. --
Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I Ś L Ą S K I E J
PRACE HABILITACYJNE Nr 10
Ъ 2 > 5 0 \ G > Ą
ENERGETYKA
Nr 8
G L I W I C E 1961
I. W s t ę p . - ... 4
< II. B ila n s e m a s o w e p ie c a c e m e n t o w n i c z e g o ... 6
1. M a k s y m a ln a z a w a rt o ś ć C 0 2 w s p a lin a c h s u c h y c h . . . 6
2. P o w i e t r z e w n ik a j ą c e do u k ła d u p r z e z n ie sz c z e ln o śc i . . 7
3.' P i e r w ia s t e k w ę g la A nc w y p a la n y w s tru m ie n iu s p a lin . 8 4. S to s u n e k w z r o s t u ilo śc i s p a lin s p o w o d o w a n y d o p ły w e m p o w ie t r z a s z k o d l i w e g o ...10
5. U d z i a ł o b ję t o ś c io w y [C O .,]s d w u t le n k u w ę g la w s p a lin a c h su c h y c h s p o w o d o w a n y r o z k ła d e m w ę g la n ó w w p ie c u . . 11
6. S to s u n e k X n a d m ia r u p o w ie t r z a w p r o c e s ie s p a la n ia . 16 7. Z u ż y c ie p a l i w a w p ie c u c e m e n to w n ic z y m . . . . 19
III. B ila n s e n e rg e ty c z n y p ie c a c e m e n to w n ic z e g o . ; . . 22
IV . K o n t r o la p r o c e s u p ie c o w e g o w w a r u n k a c h e k s p lo a ta c y jn y c h . 30 V . P r z y k ła d y z a s to s o w a n ia m e to d y k o n t r o l i ... 35
1. P i e c s z y b o w y ... 35
2. P ie c o b r o t o w y ... 36
V I. W n i o s k i ...39
L i t e r a t u r a ...41
S y m b o l e ...44 S p i s t r e ś c i
POLITECHNIKA ŚLĄSKA
ZESZYTY NAUKOWE Nr 47
J O Z E F F O L W A R C ;
? b 3 5 ' 0 й
KONTROLA P R O C E Sr^
WYPALANIA KLINKIERU CEMENTOWEGO
P R A C A H A B I L I T A C Y J N A
Data otwarcia przemodu habilitacyjnego 9. V. 1961 r.
G L I W I C E 1961
4
R E D A K T O R Z E S Z Y T Ó W N A U K O W Y C H P O L I T E C H N I K I S L Ą S K I E J
Andrzej Grossman
AX i i j / d
Oddano do w y k . 28. V II. 1961Г. N-12 N akład S00+30 egz.
A rk u szy druku 3*‘/i« Pap. o ffs e t o w y k l.V 61X86, 70 g. Z a m ó w ie n ie nr 983 Z akład P ro d u k c ji P om oc y N a u k ow yc h P o lite c h n ik i Ś lą s k ie j w G liw ic a c h
_________ ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
Nr 47 Energetyka z . 8
JÓZEP FOLWARCZNY
Katedra T e o r ii Maszyn Cieplnych KONTROLA PROCESU WYPALANIA KLINKIERU
CEMENTOWEGO
S treszczen ie: W pracy t e j autor wprowadza uogól
nioną metodę, k o n tro li procesu spalania opartą o ^ analizę średniej próbki sp alin . Is to ta tego uogól
n ien ia polega na wprowadzeniu p o jęcia maksymalnej zawartości C02 w spalinach suchych - Kopt procesu.
Znana powszechnie wielkość charakterystyczna p a li- wa kmax (maksymalna zawartość С0г w spalinach su
chych po spaleniu zupełnym i całkowitym przy sto
sunku nadmiaru powietrza A *» 1) je s t szczególnym przypadkiem wprowadzonego tu p o jęcia ogólnego.
Kopt procesu może być większe lub mniejsze od krnax.
Pierwszy przypadek zachodzi, jeżeli procesowi spa
la n ia towarzyszy proces rozkładu węglanów (p ie ce cementownicze, wapienniki i in n e ). Drugi przypadek, to procesy, w których zachodzi spalanie niecałko
w ite (różne piece przemysłowe, szczególn ie koksow
nie,, w których proces odgazowania węgla je s t przy
padkiem spalania n ieca łk o w itego).
W niektórych przypadkach, a do takich należy piec cementowniczy, wielkość Kopt pozwala o b li
czyć sprawność termiczną pieca. Autor opracował szczegółowo metodę k o n tro li procesu cementownicze- go i przystosował ją do potrzeb .eksploatacyjnych.
N in iejs za metoda pozwala prowadzić kontrolę rucho
wą procesu cementowniczego na podstawie składu objętościowego spalin suchych, kmax paliwa i udziału kilogramowego g dwutlenku węgla w surow
cu bezwodnymo
4 Józef Folwarczny
I , WSTĘP
Półproduktem w wytwarzania cementu je s t k lin k ie r wypa- lany w piecach cementowniczych a surowca mineralnego doprowadzonego do pieca w p o staci mączki. Głównym skła
dnikiem surowca są węglany. W piecu takim zachodzi sze- reg r e a k c ji chemicznych, a wśród nich reakcja rozkładu węglanów* Proces chemiczny wytwarzania k lin k ieru je s t procesem emdotermicznya. Potrzebne c ie p ło doprowadza się przez spalanie w piecu paliw a. W procesie piecowym bez
wodnik kwasu węglowego pochodzący z suroca miesza s ię z gazowymi produktami spalaniae Zawartość C02 w s p a li
nach charakteryzuje więc w rozważanym przypadku n ie t y l ko spalanie paliw a, le c z także przebieg procesu techno*»
lo giczn ego .
Ekonomiczna eksploatacja pieca cementowniczego nie je s t możliwa bez kontrolowania procesu piecowego. Opra
cowanie odpowiedniej metody badawczej je s t celem t e j pracy. Metoda ta opiera s ię na analizach średnich pró
bek suchych produktów gazowych, na sk ładzie elementar
nym paliwa i na sk ła d zie chemicznym surowca, Dó rucho
wej k o n tro li procesu piecowego wystarczy znać skład sp alin suchych, rodzaj używanego paliwa i u d zia ł k ilo gramowy C0Z w surowcu bezwodnym.
I s t n ie je szereg p u b lik a c ji poświęconych badaniom cieplnym pieców cementowniczych. W ostatnich latach po
ja w iło s ię k ilk a artykułów dotyczących wykorzystania a n a lizy sp alin do o b lic ze n ia jednostkowego zużycia c ie p ła . Brachth&user K.[2] wyprowadził wzór na jednostkowe zużycie c ie p ła w piecu opalanym pyłem węglowymi. Wzór ten n ie uwzględnia spalania lotnego koksiku, który może występować w strumieniu sp a lin , W przypadku spalania całkowitego i zupełnego'1' wzór ten pozwala o b liczyć chwi
lową wartość jednostkowego zużycia paliwa pod warunkiem, że układ pieca cementowniczego d z ia ła w stan ie równowa
g i term icznej i masowej oraz pod warunkiem, że pobrana
1)Spalanie oałkowite je s t wtedy, gdy n ie ma palnych c z ę ś c i stałych w produktach spalania. W przypadku spa
la n ia zupełnego n ie ma palnych gazów w produktach spa
la n ia .
Kontrola procesu wypalania klin k ieru ••• 5
próbka spalin określa średni w danej ch w ili skład spalin w kanale dymowym. Odpowiednikiem tego wzoru w n in ie j
szej pracy je s t równanie (20b) po założeniu, że popiół zawarty w p a liw ie n ie powiększa masy wytwarzanego k lin kieru , Eigen H, [3] , Linnhoff P, [7] wykorzystują skład spalin do wyznaczenia zużycia c ie p ła w szybowych piecach cementowniczych opalańych koksem.
N in iejsza metoda k o n tro li procesu spalania niezupełnego i m e całkowitego wykor zystu j e średnią w czasie próbkę spalin i może być użyta tak do badań pieców obrotowych jak i szybowych przy użyciu jakiegokolw iek paliwa, Wy
ją te k stanowią piece cementownioze [9] stosujące wapno palone do wypalania k lin k ieru . Pobieranie próbki spalin w cza sie kilku godzin pozwala na stosowanie t e j metody w warunkach ruchowych, gd zie stan równowagi termicznej i masowej w ścisłym znaczeniu tych słów rzadke występu
j e ,
W niejednym przsTiadku jednostkowe zużycie cie p ła może być zmniejszone przez ograniczenie zbędnych stra t cieplnych. Dlatego autor t e j pracy przeprowadził pełną a n alizę procesu cieplnego pieca cementowniczego. Zamia
rem autora było dostarczenie zainteresowanym użytkowni
kom prostego narzędzia do śledzenia sprawności i poszcze
gólnych s tra t cieplnych pieców cementowniczych.
