Come viene misurata l'aria parassita in un forno da cemento?

L'aria parassita in un forno da cemento viene misurata confrontando la concentrazione di ossigeno (O₂) in due punti lungo il percorso dei gas: l'aumento di O₂ tra il punto di campionamento a monte e quello a valle quantifica l'aria infiltrata tra di essi. La tecnica si basa sul bilancio di massa dell'ossigeno ed è l'unico metodo quantitativo riconosciuto nella pratica di audit dei forni industriali.

Il testo seguente illustra la formula, i punti di campionamento, i criteri di accettabilità e le comuni questioni pratiche che gli ingegneri di impianto pongono quando iniziano a eseguire l'audit dei propri forni. Si presuppone che abbiate già letto l'aria parassita nei forni da cemento; tale articolo definisce l'aria parassita e ne spiega l'importanza.

Il metodo standard: bilancio dell'ossigeno

L'O₂ è l'indicatore corretto poiché i gas derivanti dal processo nel forno non ne contengono. La CO₂ derivante dalla calcinazione del calcare, la CO₂ e l'H₂O dalla combustione del combustibile e le tracce di SO₂ / NOₓ riducono stechiometricamente l'O₂ dell'aria di combustione controllata. Qualsiasi valore di O₂ superiore alla linea di base dell'aria di combustione controllata deve quindi essere entrato attraverso aperture non intenzionali (aria parassita).

Il metodo a due punti è l'approccio canonico nella formazione industriale e nel lavoro di audit. L'operatore effettua letture simultanee di O₂ nei punti di campionamento a monte e a valle che delimitano la sezione in esame e applica la formula descritta nella sezione successiva. Il "Holderbank Cement Course" (programma di formazione standard per l'ingegneria di impianto di Holcim) e il VDZ tedesco (Verein Deutscher Zementwerke) pubblicano entrambi questa convenzione; entrambi costituiscono i riferimenti che la maggior parte degli ingegneri di cementifici riconosce.

Aria parassita: aria aspirata all'interno di un sistema di forno rotativo attraverso aperture non intenzionali (guarnizioni, interfacce della cappa, portelli di ispezione, transizioni tra raffreddatore e forno) anziché attraverso il percorso dell'aria di combustione controllata. Quantificata come percentuale del flusso totale di gas nel punto di misurazione a valle.

Sono tre le tipologie di strumenti in uso quotidiano:

• Sonde allo zirconio (ZrO₂) per il monitoraggio continuo in situ, solitamente installate in modo permanente all'uscita del preriscaldatore e all'ingresso del forno.
• Analizzatori di O₂ paramagnetici per lavori portatili/di audit; questa è la strumentazione minima indispensabile per una misurazione occasionale dell'aria parassita.
• Sistemi di campionamento estrattivo per interfacce calde o polverose dove una sonda si sporcherebbe; il campione viene raffreddato, essiccato e analizzato a valle.

La formula

La percentuale di aria parassita in una sezione del forno viene calcolata dalle letture di O₂ a monte e a valle utilizzando un'equazione di bilancio di massa:

% Aria parassita = ((O2_uscita − O2_ingresso) / (20,9 − O2_uscita)) × 100

Dove:

• O2_ingresso: concentrazione di ossigeno (% v/v, base secca) nel punto di campionamento a monte
• O2_uscita: concentrazione di ossigeno (% v/v, base secca) nel punto di campionamento a valle
• 20,9: concentrazione di ossigeno dell'aria ambiente (% v/v)

Esempio pratico. Supponiamo che l'O2_ingresso all'ingresso del forno sia pari al 3,0% (una linea di base tipica per un moderno forno a processo a secco ben regolato, secondo il Cembureau Activity Report) e che l'O2_uscita all'uscita del preriscaldatore sia pari al 5,5%. Allora:

% Aria parassita = ((5,5 − 3,0) / (20,9 − 5,5)) × 100
                = (2,5 / 15,4) × 100
                = 16,2%

Interpretazione: il 16,2% del flusso di gas all'uscita del preriscaldatore è entrato attraverso aperture di aria parassita tra i due punti di campionamento, un valore al limite superiore della norma che merita un'indagine.

Nota sulla convenzione: alcuni riferimenti utilizzano 20,95% anziché 20,9% come valore di O₂ ambiente. La differenza è dovuta all'arrotondamento; scegliete una convenzione e applicatela in modo coerente in tutte le misurazioni di audit in un determinato impianto.

Dove campionare

L'aria parassita viene misurata sezione per sezione, non come un singolo numero globale. La sequenza standard dei punti di campionamento su una moderna linea forno-preriscaldatore-precalcinatore è:

• Cappa del forno (interfaccia di scarico tra raffreddatore e forno): rileva le infiltrazioni dal lato raffreddatore e dalle guarnizioni della cappa.
• Ingresso forno (condotto montante o camera di fumo): rileva le infiltrazioni dalle guarnizioni di ingresso e dalla cappa di ingresso.
• Ogni stadio del ciclone del preriscaldatore (superiore, centrale, inferiore): isola le perdite per singolo stadio di ciclone e condotto.
• Ingresso e uscita del precalcinatore (se dotato di precalcinatore): isola l'involucro del precalcinatore.
• Ingresso del ventilatore ID: il punto finale cumulativo; la lettura qui indica l'aria parassita totale che il ventilatore deve movimentare.

Misurare sezione per sezione è ciò che consente all'operatore di assegnare l'ingresso totale a interfacce specifiche e, di conseguenza, a guarnizioni di ingresso forno, guarnizioni di uscita forno o giunti refrattari specifici. Una singola lettura globale al ventilatore ID indica l'entità del problema, ma non dove intervenire.

Due discipline pratiche sono fondamentali. Primo, la correzione su base secca: gli analizzatori di O₂ riportano i dati su base secca, pertanto i campioni estrattivi devono essere essiccati prima della misurazione per garantire la corrispondenza. Secondo, è necessario il campionamento isocinetico per i gas carichi di polvere; una sonda non allineata sottostima l'O₂ nei flussi ricchi di particolato. Gli impianti che eseguono audit di routine investono in un kit di campionamento calibrato; l'articolo sulla metodologia di audit dell'aria parassita copre l'intera procedura.

Cosa si intende per "accettabile"

I benchmark di settore collocano l'aria parassita accettabile al di sotto dell'8-10% nella sezione forno-preriscaldatore in un moderno impianto a processo a secco ben sigillato. Valori superiori al 15-20% indicano guasti alle guarnizioni, danni all'interfaccia della cappa o deterioramento dei giunti refrattari e richiedono un intervento immediato.

Convenzioni secondo le linee guida di audit dei forni VDZ / Holderbank. Il valore "Buono" varia in base all'età del forno, al tipo di processo e allo storico degli aggiornamenti delle guarnizioni. I forni a processo a umido e quelli più vecchi a semi-secco operano su linee di base più elevate rispetto a quanto indicato nella tabella.

Nei retrofit esaminati da Oswal, le infiltrazioni dalla cappa del forno rappresentano tipicamente il 30-50% del valore totale di aria parassita lato forno prima di qualsiasi intervento di sigillatura. Tale rapporto è il motivo per cui la sigillatura dell'area della cappa rappresenta il primo intervento con il miglior ritorno sull'investimento (ROI) nella maggior parte degli impianti, ed è qui che inizia il sistema integrato di controllo dell'aria parassita. Il legame con i costi del combustibile passa attraverso il consumo specifico di combustibile: ogni punto percentuale di aria parassita al di sopra della linea di base aggiunge kcal/kg misurabili al valore del consumo specifico.