Qual è la percentuale accettabile di aria parassita in un forno da cemento?

In un moderno forno da cemento a via secca, ben sigillato, l'aria parassita accettabile è inferiore all'8-10% tra il forno e il ventilatore di tiraggio (ID fan), con meno del 5-8% complessivo tra la cappa del forno e le sezioni di ingresso e meno dell'1-2% per stadio di preriscaldo. Valori superiori al 15-20% tra il forno e il ventilatore ID indicano guasti alle tenute, danni alla cappa o deterioramento dei giunti refrattari.

Questo articolo è complementare a come viene misurata l'aria parassita in un forno da cemento (formula del bilancio di O₂) e a l'aria parassita nei forni da cemento (la meccanica).

I valori di riferimento, sezione per sezione

L'aria parassita viene misurata sezione per sezione, non come valore globale. Le convenzioni riportate di seguito derivano dal VDZ (Verein Deutscher Zementwerke) e dalla prassi di audit dei forni del Holderbank Cement Course [1][2].

Convenzioni secondo le linee guida per l'audit dei forni VDZ / Holderbank. "Buono" presuppone un impianto moderno a via secca ben regolato.

Aria parassita accettabile: la percentuale di infiltrazione sezione per sezione alla quale le penalità per il combustibile e la potenza del ventilatore ID dell'impianto rimangono entro i limiti previsti dal progetto del forno. Definita dalla convenzione di audit dell'impianto, non da normative.

I valori stessi derivano da un transetto di O₂: sonde portatili di O₂ allo zirconio o paramagnetiche vengono inserite all'ingresso del forno, dopo ogni stadio di preriscaldo, prima del ventilatore ID e dopo la torre di condizionamento; l'aumento di O₂ secco tra due punti di misurazione viene convertito in una percentuale di aria incrementale utilizzando il bilancio standard dei gas del forno. La posizione è importante perché la stessa cifra nominale di aria parassita ha conseguenze molto diverse a seconda del punto di ingresso. L'infiltrazione tra il forno e il ventilatore ID diluisce l'intero flusso di gas di processo e aumenta la potenza del ventilatore; l'infiltrazione in un singolo stadio di preriscaldo cortocircuita lo scambio termico di quello stadio, riducendo il differenziale di temperatura gas-farina e spostando l'onere del preriscaldo a valle. Per il metodo di misurazione sottostante, consultare l'articolo complementare sulla misurazione dell'aria parassita.

Come varia la soglia in base all'età dell'impianto, al tipo di processo e alle dimensioni del forno

L'aria parassita accettabile non è universale. Gli impianti più vecchi, i forni a via umida e semi-secca e i forni molto grandi hanno valori di base superiori rispetto alle cifre dei moderni processi a via secca sopra indicati.

• Età dell'impianto. Gli impianti europei più vecchi (anni '70-'80) hanno solitamente valori di base superiori di 3-5 punti percentuali perché il design delle tenute e delle cappe è precedente agli standard odierni. Il Cembureau Activity Report 2024 e le edizioni precedenti collocano i vecchi impianti europei a via secca al 12-20% tra forno e ventilatore ID prima degli ammodernamenti, contro il 6-10% delle linee moderne [3].
• Tipo di processo. Via umida > semi-secca > via secca. I forni a via umida tollerano valori assoluti più elevati perché i loro volumi di gas e i rapporti di aria in eccesso sono inizialmente maggiori.
• Dimensioni del forno. I forni molto grandi (>10.000 t/giorno) hanno superfici di tenuta più ampie e una tolleranza assoluta leggermente superiore, ma i rapporti per stadio del preriscaldatore rimangono rigorosi.

