Cementfabriek op de Nederlandse Antillen

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

Ic)

ç;e.~.!.

~

~I!t.e.R..e.glA.

...

~

..

;e.f.l.Y:'~~:I.

•..

L~/~ç

~ onderwerp;

...

C.f.l'!l,NT..1!fI:a~iE/(

...

O'., ...

.,.E.

...

~

...

N.E.1).nLA.N1is..E.~

.

..

.

I!JNr.ll.t.E.N..t.

[ 1 L~

Technische Hogeschool Delft

Laboratorium voor Chemische Technologie

Fabrieksvoorontwerp:

11 CEMENTFABRIEK OP DE NEDERLANDSE AN'l'ILLEN.!I

I . r-'

Samengesteld en geschreven door:

C.R.· Emerencia _{E.H. van de L'Isle}

Zocherweg 19 Lisztstraat 161

Delft. Delft.

n

l.

r

:

['

I

r:

I .

r .

r~ I I , ,

~l

~

l

n

,.,

I

l . Voorwoord

Dit fabrieksvoorontwerp is een voortzetting op de eerder geschreven scriptie over de mogelijkheden van een cement-fabriek op de Nederlandse Antillen (Lit.1).

De meest reêle brandmethode zal volgens ons zijn die m.b.v. een lange roteeroven, gezien de moeilijkheden die te

verwachten zijn bij het produceren van voldoende stevige granules die vereist zijn bij de schachtoven.

Met de vestiging van een moderne cementfabriek wordt in

ieder geval een stap gezet in de richting van ons streven,t.w.: a. het vestigen van importvervangende industrie die een

produkt aflevert dat tegemoet komt aan de tot nu toe geldende specificaties;

b. het scheppen van werkgelegenheid.

Wij beperken ons tot het doorrekenen van de roteeroven en

de koeler. Essentiëel hierbij is een verdere uitdieping van het proces in de oven alvorens tot een dimensionering ervan te kunnen komen. Wij hebben getracht de berekeningen in zo nauw mogelijke samenwerking met literatuurgegevens

(theoretische en praktische) uit te voeren.

Hetzelfde geldt voor de globale economische beschouwingen, hoewel wij hierbij slechts over cijfers van 1964 beschikken. Niettemin hebben ,.,rij een indicatie gegeven waaraan de cement-fabriek zou moeten voldoen om omstreeks 1978 in ieder geval concurrerend te kunnen opereren.

Delft, september 1973.

L

r'

l • r • , ' l . l ,

n

'1

\ J

l.

I

-.i-, Inhoudsopgave blz. 1. Inleiding . . • . • . • . 1.1. De cementfabriek.

·

.

.

·

. . .

·

. ·

.

• •

·

.

·

.

1 3 3 1.2. Grondstoffen • • .

·

. · .

.

.

· . . .

2. Warmte-berekeningen. • • • • • . • . • . • • . • • • • 9 2.1. Inleiding . . • . . • . • . . • • • • • . . • • • •

9

2.2. Overall warm~e-balans . . • . . . • . • . • . • . 13

2.2.1. Theoretisch warmteverbruik voor

2.3.

2.4.

klinkervorming . . • . . • . • • . . . • • • 14 2.2.2. Meegevoerde warmte door rookgassen en stof.16 2.2.3. Radiatie-verliezen.. • . • . 17 2.2.4. Olieverbruik. • . . . • . • . . . • • . 18 Balans over de koeler.

. . . .

_•

. . .

20 2.3.1. Inleiding.

.

.

·

_·

· · · ·

_{· ·}

· · ·

.

.

20 2.3.2. De lucht- en warmtestromen in de koeler •.. 23 De vlam-temperatuur.

. · · ·

_•

· · · .

28 2.4.1. Inleiding.

. .

· ·

_{· ·}

_·

_{· ·}

_·

_{· ·}

· ·

_•

.

28 2.4.2. De theoretische vlam-temperatuur.

.

. .

.

.

29 2.5. De beschikbare en vereiste hoeveelheden

high-grade en low-grade warmte . . . . • . . • • . 31 2.5.1. De Low-Grade zone . . . . • . • • • • • • . 32 2.5.2. De High-Grade zone . • . • • • • . • . • • • 33 2.5.3. Interne verliezen. • • . . • . • . . • 34 2.6. Controle op de verbranding: de samenstelling

van de rookgassen. • . • • • • • . . • • • • 35 3. Dimensioneringenj verblijf tijden. . • .. 37 3.1. De lange roteeroven. • • • . . . • . . .. 37 3.1.1. Dimensies. • . . . . • • • . . . 37 3.1.2. Verblijf tijd van het materiaal. • • • • 43 3.2. De Transport-Roosterkoeler • . • • • • • • • . • • 44

-,

-11 l . 1 -I- I ,

-

l-U

o

" _{: 1} LJ r 1

LJ

D

J

~i

I

ut

l

'

~

I1

~

J

[

1

~1

, i , .

l

~

l.

L

r

r

1-. l:

f

'

l • , , • 1

n

l j \ 1 n

I :

-- ----~ -ii-Inhoudsopgave ( vervolg ): blz. 4. Globale economische beschouwingen. . • • • • . . . • . 47

4.1. Berekening van de grondstoffenhoeveelheid . • . . . 47 4.2. Berekening van olie-, energie- en waterverbruiken.48

4.3. Kostenberekeningen . .

. .

. . . .

• • • • • • • • 48

L

L

L

L

r

r

t

'

r

.

r

I

[

:

r ' I I f ., l

I

I :

1

·-1

~

1

.

I

~l

~l

n

-1-1. Inleiding.

Voor wat betreft het ontwerp van een cementfabriek voor de Nederlandse Antillen kunnen we de volgende randvoorwaarden stellen (zie ook Lit. 1):

a. als cementsoort wordt Portlandcement (P.C.) gefabriceerd; de samenstelling van de grondstoffen is zodanig dat het fabriceren van het alom bekende P.C. zeer wel mogelijk is; het betreft voornamelijk type I;

b. het droge proces wordt toegepast; gezien de· aard van de grondstoffen (droog) en de waterprijzen (hoog) komt alleen het droge procédé in aanmerking; binnen het kader van de droge procesvoering kan men nog kiezen tussen het volledige droge proces en het semi-droge proces; bij het

eerstge-noemde proces zijn gangbaar de lange roteer oven en S.W.T. oven en bij het semi-droge proces de Lepol- en Schacht oven of Fluïde bed; de Lepol- en S.W.T.-oven en het Fluïde bed vallen buiten beschouwing omdat de eerste twee gebruikt worden voor erg grote capaciteiten die op de Antillen niet te doen zijn en het Fluïde bed nog in de kinder-schoenen staat.

c. de produktie is 100.000 ton cement per jaar; het totale cementverbruik op de Ned. Antillen was ongeveer 78.000 ton per jaar in 1970 en volgens berichten uit de Antillen zijn de verwachtingen voor 1974-1978 gunstig te noemen; derhalve wordt een geschatte produktie in de nabije toekomst van 100.000 ton per jaar reëel geacht.

L

r~ ! r

-i.

r

n

n

r

I J r - - - - -

-2-De uiteindlijke keuze van het type brandoven geschiedt op

basis van het vergelijken van de voor- en nadelen van de

schachtoven t.o.v. de lange roteeroven.

De voordelen van de schachtoven zijn:

- lagere investering (ca. 20% lager);

- lager brandstofverbruik (ca. 15% lager);

- lager energieverbruik (ca. 10-12% lager);

De nadelen van de schachtoven zijn:

- frequentere bedrijfsstoringen bij topcapaciteit;

3

- hoger waterverbruik (0,5-0,7 m /ton cement meer);

Bij de sChachtoven is er meer bedieningspersoneel nodig, 50

vergeleken met 40. Zij het gering, betekent dit meer

werkgelegenheid.

Op grond van bovengegeven vergelijking zouden W1J tot de

keuze van een schachtoven moeten komen.

Bij nadere oriëntering blijkt echter dat de kans erg groot is

dat de grondstoffen op de Antillen zich niet lenen voor het

produceren van granules die noodzakelijk zijn voor het

brand-proces in de schachtoven. Het schachtovenbedrijf wordt ook

meestal daar ingezet 1-'laar klei beschikbaar is.

In ons geval vallen de granules direct uiteen zodra ze in de

top van de schachtoven worden gebracht; dit zou leiden tot

verstopping, hogere drukval en uitdoving van de vlam.

