόλοιπα αέρια και έχει μεγάλη θερμογόνο δύναμη, λόγω και του περιεχόμενου υδρογόνου. Χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο στην τσιμεντοβιομηχανία και παρουσιάζει ουσιαστικά πλεονεκτήματα έναντι των άλλων ορυκτών καυσίμων. Αυτά είναι τα εξής: Δεν χρειάζεται καμιά προετοιμασία ξήρανση, λειοτρίβηση ή προθέρμανση, όπως τα στερεά ή τα υγρά, αντιστοίχως Η καύση λαμβάνει χώραν μόλις αναμειχθεί με την κατάλληλη ποσότητα αέρα και η θερμοκρασία έναυσης φθάσει στην επιθυμητή τιμή της 4

Η ατμόσφαιρα στη ζώνη καύσης είναι «διαυγής» σε σχέση με αυτή που εμφανίζεται στις περιπτώσεις καύσης πετρελαίου ή άνθρακα Χρησιμοποιούνται απλά συστήματα καύσης χωρίς ουσιαστική ανάγκη συντήρησης Παρουσιάζουν περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα, λόγω χαμηλών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και άλλων εκπομπών Επιπλέον, πλεονέκτημα της έναυσης του φυσικού αερίου θεωρείται η μη αναγκαιότητα σημαντικής ποσότητας αρχικού αέρα, ώστε η δευτερογενής παροχή θερμού αέρα χρησιμοποιείται αποκλειστικά στην καύση μέσα στην κάμινο. Επειδή η θερμοκρασία, που επικρατεί στη ζώνη έναυσης της καμίνου, είναι υψηλότερη στην περίπτωση χρήσης φυσικού αερίου, σε σχέση με τα άλλα καύσιμα, απαιτείται κατάλληλη προσαρμογή του καυστήρα και της θέσης του στην έξοδο της καμίνου σε περίπτωση αλλαγής τύπου καυσίμου. Τα υγρά καύσιμα που χρησιμοποιούνται στην τσιμεντοβιομηχανία είναι, για λόγους χαμηλού κόστους, αποκλειστικά βαρέα κλάσματα της απόσταξης αργού πετρελαίου, τα οποία εμφανίζουν μεγάλο ιξώδες (είναι παχύρρευστα) και απαιτούν ιδιαίτερη προετοιμασία (προθέρμανση για να μειωθεί το ιξώδες τους) και προσοχή για την ικανοποιητική τους «εκνέφωση», ώστε να προκληθεί ή έναυσή τους. Ουσιαστικής σημασίας παράγοντας για την καλή λειτουργία της καμίνου είναι η πρόκληση καλής εκνέφωσης (μικρό μέγεθος σταγονιδίων) των υγρών καυσίμων. Για να προκληθεί εκνέφωση, απαιτείται επαρκής συμπίεση και κατάλληλο ακροφύσιο. Η ατελής εκνέφωση (μεγάλο μέγεθος σταγονιδίων καυσίμου) έχει ως αποτέλεσμα ατελή καύση και δημιουργεί επικάθιση μέρους του «μη καμένου» πετρελαίου στα τοιχώματα της περιστροφικής καμίνου και ανεπιθύμητη ανάμειξη με την κατεργαζόμενη τροφοδοσία. Ως στερεά καύσιμα θεωρούνται οι παντός είδους ορυκτοί άνθρακες, ξύλα και επίσης άχρηστα ελαστικά αυτοκινήτων, στερεά οργανικά απόβλητα, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην τσιμεντοβιομηχανία για την παραγωγή ενέργειας (θερμότητα) Οι ορυκτοί άνθρακες κατατάσσονται σε τρεις κύριες κατηγορίες και συγκεκριμένα σε ανθρακίτες, βιτουμενιούχους άνθρακες και λιγνίτες Οι ανθρακίτες είναι οι γεωλογικά παλαιότεροι άνθρακες με σημαντικό ποσοστό άνθρακα, μικρό ποσοστό πτητικών και πρακτικά χωρίς υγρασία Οι λιγνίτες είναι οι γεωλογικά νεότεροι άνθρακες, με χαμηλό ποσοστό μόνιμου άνθρακα, σημαντικό ποσοστό πτητικών, υγρασίας και τέφρας μετά την καύση 5

Οι βιτουμενιούχοι άνθρακες είναι άνθρακες ενδιάμεσης θερμογόνου δύναμης Η χημική σύσταση των ανθράκων έχει σημαντική επίδραση στην καύση τους και οι ιδιότητές τους διακρίνονται στις φυσικές και τις χημικές Οι φυσικές ιδιότητες των ανθράκων περιλαμβάνουν τη θερμογόνο δύναμή τους, το ποσοστό υγρασίας, την περιεκτικότητά τους σε πτητικά και την περιεκτικότητά τους σε τέφρα ενώ, Οι χημικές τους ιδιότητες αναφέρονται στην περιεκτικότητά τους σε άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο και θείο (στοιχειακή ανάλυση) Το ποσοστό υγρασίας των ανθράκων κυμαίνεται από 0.5-10% περίπου και θεωρείται ως «μειονέκτημα» των ανθράκων, επειδή αντικαθιστά μέρος της καύσιμης ύλης και μειώνει τη θερμογόνο δύναμή τους. Τα πτητικά συστατικά των ανθράκων είναι εύφλεκτα αέρια (μεθάνιο, υδρογόνο, μονοξείδιο του άνθρακα) και μη εύφλεκτα αέρια όπως διοξείδιο του άνθρακα και οξείδια αζώτου. Είναι φανερό ότι μεγάλη περιεκτικότητα σε πτητικά συμβάλει στην εύκολη ανάφλεξη των ανθράκων. 1.3 Εναλλακτικά καύσιμα (alternative fuels) Τα τελευταία χρόνια, για προφανείς περιβαλλοντικούς (ανεξέλεγκτη απόθεση απορριμμάτων, εξοικονόμηση ορυκτών καυσίμων, μείωση εκπομπών CO 2 κλπ.) αλλά και οικονομικούς λόγους, γίνεται ευρεία χρήση εναλλακτικών (μη συμβατικών) καυσίμων στην τσιμεντοβιομηχανία για την παραγωγή μέρους της απαιτούμενης ποσότητας θερμότητας. Τα καύσιμα αυτά παρουσιάζουν πολλές φορές υπέρτερες ιδιότητες έναντι των συμβατικών καυσίμων όσον αφορά στη θερμογόνο δύναμή τους (Πίνακας 3.3). Το είδος των καυσίμων που χρησιμοποιούνται στην τσιμεντοβιομηχανία κατανέμονται ποσοστιαία κατ είδος, σύμφωνα με την ευρωπαϊκή ένωση τσιμεντοβιομηχανιών (CEMBUREAU), όπως στον Πίνακα 3.4, ενώ η χρήση τους σε διάφορες ευρωπαϊκές χώρες φαίνεται στο Σχήμα 3.1. 6