6 Józef Folwarczny
I I . BILANSE MASOWE PIECA CEMENTOWNICZEGO
11,1« Maksymalna zawartość COą w spalinach suchych W procesie wypalania k lin k ieru cementowego dwutlenek węgla występujący w spalinach pochodzi ze spalania p a li
wa i z rozkładu węglanów występujących w mączce. Ilo ś ć paliwa spalanego w piecu oraz ilo ś ć mączki doprowadza
nej do pieca pozostają do s ie b ie w pewnym stosunku. Dla określonej w ielk o ści tego stosunku można więc mówić © maksymalnej zawartości [C02]w spalinach suchych, która w ystąpiłaby przy spalaniu zupełnym i całkowitym i przy stosunku nadmiaru powietrza A = 1. Charakterystyczna ta w ielkość oznaczona w pracy symbolem Kopt za leży od w ielk o ś c i kmax paliwa [8 ]г\ zawartości węglanów wf mączce i od stosunku i l o ś c i paliwa do i l o ś c i surowca.
J e ż e li snany je s t skład spalin suchych, to maksymal
ną zawartość dwutlenku węgla (K procesu) o b lic za s ię z równania;
[COJ + [CO] + [chJ
к - «8--- ---i--- 100 (1)
100+||(| [GOJ Ą [ E ^ +2 [CH ] - [Cgl) - [H j - [Og]
Zawartość [COg] równą К otrzymuje s ię z rze czy w is tej próbki sp alin po założeniu, że zo sta ły dopalone palne składniki gazowe i usunięto powietrze nadmiarowe. W szczególnym przypadku, gdy spalin y są produktem spala
nia całkowitego (n ie ma w strumieniu spalin lotnego
kokśiku ani sadzy) z równania (1 ) otrzymuje s ię К я K0pt*
Należy więc odróżnić К procesu od K0^. procesu.
Kontrola procesu wypalania klin k ieru . . . 7
II® 2, Powietrze wnikające do układu przez n ieszczeln o ści N ieszczeln ości kanałów dymowych, w których panuje pod
c iś n ie n ie , są przyczyną powiększania s ię i l o ś c i spa
li n na drodze przepływu. Skutkiem dopływu powietrza szkodliwego rośn ie też zawartość tlenu i azotu w s p a li
nach suchych. Po równoczesnym pobraniu średnich próbek spalin w miejscu a i b oraz po dokonaniu a n alizy tych próbek można na podstawie bilansu tlenu lub azotu w yliczyć ilo ś ć powietrza szkodliwego dopływającego do spalin na rozważanym odcinku ich d ro g i. Zgodnie z ozna
czeniami na załączonym schemacie (r y s .1 ) punkt a może być p r z y ję ty w przekroju A lub B, zaś punkt b w przekroju В lub C,
Bilans tlenu przeprowadzony n iż e j dotyczy 100 kmoli spalin w miejscu a , przy czym spaliny przepływają w kierunku od a do b. Bilans ten dotyczy tych przypad
ków, gd zie w punkcie b n ie ma innych palnych gazów prócz tlenku węgla.
V/ równaniu tym ( n” s s )v oznacza ilo ś ć spalin suchych w miejscu b
(n" s A - 100+^ nL -1- 5[H2 ]a- 2[ CH4]a - ° * 5<
Występująca w powyższym równaniu wielkość 4[C0] j e3t tą częścią [с0^» która na drodze a-b n ie u le g ła spa
leniu i która w rozrzedzonych spalinach w miejscu b decyduje o w ielk o ści [CÓ^
[co2]b + l [ c o ] b + [ o J b
--- ^ --- ss^b
(2)
(4)
8 Józef Folwarczny
Z równań (3 ) i (4 ) wyznacza s ię w ielkość 4[C 0]a 2 [CO] 4n
d[C 0]a = D[C0Jb + Ш ' ~ т ъ (5 )
W równaniu tym występuje w ielkość
D 200 - 1 Ы * - * K 1 . - К
D ~ 200 - [C0]b ^
Wyprowadzeniu symbolu D ułatw ia dalsze przekształcenia.
Rozwiązanie układu równań ( 2 ) , (3 ) i (4 ) daje wzór
Jn . 10°t И г У [°2] a4 Ыа " j™Ją)
2оо=ТсоТъС [°°г 1 ь + [° г ]ь +г [с01ъ^-21
100-1, 5 [нг] а. 2 Гсн 4 ] а 4 [со]а+ 4 [со] ь)([сог] ь+[ог]ь 4 [с°] ь) 25§^5 ^t [со2]ь + [оД+ 1 [оо]ь) . 21
__________ kmol powB_________ (7 ) 100 kmol spalin w miejscu a
Wielkość Azij można te ż wyznaczyć w sposób analogiczny z bilansu azoru.
& g b( 100-1,5 Ęh2] a-2 [CH4] a4 [c o ]a^ 4 [C0]b )- 1 00 [H2] , 79- [ NJ b 200^ '° fcó ] (8 )
^ nLs r,T i 200
Oba wzory na Jn^ dają identyczne wyniki liczbowe*
I I . 3. Pierw iastek węgla Лп„ dopalany w strumieniu sp alin
Przyjmuje s ię , że niespalony w ęgiel s ta ły je s t produk
tem doskonałego odgazowania paliwa w piecu, je s t więc czyśtym pierwiastkiem węgla* W strumieniu spalin może
Kontrola procesu wypalania klin kieru . . . 9
s ię też znajdować lotn y p o p iół, co n ie ma znaczenia dla prowadzonych rozważań.
Wielkość К obliczona z równania (1 ) maleje w miarę dopalania s ię sta łego pierwiastka węgla w strumieniu sp alin . Gdyby dopalania n ie było ( z powodu braku palnych c zę ś c i stałych w spalinach) wielkość ta byłaby niezmien
ną i oznaczałaby K Qpt procesu,,
Z d e f i n i c j i К wynika związek między wielkościam i К i w rozważanych przekrojach kanałów dymowych.
Z równania tego widać, że graniczna wartość K^, gdy
<SnG-*-o© wynosi 21%. Jest to po prostu ктяу spala
nia pierwiastka węgla. Pomocnicza wielkość Q n^ w równa
niu (a ) przedstawia ilo ś ć k ilo a o li pierwiastka węgla przypadającą na 100 k ilo m o li suchych i beztlenowych ga
zowych produktów spalania zupełnego.
Wielkość je s t związana z w ielk o ścią pomocniczą 6 nc następującą zależnością?
(n "c ) a »[p 0 2] a + [C 0]a + [CH4] a kmol C/100 kmoli spalin suchych.
Z równań (a ) i (b ) w ylicza s ię szukaną wielkość in ^ .
Ka + < 4 (a )
A nQ ó
nc(b )
gdzieg
a
( 9 )
10 J ózef Folwarczny
Wielkość tę można również wyznaczyć z bilansu pierw ia
stka węgla bez korzystania z w ielk o ś c i К
Oba wzory dają identyczne wyniki liczbowe* Dogodniejszy je s t jednak wzór (9 )
II«4 o Stosunek wzrostu i l o ś c i spalin spowodowany dopły
wem powietrza szkodliwego
Ilo ś ć sp alin w miejscu b je s t większa od i l o ś c i sp alin w miejscu a , Wielkość stosunku
za le ży od
A
n, i od kon trakcji spowodowanej dopaleniem palnych częś ci1 gazowych. W równaniu (10) czas A T można tak dobrać, aby w mianowniku ułamka było 100 k ilo m o li spalin suchychlC = too +
+ 200 - [C 0]b " ^n’V a 2
A
nL(
10)
Cc)
wtedy
( * " Ss K A * - 100 ~ - 1,5 [H2]
| ( [C 0 ]a - ń [c o ] a ) « 2[CH4>
(d )
Kontrola procesu wydalania klin k ieru . . .