Dit laatste leidt ons tot de conclusie dat een

=-=:J 4

r->4J6

7

4

2

Fig.l. Schematische weergave van een cementfabriek:

- - - J

1.breekmolen; 2.jacobsladder; 3.classificeerder; 4.maalmolen; 5.cycloon; 6.ventilator; 7.lange

roteeroven; 8.transport-roosterkoeler; 9.trans-portband; lO.klinkersilo's; 11.gipssilo's;

12.cementmolen; 13.jacobsladder; 14.classifi~

ceerder; 15.cementsilo's.

K= kalksteen; L= leisteen;

v=

cement verpakt in zakken; 0= cement onverpakt ("bulk") .

J

=-:J

---' =--:.J. ::=:J c:=J c=J c=J C l

./>..J

_9

10

13"

1

- 0

~~V

c::=:J c-.J [ ~ ~- ] .---,

c--::

[~J

r:=-:

( 1 I , . l • \ l.

r

'

[ . r • r ' l ,

[1

I-I l J -3-1.1. De cementfabriek.

De cementfabriek in z'n totaliteit bestaat uit diverse onderdelen, zoals breek- en maalmolens, roteeroven, koeler cycloon, ventilatoren, etc.

Een overzicht van de plaats van elk onderdeel in de fabriek wordt schematisch weergegeven in Fig.l. Het betreft hier een mogelijke cementfabriek, vanwege het bestaan van verschillende installaties voor het uitvoeren van de diverse functies in de fabriek. Welke installatie uiteindelijk ingezet zal worden bij de eventuele verwezenlijking van een cementfabriek op de Antillen, zal voornamelijk afhangen van de technische en economische voordelen die de ene installatie biedt t.o.v. de andere.

In het onderhavig fabrieksvoorontwerp beperken wij ons tot berekeningen aangaande de lange roteeroven en de transport-roosterkoeler, die in de fabriek een centrale plaats innemen. Onze keuze viel op de transport-roosterkoeler i.p.v. de

planeten- of de trommelkoeler, vanwege de grotere efficiency die bij deze koeler te verwachten is. Bovendien is dit de koeler die tegenwoordig de meeste toepassing vindt.

Alvorens we overgaan tot de verschillende warmteberekeningen

_.

(waaronder de diverse balansen vallen, Hfdst.2) zullen we de condities omtrent de voeding (=grondstoffenmengsel) vastleggen.

1.2. Grondstoffen.

f

f' [ . ( . r ! l , \' I L J

r

j j

n

n

n

• f L J

-4-(leisteen), waarvan de samenstellingen in onderstaande tabel zijn weergegeven (Lit.12).

Tabel 1. Samenstellingen van kalksteen en leisteen.

Component Kalksteen Leisteen

v n v n gloeiverlies 42,9 7,3 SiO 0,3 0,5 61,7 66,5 2 Al 0 0,6 1,0 15,4 16,6 2 3 Fe 0 0,2 0,4 7,0 7,5 2 3 CaO 55,8 97,7 1,8 1,9 v= vóór verhitten MgO 0,2 0,3 2,2 2,lj n= na verhitten SO 0,2 0,3 2,2 2,4 3 Na 0 0,2 0,3 1,2 1,3 2 K 0 0,0 0,1 1,1 1,2 2 Cl

-

-

-

-P 0

-

-

-

-2 5

x-co

titre 98,2

-

2,7

-3 rest

-

-

0,2 0,2

Eén van de methoden om de mengverhouding van de twee grond-stoffen te bepalen is gebaseerd op de formule van Michaelis (Lit.2), die luidt:

•

u

[ .

l

f .

l

r

l . r' l , r~ I I l J ' l I I L j 11 I I l j

r

kalksteen leisteen =

-5-n •. s - c cl - n.sl

waarin s= aantal delen silicaat in het leisteen(Si02+A1203+Fe203

c=

_"

_"

kalk

_"

_"

( CaO)

"

"

silicaat

_"

kalkst. (Si02+A1203+Fe203

"

"

kalk

_"

_{" (CaO)}

n= hydraulische modulus; deze variëert tussen 1,7

en 2,4 en dient als maatstaf voor het beoordelen van de samenstelling van cement.

De waarden van de verschillende componenten van de grondstoffen ingevuld in bovenstaande vergelijking voor n= 2,2, levert:

kalksteen

leisteen

=

2

5

2.84,1 - 1,8

5

,8 - 2,2.1,1

= 183,22

_53,38

=

3,44 1

Dit houdt in dat voor het verkrijgen van een goede

meng-verhouding 3,44 delen kalksteen op elk deel leisteen vereist

zijn. Jl1et deze mengverhouding wordt de samenstelling van

de voeding voor de oven bepaald. Deze gegevens staan vermeld in Tabel 2.

Aan de hand van de verschillende moduli kunnen we beoordelen of het P.C. aan de gestelde kwaliteitseisen voldoet.

De waarde van de hydraulische modulus n=2,2, hebben wij aan-genomen om de mengverhouding te bepalen.

Bepaling van de kalkstandaard K.

fl L~ [

.

l ,

( .

r'

I , r' r ' I ( I . r . I

I

r , r , ( , I ( J rl , I r

1

, ) ['] : I l 1

n

rl I I • I ) I I r~ I - - - - _ . -6-100. 67,18 K= 2,8. 21,73 + 1,1. 5,99 + 0,7. 2~ = 97,3

Aan de hand van deze gevonden waarde van K= 97,3 kunnen we stellen dat we hier met een hoogwaardig (K= 95 à 98) P.c. te maken hebben.

Tabel 2. Gegevens over de samenstelling van de voeding voor de lange roteeroven

3,44 dl 1 dl 4,44 dl 1 dl 1 dl K L M M Mg SiO ₂ 1,032 61,7 62,732 14,13 21,73 Al 203 2,064 15,4 17,464 3,9 5,99 Fe203 0,688 7,0 17,688 1,73 2,66 CaO 192,0 1,8 193,8 43,7 67 , 18 t1g0 0,688 2 ,2 2,888 0,65 1,00 S03 0,688 2,2 2,888 0,65 1,00 Na20 0,688 1,2 1,888 0,425 0,65 K20

-

1,1 1,1 0,248 0,38 rest

-

0,2 0,2 0,041 0,07 gloei-verlies 148,0 7,3 153,3 35,05

-K= kalksteen; L= leisteen; M= mengsel; Mg= mengsel gloei-verliesvrijjdl= delen uitgedrukt in procenten.

Bepaling van de silicaatmodulus S.M.

: 21,73

5,99

+

2,66

: 2,51

Deze waarde van S.M.: 2,51 ligt binnen de grenzen (1,8 à 3,4) voor P.C .

r " I ( l _ r '

r '

L

r ,

, I

-.7 -.

Bepaling van de aluminaat-modulus A.M.

=

~'gg

_,

= 2 25

,

Deze waarde voor het Aluminaatgehalte van 2,25 ligt ook binnen de gestelde eisen (A.M.= 1,5 à 2,5) voor P.C. Bepaling van de kiezelzuur-modulus K.M.

Ook deze waarde van K.M.=3,63 ligt binnen de grenzen (3 à4) voor P.C.

Gezien de verschillende moduli kunnen we stellen dat met de gegeven voeding een goede kwaliteitstype P.C. is te verwachten. Volgens Keil (Lit.3) kunnenye de gehalten aan de verschillende

klinkerfasen berekenen, die uiteindelijk he~edrag van het

P.C. bepalen.

Berekening van de klinkerfasen (in procenten). A1 203

(voor F

°

~ 0,64 )

e 2 3

C3S = 4,071.CaO 7,600.Si02 6,718.A1203 1,430.Fe203 2,85 2S03 = 4,071.67,18 7,6.21,73 6,718.5,99

-- 1,43.2,66 -- 2,852.1,00 = 62,53 •

C2 S = 2,867. Si02 - 0,75 44 . C3S = 2,867.21,73 - 0,7544.62,53=

=

15,5 .

66-[

_-,

.:

r I r , I l j (1 1 i l J i1 I l J

f;

.

l ,

l I - - -

-

-8-=

11,43 • C4AF

=

3,043.Fe203

=

3,043.2,66

=

8,10 •

Bepaling van de hoeveelheid voeding om 1 kg. klinker te produceren.

In het grondstoffenmengsel (= voeding) zit:

43,7% Ca0U143,7 x 100 = 78,1% CaC0 3 (./') 78,1 x 44 = 34,3% C02.

50

IOo

0,65% Mgoc.n0,65 x 84

=

1,36% MgC0₃(./") 1,36 x 44

=

_{0,71% CO 2 .}

1fö

B1f

Dit houdt in dat er 35% aan CO 2 uit het grondstoffenmengsel verdreven wordt. Uitgaande van 0% gebonden water kunnen we

dan stellen dat theoretisch er 1

=

1,54 kg.

1 - 0,35

voeding nodig is om lkg. klinker te produceren.