Πίνακας 3.3 Είδος και θερμογόνος δύναμη καυσίμων τσιμεντοβιομηχανίας (Κ. Τσακαλάκης) Συμβατικά και εναλλακτικά καύσιμα τσιμεντοβιομηχανίας Θερμογόνος δύναμη, GJ/tonne A. Συμβατικά καύσιμα τσιμεντοβιομηχανίας Άνθρακας (6000 kcal/kg) 25.3 Petcoke 33.7 Μείγμα άνθρακα-petcoke 29.0 B. Εναλλακτικά καύσιμα (alternative fuels) 1. Άχρηστα ελαστικά οχημάτων 27-31 2. Άχρηστα λιπαντικά 33 3. Βιομηχανικά και άλλα απορρίμματα Χαρτοπολτός, χαρτί, χαρτόνια Πλαστικά Υλικά συσκευασίας Απορρίμματα υφαντουργίας Άλλα Πίνακας 3.4 Το είδος των καυσίμων που χρησιμοποιούνται στην τσιμεντοβιομηχανία 17 21 22 21 21 4. Μείγμα οικιακών απορριμμάτων 15 5. Άλευρα οστών ζώων και ζωϊκά λίπη 19 6. Ρινίσματα βιομηχανίας ξύλου 13 7. Διαλύτες (οργανικοί) 24 8. Αλλα, όπως: Ιλύς διυλιστηρίων Οργανικά κατάλοιπα διυλιστηρίων Ιλύς βιολογικών καθαρισμών (ξηρή) (CEMBUREAU, http://standards.cen.eu/bp/6035.pdf). 13 13-16 Είδος καυσίμου Ποσοστό, % Petcoke 50.5 Άνθρακες 24 Πετρέλαιο και βαρέα κλάσματα 5 Λιγνίτες και άλλα είδη στερεών καυσίμων 5.5 Φυσικό αέριο 1.0 Εναλλακτικά καύσιμα 14 7

Σχήμα 3.1 Ποσοστιαία % και απόλυτη κατανάλωση ( 10 6 tonnes) εναλλακτικών καυσίμων στην ευρωπαϊκή τσιμεντοβιομηχανία. 1.3.1 Ο μόνιμος άνθρακας Ο μόνιμος άνθρακας (Fixed carbon, FC) είναι η κύρια πηγή έκλυσης θερμότητας κατά την καύση και χρησιμοποιείται για τον κατ εκτίμηση προσδιορισμό της θερμογόνου δύναμης των ανθράκων Ο προσδιορισμός του μόνιμου άνθρακα FC στους διαφόρους τύπους ανθράκων προκύπτει με αφαίρεση του αθροίσματος (ποσοστό υγρασίας + ποσοστό πτητικών + ποσοστό τέφρας) από την τιμή 100 δηλαδή: FC = 100 - (ποσοστό υγρασίας + ποσοστό πτητικών + ποσοστό τέφρας) Ιδιαίτερη σημασία και προσοχή πρέπει να δίνεται στην περίπτωση χρήσης ανθράκων στις περιστροφικές καμίνους, επειδή τα λεπτομερή τεμάχια άνθρακα, που προκύπτουν από τη διακίνησή τους και από τις διεργασίες ελάττωσης μεγέθους, προκαλούν προβλήματα και εγκυμονούν κινδύνους στην καύση. Στις περιπτώσεις αυτές, και για να αποφευχθεί η απόμειξη (segregation) των λεπτομερών τεμαχίων από τα χονδρομερή στους σωρούς αποθήκευσης, επιβάλλεται διαβροχή των λεπτομερών και ανάμειξη των συσσωματωμάτων με χονδρομερή τεμάχια. Η παραπάνω πρακτική μειώνει το ποσοστό του άνθρακα που δεν καίεται και επίσης την απαιτούμενη % περίσσεια αέρα. Στον Πίνακα 3.5 δίνονται ενδεικτικά 8