Po zastosowaniu równań ( 5 ) s ( e ) , (d ) w równaniu (10) otrzymuje s ię ostateczny wzór na stosunek wzorstu i l o ś c i spalin suchych
Ha podstawie i l o ś c i spalin w miejscu a stosunek 3 pozwala o b liczyć ilo ś ć spalin w miejscu b
11*5» U dział objętościow y dwutlenku węgla w spalinach suchych spowodowany rozkładem węgla
nów w piecu
W spalinach suchych występuje [CO^] % dwutlenku wę«=
g la , z czego część pochodzi ze spalania paliwa, a res zta z rozkładu węglanów występujących w surowcu
W równaniu tym indeksy p (p a liw o ) i s (surow iec) wska
zują na pochodzenie dwutlenku węgla0
J e ż e li rozważałoby s ię odrębnie spalanie niecałkow ite paliwa, to suche produkty spalania zupełnego charaktery
zowałyby s ię lic z b ą к . Liczby t e j n ie należy mylić z lic z b ą к * która dotyczy spalania całkowitego i zu=
(1 Oa) 200
(10Ь)
[C02] * [C02] p + [c o 2] s
12 Józef Folwarczny
Wielkość charakterystyczną К procesu piecowego można wyrazić za pomocą w ielk o ści к w następujący sp©~
sóbg
Wielkość pomocnicza S oznacza tę ilo ś ć k ilo m o łi dwu«=
tlenku węgla pochodzenia surowcowego, którą należałoby dodać do 100 k ilo m o li suchych i beztlenowych produktów spalania zupełnego i niecałkow itego, aby w powstałej mieszaninie było К % C0?. Między pomocniczą w ielk o ścią 3 i szukaną w ielk o ścią LC02j s zachodzi związek
Po skoajarzeniu ostatn ich dwóch równań można wyrazić poszukiwaną w ielkość [cOjJ s fcez P °słuS iwaRi a pomoc^
n ic zą w ielk o ścią 5
Równanie (11) n ie może być użyte do o b lic ze n ia wielkO“
ś c i [COg^ przed sprecyzowaniem w ielk o ści k, która dotyczy p lliw a spalanego niecałkow icie*
Wielkość kmax paliwa można w yliczyć na podstawie składu elementarnego paliwa lub te ż na podstawie składu objętościowego gazowych produktów spalania całkow itego0 W tym drugim przypadku otrzyma s ię w ielkość kmax więk“
szą n iż w przypadku pierwszym* j e ż e l i w skład paliwa wchodzi sia rk a . Dwutlenek s ia r k i występujący w produ
ktach spalania zo s ta je bowiem zaabsorbowany w aparacie Orsata razem z dwutlenkiem w ęglae Obie d rogi o b liczan ia kmax można uzgodnić przez wprowadzenie ekwiwalentnego udziału kilogramowego pierw iastka węgla w p a liw ie
(11)
° e s c + 3212 3
Kontrola procesu wypalania k lin k ieru . 13
Charakterystyczną wielkość к % o b lic z a s ię analogiczn ie
^шах ОЙ3' z tym, że uwzględnia s ię niecałkow ite spalanie pierwiastka węgla (indeks n c )0 Przyjmuje s i ę 9że pierw iastek s ia r k i spala s ię ca łk ow icie0
(1 - * ^ n( P e
■« 100 <12>
21 ^ns min^ nc + + ^1“ x ^ nC^e
W równaniu tym oznaczaj
( nn )o» 0 “ x ) s T§ 0 ~ x ) kmol/kg - ekwiwa-
® ° 6 nc ic lentną ilo ś ć k ilo m o li spalonego pierwiastka w ęgla ,
(n^) - (n * )
x ж __ 0 e^ C e nc stopień niecałkow itego spalania, ( v 7
(n g т^п) пс kmol/kg - minimalne zapotrzebowanie tlenu do spalania niecałkow itego,
nN2 a — kmol/kg - azot doprowadzany z paliwem
o , kmol 0o
(ns min^nc 3 ( 1 " x ) Tg + "4 “ 32 * Składniki elementarne paliw stałych i ciekłych zwykło się oznaczać literam is c, h, s, o, n, p, w (pierw iastek węgla, wodór, siarka, tle n , azo t, p o p ió ł, w ilg o ć ).
Oznaczenia te zo eta ły również użyte w n in ie js z e j pracy.
Po uwzględnieniu wyżej podanych w ielk o ści w równaniu (12 ) wielkość к można wyrazić wzorem
100
100 E (12a)
21 1 - x 3)C z .II , s t r 0 249.
—
H _____________ J ó ze f PoIwarсzny
w którym zastosowano skrót
B , г з А - , . ) ^ (1 3 )
e
Po podstawieniu x = 0 w równaniu (12a) otrzymuje s i * k m ax*
100 max 100 „
-Ś T + E
(12b)
stąd
w Ю0 Ю0
kma* < « a )
Stosunek x niecałkow itego spalania można też o trzy mać d z ie lą c ilo ś ć k ilo m o li pierw iastka węgla, który n ie u le g ł spaleniu przez całkow itą ilo ś ć k ilo m o li pierwia*- stka węgla doprowadzanego w p a liw ie do p ie ca 0 Stosunek ten określa równanie
a g - T c a J B ♦ ^ C1« )
Po wprowadzeniu równań (12a) i ( t 4 ) do równania (11) otrzymuje s ię zależność
[c o 2] s к ф * E )(n g - [o o 2] s ) . к г ^ (o " - [o o 2] e)+
♦ п « { к ( * 8 ) - 1 0 ° } (a g -[0 0 2] s )
Kontrola procesu wypalania klin k ieru 0oo 15
która wiąże szukaną wielkość z wielkościam i wyznaczonymi już poprzednio. Równanfe powyższe je s t rów
naniem kwadrat owym, ma zatem dwa rozwiązania,, Jednym z rozwiązań je s t ЕсоЛ s n£e W piecu opalanym paliwem, w którego skład wchodzi pierw iastek węgla, równość taka
za istn ieć n ie może® Szukać- należy więc drugiego rozw ią- zaniae J e ż e li zatem [cOglg £ n£ powyższe równanie upra=
szcza s ię i pozwala wyznaczyć poszukiwany u d zia ł obję
tościowy dwutlenku węgla pochodzenia surowcowego
r R -TT + E) K - 10°ln? + к E d n „
[сог] з = -L- 2-1- . --- £ (15, +■ E) К
Równanie to daje wyniki za małe, j e ż e l i dopalanie l o t nego koksiku n ie zostało zakończone w odcinku drogi spa
l i n , na którym wyznaczono A n n , Po uwzględnieniu za leż
ności (13a) równanie (I5)przy^m uje postać
r 21 П” (К - k ) + Ап„ К (21 - k )
Г>п 1 _ . v_ max7 С 4 max'
1- 2-1 s “ 21 К 100 - k---- )--- 100 шах
(15а)
Równanie (15a) może być te ż wykorzystane w bada
niach procesu spalania w piecach przemysłowych,w których [GOJ as 0. Wówczas w przypadkach spalania niecałkow ite
go К = k i za pomocą równania (15а) można w yliczyć ilo ś ć k ilo m o li pierwiastka węgla unoszonego w strumieniu spalin w lotnym koksiku
21 n" (k - k) С 4 max '
Wielkość k o b licza s ię z równania (1 ) na podstawie a n a lizy średniej próbki sp alin w badanym miejscu kanałów dymowych*
16 J ózef Folwarczny
Ostatni wzór może byó te ż u żyty przy badaniach pro~
cesu koksowniczego, gdyż procss ten można uważać za szczególn y przypadek spalania niezupełnego i niecałkow i- tego o
Ново Stosunek Л nadmiaru pow ietrza w procesie spala- n ia
Z każdego kilograma paliwa doprowadzanego do pieca powstaje (n " _ ) £>S p k ilo m o li sp alin suchych
, „ , 100 ( 1 - i i ( t e ) ( а . Л * { “ 2) p + ( c o tP ♦ { 4ip
W ielkości { i ) p oznaczają i l o ś c i k ilo m o li danego składnika w 100 kilomolach sp alin suchych powstałych przy niecałkowitym spalaniu samego paliw a0 Liczbow®
w artości tych w ielk o ś c i są równe udziałom objętościowym składników wyrażonym w procentach0 Nawiasy podwójne z o sta ły użyte dla odróżnienia udziałów objętościowych w suchych spalinach powstałych z paliwa od udziałów
objętościowych stwierdzonych aparatem 0rsatap
W suchych produktach gazowych niecałkow itego spala~
n ia paliwa u d zia ł dwutlenku węgla wynosi , л [ c o J - [CO ] w
W p “ 1 0 0 <•>
Pozostałe u d zia ły objętościow e o b lic z a s ię z# wzoru
w
"М р s 100 - CcoJ",
wstawiając w m iejsce i odpowiednie składniki spalin suchych o
Kontrola ргосезц wypalania klin kieru 0<>0 17
Stosunek A nadmiaru powietrza^otrzymuje s ię d zielą c ilo ś ć doprowadzanego pow ietrza nL przez minimalne aa*»
potrzebowanie powietrza n^miił „ ilo ś ć powietrza doprc wadjsanego wyznaczyć można z bilansu pierw iastka azotu
Mininalne zapotrzebowanie powietrza o b licza s ię na podto stawie rownan stecłiiometrycznych palnych pierwiastków i składu elementarnego paliwa.