In de praktijk ligt de verhouding: 1,55 à 1,60 kg. voeding per kg. klinker, aangezien er meer materiaalverliezen (o.a.

-door meevoering van stofdeeltjes door de rookgassen) optreden. Het produceren van 100DOO ton cement per jaar (randvoorwaarde c) komt neer op een produktie van 12,5 ton klinker per uur

=

300 ton klinker per dag. Dit vereist dus aan voeding:

lJ

;

l~

,

l

~

[

:

[

~

~

1

;

l

l j

.

n

r'

I

: !

-9-2. Warmte-berekeningen. 2.1. Inleiding.

Van de lange roteeroven, die in de cementfabriek een centrale

plaats inneemt, kunnen we

4

functies onderscheiden:

- een mechanische transporteur van het materiaal; - een chemische reactor;

- een verbrandingskamer; - een warmtewisselaar.

De huidige stand der techniek is zodanig dat er nauwelijks

verbeteringen zijn aan te brengen m.b.t. de eerste 3 functies.

Functie 4 staat echter nog open voor diverse verbeteringen. Globaal kunnen we stellen dat in de roteeroven het grond-stoffen-mengsel omgevormd moet worden tot klinker, m.b.v. chemische reacties waarvoor er warmte vereist is. Deze warmte wordt geleverd door verbranding van olie met lucht. De oJstane warmte moet overgedragen worden aan het materiaal.

In het algemeen verdeelt men het droge proces in de oven

in 3 stappen die het materiaal moet ondergaan alvorens als

klinker de oven te verlaten:

1. het voorverwarmen; het materiaal wordt opgewarmd tot

ongeveer 800

°c,

waarbij calcinering optreedt van het

MgC03·

2. de calcinering; hierbij vindt het grootste gedeelte plaats van de CO 2-uitdrij ving (uit het CaC03 ) en begint de

lJ

r . r •

l

i

n

n

l

I~ -

-10-vorming van de nieuwe fasen. Het materiaal wordt verder

opgewarmd en bij ongeveer 1025 °c is alle CO 2 uitgedreven.

3.

het klinkervormingsproces, dat verloopt tot de

klinker-o

temperatuur van 1420 C.

In tabel 3 staan de verschillende reacties die plaats vinden.

Tabel 3. Schema van het reactieverloop van de klinkervorming.

(Li t. 7 )

Tussen 650 en 1050 °C:

I _{A1 20 3·2Si02 ·2H2O} + 5 caC0 3- - S -CA + 2C 2S + 2H20 + 5C0 2

11 Fe203 + 2CaC0 3

e::=-

C2F + 2C0 2

111 C + 02 t::>- CO 2 IV _{Si0 2} + _{2CaC0 3}

c:::--

C₂S + 2C02 V CaC0 3

r;::::....

CaO + CO2 Tussen 1250 en 1450 °C: VI C2F + CA + CaO [:::>s C4 AF VII CA + 2CaO [::::;xr C₃A

VIII C2S + CaO

E?:mz

C3S

De voor de verschillende reacties tijdens het calcineren

en klinkervormingsproces benodigde warmte, wordt voornamelijk

verkregen door radiatie van de hete gassen.

In

he~edeelte

van de oven waar de voorverwarming plaats

vindt, bevinden zich vaak kettingen om de warmte-overdracht

naar het materiaal te bevorderen. De gassen geven dan door

radiatie en geleiding hun warmte af aan de kettingen die

lJ

l

~

L

[

,

r'

r~

r~

[

. r '

~l

n

r , I l j - -200 160 120 T(OC)80 40

o

.. voorwarmzone

,

- -11-2175 calcineerzone sinter-zone BOTEEBOVEN

Fig 2. Verloop van gas- en materiaal-temperatuur.

koelzone

In overeens temming met de li tera.tuur gaan we uit van het

temperatuur-verloop zoals weergegeven in Fig.2. (Lit.3,6,7,16,19) Zie ook 2.4.

Warmte die beschikbaar is boven 800

°c

en gebruikt kan

worden voor calcinering van CaC0 3 en vorming van klinker noemt men "high-grade" warmte en "low-grade" warmte kan

slechts aangewend worden voor het opwarmen van het materiaal

en calcinering van MgC0₃, dus warmte beneden 800

°c.

Vandaar dat de oven ook ingedeeld kan worden in 2 zones:

f'

L ,

L

f '

l

l , l J ,- 1 l j - _{- - - _.} -12-zijn;

2. een low-grade zone met temperaturen beneden 800 oe.

High-grade

>

800 oe calcinering klinkervorming Low-grade ~ 800 oe voor-verwarming

In warmte-technisch opzicht is de ideale situatie als de 2 zones voorzien worden van de corresponderende warmte. Bijgevolg zijn de temperaturen van het gas en het materiaal aan elkaar gelijk op het grensvlak van de zones en treedt het gas uit de oven met een minimum hoeveelheid onbenutte warmte. (Lit.6).

Bij de warmte-overdracht door straling wordt een dunne

oppervlaktelaag van het 'materiaal hoog verhit. Een gedeelte van de geabsorbeerde warmte wordt gereflecteerd, het resterende gedeelte wordt door geleiding verder doorgegeven aan de bulk van het materiaal.

Een snelle vernieuwing van het oppervlak bevordert de warmte-overdracht binnen het materiaal. Gewoonlijk vernieuwt het oppervlak zich binnen een seconde (Lit.6).

II

l~

L

L

f

~

r

r'

[

. l .

L

f ' ( .

L

r'

l,

[1

r:

n

r-' l J .... -13-: 2.2. Overall warmte-balans.

Bij het opstellen van de overall warmte-balans gaan wij na,

de hoeveelheid warmte die: a. het systeem binnenkomt; b. het systeem verlaat;

c. in het systeem ontwikkeld en verbruikt wordt.

Onder het systeem verstaan wij de begrenzing van de oven en

de koeler zoals geschetst in Fig.3.

rookgassen + radiatie-verliezen stof

r

-I I

I

I

I

-t-

L .... - grondstoffen-mengsel

- -

-overmaat koellucht L~p-r'" klinker koellucht

Fig.3. Systeem-grenzen voor de overall warmtebalans.

De overall warmtebalans wordt opgesteld in kcal per kg.

klinker en gerelateerd tot 25 oe (gemiddelde buitentemperatuur

op de Ned. Antillen).

Ingaande warmtehoeveelheden zijn:

de voelbare warmte van het grondstOffen-mengsel, de olie

en de koblluCht.

Uitgaande warmtehoeveelheden omvatten:

( , I

L

r

'

l J r ' l J

'l

L J

n

n

n

_l

_I

I 1 -

-

-14-koellucht;

- de voelbare warmte van de klinker;

- de radiatie-verliezen: bij de oven, koeler, cycloon. Binnen het systeem zijn van belang:

- de vrijkomende verbrandingswarmte van de olie; - de endotherme effecten van het calcineerproces;

- de exotherme effecten gepaard gaande met de vorming van de nieuwe fasen.

De endotherme en exotherme effecten bepalen het theoretisch warmteverbruik voor de klinkervorming.

2.2.1. Theoretisch warmteverbruik voor klinkervorming.

Deze vereiste hoeveelheid warmte kan op 3 manieren worden berekend.

a. Uit de exotherme en endotherme effecten.

Nodig zijn hiervoor de hoeveelheden CaC0₃ en MgC03 die

vereist zijn voor de vorming van 1 kg. klinker (zie 1.2.) en hun respectievelijke reactiewarmten en eveneens de hoeveelheden en reactiewarmten van de nieuwe fasen in 1 kg. klinker (zie 1.2.). Het resultaat staat weergegeven

in tabel

4.

b. Uit de kiinker-analyse.

Hierbij bepaalt men de percentages van de verschillende

'componenten in 1 kg. klinker (zie 1.2. tabel 2). Verder

heeft men nodig de vormingswarmte • Dit resultaat staat

weergegeven in tabel

5.

c. Uit de klinkerfasen.

Men analyseert nu de klinker naar de hoeveelheid van de ,;

-

-l}

-.

15:-l:

L

verschillende fasen aanwezig in de klinker en hun

! '

l.

ontledingswarmte. Zie tabel 6.

[-~

Tabel 4. Theoretisch warmteverbruik uit de reactiewarmten.

r:

hoeveel- reactiew. kcal

heid (25 °C)

,

) per kg. klinker

kg/kg.klinker kcal/kg. klinker

[

, Decarbonatie van CaC0 3 1,20 + 424 + 510

r

'

l MgC03 0.01 + 654 + ₇ + ₅₁₇ Vorming van C3S 0,6253 - 118

-

74 C2S 0,155 - 174

-

27 r ' C3A 0,1143

-

6

-

0,7 C4AF 0,0813

-

20

-

l _z6

-

103,3 + 414

,

) _Lit.3.