χαρακτηριστικές φυσικές και χημικές ιδιότητες ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται στην τσιμεντοβιομηχανία. Πίνακας 3.5 Χαρακτηριστικές ιδιότητες ορυκτών καυσίμων τσιμεντοβιομηχανίας, Bureau of energy efficiency 1. Fuels and combustion, http://www.emea.org/guide%20books/book-2/2.1%20fuels%20and%20combustion.pdf Στοιχείο, % περιεκτικότητα Πετρέλαιο, Fuel Oil Άνθρακας, Coal (Ινδίας) Φυσικό αέριο, Natural Gas Άνθρακας, Carbon 84 41.11 74 Υδρογόνο, Hydrogen 12 2.76 25 Θείο, Sulphur 3 0.41 - Οξυγόνο, Oxygen 1 9.89 ίχνη Άζωτο, Nitrogen ίχνη 1.22 0.75 Τέφρα, Ash ίχνη 38.63 - Υγρασία, moisture ίχνη 5.98 - Ενδεικτικές τιμές Ανώτερη Θερμογόνος δύναμη, GCV (Gross calorific value), 10500-10700 kcal/kg ή 43.9-44.8 GJ/t 4000 kcal/kg = 16.74 GJ/t Κυμαίνεται μεταξύ 4000-6000 kcal/kg (16.74-25.3 GJ/t), Εξαρτάται από τη γεωλογική του ηλικία 9350 kcal/nm 3 (Συνήθως κυμαίνεται από 9000-11000 kcal/nm 3 ) 9

1.3.2 Η τέφρα της καύσης Ενσωμάτωση στο κλίνκερ - Επίδραση στην αναλογία των πρώτων υλών παραγωγής κλίνκερ Η τέφρα αποτελεί την ανόργανη ύλη των ανθράκων (καύσιμα), η οποία κυμαίνεται μεταξύ 5-40% στους άνθρακες και αποτελεί το κατάλοιπο της καύσης Η περιεκτικότητα του καυσίμου σε ανόργανες ύλες άρα και του προϊόντος της καύσης σε τέφρα επηρεάζει την απόδοση της καύσης. Επίσης, έχει επίδραση στο προϊόν της διεργασίας πυροσυσσωμάτωσης (κλίνκερ), επειδή, λόγω της χημικής συγγένειάς της με τα οξείδια της φαρίνας, ενσωματώνεται σε κάποιο ποσοστό ( 70-80%) στις παραγόμενες φάσεις του κλίνκερ μεταβάλλοντας την αναλογία των διαφόρων οξειδίων στο κλίνκερ, οπότε επηρεάζει τις τιμές των δεικτών στόχων (LSF, SR) και ως εκ τούτου πρέπει να λαμβάνεται πάντοτε υπόψη (Πίνακας 3.6). Επίσης, έχει σημαντική επίδραση στον εξοπλισμό ελέγχου της αέριας ρύπανσης και απαιτεί ειδικό εξοπλισμό διαχείρισης των στερεών καταλοίπων της διεργασίας αλλά και του SO 2, που παράγεται λόγω του περιεχόμενου θείου του καυσίμου. Παρακάτω αναλύεται η επίδραση της ενσωμάτωσης της τέφρας του καυσίμου στο κλίνκερ. Πίνακας 3.6 Επίπτωση ενσωμάτωσης τέφρας του καυσίμου στο παραγόμενο κλίνκερ Μείγμα πρώτων υλών (φαρίνα), Συμβολισμοί % περιεκτικότητα οξειδίων, επιθυμητές τιμές δεικτών κλίνκερ C = % CaO 43.74 (επεξεργασία, Κ. Τσακαλάκης) 1 2 3 4 % Κλίνκερ περιεκτικότητα % περιεκτικότητα οξειδίων οξειδίων στο τέφρας κλίνκερ, δείκτες καυσίμου κλίνκερ, κλπ. Προκύπτον κλίνκερ (ενσωμάτωση 80% τέφρας στο κλίνκερ και κατανάλωση καυσίμου 0.15t/t κλίνκερ) 8 68.45 67.72 S = % SiO 2 14.53 48 22.73 63.12/0.639 23.03 63.12 = 98.78 A = % Al 2 O 3 3.41 29 5.36 5.64 F = % Fe 2 O 3 1.44 10 2.25 2.34 Υπόλοιπο, R CO 2, H 2 O κλπ. 100-63.12 36.88 5 1.22 100-98.78 1.27 LSF, % 96-96 93.2 SR 3.0-3.0 2.89 Από τον προσδιορισμό της αναλογίας ανάμειξης τριών (-3-) δεδομένων πρώτων υλών για την παραγωγή κλίνκερ (με δείκτες στόχους LSF 96% και SR 3.0), προέκυψε μια μέση χημική ανάλυση φαρίνας η οποία δίνεται στη στήλη 1 του Πίνακα 3.6. Το κλίνκερ που θα παραχθεί θα έχει τη χημική ανάλυση της στήλης 3 του Πίνακα 3.6. Έχει γίνει η υπόθεση ότι κατά την κλινκεροποίηση θα απομακρυνθεί, ως CO 2 10