D zieląc stronami równanie (17) przez (18) otrzymuje się seukany stosunek nadmiaru powietrza
W równaniu tym występuje ilo ś ć (a " ) spalin suchych powstała po niecałkowitym spaleniuSjidnego kilograma paliwa, Z równania (16) wynika, że wielkość (n " ) je s t funkcją stosunku niecałkowitego spalania x? P Widać stąd0 że chcąc o k re ślić stosunek A w miejscu a trzeba pobrać średnie próbki spalin w miejscach a i b dla wyznaczenia stosunku niecałkowitego spalania x za pomocą równań ( 9 ) , (14) , (15)о M iejsce poboru b próbki spalin powinno być obrane tam, gd zie już n ie ma palnych czę ś c i stałych w spalinach. J e ż e li do równania (19 ) wprowadzi s ię równania ( 9 ) , (1 3 ), (13a), (1 4 ), (15),
28 * ° » 79 nL я T5o { Иг }р K s } p stąd
21 М2 ł 4 ° 32
18 J ózef Folwarczny
„ 4 ft (1 6 ), ( e ) i ( f ) oraz oznaczenie pomocnicze V * £■“ ) , to wzór na stosunek A przyjm ie następującą postać c’e
(19а)
Wielkość V oznacza stosunek i l o ś c i k ilo m o li azotu zawar
tego w p a liw ie do ekwiwalentnej i l o ś c i k ilo m o li pierw ia
stka węgla. Przy zawartości azotu w p a liw ie rzędu n =« 0,01 w ielkość V można s k r e ś lić w równaniu (1 9 a), gdyż ma ona znikomy wpływ na stosunek nadmiaru powietrza
A , W takim przypadku ostan i wzór upraszcza s ię do pos
t a c i
И a Ka(Kb * 21)
Л а = п^а Т К а » 21) H 0 0 " - ,Kb ) KąCKh - 21)(100 - ^ X) n" a ( Ka " 21)(100 - 1^)
Л а “ 100 - (1 + V) k max
Z pełną ś c is ło ś c ią wzór ten je s t słuszny dla V = 0„
J e ż e li przez przekrój a przepływają produkty spa~
la n ia całkow itego, to Kft ■ * Ko p te stosunek nadmiaru powietrza określa s ię po ustaleniu składu spa
l i n ty lk o w badanym przekroju kanałów dymowych, Stosu»
nek nadmiaru powietrza dla przypadku spalania całkowi
tego o b lic z a s ię więc za pomocą równania
A " '«fi <100 5 % t > 0 9 0 ) Najmniejsza wartość stosunku A występuje w piecu samym, a następnie stosunek ten rośnie w miarę dopływu powie~
trz a szkodliwego.
Kontrola procesu wypalania k lin k ieru 000 19
IIo7> Zużycie paliwa w piecu cementowniczym
Zużycie paliwa w piecu można scharakteryzować wslcaź“
nikiem z, który je s t ilorazem i l o ś c i paliwa m kg/h i i l o ś c i produkowanego klin kieru kg/h p
m m
z ® — § (20)
Si
\ l
O bliczenie tego wskaźnika opiera s ię na wynikach pomia
rowych. Przyjmuje s ię przy tym, że powstały k lin k ie r je s t produktem wyprażania pewnej i l o ś c i m* surowca (mączki bezwodnej) i czę ś c i popiołu doprowaflzanego z paliwem. Przyjmuje s ię , że y(mfi ? ) popiołu zawartego w p a liw ie wchodzi do klin kieru ? a (1 - y)(m s p) ucho
d z i w strumieniu spalin wraz z lotnym koksikSem* Przy tym założeniu
“ k la \ lm + y P rap
K lin k ier oznaczony indeksem m powstał po wyprażeniu тй kg/h suroca bezwodnego
Ш
« й » «>
Symbolem g oznaczono u d ział kilogramowy С0„ w ęiącgce bezwodnej * Z powyższego równania można o k re ślić ilo ś ć mączki, która u le g ła wyprażeniu?
20 Józef Folwarczny
I lo ś ć k ilo m o li C09 » jaka powstaje skutkiem prażenia surowca otrzymuje s ię po podzielen iu i l o ś c i kilogramów tego związku przez jego masę drobinową
/ .. /.jk __ . ...й л g 1 ( 21)
(n002 >s - 4 l - y p mp> T l ^ I ) 44
W równaniu (21 ) uwzględniono poprzednio podane zależn o»
ś c i e
Ilo ś ć k ilo m o li dwutlenku węgla pochodzenia surowco
wego można też o k re ś lić za pomocą i l o ś c i spalin suchych opuszczających układ pieca
(n^0 ) * - (n * ) * ( g )
2 s 33 100
Ilo ś ć sp alin suchych występującą w tym równaniu można o k re ś lić z bilansu pierw iastka węgla
, лж ce as
as (^лл ^ 4f о
< 4 . ) - - f f i y ‘ 100 (b ) Porównując prawe strony równań (21 ) i ( g ) otrzymuje s ię inny wzór do o b lic z e n ia i l o ś c i sp alin suchych
( 4 . ) “ - ( - Ł - * * Л ? ,
(
22)
Równanie (20) po zastosowaniu równań (2 1 ), ( g ) i (h ) sprowadza s ię do postaci
* * °e ■■ 1- 8 " ... TCŻ,1. (20a) У 12 44 S n” ♦ J n j - [002] s
Kontrola procesu wypalania, klin k ieru 000 2 1
Równanie to pozwala w yliczyć wielkość wskaźnika z zu
życia paliwa na kilogram k lin k ie ru 0 Po wprowadzeniu do powyższej zależn o ści równań (9 ) i (15) oraz uwzględnie
niu, że К. » К . otrzymuje s ię inną postać wyrażenia na wskaźnik zużycia paliwa
z = 1 - S ' vont masr C20b>
y p + r c ~ (100 - b J к 4 o p t' max
Z równania powyższego można korzystać wtedy, gdy pobrana średnia próbka sp alin dotyczy spalania całkow itego.
J e ż e li znana je s t ilo ś ć produkowanego klin k ieru m?L kg/h to po ustaleniu wskaźnika z łatwo można o k reślić ilo ś ć zużywanego paliwa
m* - z (20c)
U stalen ie i l o ś c i klin kieru nu, metodą ważenia n ie nastręcza większych trudności w przypadku ustalonych warunków d zia ła n ia pieca cementowniczego# W czasie ek sp lo a ta cji warunki te u leg a ją pewnym wahaniom, które mogą zostać zniwelowane przez odpowiednie wydłużenie cza- su trwania pomiaru0
22 J ózef Folwarczny
I I I , BILANS ENERGETYCZNY PIECA CEMENTOWNICZEGO
Rysunek 2 przedstawia schemat bilansowy układu pieca cementowniczego a zaznaczeniem poszczególnych i l o ś c i e n e rg ii przypadających na 1 kg paliwa® Energię chemiczną paliwa wyrażono za pomocą w artości opałowej \v» kcal/kgя Nadwyżkę e n ta lp ii beżwzgłęflnei 1 kilograma k lin k ieru i
innych produktów rozkładu surowca suchego (wody krysta
l i zacyjn ej i C O .) nad en ta lp ią bezwzględną t e j i l o ś c i mączki suchej, jaka je s t potrzebna do uzyskania 1 kg k lin k ieru , oznaczono symbolem q,c.., ц « Przez mączkę su*
chą rozumieć n ależy surowiec n ie pozbawiony wody krysta- li z a c y jn e j« Tak wartość opałowa W. :ak i cie p ło R eakcji chemicznej dotyczą temperatury normalnej >oko.o 20°C) i c iś n ie n ia normalnego, W obu przypadkach woda występująca w produktach r e a k c ji znajduje się w ia z ie gazow ej.
Wartość opałowa 11, wyznaczana kalorym etrycznie je s t związana z© składem elementarnym paliwa,-. J e ż e li wartość opałową w yrazi s ię za pomocą formuły Dulong a, to można dojść do związku między w artością opałową i charaktery**- styczną w ielk o ścią paliw a ki7iftY
H'd , 8100 с + 29000 (h - -§-■) + 2500 s - 600 w Po wprowadzeniu do tego równania ekwiwalentnego udziału kilogramowego węgla w p a liw ie с ~ o +^32 s i po
stosowaniu równań (13) i (1 3 a ), 'wartoac opałową można o k re ś lić wzorem?