Tabel 5. Theoretisch warmteverbruik uit klinkeranalyse.

factor van kcal per

% Zur Strassen") kg. klinker

CaO 67,18 + 7,65 + 514 MgO 1,00 + 6,48 ₇ • A1203 5,99 + 4,11 ₂₅ + 546 Fe 203' 2,66 - 0,59

-

2 Si02 21,73 - 5,12 - 110 98,57 + 434 Alkali + zwavel 1,4 100,0 l I ") Li t .3 • .

I I I L.J

I '

1 l . r • I I l . f .

!

r~ l

[

. i.

[

:

r • I . , ' r ' IJ f ' I . I J

~

1

n

I J r 1 \ , - - - - . - -

-16-Tabel 6. Theoretisch warmteverbruik uit klinkerfasen.

% ontled.- kcal per

warmte ") kg.klinker C₃S 62,53 + 4,37 + 274 C2S 15,5 + 3,15 + 49 C3A 11,43 + 6,03 + 69 C4AF 8,13 + 4,05 + 33 MgO 1,00 + 6,54 + 7 98,59 + 432 Alkali + zwavel 1,4 100,0 ") Li t .3.

Uit de verkregen waarden: 414, 434 en 432 kcal/kg.klinker gebruiken wij het gemiddelde: 427 kcal/kg.klinker.

Volgens de literatuurgegevens ligt het theoretisch

warmte-verbruik voor de klinkervorming tussen 390 en 440 kcal per

kg. klinker.

2.2.2. Meegevoerde warmte door rookgassen en stof.

De rookgassen bestaan uit de verbrandingsprodukten uit de

olie, de overmaat lucht en de CO 2 ontstaan uit de

grond-stoffen. In het gas zitten gedispergeerd de fijne

stof-deeltjes uit grondstoffen en klinker. De temperatuur van

de rookgassen stellen we 380

°c

(Lit.19,21,22).

De hoeveelheid stof die de oven verlaat stellen wij 0,15 kg.

per kg. klinker in overeenstemming met de literatuur (Lit.3,

6). Hiervan wordt het grootste gedeelte in de cycloon

afge-vangen en teruggevoerd. Slechts 0,04 kg./kg. klinker wordt

l:

l

~

r "

I

l r ' r ' l , r _, ' , l , [ , l i

[]

n

r,

_, I I : I

-17-De meegevoerde warmte door de rookgassen wordt berekend m.b.v. de volgende relatie:

waarin Q = warmte-inhoud, kcal q = hoeveelheid, kg. c~= __ soortelijke warmte, ~' temperatuurverschil buitenlucht (OC). kcal/kg. met de

In navolging van Labahn (Lit.2) hanteren wij de temperatuur-afhankelijkheid van de soortelijke warmte van onderstaande componenten: voor C02: klinker: verbrandings-produkten: grondstoffen-mengsel: cp = 0,19 + O,OOOll.~T 0,181 + 0,000071.AT 0,42 + 0,000185.bT 0,23 + 0,00005.ÁT 0,21 + 0,00007.ÁT bT

=

temperatuur-traject.

De meegevoerde warmte door de ontstane hoeveelheden CO 2 uit het grondstoffen-mengsel wordt berekend met de volgende gegevens:

1 kg. klinker vereist 1,54 kg. grondstoffenmengsel; het mengsel bevat 78% CaC03 en 1,4% MgC0 3 ;

uit 1 kg. CaC0₃ en 1kg. M.gC0

3 ontstaan 0,44 , resp. 0,52kg.cq2. Voor de hoeveelheden ontstane verbrandingsprodukten uit de

olie zie 2.2.4.

2.2.3. Radiatie-verliezen.

11 u

r '

l I ' l. T' I l I ( l i l J

n

n 1 , I .- 1 -18-en interne radiatieverliez-18-en.

Bij het opstellen van de overall warmtebalans zijn slechts

de externe radiatieverliezen van belang. Deze verliezen

treden op door warmte-uitstraling van de hele ovenwand naar

de buitenlucht. Ze kunnen verlaagd worden door isolatie van

de ovenmantel (b.v. door Aluminium-folie).

De grootste verliezen treden op in de High-grade zone, waar

de temperatuur het hoogst is.

Volgens Martin (Lit.4) zijn de verliezen als volgt te verdelen:

bij het klinkergedeelte 30%

calcineergedeelte 37%

voorverwarm~eelte 21% achterste secties

van de oven 12% .

Volgens de meeste pUblicaties gaat ongeveer 20% van de totale

warmte-consumptie door radiatie verloren.

Ook bij de koeler treden radiatieverliezen op. Deze verliezen

nemen af met toenemende hoeveelheid secundaire lucht en als

de klinker zone verder in de oven ligt zodat de klinker een

lagere temperatuur heeft bij het binnentreden van de koeler.

Zie verder 2.3.2. waar de verliezen bij de koeler worden

berekend. Deze zijn: 14,3 kcal/kg.klinker door de klinker

2.2.4. Olieverbruik.

72,3

4,3

"

door de exhaust air

"

door radiatie

[

~

r

~

.

f

~

n

n

n

n

n

- - -

-

-19-verkrijGbaar, die de volgende samenstelling heeft:

86% C, 12% H2 , 1% 02 en 1% N2. De calorische waarde bedraagt

10.389 kcal per kg.

De brandbare componenten vergen:

813.0,86 + 8.0,12 - 0,01

=

3~245 kg.O_Z per kg. olie,.

volgens de volgende reacties:

C + °2~C02 32 kg. 02 voor 12 kg. C: verhouding

=

2H 2 + °2 ... 2H 20 32 kg.02 voor 4 kg.H : verhouding = 8

8/3

Aangezien 1 kg. lucht = 0,23 kg. °2 + 0,77 kg. (N 2 + rest)

1 Nm3 lucht

.

-

0,21 Nrn3 _°2 + 0,79 Nm3 (N2 + rest) 1 Nm3 lucht = 1,293 kg. lucht

vergt 1 kg. olie dus theoretisch aan lucht 3,245 _{O J 23}

=

14,1 kg.

Om volledige verbranding van de olie te verzekeren (anders

ontstaat er CO wat gepaard gaat met een verlaging van de

warmte die vrijkomt bij de verbranding; bovendien lS er sprake

van brandstofverspilling) werkt men met een overmaat lucht

die niet te groot maar ook niet te klein mag zijn, zie

verder 2.3. In de praktijk bedraagt de luchtovermaat 4-20%,

optimale verbranding treedt op bij een luchtovermaat van

ongeveer 10%.

Wij werken daarom met een luchtovermaat n

=

1,1 , hetgeen

neerkomt op een totaal van 15,5 kg. lucht per kg. olie.

Uit de verbranding van 1 kg. olie met 15,5 kg. lucht ontstaan

dus 16,5 kg. rookgassen.

- - -

-Tabel 7. _{Overall warrntebalans, ten opzichte van 25°C.}

7 •

I .

L . i . I \ .

U

L

l

[

~

r:

l

n

[l

n

.

n

' I

I

l )

-20-totaal van de warmte-uitgaven samen te stellen. Als de in-gaande stromen geen voelbare warmte meevoeren, is de totale warmte-uitgave gelijk aan de verbrandingswarmte van de

hoeveelheid olie die per kg. klinker wordt verbrand:

theoretisch warmteverbruik voor de klinkervorming = 427 kcal afvoer door CO 2 uit grondstoffenmengsel

uit CaC0₃: 1,5ij.0,78.0,44.(0,19+0,00011.355).355

uit MgC03: 1,54.0,014.0,52. "

afvoer door klinker 1.(0,181+0,000071.75).75

=

=

=

43,1 0,8 14,3 verbrandingsprodukten k.16,5.(0,23+0,00005.355)355= 1451,2.k valse lucht (0,2 kg./kg.klinker)

afvoer door stof (0,04 kg./kg.klinker) stralingsverliezen (20%)

resterende verliezen bij koeler

= 17,3

= 4,1

=

2077,8.k

=

77 ,1

10389.k Hieruit wordt berekend: k = 0,09. Het olieverbruik is dus 9%.

De overall warmtebalans wordt dan zoals vermeld in tabel 7, waarbij wij een vergelijking doorvoeren met de door Keil

(Lit.3) gegeven grenzen voor de lange roteeroven en een praktijkgeval gegeven door ZiegIer (Lit.19).

2.3. Balans over de koeler.

2.3.1. Inleiding.

De koeler heeft twee simultane functies:

( 1 ~ i • , , . . 1 l . l • l J

r

L I

r

n

I

~ r-, , ) 1 -21~

2. hij voorziet in de benodigde hoeveelheid secundaire lucht voor de verbranding.