(34.37%) και H 2 O, μόνο το 36.1% (από το 36.88%, Στήλη 1, Πίνακα 3.6) του υπολοίπου των πρώτων υλών. Οπότε η αναγωγή των περιεκτικοτήτων της στήλης 1 ως προς το υπόλοιπο 63.9% = (100-36.1)%, δίνει τη σύσταση της στήλης 3. Όμως, αν στη διεργασία παραγωγής κλίνκερ χρησιμοποιηθεί καύσιμο με κατανάλωση 0.15t καυσίμου/t κλίνκερ και τέφρα 10% με χημική ανάλυση της στήλης 2, και αν υποτεθεί ότι το 80% της τέφρας αυτής ενσωματωθεί στο κλίνκερ, τότε η ποσότητα της τέφρας που θα καταλήξει στο κλίνκερ θα είναι 0.8x0.15x0.10 = 0.012 t τέφρας/t κλίνκερ. Οπότε, η τελική σύνθεση του προκύπτοντος τελικού κλίνκερ (100%) θα συνίσταται από 98.8% κλίνκερ της στήλης 3 και 1.2% τέφρα της στήλης 2. Άρα, το τελικό κλίνκερ θα έχει σύσταση όπως αυτή που δίνεται στη στήλη 4 του Πίνακα 3.6. Όμως, λόγω της ενσωμάτωσης της τέφρας στο κλίνκερ, μεταβάλλονται οι τιμές των δεικτών στόχων και παίρνουν τις τιμές LSF = 93.2% αντί 96% και SR = 2.89 αντί της τιμής 3.0. Οι παραπάνω διαφοροποιήσεις πρέπει να λαμβάνονται οπωσδήποτε υπόψη κατά τον προσδιορισμό της αναλογίας των πρώτων υλών της φαρίνας με μικρή αύξηση των τιμών των δεικτών στόχων (π.χ. LSF και SR), ώστε οι τιμές των δεικτών στόχων τελικώς να προσεγγίζονται ικανοποιητικά μετά την ενσωμάτωση της τέφρας στο κλίνκερ. 2. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΝΑΓΚΑΙΑΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΑΕΡΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Ως γενικός κανόνας για την καύση ισχύει ότι, η πιο αποδοτική και συμφέρουσα χρήση του καυσίμου γίνεται όταν η συγκέντρωση του CO 2, που προέρχεται απ την καύση, στα απαέρια είναι μέγιστη. Θεωρητικά αυτό συμβαίνει όταν η παροχή του αέρα είναι τέτοια ώστε να περιέχει την απαιτούμενη ποσότητα O 2 που χρειάζεται ο άνθρακας του καυσίμου για την καύση του και αναφέρεται ως θεωρητικά απαιτούμενη ποσότητα αέρα. Η ποσότητα του εισαγόμενου αέρα εξαρτάται από τη χημική σύσταση του καυσίμου και από την παροχή (ρυθμός τροφοδοσίας) του στον καυστήρα (kg/h, m 3 /min κλπ). Επίσης, ο σχεδιασμός αλλά και η κατάσταση του καυστήρα παίζει σημαντικό ρόλο στην ποιότητα καύσης, δηλαδή στην ποσότητα του απαιτούμενου αέρα καύσης. Είναι προφανές ότι η θεωρητικά απαιτούμενη ποσότητα αέρα δεν είναι ποτέ αρκετή για πλήρη καύση. Η απαιτούμενη ποσότητα αέρα για την καύση συγκεκριμένου καυσίμου (θερμογόνος δύναμη και περιεκτικότητα σε υγρασία) επιβάλει τον καταρχήν υπολογισμό της θεωρητικά απαιτούμενης ποσότητας αέρα, που είναι συνάρτηση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του καυσίμου. Η ποσότητα αυτή του αέρα προκύπτει από τη 11

στοιχειομετρική επεξεργασία των εξώθερμων αντιδράσεων καύσης που θα λάβουν χώρα μέσα στην κάμινο. Για να επιτευχθούν συνθήκες πλήρους καύσης του καυσίμου, πρέπει η πραγματική ποσότητα του αέρα που θα εισαχθεί στην κάμινο να είναι μεγαλύτερη από αυτή που προέκυψε από το στοιχειομετρικό υπολογισμό (θεωρητικά απαιτούμενη). Η διαφορά των ποσοτήτων αυτών ανηγμένη %, ως προς τη θεωρητικά απαιτούμενη ποσότητα, αποτελεί την % περίσσεια αέρα, δηλαδή Πραγματική Θεωρητική % Περίσσεια αέρα x100 Θεωρητική Όπως προαναφέρθηκε, ο προσδιορισμός της θεωρητικά απαιτούμενης ποσότητας αέρα μπορεί να προκύψει από τη στοιχειακή ανάλυση του καυσίμου με εφαρμογή των αντιδράσεων πλήρους καύσης του άνθρακα, υδρογόνου και του θείου, τα οποία αντιδρούν με το οξυγόνο του αέρα προς σχηματισμό CO 2, H 2 O και SO 2, αντιστοίχως. Μετά τον προσδιορισμό της ποσότητας (μάζα) του O 2, προσδιορίζεται η θεωρητική ποσότητα του αέρα από την εξίσωση: ΜάζαO Μάζα αέρα 0.23 επειδή είναι γνωστό ότι, η κατά βάρος συμμετοχή του O 2 στον αέρα είναι 23% και του N 2 75.5%, ενώ οι κατ όγκο περιεκτικότητες 20.95% και 78.1% περίπου. 2 Εξισώσεις προσδιορισμού ελάχιστης ποσότητας αέρα καύσης Στο διεθνές σύστημα μονάδων η ελάχιστη ποσότητα (kg) αέρα, που απαιτείται για την καύση δεδομένου καυσίμου (άνθρακα), είναι (Peray, 1986): Παροχή αέρα (kg αέρα/kg άνθρακα) = 10.478 SCF, όπου SCF (standard coal factor) που δίνεται από την εξίσωση: 100 a SCF B, 100 7000 Όπου: α είναι το ποσοστό υγρασίας του τροφοδοτούμενου άνθρακα και Β η θερμογόνος δύναμη του τροφοδοτούμενου άνθρακα σε kcal/kg άνθρακα Η παραπάνω υπολογιζόμενη τιμή αναφέρεται σε 5% περίσσεια της θεωρητικά απαιτούμενης ποσότητας αέρα καύσης. 12