257000 - 4 1 ДО к
_ ____ J2Ź£ .. [537 s + 91В n + 600 wj
(23) Wielkość w nawiasie dla paliw używanych w cementownie- ,
tw ie stanowi około 0*5% w artości opałowej., Nie popełni s ię zatem dużego błędu j e ż e l i , przy określaniu n^rtosw opLoweJ za p « o c ą i e , , pominie sM wpljw s ia r - k i azotu i w ilg o c i*
V/d ж e e k . .m a s
Kontrola procesu wypalania k lin k ieru . . . 23
W » © A r n a — (23a)
d e к___
W konkretnym przypadku, gdy znana je s t an aliza elementar
na paliwa i wartość opałowa, wzór (23a) można skorygować tak, aby podawał ś c is łą wielkość w artości opałowej. Za
b ieg ta k i je s t konieczny przy paliwach ciekłych, gd zie użyta wyżej formuł 'Dulons a niezbyt dokłaunie określa
WcXX O S O O p c lX Q d
ITadwyżko. u nergii chemicznej klin kieru nad energią chemiczną mączki suchej wymaga również b liższeg o omówie
nia*
Il.zu r Strassen [Ю] podaje wzór, który pozwala o b li- czyć tę wielko ;ć w oparciu o dokładne an alizy chemiczne substratów i produktów procesu cementowniczego^', Stosowa
n ie tego wzoru w n in ie js z e j metodzie l.o n tro li procesu spalania n ie je s t dogodne. Badania zur Strassen"a będą tu wykorzystane do przybliżonego określen ia w ielk o ści 4cilP^łstawową reakcją endotermiczną w procesie cementów- niczym je s t reakcja d y s o c ja c ji węglanu wapnia. Ciepło d y s o c ja c ji węglanu wapnia (w zię te z pracy [10J ) wynosi 422. kcal/kg CaCO^, W piecu wapienniczym odpowiednikiem q je s t cie p ło q , , kcal/ kg wapna palonego.
Wielkość ta za le ży odcSk!idu surowca doprowadzanego do wapiennikao Po założeniu, że surowiec ten je s t mieszani
ną mechaniczną chemicznie czystego węglanu wapnia i che
micznie obojętnych minerałów, wielkość określa wzórs
л __S.. a mU, яваиг «« *•* "* 1 1 ’ 1 111 "
qch wp ” 0,44 1“ g 1-8 ^g wapna p a l.
(24) Wielkość g » jak i poprzednio, oznacza u d zia ł k ilo g ra mowy C0p w surowcu bezwodnym. Teoretycznie u d zia ł ten może się zmieniać w granicach od zera9 gdy n ie na węgla--»
nu wapnia w surowcu do 0„44э gdy.surowcem je s t chemicz
n ie czysty węglan wapnia0
24 J ózef Folwarczny
Proces cementowniczy tyn s ię różn i od omówionego pro
cesu wytwarzania wapna palonego, że po endotermicznej r e a k c ji rozkładu węglanów następują egzotermiczne reakcje powstawania minerałów k lin k ieru * Składniki mineralne to warzyszące węglanowi wapnia w surowcu nie są w ięc,che
micznie obojętne.
Dlatego cie p ło q . , , je s t mniejsze od qfih przy t e j samej zawartości dwutlenku węgla w surowcu bezwodnym Podobnie jak q . v również nadwyżka e n e rg ii chemicznej q za leży оси uSziału kilogramowego g , 0 zależności
? ej^wiadomo, że w skrajnym przypadku, gdy g = 0,44, w ielkość q , , osiągnęłaby wartość największą. Zamiast k lin k ieru otrzymałoby sięwtym przypadku czyte wapno palone CaO, zatem
qch k l = 753,5 przy S 11 0,44
orednie w artości w zię te z trzech pomiarów podanych w pracy [10] wynoszą;
qch k l = 422 dla S = 0,342
;/ ten sposób w u kładzie q ^ g z o sta ły określone dwa punkty, przez które przecnodzi poszukiwana zależność ąchltl - f ( s ) . Zakłada s ię , że zależność ta wiąże s ię z równaniem (24) w następujący sposóbt
4ch k l ■ 959 r ^ T (a s + b) (25) Podane wyżej w artości szczególne pozwalają wyznaczyć z równania* (25) w ielk o ści pomocnicze
Kontrola procesu wypalania klin kieru . . . 25
Po wprowadzeniu tych w ielk o ści do równania (25) otrzymu
j e s ię wzór
qch k l s 959 u £ 0 ,5 6 6 g + 0,311) (25a)
ok reślający przybliżon ą wartość ciep ła r e a k c ji chemicz
nej powstawania klin kieru z mączki suchej. Wzór ten do
tyc zy tylk o w artości g wziętych z wąskiego przedziału (0 9342 - A g ) < g < (0 9342 + d g ) a Na rysunku 3 na podstawie równań (24) i (25) przedstawiono g r a fic z n ie c ie p ła re
a k c ji chemicznej q , . q , , , . 0 4eh wp i 4ch k l 0
Stosując oznaczenie podane na rysunku 2 bilan s c i e p l n y pieca znajdującego s ię w stanie równowagi term icz
nej wyraża wzór
V 4 1 *
(1 '■
“ oh k l + ЧГ +Substraty dopływają do pieca po p rzejściu wstępnych procesów technologicznych i posiadają temperaturę wyższą od temperatury otoczen ia» Nadwyżka e n ta lp ii substratów nad temperaturą otoczenia wynosi q1 kcal/kg paliwa i łą czn ie z w artością opałową paliwa stanowi energię dopro
wadzaną do układu pieca
Wielkość gż oznacza tzw0 stra tę żarzenia. Wielkość ta je s t nieco większa od udziału kilogramowego g 9 gdyż obejmuje wodę k ry sta liza cy jn ą obecną w mące suchej. Stra
ta żarzenia je s t parametrem charakteryzującym jakość surowca i dlatego wyznaczanie gż należy do codziennych obowiązków personelu kontrolującego przebieg ргосези technologicznego w cementownio
26 J ózef Folwarczny
W rÓY/naniu ( i ) przy i l o ś c i surowca zużywanego na 1 kg k lin k ieru zastosowano mnożnik k tóry je s t stosijfe- kiem nadmiaru mączki uwzględniającym s tra tę mączki s&ro- wej w strumieniu spalin* Zawartość w ilg o c i w surowcu wy
nosi wm kg HjO na kg mączki w ilg o tn e j«
W równaniu f26) p r z y ję to , że omówione wyżej zapotrze
bowanie c ie p ła q k l dotyczy tylk o t e j c z ę ś c i k lin kieru , która powstała iz surowca. Jednbstkowe cie p ło qch k l * powstałego k lin k ieru o k re śla ją wielkość cie p fa wykorzystanego u żytecznie w piebu
«Ц - - У P ) V k l (k ) Kolejną w ielk o ścią po prawej stro n ie równania b ila n su cieplnego je s t utajone c ie p ło parowania w ilg o c i wno
szonej do układu z surowcem
q r = 586 CC - V? —z(1 - g . ; 1-wS T 2 — (1 )
z m
Strata c ie p ła wylotowa je s t sumą s tr a ty wyraźnej i u ta jo n e j.
<L. = (n ” ) (Mc ) " ( t " - t o ) + - Ц т аШ >ГсСТ2“ s pv p p ' z (1 -g ż )L 1-w с + g.c + m PH„0 Sz PC02
•(ОС ( t " - t a )+ (1 -y )p o 4( t " - t o ) + [ ( n ” s ) p(I,lYa ) » +
>]
+ x c 8100 (m)
Ostatni człon równania (m) przedstawia s tra tę wylotową utajoną spowodowaną obecnością palnych gazów i lotnego koksiku w strumieniu sp a lin . W równaniu tym s tra tę wyraź
ną dwutlenku węgla pochodzenia surowcowego uwzględniono z pewnym nadmiarem mnożąc cie p ło właściwe с nr przez s tra tę żarzen ia g (n a le ż a ło pomnożyć przez5 2
odpowiedni u d zia ł kilogramowy dwutlenku węgla w mączce
Kontrola procesu wypalania klin kieru „ . ._______ 27
su ch ej)» Nie uwzględniono natomiast s tr a ty wyraźnej zwią
zanej z występującą w spalinach parą wody k r y s ta liz a c y j- n e j. Można p rzyjąć, że obie te n ie ś c is ło ś c i wzajemnie - s ię kompensują.
Wielkość q, , oznacza cie p ło zaakumulowane w k lin k ie rze d zięk i temu, że temperatura k lin k ieru opuszczają
cego piec cemnetowniczy je s t wyższa od temperatury oto
czenia
» k l -
\
° к 1 < * И - *о> W C iepło q stanowi stra tę c ie p ła na rzecz otoczenia.Wielkość ta może być obliczona, j e ż e l i znane są pozosta
łe w ielk o ści w równaniu (2 6 ).
Indeksy p, L, m, k l , ż , zo sta ły użyte przy ciepłach właściwych paliwa, powietrza, surowca (a ą c z k i), k lin k ie ru i popiołu. Wszystkie c ie p ła właściwe występujące w powyższych równaniach, rozumieć należy jako średnie war
to ś c i w danym zakresie temperatur.
Wielkość s tra t cieplnych można zmniejszyć przez za
stosowanie reg en era c ji c ie p ła . W takim przypadku ciep ło odpadkowe zo sta je częściowo wykorzystane do podgrzania substratów ( l i n i e przerywane na rysunku 2 ).
D zieląc stronami równanie (26) przez (W^ + q^) o trzy muje się
1 - V + Sr + EW + e k l + e O (26* )
W równaniu tym użyto następujących oznaczeń?