De meest gebruikte type koeler tegenwoordig is de rooster-koeler met transportband ("travelling grate cooler"),

waarvan onderstaande schematische voorstelling. De koellucht wordt d.m.v. ventilatoren door het klinkerbed geblazen waar-bij hij opgewarmd wordt.

~7

l o v e n

2 secundaire lucht

3 circulerende lucht 4 hete lucht ventilator 5 koude lucht ventilator

(buitenlucht) 6 primaire lucht ventilator 7 schoorsteen overmaat koellucht 8 stof-vangers 9 brander 10 primaire lucht 11 klinker-breker 12 rooster-transportband Fig.4. Schets van de transport-roosterkoeler (Lit.5).

De voor de verbranding noodzakelijke hoeveelheid lucht komt de oven binnen als primaire en als secundaire lucht.

Primaire lucht is dle hoeveelheid lucht die tezamen met de olie door de verbrandingspijp (nozzle) in de oven wordt geblazen.

De primaire lucht wordt meestal voorverwarmd om ontbranding van de olie te bevorderen en om een bepaalde gewenste vlam te vormen. Aangezien de ontbrandingstemperatuur van de meeste oliên voor roteerovens reeds bij 425 oe kan liggen, moet de temperatuur van de primaire lucht veel lager zijn. Wij

\ 1 LJ

[

:

I'

_{I .} I ' ·1 . r ' l . r ' l ,

n

l J

n

n

n

l J r 1 I \ ) - - - -- - - .

-22-De secundaire lucht is de lucht die de roteeroven binnenkomt uit de Koeler. Deze secundaire lucht neemt het grootste

gedeelte op van de warmte van de klinker. De opgenomen warmte dient zo groot mogelijk te zijn opdat de lucht zo heet

mogelijk de oven binnentreedt. De temperatuur van de

secundaire lucht heeft namelijk een gunstige invloed op de vlamtemperatuur (zie 2.4.) en het olieverbruik in de oven. De bovengrens aan de temperatuur van de secundaire lucht is ongeveer 1000 °C, in de meeste gevallen de hoogst toelaatbare temperatuur voor het huis van de oven-koeler bevestiging

(firing hood). Wij stellen de temperatuur van de secundaire lucht daarom 950

°c

bij het binnentreden van de oven.

De olie wordt verstoven met de primaire lucht; dit mengsel wordt verder vermengd met de secundaire lucht én.een klein gedeelte valse lucht die door lekken naar binnen komt. Deze laatste hoeveelheid lucht wordt bij de berekeningen van de totale hoeveelheid verbrandingslucht verwaarloosd.