Μια άλλη εξίσωση από την οποία υπολογίζεται η ελάχιστη παροχή αέρα (σε kg αέρα/kg καυσίμου), συναρτήσει της στοιχειακής ανάλυσης του καυσίμου (για στερεά και υγρά καύσιμα), είναι: και: m% είναι το ποσοστό % περίσσειας τροφοδοτούμενου αέρα (χρησιμοποιείται 5%) C% είναι το ποσοστό % του περιεχόμενου C στο καύσιμο H% είναι το ποσοστό % του περιεχόμενου Η στο καύσιμο O% είναι το ποσοστό % του περιεχόμενου Ο στο καύσιμο S% είναι το ποσοστό % του περιεχόμενου S στο καύσιμο 2.1 Έλεγχος των προτεινόμενων εξισώσεων προσδιορισμού ελάχιστης παροχής αέρα καύσης, συναρτήσει των ιδιοτήτων του καυσίμου Εφαρμόζοντας τις παραπάνω εξισώσεις για καύσιμο άνθρακα (προέλευσης Ινδίας, Πίνακας 3.5) με τα παραπάνω χαρακτηριστικά, οι παροχές του αέρα που υπολογίζονται είναι: 5.63 kg αέρα/kg άνθρακα από την πρώτη εξίσωση, ενώ από τη δεύτερη εξίσωση (χρησιμοποιώντας τη στοιχειακή ανάλυση του άνθρακα) η παροχή που προσδιορίζεται είναι 5.58 kg αέρα/kg άνθρακα. Οι τιμές αυτές δεν απέχουν σημαντικά μεταξύ τους (περίπου 1%). Παίρνοντας υπόψη τις τιμές της πυκνότητας του αέρα συναρτήσει της θερμοκρασίας του (Πίνακας 3.7), προσδιορίζεται ο όγκος του τροφοδοτούμενου αέρα. Όμως, η πυκνότητα του αέρα εξαρτάται από την πίεση και τη θερμοκρασία του βάσει του νόμου των ιδανικών αερίων. Όπου ρ είναι η πυκνότητα του αέρα, p είναι η απόλυτη πίεση, R είναι η ειδική σταθερά του ξηρού αέρα 287.05 J/(kg K) στο διεθνές σύστημα μονάδων και T είναι η απόλυτη θερμοκρασία του αέρα. 13

Πίνακας 3.7 Πυκνότητα ξηρού αέρα συναρτήσει της θερμοκρασίας σε πίεση 760 mm Hg, http://www.engineeringtoolbox.com/air-density-specific-weight-d_600.html Θερμοκρασία, ( o C) Πυκνότητα, ρ (kg/m 3 ) -50 1.534 0 1.293 20 1.205 40 1.127 60 1.067 80 1.000 100 0.946 2.2 Προσδιορισμός της περίσσειας ή της έλλειψης αέρα στην κάμινο Ένας από τους κύριους λόγους θερμικών απωλειών στην περοστροφική κάμινο είναι η % περίσσεια αέρα κατά την καύση. Η γενική σχέση μεταξύ του παρεχόμενου O 2 (στον αέρα) και των CO 2 και CO στα απαέρια δίνεται στο Σχήμα 3.2, από το οποίο διαπιστώνεται ότι, όσο η παρεχόμενη ποσότητα προσεγγίζει τη θεωρητικά απαιτούμενη, η συγκέντρωση του CO στα απαέρια μειώνεται γρήγορα. Αυτό συμβαίνει, επειδή άτομα οξυγόνου ενώνονται με το CO και σχηματίζουν CO 2. Η επιπλέον παροχή αέρα συμβάλει στη σταδιακή αύξηση της συγκέντρωσης του CO 2 στα απαέρια. Όμως, παραπέρα αύξηση (περίσσεια) του παρεχόμενου αέρα (O 2 και N 2 ) προκαλεί αραίωση των απαερίων, με αποτέλεσμα να μειώνεται η συγκέντρωση του CO 2 (Πίνακας 3.8), αλλά και να αυξάνουν οι θερμικές απώλειες της διεργασίας. Η μέγιστη δυνατή περιεκτικότητα απαερίων CO 2 (max) αντιστοιχεί σε πλήρη καύση του καυσίμου και είναι συγκεκριμένη για κάθε τύπο καυσίμου (άνθρακες, πετρέλαιο, φυσικό αέριο κλπ.) (Πίνακας 3.8), δηλαδή κατά κύριο λόγο εξαρτάται από την περιεκτικότητά σε μόνιμο άνθρακα και είναι 17-20.0% περίπου για τους διαφόρους τύπους ανθράκων και 15.5-16.5%, 11.8% περίπου στις περιπτώσεις καύσης πετρελαίου και φυσικού αερίου, αντιστοίχως (Πίνακας 3.8). Τα παραπάνω ποσοστά αναφέρονται στη «σπάνια» περίπτωση της στοιχειομετρικής πλήρους καύσης των καυσίμων. 14

Σχήμα 3.2 Διακύμανση περιεκτικοτήτων CO, CO 2 και O 2 στα απαέρια συναρτήσει της περίσσειας αέρα (τύπος καύσης), Combustion Analysis Basics, http://www.tsi.com/uploadedfiles/_site_root/products/literature/handbooks/ca-basic- 2980175.pdf Πίνακας 3.8 Μέγιστη περιεκτικότητα απαερίων σε CO2 συναρτήσει των χαρακτηριστικών των καυσίμων, http://www.engineeringtoolbox.com/stoichiometric-combustion-d_399.html % Περίσσεια αέρα καύσης Φυσικό αέριο CO 2 στα απαέρια (% κατ όγκο) Πετρέλαιο Βιτουμενιούχοι άνθρακες με 45-86% C Ανθρακίτης με 86-97% C O 2 στα απαέρια (% κατ όγκο) 0 12 15.5 18 20 0 20 10.5 13.5 15.5 16.5 3 40 9 12 13.5 14 5 60 8 10 12 12.5 7.5 80 7 9 11 11.5 9 100 6 8 9.5 10 10 15