(7 - у p h ch k l
= --- - — — --- sprawność termiczna pieca,
qr - względna stra ta c ie p ła spowo- r~ W, + q1 dowana odparowaniem w ilg o c i
towarzyszącej surowcowi suche
mu,
га J ozef Folwarczny
Sr/ - względna stra ta wylotowa (wyraźna 1 u ta jon a ),
= ~— T T " ” względna s tr .'ta c ie p ła spowodowana wyższą od otoczenia temperaturą k lin k ieru ,
wd + q1 qk v/d + q1
wd + q1 q0
- względna stra ta c ie p ła na rzecz otoczen ia.Równanie (26) bilansu energetycznego można przekształ*
c ić do postaci
___________ 1
VT + q - (q +q +q.,+q ) (26b)
+ d 1 nw kl o y 4
у P
q ch k l
Równanie to ma analogiczną budowę jak równanie (20b), które 7/yraia tę samą w ielkość z . Przez skojarzenie rów
nania (20b) z równaniem (26b) dochodzi s ię do związku między ^0p^. w ielkościam i cieplnymi
Гя-ДД. c • ? ° h k l_____ 2 1 _ " | 100
L 3 e s V, И + q I100
rr L________ ___________ d___________d / P7 л opt " . 11 c 1-S ^ ch k l — Too K { )
d d max
Z równania tego widać, że K0pt je s t w ielk o ścią charak
teryzu jącą proces piecowy również pod względem cieplnym.
•Liczbowa wartość KQpt zależy wyraźnie od sprawności względnie od sumy s tra t cieplnych pieca. W najgorszym przypadku, ja k i można sobie wi^obrazić t j , przy sprawno
ś c i ^ а О, К przyjm ie wartość najmniejszą
F = к
' opt mm max
Kontrola procesu wypalania klin k ieru . . . _______ 29
Drugi skrajny przypadek з tanowi piec doskonały, którego sprawność je s t równa jed n ości. Przy takim założeniu z równania (27) otrzymuje s ię największą wartość w ielk ości K opt
L 3 e e " a _____ V qi J ( ZE) 'opt ш ■ , ~ Д 0 U g % n к1 * e_____100_
* 8 Bd « 4 ♦ «1 " ш ' Ze wzrostem sprawności pieca rośn ie więc optymalna za
wartość dwutlenku węgla w spalinach suchych od к ^ do
К'opt max *
2 równania (2C?b) widać, że wskaźnik zużycia paliwa .jest również fu n rcją sumy stra t cieplnych, Mnożąc wskaź
nik z przez cie p ło (V«d + q1) doprowadzane do układu pieca otrzymuje się jednostkowe zużycie e n e rg ii
q « z (V7 * q-j) kcal/kg klin k ieru (29) Po skojarzeniu równania (29) z równaniem (29t>) zużycie e n e rg ii można o k re ś lić wzorem
ioh В _ (30)
^ ^ch k l V * У * 7 T T “q
Przy n iew ielk ich zawartościach popiołu w p a liw ie i przy sprawnościach pieca 17 > 0*5 można zaniedbać wpływ po
piołu w obliczeniach zużycia cie p ła , q.
30 Józef Folwarczny
IV 0 KONTROLA PROCESU PIECOWEGO W WARUNKACH EKSPLOATAC YJNYCH
Wyprowadzone w porzednich rozdziałach wzory sąj przeznaczone do przeprowadzania bedań cieplnych pieców cfenentowniczych. Wzory te nożni wykorzystać toż d la umożliwienia łatw ej k o n tro li procesu piecowego w waran»
kach ruchowych.
Przez wprowadzenie równań (23a) i (25a) do równania (27) otrzymuje się wzór
(503,5 S + 100) к W 10011 + --- - Fax
К _ - 235 - 3*784 ^ а х *d - <h
°p t ~ ^ , .503,5 g + 100 Wd (31)
235 - 3,784 к
max W. +
z którego widać, że przy danym g i stosunku W7(W,+q1) K .. za le ży tylk o od sprawności pieca i od rodzaju pai I r M , t j 0 od kmax<3
Na rysunku 4 przedstawiono zależność К od spraw
ności rj p ieca , dla określonego rodzaju paSSwa i surow<=
ca„ Krzywe I , I I , I I I , i IV dotyczą tego samego surowca dla którego g « 0,3412 i czteiifech różnych paliw od к
« 21# do к x s 18 %e Zgodnie z równaniem (25a) dla!liax p r z y ję t e j w artości g cie p ło r e a k c ji chemicznej q ,
“ 420 kcal/kgo Krzywa V na rysunku 4 dotyczy zależno
ść i jednostkowego zużycia e n e rg ii q od sprawności
(równanie (3 0 )) dla t e j samej w artości q * 420kcalAg.
^ l i n i e VI i V II przedstaw iają ^eanostkowe zużycie e n e rg ii q dla mniejszych w artości c ie p ła reak
c j i chemicznej (400 i 380 kcal/kg k lin k ie r u )e Przy spo==
rządzaniu rysunku 4 przyjęto^ że stosunek q1/W,s 0,01э Przy wyznaczaniu zużycia e n e rg ii q p rz y ję to nadto,żc (У p W -0,008.
Kontrola procesu wypalania klin kieru oeo 31
Rysunek 4 może być użyty do ruchowej k o n tro li spraw
n ości i zużycia c ie p ła tych pieców cementowniczych (opa
lanych paliwem о к od 18 do 21 $ ), w których proces technologiczny wypalania k lin k ieru charakteryzuje s ię ciepłem r e a k c ji q ^ ^ = 420 kcal/kg i które spełnia
j ą również pozostałe założenia podane w yżej0 Korzystając z omawianego wykresu dla"pieców o innych danych charakte
rystycznych procesu otrzyma s ię sprawność pozom ą9 która różn i s ię od rzeczy w istej sprawności 770 Odczytaną z wykresu spravmość pozorną można skorygować przez zasto
sowanie odpowiednich poprawek i uzyskać w ten sposób rzeczyw istą sprawność q pieca obarczoną tylk o nieuniknio
nym błędem pomiarowyn0
Rozwiązując równanie (31) względem sprawności v o trzy muje s ię wzór
r> ^K0Pt I I * Łmax ц Н 5 0 3 ,5 Кд* 100) ^ г ) - Ko p t I I ^ 235 - 3>7S4
W równaniu tym l i t e r ą ę zastąpiono wyrażenie (1 + Wskaźnik I I oznacza, że równanie (32) zostało napisane dla krzywej I I w yciągn iętej pełną l i n i ą na rysunku 4«
J e ż e li tę krzywą u żyje s i* do wyznaczenia sprawności pieca, który nie spełnia wszystkich założeń omówionych poprzednio9 to tak wyznaczona spNMer^ść eyostoą>raamo&ią pozorną, obarczoną błędem» Sprawność rzeczyw istą ij można ob liczyć za pomocг równania (32) podstawiając w miejsce w ielk o ści oznaczonych indeksem I I w ielk o ści od nich ró ż
ne, n ie dotyczące t e j krzywej
( K0Dt - * 10° ) (32a)
V ~ (100 : Kcp t) ( 2 3 5 - 3 , 7 6 4 " ^ ) f
Różnica A między odpowiednimi wielkościam i równań (32a) i (32) je s t spowodowana przede wszystkim odmiennymi pa~
ranetrani technologioznymi (in n y rodzaj paliwa i surow
ca, inny stosunek ) , .a także błędem pomiarowym popełnionym przy wyznaczaniu К procesu. Sprawność pozorra tjn może być większa lutr mniejsza od sprawności rze czy w is tej określonej równaniem (32a ).
32 J ózef folwarczny
Zgodnie z równaniem (32a) sprawność 17 je s t funkcją czterech zmiennych. Różniczkę zupełną t e j fu n k cji wyra
ża wzor
*4 -( 3 P —)w
dK+(~Mdg+(*^3L..; dk +(“ *—)ćU> , .
3Kopt “ 3 s n max® max ^ (33)
Równanie (3 3 ) wiąże nieskończenie mały przyrost spraw
ności z nieskończenie małymi przyrostami zmiennych n ie
zależnych w osranym m iejscu. Ze względów praktycznych je s t celowe obranie tego m iejsca na krzywej I I , a róż
n ic z k i (nieskończenie małe p rzy ro sty) zastąpić wyżej wspomnianymi różnicami skończonymi J .