primaire lucht

pijp nozzle ontbran' ~~

.. _--=nt

(t:?-=

-~-_ . ~ .-(~~

~~~~~

.

pluim .

De totale hoeveelheid lucht mag niet:

- te weinig zijn: 1. onvolledige verbranding;

2. er komt te weinig warmte vrij en de klinker-zone verliest temperatuur;

u

( , (

.

r ' l .

n

n

r ' l J - --~-_. -

-23-- te veel zijn: 1. toenemend warmteverlies aan de schoorsteen; 2. verlaagt de vlamtemperatuur;

3. verbruikt nuttige warmte vanwege het op-warmen van deze overmaat tot de werkings-temperatuur van de oven.

De praktijk heeft uitgewezen dat een juiste en optimale ver~ ~ .

branding vereist:

1. de overmaat lucht moet zodanig zijn dat het 02-gehalte in de rookgassen inligt tussen 1,0 en 1,5%; (zie 2.6.)

2. dat er geen CO zich in de rookgassen bevindt;

3. de rookgassen bevatten het maximum gehalte aan CO 2 )

4.

een correcte luchttoevoer (constante druk);

5. goede sproeitechniek (verstuiving);

6. goede constante w&king van de brander. (Li t .5. ) .

~.3.2. De lucht- en warmtestromen in de koeler.

Schematisch kunnen we de ;verschillende luchtstromen in de

koeler voorstellen als in Fig.5.

koeler totale hoeveelheid lucht

=

overmaat koellucht (exhaust air) secundaire lucht

koel-primaire lucht, voorver-warmd in de koeler

primaire lucht, uit de buitenlucht.

Fig.5. Principe-schets van de luchtstromen in de koeler.

Niet de gehele fractie van de primaire lucht in de verbrandings-lucht komt voorverwarmd uit de koeler.

I

·

r:

r '

l . ( . ( . l .

n

I l j r 1 l J

r'

I

t

J

n

, I I I I ) -24-.

Volgens de meeste literatuurbronnen wordt ongeveer 25 à 60%

van de primaire lucht uit de koeler betrokken (b.v.Lit.6.).

Wij stellen Lp2= 0,5.(Lp 1+Lp2)' Verder geldt:

Lt

=

Ls + Lp2 + Lo

Ls + Lp1 + Lp2

=

15,5 kg./kg.olie (zie 2.2.4.).

Het olieverbruik bleek 0,09 kg./kg.klinker te zijn (zie 2.2.4.)

hetgeen resulteert in een luchthoeveelheid van

1,396 kg./kg.klinker

=

1,08 Nm3 /kg.klinker.

Voor de verdeling secundaire en primaire lucht wordt meestal

80 en 20% resp. gehanteerd (Labahn(2) hanteert echter 75 en

25%) .

Ls = 0,80.1,08 = 0,86 Nm 3/kg.klinker = 1,116 kg./kg.klinker

Lp = 0,20.1,08

₌

0,22 Nm 3/kg.klinker = 0,279

"

Lp2

=

0,5. Lp 0,11 Nm3 /kg.klinker = 0,1395

"

In de koeler dient de klinker afgekoeld te worden zodat hij

verder getransporteerd en .behandeld kan worden. Daarbij

moet er zoveel koellucht toegevoerd worden dat de gewenste

koeling bereikt wordt. In onderstaande tabel staan vermeld

onze gestelde eisen voor de verschillende temperaturen, in

vergelijking met praktijkcijfers.

Tabel 8. Vergelijkings-tabel van de temperaturen van de

luchtstromen in de koeler. (oC)

Referentie _{TLs TLp2 TLo} Tkl Tkl kcal/ Opmerkingen

in uit kg.kl Weber(Lit.6) 980 90 327 1450 103 857 Lepoloven

"

827 129 210 1350 82 892 S.W.T.oven ,

"

577 74 144 1300 124 1382 Lange roteeroven Xeller(20) 925

-

210 1400 190

-

"

Wij 950 110 200 1350 100 904

"

u

r ' l , l , r '

II

l]

[1

fl

,- , l . -25-. . 0

De koeler moet dus afgekoeld worden van 1350 tot 100 e. De daarbij afgestane warmte is:.

1.(0,181+0,000071.1250).1250 = 337,2 kcal/kg.kl .• De warmte-inhoud van de klinker bij het verlaten van de koeler bedraagt:

1. (0 ,181+0,000071.75) .75= 14,3 kcal/kg.kl.. De gemiddelde soortelijke warmte van lucht in de trajecten 25 tot 950 oe en 25 tot 110 oe worden gevonden uit Fig.7 (zie verder) en blijken te zijn resp. 0,249 en 0,241.

De stromen verbrandingslucht naar de oven nemen dan aan warmte op Ls

=

1,116.0,249.925

=

257,2 kcal/kg.kl.

L

p2= 0,1395.0,241.85

=

2,9 kcal/kg.kl. + Totaal: 260,1 kcal/kg.kl.

Er moet aan de koeler een zodanige totale hoeveelheid lucht worden toegevoerd, dat de klinker kan worden afgekoeld tot de gewenste temperatuur. Met de secundaire -en primaire luchtstro-men alleen wordt dat niet bewerkstelligd; er moet met een

overmaat lucht worden gewerkt.

In de praktijk komen de waarden 2- 2,5 Nm3/kg.kl. voor de totale hoeveelheid te gebruiken koellucht veelvuldig voor. Wij hanteren 2,3 Nm3 /kg.kl. (overmaat= 1,33 Nm3/kg.kl.~1,72 kg./kg.kl.).

De overmaat (exhaust air) voert af:

1,72.0,242.175 = 72,8 kcal/kg.kl.

De restant: 337,2 - 260,1 - 72,8 = 4,3 kcal/kg.kl. gaat als radiatie verloren. ( Lit.19 vindt 4 kcal/kg.kl.)

De bovenbeschreven lucht - en warmtestromen leveren de balans over de koeler. Zie Tabel 9.

[ 1

L

r ' I I \ . , . , , r ' \ J

r:

l ~

-26-°

Tabel 9. Warmte- en Luchtbalans over de koeler, t.o.v. 25

e.

rwarmte- lucht-balans balans kcal/ Nm 3 /kg. kl. kg. kl. 1. Invoer 1.1. met klinker 13500

e

351,5

-1. 2. met koellucht 250

e

0 2,30 Totaal 351,5 2,30 2. Uitvoer 2.1. secundaire lucht 9500

e

257,2 0,86 2.2. . primaire lucht 1100

e

2,9

o

,

ll a ) nuttig gebruik voor de oven 260,1 0,97 2.3. exhaust air van de koeler 2000

e

72,8 1,33 2 . 4 . klinker afvoerwarmte 1000

e

14 ,3

-2.5. radiatie-verliezen 4,3

-Totaal 351,5 2,30

Het totale beeld van de diverse in- en uitgaande warmte stromen bij de roteeroven en de koeler wordt aan de hand van Fig.6 geïllustreerd.

1:

-27-[

,

L

r:

r'

₄ rad.+ conv.

[

. stof 4 klinker r~ 14 rad. + conv. overmaat ₁₉₀

r .

73

L lucht 192 ( .

427

vorming r ' ROTEEROVEN 904 260 . I I r 1 Bunker C Olie

I

I j '"

r:

Fig.6 Totale warmtebalans'over de roteeroven en de

t , transport-roosterkoeler;

,- 1 getallen uitgedrukt in kcal/kg.kl .. I, ,

r'

I

r~ l r . l .

r

1 I I l • r- 1

I

l J

r,

. j

n

l , '"' I , ) -28-2.4. De vlam-temperatuur 2.4.1. Inleiding

In vrijwel alle industriële processen waar verbranding plaats

vindt, is de vlam-temperatuur erg belangrijk.

De vlam-temperatuur bepaalt de temperatuur-gradiënt en hier-mee het karakter en de grootte van de warmte-overdracht.

De werkelijke vlam-temperatuur is moeilijk nauwkeurig te

bere-kenen. Men kan wel de theoretische vlam-temperatuur berekenen

en hieruit een schatting maken voor de werkelijke heersende

temperatuur.

De theoretische temperatuur wordt berekend met behulp van:

I voelbare warmte '

bij verbranding +

van 1 kg. olie in de olie

1 , voelbare warmte + in de verbran-dingslucht vrijgekomen warmte) T =~---~----~---~--~---~

de ontstane verbrandingsgassen x hun resp.gemiddelde cp

De berekening geschiedt op basis van trial

&

error:

Wij kiezen een mogelijke temperatuur T

°c

en bepalen met behulp

van Fig.7 de gemiddelde soortelijke warmten(ëp) in het traject

25

tot T °C.

De berekende c -waarden van de verschillende componenten in

p

de verbrandingsgassen staan vermeld in Tabel 10, voor de

diver-se temperatuur-trajecten. (zie volgende pagina voor Fig.7 en

Tabel 10).

Uit de hoeveelheden verbrandingsgassen die bij de verbranding

van 1 kg olie + 15,5 kg lucht ontstaan, berekenen wij de

hoe-veelheid warmte die nodig is om deze gassen op te warmen van.

[

~

r ' r ' I . l , f'

[l

n

n

n

l j -

-29-Wij verwaarlozen de dissociatie(warmte) van H_{20 en e0 2 bij} hogere temperaturen.

Er worden twee berekeningen uitgevoerd: de verbrandingslucht

1S w~l en niet voorverwarmd, om twee redenen:

- de invloed te zien van de temperatuur van de

verbrandings-lucht;

- de meegevoerde warmte van de lucht is volledig High-Grade

o

(komt beschikbaar bij een temperatuur boven 800 e).

2.4.2. De theoretische vlam-temperatuur.

De verbranding is een chemische reactie van de 02 in de lucht

met de brandbare componenten in de olie: 44

e + 02-. e0 2 per kg olie ontstaan: 12 x 0,86

=

3,16 kg e02

!I _{3% x 0,12}

=

1,08 kg H20

14,1 _{kg. lucht bevat 3,24 kg. 02 en 10,85 kg. N2} 1 kg. olie bevat zelf 0,01 kg. 02 en 0,01 kg. N

2

Wij werken met een overmaat, t.w. 1,4 kg.lucht/kg.olie

De samenstelling van het gas ontstaan na de verbranding van

1 kg. olie is dan: 3,16 kg. _{e0 2}

1,'08 _{kg. H20}

10,85 kg. N2

~4 kg. lucht

Totaal: 16,5 kg. rookgas

Met behulp van Tabel 10 worden de hoeveelheden warmte berekend

vereist om dit gasmengsel op te warmen van 25 oe tot T oe

O,3b ;---~---'---T_... 0,\0. Cp (kcal Ikg) Oe IS' I."~ I.'$' L--,,-_*---.=:::::::;::::=~::::s::~====d a.ooo )00. o IcoO

...