Πίνακας 3.9 Περιεκτικότητες CO2 και O2 στα απαέρια συναρτήσει της % περίσσειας αέρα, Bureau of energy efficiency 1. Fuels and combustion, http://www.emea.org/guide%20books/book-2/2.1%20fuels%20and%20combustion.pdf Ιδιότητες καυσίμου Άνθρακας Πετρέλαιο Πετρέλαιο Προπάνιο Φυσικό Κώκ #2 #6 αέριο % Άνθρακας, C 94.5 85.84 87.49 81.82 70.93 98.2 % Υδρογόνο, H 2 5.2 12.46 9.92 18.18 23.47 1.5 kcal/kg HHV 7438 10840 10167 12038 12148 9184 kcal/kg LHV 7168 10198 9560 11075 10910 9107 CO 2 max 17 15.6 16.5 13.8 11.8 20.1 % Θείο, S 0.034 1.6 1.4 0 0 0 % Υγρασία 0.12 0 0 0 0 0.5 Η περίσσεια του αέρα καύσης δεν μπορεί να προσδιοριστεί παρά μόνο από τη συγκέντρωση (περιεκτικότητα %) είτε του οξυγόνου, είτε του διοξειδίου του άνθρακα που προέρχεται από την καύση, στα απαέρια. Στην πράξη είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται η μέθοδος μέσω της συγκέντρωσης οξυγόνου για δύο λόγους: 1. Η % περιεκτικότητα σε οξυγόνο μετράται ευκολότερα με τη βοήθεια ενός ηλεκτροχημικού αισθητήρα, ενώ το διοξείδιο του άνθρακα μετράται με τη βοήθεια ενός αισθητήρα υπερύθρων με σχετικό όμως βαθμό ακρίβειας και επίσης περιλαμβάνει και αυτό που προκύπτει από την πύρωση του ασβαστολίθου 2. Η μέθοδος με την % περιεκτικότητα οξυγόνου δίνει μια μονοσήμαντη τιμή προσδιορισμού της περίσσειας αέρα, ενώ μια συγκεκριμένη περιεκτικότητα σε διοξείδιο του άνθρακα αντιστοιχεί σε δύο σημεία, ένα αριστερά της στοιχειομετρικής περιοχής καύσης (ατελής καύση) και ένα δεξιά της στοιχειομετρικής περιοχής καύσης (καύση σε περίσσεια αέρα). Το ποσοστό % του Ο 2 στα απαέρια της καμίνου δείχνει τις συνθήκες καύσης που επικρατούν μέσα στην κάμινο, επειδή το οξυγόνο που προσδιορίζεται στα απαέρια έχει άμεση σχέση με την ποσότητα του εισαγόμενου αέρα. Απουσία Ο 2 στα απαέρια δείχνει ότι δεν έχει εισαχθεί περίσσεια αέρα, ενώ ταυτόχρονη ανίχνευση CO στα απαέρια δείχνει συνθήκες ατελούς καύσης μέσα στην κάμινο, λόγω έλλειψης οξυγόνου ή ελλειπούς ανάμειξης καυσίμου-αέρα, και επιβάλει άμεσο «συναγερμό» στην εγκατάσταση για την πρόληψη κινδύνου εκρήξεων στα ηλεκτροστατικά φίλτρα (Η.Φ.). 16

Η εξίσωση, από την οποία προσδιορίζεται με σχετική ακρίβεια η % περίσσεια αέρα, είναι: % O2 μετρούμενη) % Περίσσεια αέρα x100 20.9 - % O2 μετρούμενη) Επίσης, υπάρχουν διαγράμματα που δίνουν την % περίσσεια του τροφοδοτούμενου αέρα συναρτήσει του ποσοστού % του Ο 2 που ανιχνεύεται στα απαέρια, η οποία εξαρτάται, όπως φαίνεται από το Σχήμα 3.3, από τον τύπο του καυσίμου που χρησιμοποιείται. Οι σύγχρονες ενεργειοβόρες βιομηχανικές εγκαταστάσεις, όπως είναι οι περιστροφικές κάμινοι, έχουν συστήματα συνεχούς ανάλυσης και αυτόματης καταγραφής των αερίων συγκεντρώσεων (Ο 2, CO και CO 2 ) μέσα στην κάμινο όσο και στις καπνοδόχους των απαερίων, για λόγους προστασίας των εγκαταστάσεων και των εργαζομένων από τις επικίνδυνες εκπομπές αερίων (π.χ CO), αλλά και για λόγους ελέγχου των θερμικών απωλειών (π.χ. υπερβολική αραίωση CO 2 στα απαέρια). Σχήμα 3.3 Προσδιορισμός της % περίσσειας αέρα συναρτήσει του ποσοστού % Ο 2 στα απαέρια. The Importance of Excess Air in the Combustion Process, http://www.mae.ncsu.edu/eckerlin/courses/mae406/chapter3.pdf 17