A V = Лк+(-|5Ц A
g+(«|^-) J к +(-|Ł)4>
' 3Ko p t и 3 s n max max \ %
(34) Różnica 477 dodana do sprawności pozornej odczytanej z wykresu daje sprawność rzeczyw istą badanego pieca
V ’ V n ' * V ( 35 ,
stąd
Analogiczne równania o k re śla ją ró żn ice występujące po prawej stro n ie równania (3 4 ):
4K * К . - К . тт opt opt I I Л g = s - n1T
A ę - <> - f i u
Kontrola procesu wypalania klin k ieru . . . _______33
Jak widać z równania (34) różnica Ar) między sprawnością rzeczyw istą i sprawnością pozorną składa s ię z 4-ch skład ników. Można więc napisać
Poszczególne składniki poprawki sprawności można o b li
czyć z następujących wzorów
V / równaniach tych występują odpowiednie pochodne cząstko
we sprawności dla punktów leżących na krzywej I I *
Ha rysunku 5 przedstawiono w artości poprawek o b li
czone za pomocą wyżej podanych równań (36) dla obranych w artości К Suma poprawek składowych wprowadzona do równania (3*$ pozwala skorygować pozorną sprawność t)u do sprawności rzeczy w istej Ц «
Wyznaczenie g i к z dużą dokładnością n ie je s t trudne.- Również stosunek dla każdego pieca może być określony z wystarczającą dokładnością. 0 dokład
ności n in ie js z e j metody wyznaczania sprawności pieca cementowniczego decyduje więc przede wszystkim dokładność wyznaczenia w ielk o ści ^opt II procesu» która je s t pod- stawą wyznaczeniu pozornej sprawności i)n z krzywej I I . J e ż e li w szczególnym przypadku^wielkość Kopt jestr ftów- na wyznaczonej pomiarem w ielk o ści X0pt IX * wtedy^H** 0 i ( Ar) ) K = 0. Różnica А К je s t więc ś c iś le związana
Ar) = ( A y
) k+(Ar/
)g +(Ar)
+ (Ar) )
^ (34a)( A r ) ) K
(36)
max
34 J ózef Folwarczny
tylk o z błędem pomiarowyni« Błąd ten może być popełniony przy poborze próbki sp alin i przy wykonaniu a n a lizy . Ujemne w artości А К są spowodowane głównie poborem prób
k i sp alin w m iejscu, gd zie spalin y są produktami spala
n ia n iecałkow itego» Natomiast dodał, t e w artości А К są spowodowane tylk o błędami pobozu i a n a lizy próbki spalin.
Z rysunku 5a widać wpływ dokładności wyznaczenia Kop^
procesu na dokładność określenia sprawności p ie ca „
Posługując s i§ rysunkiem 4 i wykresami poprawek spraw- n ości można wyznaczyć sprawność jakiegokolw iek pieca ce
mentownio zego, j e ż e l i znany je s t skład sp alin suchych, rodzaj paliwa i u d zia ł kilogramowy g dwutlenku węgla w surowcu bezwodnyma
Kontrola procesu wypalania klin kieru эо. 35
V. PRZYKŁAD Z ZASTOSOWANIA METODY KOIITROLI
7 .1 . Piec szybowy
Można tu przytoczyć przykład wyznaczenia sprawności pieca i zużycia energii oparty o dane z lite r a t u r y .
H.Eigen [3J podaje.pozycje bilansu energetycznego dla szybowego pieca cementowniczego i skład dwóch, próbek spalin suchych opuszczających ten p ie c . Maksymalna zawar
tość dwutlenku węgla w spalinach obliczona wg równania (1 ) wynosi К 0pt ц = 40,4 dla jednego z dwóch podanych składów sp alin . Paliwem b ył koks. Ciepło r e a k c ji chemicz- nej q chkl = 373 kcal/kg. Niską wartość q c№ autor
[3 ] tłumaczy niską zawartością CaO i wysoką zawartością Si02 w k lin k ie r z e . V/ piecu tym stwierdzono jednostkpwe zużycie e n e rg ii q == 697 kcal/kg. Sprawność pieca wynosi
ła więc r)»0 j5 3 5 /równo(3 0 )/ .
Na pocfstawie rysunku 3 podanej w artości q od
powiada g=0,322. Dla koksu można przyjąć k max = 20,6-.
Z danych tych wynika, że
A g m - 0,019
Ак a + o , *6/
max i
Pozorna wartość spravmości rjn odczytana z krzywej I I (r y s e4) wynosi
Vll
s °»57Poprawki sprawności odczytuje s ię z r y s . 5
( Arj )g - - 0,02 ( Alj ) k- - 0 ,0 0 9
36 J ózef Folwarczny
Pozostałych dwóch poprawek n ie można wyznaczyć z powodu braku odnośnych danych w cytowanym artyku le. Uwzględnia
ją c tylk o dwie wyżej określone poprawki sprawność pieca w yniesie
rj - 0,541
Drugi skład spalin podany przez Eigen^a (d la spalin ro z
rzedzonych powietrzem szkodliwym) pozwala o b lic syć K opt.n 3 40j8o Ponieważ oba składy sp alin dotyczą tego samego procesu, rozbieżność świadczy o pewnym big®
d zie w pobraniu próbki lub przy^wykonywaniu a n a liz y 0 Dla tego przypadku skorygowana sprawność wynosi « 0955o
Zużycie e n e rg ii odczytane z krzywej V II ( r y s 04) dla
*7 - 0S54 wynosi
q « 7 0 0 koal/kg
Uzyskaną zgodność wyników można uważać za bardzo dobrą zwiaszcza9- że przy wyznaczaniu sprawności pieca z a n a li
zy sp alin n ie uwzględniono poprawki ze względu na spala
n ie n ieca łk ow ite, a ta k ie w piecach szybowych występuje0
У'ь^о P ies obrotowy
W cementownictwie stosowany je s t między innymi układ przedstawiony na r y s 0 10 Spaliny opuszczające piec obro- tówy kierowane są do k o tła bezpaleniskowego0 Układ tak i daje możliwość wykorzystania e n ta lp ii spalin odlotowych0
W piecu obrotowym sp alin y i wypalana masa przemie
szcza ją s ię w przećiwprąd z i e <, Mączka surowa po zwilżę®
niu i zgranulowaniu na ta le rzu obrotowym doprowadzana je s t do pieca w sąsiedztw ie przekroju oznaczonego l i t e r ą A „ Układ przedstawiony na r y s 0 1 b ył przedmiotem badan cieplnych w ramach jednej z magisterskich prac dyplomo®
wych wykonanych w Katedrze T e o r ii Maszyn Cieplnych na Wydziale Mechaniczno-Snergetycznym P o lite c h n ik i Ś lą sk iej W pracy t e j była użyta omawiana metoda k o n tro li procesu piecowego0 Przydatność t e j metody do badań -cieplnych pieców cementowniczych potwierdza uzyskana w j e j p ie r wszym zastosowaniu zgodność bilansów energetycznych pie®
Kontrola procesu wypalania k lin k ieru oao 37
«за i kotła oezpaleniskowego, Przeprowadzone były tr z y pomiary podczas .jednej doby. Czas trwania jednego pomia
ru wynosił około 3 godzin. Można tu p r z y t o c z y ć niektóre w yniki§
Pomiar I I I I I I
Кopt 27,3 27,1 28c4
Stosunek nad
miaru powietrza A w miejscu A
(rysunek 1)
0,74 0,64 0,69
Sprawność pieca
V 0,17 0,165 0,20
Zużycie e n e rg ii
q kcal/kg k l «2400 2Ш0
Energia zużyta w układzie pieca cementowniczego stanowi około połowy w artości podanych w yżej, a re s zta była wykorzystana częściowo w k o tle bezpaleniskowym (r y s0 1)
Pierwszy pomiar b ył wykonany przed południem, drugi po południu, t r z e c i zaś w nocy. Piec b ył regulowany ręc z- n ie . Mniejsze zużycie en e rg ii podczas pomiaru trzec ieg o pochodzi stąd, że w nocy mniejsze było zapotrzebowanie pary wytwarzanej w k o tle i palacz ogran iczył dopływ py~
łu węglowego do pieca»
Na rys„1 zaznaczono sondę, która umożliwiała pobie- ranie próbki spalin z miejsca A przy końcu pieca właś
ciwego, przed pierwszymi nieszczelnościam i,, Sonda ta by
ła chłodzona wodą (o b ieg wody graw itacyjny) i umożliwia
ła we wspomnianych badaniach cieplnych pomiar temperatu
r y spalin opuszczających piec właściwy„ Zasto . «аы-- "ft k ie j sondy pozwala na kontrolę nadmiaru powietrza w p ie
cu. Ruchową kontrolę procesu spalania można jednak rea
lizować i wtedy, gdy n ie ma możliwości pobierania próbki spalin z pieca właściwego.