YOOO T (oF)

Fig.

7.

Soortelijke warmte van verschillende gassen bij

constant volume en constante druk; k = cpl cv'

Tabel 10. Soortelijke warmten van de gascomponenten en hun

gemiddelden in de diverse temperatuur-trajecten.

component 25°C 800°C 2100 0 C 27000C 25

-

2705 - 800 -77°"F 14720F 38120F 49010F 2100 0C 800°C 25°C C0

6

0,208 0,282 0,317 0,329 0,2625 0,3055 0,245 H2

-

-

-

-

°

_,607 0,77 0,4965 N2 0,249 0,264 0,31.9 0,374 0,284 0,319 0,2565 lucht

o

,241 0,254 0,309 0,36 0,275 0,307 0,2475 "_~ . . . J .- _ • • , 1 L • l • I .

l

l.

l'

I

~

r " , I , j

l

J

n

- 1 I . I r 1 , J .". . ~ J r -, i • I .

rl

~

l.

[

~ r' I l . I • '-' , )

n

-30-(na enkele malen kwamen wij bij een trial van T

=

2100 °C):

(3,16.0,2625 + 1,08.0,607 + 10,86.0,284 + 1,4.0,275)(T-25)=

=

4,95.(T-25) kcal.

Als de olie en de lucht geen voelbare warmte meevoeren: 4,95.(T-25) = 10389

T = 2125 °C. Is de lucht wel voorverwarmd:

15,5 kg. lucht: 80% is secundaire lucht

= 12,4 kg; T= 950°C;

20% is primaire lucht

=

3,1 kg;

1,55 kg. primaire lucht wordt verwarmd tot 110°C

De warmte-inhoud is dan: 12,4. 0,249.925

= 2855

kc. a I

1,55.0,241. 85 = 31,8 11

Totaal: 2886,8 kcal

Met dit gegeven bereke~we nu voor de vlam-temperatuur:

4,95.(T-25)

=

10389 + 2886,8

T

=

2705 °c

De theoretische vlam-temperatuur in ons geval is dus ongeveer 2700 °C. Deze temperatuur zal in de praktijk nooit bereikt worden om de volgende redenen:

in de t sec. dat de olie wordt verbrand ontstaat 16,5 kg. verbrandingsgas dat in die t sec. continu warmte verliest door radiatie, geleiding en convectie:

1. naar de wanden ter compensatie van externe verliezen; de wandtemperatuur blijft hierbij constant;

2. via geleiding en convectie naar het materiaal in de sinterzone;

rl

L

[

:

r

~

[

:

r 1 l j , J

rl

I • I j I •

-31-delen van de oven (interne verliezen).

Volgens Martin (Lit.4) moet men door deze effecten rekening houden met een verlaging van de vlam-temperatuur m~t enkele honderd graden. Onze aanname van de gastemperaturen op grond van literatuurgegevens blijkt dus redelijk te zijn.

2.5. De beschikbare en vereiste hoeveelheden high-grade en low-grade warmte.

De beschikbare hoeveelheid high-grade warmte is alle latente warmte van het gas boven 800

°C.

De maximale temperatuur van het gas bleek te zijn 2705

°c

als de lucht was voorverwarmd (alle meegenomen warmte door de lucht is high-grade).

m.b.v. tabel 10

warmte-inhoud = (3,16,0,3055 + 1,08.0,77 + 10,86.0,319 +

1,4.0,307)(2705-800) = 5,697.1905 =

=

10900 kcal/kg.olie

=

981 kcal/kg.klinker.

o

Low-grade warmte is de warmte-inhoud beneden 800 C:

=

(3,16.0,245 + 1,08.0,4965 + 10,86.0,2565 +

+ 1,4.0,2475)(800-25)

=

4,447.775

=

=

3450 kcal/kg.olie = 310,5 kcal/kg.klinker.

De vereiste hoeveelheden warmte worden berekend aan de hand van de eerder gegeven indeling:

T

=3800~

Low-Grade •

~igh-Grade"

g \ "-T =25oe-"" g

=

gas m

=

materiaal K = klinker t.-l _ _ . K

r '

l.

l:

n

l , ---~---. -32-2.5.1. De Low-Grade zone.

In deze zone is warmte nodig om:

a. het grondstoffenmengsel op te warmen van 25 °c tot 800 °C;

b. ontleden van MgC0₃

ad.a. cpmateriaal = 0,21 + 0,00007. AT (Lit.2); T = 775 °c.

=

0,264 kcal/kg.oC.

Zoals in Hoofdstuk 1 is aangetoond vergt 1 kg. klinker 1,54 kg. mengsel.

De benodigde warmte is:

1,54.0,264.775

=

315 kcal/kg.klinker.

ad.b. Over de ontleding van MgC0 3 zijn de volgende gegevens verzameld:

Marc en Simek (Li t .17) vonden dat het r.1gC0

3 begon te

dissociëren beneden 600 °c, hoewel erg langzaam.

Volgens Grundberg (Lit.18) vindt snelle ontleding van MgC0

3 plaats bij 470±15

°c

in hete I luchtstroom en bij

650 ± 20°C in hete CO

2-stroom.

Volgens Schubert (Lit.19) begint MgC03 te ontleden bij 350°C, maar eindigt pas bij 900 °c.

Schwiete en ZiegIer (Lit.19) geven: bij 590°C waarbij

de reactieenthalpie

=

250 kcal/kg.; bij 20°C is de

reactieenthalpie

=

284 kcal .kg.

Kühl (Lit.16): bij 20°C is de enthalpie

=

297 kcal/kg.

Wij gebruiken de waarde van Schwiete en ZiegIer;

1,54 kg • . klinker bevat 0,021 kg. MgC03' Dit vergt:

0,021.250

=

5,24 kcal/kg.klinker.

r 1

U

r . , l . l , !l l J

~

1

[1

'1 I r , I , -33-2.5.2. De High-Grade zone.

Hierin is warmte nodig voor:

a. ontleding van CaC0 3 ;

b. opwarmen van het ontstane C02 tot de gemiddelde

gas-temperatuur in deze zone;

c. de klinkervorming;

d. opwarmen van de klinker tot de klinkertemperatuur: 1420

°c.

ad a. De ontleding van CaC0 3 begint volgens:

Martin (Lit.4) 805

°c

en vergt: 386,5 kcal/kg

Frankenberger (7) 800

de Forcrand (uit 4) 800 379 11

Sch\'liete en Ziegler(19) 890 393 11

Weber ( 6 ) 800

Peray ( 5) 900

Wij hanteren in overeenstemming met de meeste

literatuur-bronnen een start van de ontleding bij 800

°c,

met de berekende ontledingswarmte volgens de Forcrand.

Benodigde warmte: 1,20.379

=

454,8 kcal/kg.klinker. ad b. Uit 1,20 kg. CaC0 3 ontstaat 1,20.~ = _{0,53 kg. CO 2 .}

100

o

De gemiddelde gastemperatuur

=

2010 + 1125

=

1568 C;

2

Voor het materiaal: 800 + 1025 = 913

°c.

2

m.b.v. Labahn: c PC02

=

0,19 + 0,00011.6T

=

0,262 kcal/kg. Voor het opwarmen is nodig: 0,53.0,262.655 =91 kcal/kg.kl.

ad c. Bij de vorming van de nieuwe fasen komt er warmte vrij.

Wij gebruiken de totaal vrijkomende hoeveelheid warmte

per kg. klinker zoals gegeven door Nacken (zie Martin)

r • I l , r 1 , J , 1 L J

n

l ) , , - - - - -34-ad d. cpklinker

=

0,181 + 0,000071.ÓT

=

0,2250 kcal/kg.oC.

Er is dus nodig: 0,2250.620

=

139,5 kcal/kg.klinker.

Totaal nodig aan High-Grade warmte: 590,8 kcal/kg.klinker.

2.5.3. Interne verliezen.

Zoals in 2.4.2. al gezegd, zal de totaal beschikbare High-Grade warmte niet volledig benut worden door het materiaal in de oven, vanwege externe en interne verliezen.

De externe verliezen in de High-Grade zone zijn 67% van het totaal aan straling verloren warmte (zie 2.2.3.).

67% van 187

=

125,3 kcal/kg. klinker

Het resterende gedeelte van de totaal beschikbare High-Grade

warmte: 981-590,8-125,3

=

264,9 kcal/kg.klinker gaat verloren

van de High-Grade naar de Low-Grade zone.

Dit uit zich o.a. door de gastemperatuur aan de' grens van

de twee zones: 1125

°c

(>

800 °C).

Deze Highc1rade warmte wordt in de Low-Grade zone gebruikt. De verdeling van de warmte is dan zoals aangegeven in tabel 11

(afgeronde getallen)

Tabel 11. De verdeling van High-Grade en Low-Grade warmte.

High-Grade Low-Grade Beschikbaar 981 311 externe radiatie verliezen 125 62 (33%) netto beschikbaar 856

-

249 verbruik 591 320

m

-71 interne verliezen

-

---.

. - 265 res.t

m

verliezen door rookgassen etc. 198

_,

_,

verschil -=4 I

rl

l.J

l

~

I.

:

[

:

r .' f '

l

, , , 1 , ,

.

, l

I

• J

n

, I II

r

_{1 I} '" ., i ,

-35-2.6. Controle op de verbranding: de samenstelling van de rookgassen.

De gassen die de oven verlaten bestaan uit:

1. de verbrandingsprodukten van olie + lucht;

2. de CO 2 uit het grondstoffenmengsel;

3. de valse lucht die vooral aan het eind van de oven (vóór de cycloon) naar binnen komt.

ad 1. In 2.4.2. is de samenstelling van het gas gegeven per kg. olie. Per kg. klinker is de samenstelling:

0,2838 kg. CO 2 ; 0,0972 kg. H20; 0,9774 kg. N2 ;

0,126 kg. lucht (0,097 kg. N2 + 0,02898 kg. 02).

ad 2. Zoals eerder berekend onstaat uit het CaC0

3 en het

MgC03 in de grondstoffen totaal: 0,54 kg. CO 2/kg.klinker ad 3. De hoeveelheid valse lucht van 0,2 kg/kg. klinker

bevat 0,154 kg. N2 en 0,046 kg. 02.

De samenstelling van de rookgassen zal dus zijn:

0,8238 kg. C02

₌

37,0%

0,0972

_"

H20

₌

4,4%

1,2284

_"

_N2

₌

55,3%

0,0749

_"

_°2

₌

3,3%

2,2244 kg. rookgassen/kg. klinker

₌

1,7 Nm 3/kg.klinker

In de rookgassen zit gedispergeerd de hoeveelheid stof die uiteindelijk wordt meegevoerd: 0,04 kg/kg.klinker.

De oven draait goed (goede verbranding) als het 02-gehalte zich bevindt tussen 0,7 en 3,5%. Optimaal is de verbranding als dit gehalte inligt tussen 1,0 en 1,5% (Lit.5).

I i LJ , '

l,

r ~ l.. , . I , .. , , ,