2.3 Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) στα απαέρια της καμίνου Όπως έχει τονιστεί επανειλημμένα, το ποσοστό του οξυγόνου (Ο 2 ) στα απαέρια της καμίνου προέρχεται αποκλειστικά από τον εισαγόμενο αέρα καύσης και είναι συνάρτηση της ποσότητας του εισαγόμενου αέρα αλλά και του είδους του καυσίμου. Για τον προσδιορισμό της % περιεκτικότητας των απαερίων σε CO 2 που οφείλονται στην καύση του καυσίμου είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται ο έμμεσος τρόπος προσδιορισμού, μέσω της % περιεκτικότητας των απαερίων σε O 2 και της μέγιστης δυνατής περιεκτικότητας απαερίων σε CO 2 (max) του χρησιμοποιούμενου καυσίμου. Και τούτο, επειδή μέρος του CO 2 που ανιχνεύεται στα απαέρια προέρχεται από την πύρωση του ασβεστολίθου των πρώτων υλών. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται η παρακάτω σχέση: 20.9 % O (max) 2 % CO2 (κατ όγκο) CO2 (μέτρηση στα απαέρια) 20.9 Ο έμμεσος προσδιορισμός του CO 2 από την παραπάνω σχέση δικαιολογείται από το Σχήμα 3.2, απ όπου διαπιστώνεται ότι ίδια % περιεκτικότητα σε CO 2 στα απαέρια αντιστοιχεί σε δύο διαφορετικές καταστάσεις καύσης (πρβλ. σημεία 1 και 2), δηλαδή σε συνθήκες είτε ατελούς είτε πλήρους καύσης. Οπότε, η ανίχνευση O 2 στα απαέρια εξασφαλίζει ότι επικρατούν συνθήκες πλήρους καύσης. Όμως όπως προαναφέρθηκε, το ποσοστό του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) στα απαέρια είναι συνάρτηση τόσο της διεργασίας πύρωσης του ασβεστολίθου όσο και της διεργασίας καύσης. Εάν δεν υπάρχει έκλυση CO 2 από την πύρωση του ασβεστολίθου και υπό ιδανικές συνθήκες καύσης λειοτριβημένου άνθρακα (στοιχειομετρική πλήρης καύση του άνθρακα και απουσία περίσσειας αέρα στα απαέρια), το μέγιστο δυνατό ποσοστό CO 2 (CO 2,max ) στα απαέρια κυμαίνεται, όπως προαναφέρθηκε, από 11.8-20.0%, ανάλογα με τον τύπο του καυσίμου (πρβλ. και Σχήμα 3.4 για μηδενική περίσσεια αέρα). Είναι προφανές ότι οποιαδήποτε περίσσεια αέρα καύσης θα προκαλέσει μείωση αυτού του ποσοστού, λόγω της αραίωσης του CO 2 στα απαέρια (υπολειπόμενο οξυγόνο και άζωτο του αέρα). Επειδή όμως το ποσοστό του CO 2 στα απαέρια κυμαίνεται συνήθως από 22-28%, είναι προφανές ότι μέρος αυτού (η διαφορά από την παραπάνω προσδιορισμένη τιμή) οφείλεται στη διεργασία πύρωσης του ασβεστολίθου. Υποθέτοντας ότι το ποσοστό του CO 2, που προέρχεται από τη διάσπαση του ασβεστολίθου της φαρίνας τροφοδοσίας παραμένει σταθερό, είναι προφανές ότι οποιαδήποτε μείωση της τιμής του % CO 2 στα απαέρια οφείλεται σε περίσσεια του 18

τροφοδοτούμενου αέρα. Μεγάλη περίσσεια αέρα προκαλεί μείωση της απόδοσης καύσης του καυσίμου, λόγω απαγωγής στο περιβάλλον ποσότητας της παραγόμενης θερμότητας, οπότε, η κατανάλωση καυσίμου ανά τόνο παραγόμενου κλίνκερ είναι μεγαλύτερη. Από τα παραπάνω είναι προφανές ότι το % ποσοστό του CO 2 στα απαέρια πρέπει να διατηρείται στη μέγιστη δυνατή τιμή κατά τη λειτουργία της καμίνου, για λόγους περιορισμού των θερμικών απωλειών και χρησιμοποίησης της μέγιστης δυνατής ποσότητας της εκλυόμενης θερμότητας του καυσίμου στις διεργασίες κλινκεροποίησης (πυροσυσσωμάτωση). Σχήμα 3.4 Μεταβολή περιεκτικοτήτων CO 2 και O 2 στα απαέρια συναρτήσει της % περίσσειας αέρα και του τύπου του καυσίμου, http://www.engineeringtoolbox.com/boiler-combustion-efficiency-d_271.html Οι αναλυτές CO 2 συνεχούς λειτουργίας μέσα στην κάμινο είναι συμπληρωματικές διατάξεις που δίνουν ενδείξεις για τη σωστή λειτουργία της καμίνου, ιδιαιτέρως στη ζώνη πύρωσης. Χρησιμεύουν για την έγκαιρη διαπίστωση «διαταραχών» στην περιοχή αυτή, οι οποίες επηρεάζουν ταχύτατα τις διεργασίες πυροσυσσωμάτωσης που ακολουθούν. Από διάγραμμα (Σχήμα 3.5) μπορεί να προσδιοριστεί με καλή προσέγγιση η % περίσσεια του τροφοδοτούμενου αέρα για καύση πετρελαίου, συναρτήσει του ποσοστού % του CO 2 που ανιχνεύεται στα απαέρια. Από το παραπάνω διάγραμμα και για αποδεκτή ποιότητα καύσης πετρελαίου (με περιεκτικότητα καυσαερίων 9-13% σε CO 2 στα καυσαέρια), η περίσσεια αέρα που απαιτείται κυμαίνεται μεταξύ 20-70%. 19