Z ryso 4 widać, że im większe Kopt , tym mniejsze jednostkowe zużycie en e rg ii q9 tym ekonomiczniejsza eksplowatacja pieca cementowniozego0 Wielkość Kopt przy danym p a liw ie i surowcu za leży od stanu techniczne
go pieca, od szczeln ości kanałów dymowych i od i l o ś c i paliwa doprowadzanego do palnika0 Ilieszceln oa ci kanałów
38 Józef Folwarczny
dymowych za piecem ( r y s e1) powodują często niedomiar powietrza ( Я < “5) w piecu obrotowym» co pomniejsza ilo ś ć c ie p ła wywiązanego w piecu i tym samym ilo ś ć wypalanego klinkieru® Paliw o» które n ie może zostać u tlenione w p ie cu z powodu niedomiaru powietrza donala się wtedy, gdy strumień sp alin zetknie się z powietrzem wnikającym do kanałów dymowych przez n ie s z c z e ln o ś c i0 P iec cementowni*»
czy powinien być eksploatowany w ten sposób» aby n ie było dopalania paliwa poza piecem właściwym,, Ciepło r e a k c ji chemicznej dopalania paliwa poza piecem może być wykorzystane w k o tle bezpaleniskowym» j e ż e l i ilo ś ć po
w ietrza wnikającego przez n ie szczeln o ś ci odpowiada zapo- trzebowaniu powietrza do r e a k c ji dopałania3 N ie s zc ze l
ności kanałów dymowych bywają jednak tak dotkliw e» że c ie p ło r e a k c ji chemicznej dopalania n ie wystarcza do podgrzania powietrza szkodliwego do temperatury spalin.
V / takim przypadku temperatura między wylotem z pieca i dolotem do k o tła spada skutkiem mieszania s ię spalin z chłodnym powietrzem szkodliwym. W tym przypadku paliwo dopalane za piecem je s t stracone tak dla procesu pieco~
wego, jak i dla procesu wytwarzania pary w k o tle bez- paleniskowym.
Dokładność wyników k o n tro li spalania za le ży m„ine od dokładności pobrania i wykonania a n a liz y próbki spalin,, Należy tu taj p o d k reślić, że n ie można posługiwać s ię po
jedynczymi, chwilowymi próbkami, le c z próbkami średnimi w c z a s ie0 Katedra T e o r ii Maszyn Cieplnych P o lite c h n ik i b lą s k ie j posiada prototyp aspiratora suchego, który był u żyty do pobierania średnich próbek Lpalin we wspomnia
nych badaniach cieplnych pieca obrotowego^ Przyrząd ten wykonany wg pomysłu autora n in ie js z e j pracy umożliwia równoczesny pobór dwóch różnych próbek sp alin w czasie kilKu godzin. J e ż e li n ie można pobrać średn iej próbki za pomocą takiego przyrządu^ to należy wykonać szereg a n a liz chwilowych próbek spalin i u s ta lić 3kład średni.
Do tego celu należy obrać ta k ie m iejsce na drodze spalin g d zie spalin y są już produktami spalania zupełnego i c a ł
kowitego 9 nps przekrój С na rys 1„ A n alizy chwilowych próbek sp alin aparatem Orsata w takim przypadku spro
wadzałyby s ię do stw ierdzenia zawartości C02 » 02 i ewentualnie CO. Średni skład z w ielu a n a liz próbek chwi
lowych może w podanych wzorach zastąpić skład próbki średn iej pobranej aspiratorem0 W tym przypadku należy jednak lic z y ć s ię ze znacznym błędem pomiarowym ( r y s .5a ).
Kontrola procesu wypalania klin k ieru ooo «39
VIo WNIOSKI
1/ Opracowana metoda je s t metodą ogólną, gdyż obejmu
j e wszystkie typy pieców cementowniczych n ie za leżn ie od rodzaju używanego surowca i paliwa i w ielk o ści en ergii
pochodzącej ze wstępnych procesów technologicznych*
Jedyny wyjątek stanowią piece zużywające wapno palone do wytwarzania k lin k ieru . Metoda ta dotyczy również procesu wypalania wapna w wapiennikach* Oba procesy tech nologicz
ne (cementowniczy i wapienniczy) ró żn ią s ię bowiem tylko w ielk o ścią c ie p ła r e a k c ji chemicznej /równanie (25a) i
(24 )/, Nie załączono tu opracowania wykreślonego dla wa
pienników, gdyż n ie je s t to przedmiotem n in ie js z e j pracy.
Większość wyprowadzonych wzorów może byó użyta do ba
dań cieplnych, w których zachodzi zjawisko n iecałkow ite
go spalania* Do t e j £r upy procesów cieplnych może być włączony również proces koksowniczy*
2/ Wprowadzone do rozwazań p o ję c ie maksymalnej zawar
to ś c i dwutlenku w^gla w spalinach K 0pt procesu je s t lic z b ą charakteryzującą proces technologiczny pod wzglę
dem cieplnym i je s t podstawową w ielk o ścią £0 ob liczan ia sprawności oraz jednostkowego zużycia e n e rg ii q (r y s „4 )*
n ie w ie lk i wpływ pozostałych parametrów technologicznych jak rodzaj paliwa, surowca, stosunek e n e rg ii do war
to ś c i opałowej uwzględniony je s t za pomocą odpowiednich poprawek ( r y s » 5 ) c, Każdy proces technologiczny wytwarza
n ia k lin k ieru cechuje wielkość K0ptmax“ największa opty
malna zawartość C02 w spalinach suchych /równ9(2 8 )/ e 3/ Ruchowa kontrola procesu cementowniczego sprowadza s ię do pobrania średniej próbki sp alin , o b liczen ia К procesu z równania (1 ) i odczytania z rysunku 4 sprawno-»
ś c i rj i jednostkowego zużycia e n e rg ii q « Poprawki sprawności, (4 r ? )g , ( A17 ^ , ( Ar) )p (ry s *5 ) dla konkret
nej cementowni są praktycznie s ta łe , j e ż e l i n ie zmienia s ię rodzaju paliwa i surowca.
4/ Pobieranie próbki spalin średniej w czasie należy wykonywać w miejscu, gd zie spaliny są produktami spalania całkow itego, a n ie u le g ły jeszcze rozrzedzeniu powietrzem szkodliwym® Znaczne rozrzedzenie spalin powietrzem szkod
liwym powoduje uw iełokrotnienie błędu wykonania an alizy spalin*
40 Józef Folwarczny
5/ Przy dokładnych badaniach należy próbkę spalin pobierać przez dłuższy щ W sposób c ią g ły 9 aby unieza- le ż n ie wyniki badań od chwilowych odchyłek stanu pieca od stanu równowagi term icznej i masowej 0 Chwilowe $ po je-=
dyócze próbki sp alin mogą być wykorzystane tylk o do ba=>
dań orientacyjnych,,
6/ Pełna an aliza procesu cieplnego przeprowadzona w t e j рге-'у pozwala wyznaczyć w ielk o ści poszczególnych względnych s tr a t cieplnych. I s t n ie ją piece o n is k ie j sprawności,, Rozpoznanie w ielk o ś c i poszczególnych s tra t je s t warunkiem koniecznym wprowadzenia odpowiednich usprawnień prowadzących do podwyższenia sprawności pieca
7/ Ze względu na prostotę n in ie js z e j metody upowszech n ie n ie k o n tro li procesu wypalania k lin k ieru cementowego je s t możliwe0 W niejednym przypadku kontrola taka pozwo
l i w łatwy sposób uzyskać znaczne k o rzyści ekonomiczne0 Możliwości poprawy ekonomii procesu są oczywiste,, j e ż e l i chodzi o piec przedstawiony na r y s 01 i omówiony w roz~
d z ia le V .2. n in ie js z e j pracy.
Kontrola procesu wypalania klin k ieru . . . 41
L I T E R A T U R A
M I.Abrsnds, W .C iesliń ski: Technologia cementu, B. i Ae Warszawa, 1956*
K.Brachthauser; Ableitung ein er Formel zur rechne- rischen Ermittlung des W&rmeverbrauches von Semen- td f en aus der Abgasanalyse, Tonind. Ztg. 1956, 371, [3] H.Elgenj Auswertung der Abgasanalyse des Koksbeheiz-
ten Zementschachtofens, Radex Rundschau 195S, s t r . 277 - 281.
[4] II.Eigem Grundlagen der W&rmephysik des Zement
schachtof ens, Zement, Kalk Gips, 1960, s t r . 458-466.
[
5]
II.Eigen: E in flu ss der Klinkervorkuhlung im Zenent- drehofen auf den W&rneverbrauch, - Zement Kalle Gips, 1960, s t r . 226 - 229..[6] H.Ktihl; Zement Chemie - Ver la g Technik, B erlin 1951»
[7] F.Lin n h off: Vereinfachte Berecimung des V/&rmever- brauches leoksbeheizter ZementschachtSfen aus der Abgasanalyse - Zement Kalk Gips, 1959.
[8] StiOchęduszko; Teoria Haszyn Cieplnych ( c z ę ś ć , I I ) , PWT W-wa, 1953.
[9] -J.Wuhrer; W irtsch a ftlich e und verfahrenstechnische Probleme beim ISrenaen vom Pcrtlandklink-ir aut Brandkł.1±., Zement Eaik (łips. 1560, str,- " 8 U l $2.
[10] H« zur Strasaens Der theoretische W&rmebedarf des Zementbrandes, Zement Kalk Gips, 1957, s t r , 1 - 11.