.

,-,

I

l • r, I I l J rl , L J

n

r--; I

I

• J r ' ,

.

-36-Dit percentage zal men in de rookgassen slechts dan meten als de hoeveelheid valse lucht zo klein mogelijk wordt gehouden door goede afdichtingen.

Door het optreden van valse lucht zal het gehalte O2

meestal liggen tussen 3 en 4%.

Opmerkingen:

1. Uit de warmtebalans blijkt dat een aanmerkelijke hoeveelheid warmte wordt meegenomen met de uitgaande gassen.

Vanuit warmte-technisch-economisch oogpunt zou het de moeite waard zijn om deze warmtestromen te benutten.

Mogelijkheden hiervoor zijn: bij het malen en breken waarbij het grondstoffenmengsel wordt voorverwarmd; bij het voorver-warmen van de olie vóór het binnentreden van het systeem.

Ook zou i.p.v. een cycloon een elektrostatische precipitator gebruikt kunnen worden om stof af te vangen en het mengsel voor te verwarmen.

Men bespaart dan op: de lengte van de oven; het brandstof-verbruik.

Nagegaan dient te worden of de gemoeide investeringen opwegen tegen de resulterende besparingen.

2. Het zou wenselijk zijn een diepgaand onderzoek te verrichten naar de mogelijkheden om op de een of ander manier toch

granules te fabriceren van onze grondstoffen. Dit ~ls men

bedenkt dat een bedrijfsvoering met een schachtoven (vooral bij kleinere capaciteiten) nog altijd goedkoper is.

[

:

[

:

r . I r-' , J r 1 l j I , 1 •

-37-3. Dimensioneringen; verblijf tijden

3.1. De lange roteeroven

De grootte van iedere roteeroven wordt, behalve door de

fysische- en chemische eigenschappen van de voeding, ook nog bepaald door de brandstofprijs, de produktprijs en de inves-tering.

Op grond hiervan zullen de dimensies (ovenlengte, zone-grootte en diameter) van de diverse roteerovens op de wereld niet

met elkaar overeenkomen.

Aan de hand van verscheidene literatuurgegevens zal getracht worden om de dimensies van de lange roteeroven voor ons geval

vast te leggen. 3.1.1. Dimensies

Labahn (Lit.2)

Bepaling van de inwendige diameter:

Wij baseren deze bepaling op de gassnelheid bij het uittreden van de oven, zoals dat in de praktijk is vastgelegd.

De hoeveelheid rookgassen die de oven per kg klinker verlaten,

bedraagt: 2,025 kg (zie Hfdst.2).

1 kg"" 1 :: 0,76 Nm 3

1 32

3 '

Nm per kg klinker.

rookgassen, komt dit op: Aangezien

1,54

Gecorrigeerd voor de temperatuur vinden wij voor de hoeveel-heid rookgassen:

450+273 3

, 1

[

:

[

:

["

l . l • l J r

1

l j l , 4 3 v (m/ s) g ₂

t

1

o

o

100 200 300 400 500 600 • M ( ton/dag )

Fig.8. De gassnelheid (v ) als functie van de

klinker-produktie (M). g

Volgens bovenstaande Fig.8, waarin de gassnelheid CVg) als

functie van de klinkerproduktie (M) wordt gegeven, vinden wij

voor M=300 ton/dag: v =3,57 mis. _g

De dwarsdoorsnede (0) wordt nu als volgt bepaald:

o

= 4,08 x 12,5.103 3600 x 3,57

=

3,97

De inwendige diameter (di) wordt dan:

d.

=~X3,97

= 2, 2 5 m.

1. 1t

2

m •

Een andere methode om de inwendige diameter te bepalen berust op de eveneens door de praktijk vastgelegde relatie tussen de

warmtebelasting (s) in de sinterzone en de klinkerproduktie;

zie Fig.9. 3.000.000 2.000.000 s (kcal/m 2uur 1.000.000

+

-o

100 200 300 400 500 600 • M(ton/dag)

Fig.9.De warmtebelasting (s) in de sinterzone in afhanke- .

• 1 u r '

l

.

r~

L J

~l

l

n

, J

-39-Uit Fig.9, vinden wij: s= 2.455.000 kcal/m uur. 2 ( In principe is s gelijk aan de warmte-flux ). Het brandstofverbruik bedraagt 904 kcal/kg kl. Het dwarsoppervlak (0) wordt:

904 x 12,5.10 3 2

0= = 4,60 m.

2.455.000

Voor de inwendige diameter (d. ) vinden we:

1

d.=~=

2 ,42 m.

1 )'C

Bepaling van de lengte van de roteeroven~

De bepaling hiervan geschiedt met behulp van de specifieke klinkerproduktie (1 ), uitgedrukt in ton/m3 dag.

s

Is ligt in het algemeen naar onze omstandigheden (droog proces

3

en lange roteeroven) in de orde van 0,7 - 1,0 ton/m dag. Aan de hand van onderstaandtformule, wordt de lengte van de roteeroven voor diverse Is-waarden berekend; zie Tabel 12.

, waarin 0= dwarsoppervlak (m2);

M= klinkerproduktie (ton/dag); L= lengte van de oven (m);

ls= spec.klinkerprod. (ton/m3dag). Tabel 12.De lengte van de roteeroven als functie van Is'

1 (ton/m3dag) L (m) voor L (m) voor s 0= 3,97 m2 0= 4,60 m2 0,7 108 93,2 0,8 9 4 ,5 81,6 0,9 84 ,0 72,5 1,0 75,6 65,2

[

:

r ' , 1 i l j r 1 I :1 I I : J ..:.40-Anselm (Lit.15)

Het nu volgende heeft grotendeels betrekking op een natte-oven

(= lange roteeroven voor het natte proces) en een Lepol-oven. Bepaling van de inwendige diameter:

Hiervoor kunnen we de formules waarin de inwendige diameter(d_i ) als functie van de klinkerproduktie(M) gegeven is, gebruiken:

d.

=

0,396.MO,340 ~ d.

=

0,390.MO,340 ~ voor de natte-oven; voor de Lepol-oven.

De uitgerekende waarden van d. staan vermeld in Tabel 13.

~

Bepaling van de lengte van de oven:

De lengte van de natte-oven is veel langer dan die van de

Lepol-oven vanwege de extra lengte gebouwd aan de cylindrische roteeroven voor het verdampen van water. De Lepol-oven daar en-tegen is opgebouwd uit een korte roteeroven waarvoor een

droog- en voorwarm unit geschakeld is.

Voor ons geval zal de lange (droge) roteeroven korter (20~30 m) dan de natte-oven zijn en langer (40~70 m) dan de Lepol-oven. Voor de berekening van de lengte van de natte-oven en van de Lepol-oven kunnen we de formules, hieronder gegeven,gebruiken:

L

₌

2,5 4 .MO,477 bij de Lepol-oven;

L = 7,63.MO,4 35 bij de natte-oven.

De berekende L-waarden staan in Tabel 13. Bepaling van de lengte van de sinterzone:

De lengte van de sinterzone (Ls ) is afhankelijk van de inwen-dige diameter (di) en van het warmteverbruik.

, \

l

~

l

~

I ' I i. [ , l .

I'

1 r ' 1 . r 1 l J rl L J r L j r l I , J

I

I I ' J

I~

-41-In navolging van Anselm (Lit.15) hanteren wij voor een warmte-verbruik van 904 kcal/kg klinker de relatie:

L = 2,85.d. (m)

s 1

Verwezen wordt naar Tabel 13 voor de berekende waarden.

Tabel 13.D~ bepaalde waarden van di' Ls en L volgens Lit.15.

ovensoort d. L L

1 S

(m) (m) (m)

natte-oven 2,75 7,84 91,2

Lepol-oven 2,71 7,72 38,6

Onderstaande literatuurbronnen geven de methoden weer voor het bepalen van de totale lengte van de roteeroven (Lit.4;11) en van de lengte van de sinterzöne (lit.7).

De gegeven formules kunnen alleen uitgerekend worden indien de uitwendige diameter (D) bekend is. In het algemeen geldt:

D

=

d. + 0,4 (m)

1

De term 0,4 betreft de dikte van het vuurvaste materiaal dat zich in elke roteeroven bevindt teneinde de roteeroven te

beschermen tegen de enorme hitte die vrijkomt in de roteeroven; hierdoor wordt dus ook de levensduur van de roteeroven verlengd. Martin (Lit.4)

Voor de lengte-bepaling van de roteeroven geeft Martin de volgende vergelijking: ( L en D in feet=0,3048 m)

2

L = 20.(D-l,5) + 0,2.(D-l,5)

De berekende waarden van L omgerekend naar meter staan vermeld voor diverse d.-waarden uit voorgaande berekeningen, in

1

r ,

u

L

[

:

f'

I l . r ' , , r ,

rl

l : • J · .., • J Perry (Lit.ll) Uit de formule _M.l00 L

=

3.,28 "k.D 2 , wordt L (m) bepaald

voor een k die afhankelijk is van de grootte van M en ongeveer gelijk aan 1 is.

Voor de di verse d. -waarden uit voorgaande theoriee'n vinden we

1

de L-waarden zoals vermeld in Tabel 14. Frankenberger (Lit.7)

Hij geeft voor de bepaling van de lengte van de sinterzone:

L = 3,5.d. t 20% (m).

s 1.

Zie Tabel 14 voor de bepaling van Ls met bovenstaande formule.

Tabel 14. Bepaling van L en L volgens verschillende methoden. _s

d (m) L (m) _Ls (m)

i x

Lit.4 Lit.ll Lit.7

2,25 (Lit. 2) 44,4 121,5 6,30 a ... 9,45

2,42 (Lit. 2) 50,9 108,5 6,78 a ... 10,16

2 ,71 (Lit.15) 57,7 88,0 7,59 a ... 11,39

2,15 (Lit.15) 58,5 86.,9 1,56 a ... 11,42

x) De berekende lengten volgens Lit.4 Z1.Jn niet geheel in overeenstemming met de werkelijkheid; het betreft hier een ideale roteeroven(zonder verliezen).

Van de verschillende methoden om de dimensies van de roteer-oven te berekenen, wijken die van Martin (Lit.4) en Anselm

(Lit.15) het meeste af van het g~middelde voor wat betreft