Σχήμα 3.5 Προσδιορισμός της % περίσσειας αέρα συναρτήσει του ποσοστού % CO 2 στα απαέρια, κατά την καύση πετρελαίου, Bureau of energy efficiency 1. Fuels and combustion, http://www.em-ea.org/guide%20books/book-2/2.1%20fuels%20and%20combustion.pdf 2.4 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) στα απαέρια της καμίνου Ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις, το CO είναι εκρηκτικό αέριο και είναι ιδιαίτερα επικίνδυνο για πρόκληση εκρήξεων. Για την ασφαλή λειτουργία των εγκαταστάσεων παραγωγής κλίνκερ, είναι απαραίτητο να ελέγχονται προσεκτικά με συνεχείς μετρήσεις οι περιεκτικότητες σε CO και NO x (οξείδια του αζώτου) στα απαέρια, ώστε να εξασφαλίζεται πάντοτε περίσσεια αέρα καύσης που είναι απαραίτητη για την επίτευξη πλήρους καύσης του άνθρακα σε CO 2. Οι περιστροφικές κάμινοι συνήθως λειτουργούν με τέτοια περίσσεια αέρα ώστε να διαπιστώνεται περιεκτικότητα O 2 τουλάχιστον 1.5-2.5% στα απαέρια, γεγονός που εξασφαλίζει την επίτευξη συνθηκών πλήρους καύσης. Ως συμπληρωματικό μέτρο ασφάλειας χρησιμοποιείται η συνεχής μέτρηση της συγκέντρωσης του CO, η οποία σε περίπτωση έλλειψης περίσσειας αέρα αυξάνει. Επίσης, πιθανή παρουσία μονοξείδιου του άνθρακα (CO) στην περιοχή του πύργου προθέρμανσης οφείλεται τόσο στην έλλειψη περίσσειας αέρα καύσης όσο και στη θερμοκρασία. Άλλη περίπτωση κινδύνου αύξησης της συγκέντρωσης και διαπίστωσης παρουσίας CO στην ίδια περιοχή οφείλεται στη δέσμευση (άρα έλλειψη για την καύση) ποσότητας O 2 για το σχηματισμό των θειϊκών και χλωριούχων ενώσεων των αλκαλίων, λόγω συμπύκνωσης των πτητικών ενώσεων στα τοιχώματα του συστήματος προθέρμανσης/ασβεστοποίησης. Σε περιπτώσεις ανίχνευσης CO, για την αποφυγή πιθανών εκρήξεων, διακόπτεται αμέσως η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στους ηλεκτροστατικούς διαχωριστές 20

δέσμευσης της λεπτομερούς σκόνης των απαερίων για χρονικό διάστημα 2-3 min. Το γεγονός αυτό γίνεται εμφανές από τη διαφυγή, υπό μορφή μαύρου καπνού, λεπτομερών εκπομπών στην ατμόσφαιρα. Η σχέση μεταξύ συγκέντρωσης CO, ποσοστού (%) Ο 2 στα απαέρια και % περίσσειας αέρα δίνεται στο διάγραμμα (Σχήμα 3.6), στο οποίο σημειώνεται η ευνοϊκή περιοχή λειτουργίας της περιστροφικής καμίνου. Σχήμα 3.6 Σχέση μεταξύ συγκέντρωσης CO και περιεκτικότητας (%) O 2 στα απαέρια, COMBUSTION, E Instruments Group LLC- www.einstrumentsgroup.com, http://www.e-inst.com/docs/combustion-booklet-2013.pdf 3. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΛΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΗΝ ΚΑΜΙΝΟ 1. Τα απαέρια της καμίνου πρέπει υπό κανονικές συνθήκες να περιέχουν 0.7-3.5% O 2 (με προτιμότερες τιμές μεταξύ 1.5-2.5%) για να μην υπάρχουν υπερβολικές θερμικές απώλειες στη διεργασία (Σχήμα 3.6). 2. Τα απαέρια πρέπει επίσης να περιέχουν το μεγαλύτερο δυνατό ποσοστό % CO 2, γεγονός που εξασφαλίζει καλή ποιότητα καύσης (μεγάλη απόδοση, E ff, max) με τη μικρότερη δυνατή περίσσεια αέρα. Στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχουν μεγάλες απώλειες θερμότητας στα απαέρια, δηλαδή δεν θερμαίνεται άσκοπα υπερβολική ποσότητα αέρα (Σχήμα 3.7) 3. Τα απαέρια σε καμμία περίπτωση δεν πρέπει να περιέχουν μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Το όριο άμεσου συναγερμού είναι 100 ppm (0.01% CO). Οι σχέσεις μεταξύ απόδοσης καύσης - % περίσσειας αέρα, απόδοσης καύσης - θερμοκρασίας απαερίων και % απωλειών θερμότητας στα απαέρια-διαφοράς 21

θερμοκρασιών εισαγόμενου αέρα & απαερίων (συναρτήσει της % περιεκτικότητας CO 2 στα απαέρια) δίνονται στα Σχήματα 3.8, 3.9 και 3.10, που ακολουθούν. Σχήμα 3.7 Γενική απεικόνιση διεργασιών καύσης και συγκεντρώσεων αερίων στα απαέρια. http://www.engineeringtoolbox.com/boiler-combustion-efficiency-d_271.html Σχήμα 3.8 Σχέση μεταξύ % απόδοσης καύσης και % περίσσειας αέρα στα απαέρια. Combustion Analysis Basics, http://www.tsi.com/uploadedfiles/_site_root/products/literature/handbooks/cabasic-2980175.pdf 22

Σχήμα 3.9 Σχέση μεταξύ % απόδοσης καύσης πετρελαίου και θερμοκρασίας απαερίων. Combustion Analysis Basics, http://www.tsi.com/uploadedfiles/_site_root/products/literature/handbooks/cabasic-2980175.pdf Σχήμα 3.10 Σχέση μεταξύ % απωλειών θερμότητας θερμοκρασιακής διαφοράς εισαγόμενου αέρα και απαερίων (για διάφορες τιμές % περιεκτικότητας CO 2 ). http://www.engineeringtoolbox.com/boiler-combustion-efficiency-d_271.html 23

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.