Le tenute si degradano in modo prevedibile anche tra le revisioni programmate. Le tenute pneumatiche e a lamelle all'ingresso del forno perdono l'1-3% di capacità di contenimento per anno operativo man mano che i giochi delle piastre di usura aumentano a causa dei cicli termici e del carico di polvere abrasiva. Una tenuta collaudata al 4% di infiltrazione può arrivare al 9-12% entro il terzo anno; ecco perché l'articolo sulla cadenza e metodologia di ispezione delle tenute del forno suggerisce un'indagine sulle perdite semestrale anziché una sola volta per fermata. Il deterioramento dei giunti refrattari nella cappa del forno e nei giunti di dilatazione dei condotti del preriscaldatore segue una traiettoria simile: si aprono piccole crepe a causa della dilatazione termica differenziale, la polvere si accumula, il giunto smette di sigillare e l'infiltrazione cresce in modo monotono fino alla fermata successiva.

La soglia economica: ogni 1% sopra l'ottimale

Ogni punto percentuale di aria parassita sopra l'ottimale aggiunge circa 1,5-2,5 kcal/kg di clinker al consumo specifico di combustibile (convenzione Holderbank Cement Course) più 0,3-0,5 kWh/t al carico elettrico del ventilatore ID (note tecniche ECRA / VDZ) [2][4]. Su un forno da 5.000 t/giorno, 5 punti sopra la base rappresentano una penalità annuale di centinaia di migliaia di dollari in combustibile ed energia ai prezzi tipici del carbone.

Il calcolo su un forno da 5.000 t/giorno merita di essere eseguito esplicitamente. Cinque punti percentuali sopra la base al punto medio della convenzione equivalgono a 10 kcal/kg di clinker, o 50 Gcal/giorno di combustibile incrementale, che corrispondono a circa 7-8 tonnellate di pet-coke al giorno o circa 700-1.000 USD di costo giornaliero del combustibile ai prezzi di lungo periodo. Gli stessi cinque punti aggiungono 2 kWh/t al carico del ventilatore ID, ovvero 10 MWh/giorno, altri 800-1.200 USD. Complessivamente, si tratta di 0,5-0,8 milioni di USD di penalità operativa annuale prima di contare il costo della CO2, e il valore scala linearmente con la capacità del forno. Rispetto a un ammodernamento dell'area della cappa che si ripaga in 8-14 mesi, la decisione sull'investimento di capitale viene solitamente presa dall'audit, non dall'ingegneria.

Quando il dato principale è fuorviante

Un singolo valore tra forno e ventilatore ID può mascherare un problema localizzato quando l'infiltrazione si concentra in un'unica interfaccia. Il 12% totale con il 10% alla cappa del forno è un problema diverso dal 12% distribuito uniformemente: stesso totale, diverso ambito di intervento. Negli ammodernamenti che Oswal ha sottoposto ad audit, le perdite della cappa del forno e delle tenute di ingresso rappresentano regolarmente il 30-50% dell'infiltrazione lato forno; ecco perché la sigillatura dell'area della cappa è il primo intervento con il ROI più elevato ed è dove inizia il sistema integrato di controllo dell'aria parassita.

Un utile albero decisionale, per sezione, è il seguente. Se l'infiltrazione combinata della cappa del forno e dell'ingresso del forno è superiore al 10%, la sigillatura della cappa e dell'ingresso ha la priorità rispetto a qualsiasi lavoro sul preriscaldatore, poiché la cappa determina la temperatura dell'aria secondaria e quindi sfrutta ogni kcal nella zona di cottura. Se un singolo stadio di preriscaldo è superiore al 3%, i giunti di dilatazione dei condotti e la flangia di uscita del gas del ciclone su quello stadio sono il prossimo obiettivo; l'infiltrazione allo stadio superiore costa meno per punto percentuale rispetto all'infiltrazione allo stadio inferiore perché il gas in quel punto è più freddo. Se il totale tra forno e ventilatore ID è superiore al 15% ma la suddivisione per sezioni è piatta, il problema è solitamente una perdita diffusa dalle flange e un cedimento delle guarnizioni lungo l'intera stringa del preriscaldatore, e il lavoro consiste nella manutenzione di guarnizioni e flange piuttosto che nella sostituzione di una singola tenuta. L'articolo sulla metodologia di audit dell'impianto di cemento definisce l'intera sequenza di analisi.