Identificazione della formazione di anelli nei forni da cemento

Un anello nel forno da cemento è un deposito anulare di clinker, farina cruda o ceneri di combustione che si accumula sul refrattario del forno, restringendo la sezione trasversale di passaggio dei gas. Gli anelli di grandi dimensioni riducono la produttività, aumentano la contropressione sul ventilatore ID (tiraggio indotto), danneggiano il refrattario quando si staccano e, nei casi peggiori, costringono a un arresto non programmato.

Questa è una guida pratica per identificare la formazione di anelli in un processo di produzione del cemento in funzione: i quattro tipi di anelli, i segnali osservabili dall'operatore che indicano la presenza di un anello prima che sia necessario rimuoverlo e la chimica che ne determina la crescita.

Cos'è un anello del forno e perché è importante

Un anello del forno è un'incrostazione anulare indurita che restringe la sezione trasversale di passaggio dei gas. Un sottile rivestimento di clinker fuso solidificato nella zona di cottura è auspicabile poiché protegge il refrattario; un anello è tale rivestimento che cresce fino a sporgere all'interno del corpo del forno.

Anello del forno: Deposito incrostato di clinker, farina cruda o ceneri sul refrattario interno di un forno rotante, che restringe la sezione trasversale del forno. Si distingue dal rivestimento sano della zona di cottura, che è sottile e protettivo.

Un anello di 0,5 m di spessore in un forno con diametro interno di 4,5 m rappresenta una riduzione di circa il 40% dell'area libera in quel punto, motivo per cui un aumento graduale della contropressione al ventilatore ID è uno dei primi segnali.

I quattro tipi di anelli e dove si formano

Gli anelli dei forni da cemento sono classificati in base alla posizione lungo l'asse del forno e al meccanismo di legame dominante. Quattro tipi rappresentano quasi tutte le osservazioni sul campo: anelli di carica (farina) vicino alla zona di alimentazione, anelli di cenere nella zona di cottura, anelli di clinker (sinterizzazione) nella zona di transizione superiore e anelli della zona di raffreddamento vicino alla bocca del forno. (Cementequipment.org, Coating and Ring Formations in a Rotary Kiln, corpus formativo derivato da Holderbank.)

L'anello di clinker è il tipo più comune e dannoso. Si trova nella zona di transizione superiore, a circa 7-11 diametri del forno dallo scarico (circa 35-55 m su un forno da 5 m di diametro interno), e il deposito stesso è solitamente lungo 15-20 m. Il suo legante è la fase liquida del clinker, che solidifica sul refrattario al di sotto dei ~1250°C quando la polvere fine di clinker viene trasportata indietro dalla zona di cottura (Cementequipment.org, Rings, Balls and Build-Ups). Un sottotipo correlato, l'anello di sinterizzazione, si forma più avanti (4-5 diametri del forno dall'uscita, dove la fase liquida appare per la prima volta a ~1280°C). Le varianti indotte da solfati e alcali dell'anello di clinker si differenziano in base al rapporto molare zolfo/alcali (S/A) nel gas del forno: gli anelli di alcali predominano quando il rapporto S/A è inferiore a ~0,83, quelli di solfati quando è superiore a ~1,2 (Larsson, Counteracting Ring Formation in Rotary Kiln).

Come identificare un anello durante l'esercizio, senza arresti

Gli operatori identificano la formazione di anelli in un forno in funzione attraverso quattro indicatori di routine: aumento dell'amperaggio del motore del forno, aumento della contropressione al ventilatore ID, pattern di punti caldi/freddi sullo scanner del mantello del forno e deriva delle temperature dell'aria secondaria nella zona di cottura e dei gas all'ingresso del forno.

• Amperaggio del motore del forno. L'indicatore più semplice e, come regola empirica, il segnale singolo più affidabile nella pratica di routine: la massa aggiunta e la variazione della distribuzione del peso causate dall'anello aumentano la coppia necessaria per ruotare il forno. Il segnale non è specifico. Gli ampere variano anche con la crescita generalizzata del rivestimento, l'ispessimento del refrattario e le variazioni nella granulometria del clinker, quindi deve essere letto insieme agli altri indicatori (Cement Plant Operation Handbook, cementkilns.co.uk; Cementequipment.org, Kiln Control and Operation).
• Aumento della contropressione del ventilatore ID. Un aumento graduale dell'assorbimento di potenza del ventilatore ID a parità di velocità di alimentazione, senza variazioni nello stato dell'aria parassita, indica una restrizione del flusso all'interno del forno. Escludere prima una variazione dell'aria parassita; se il profilo di O₂ è stabile e la contropressione continua ad aumentare, un anello è la causa più probabile.
• Scanner del mantello del forno. La scansione a infrarossi del mantello rivela un anello come un punto freddo (l'incrostazione isola il mantello in acciaio dalla radiazione della zona di cottura) o come un netto gradiente di temperatura assiale. I sistemi di monitoraggio del mantello rilevano la crescita graduale dell'anello, ma spesso non riescono a reagire abbastanza velocemente da avvertire di un crollo dell'anello (FLSmidth ECS/CemScanner). La revisione mensile del trend della scansione del mantello fa parte della pratica standard di manutenzione e ispezione.
• Deriva dei dati operativi. Tendenza della temperatura dell'aria secondaria al di sotto della linea di base (un anello di clinker sta limitando il flusso di gas caldo verso il raffreddatore), variazioni della temperatura dei gas all'ingresso del forno e pressione della cappa del forno che tende verso valori positivi.

Quando un anello si stacca, l'operatore CCR osserva un cluster di segnali simultanei: un improvviso calo del tiraggio nella parte posteriore del forno, un grande calo di O₂ all'uscita del forno, pressione della cappa che tende al positivo e un cambiamento repentino nell'amperaggio del motore (Cementequipment.org, operator emergency-action guidance). Gli operatori sono addestrati a trattare questo cluster come una firma di crollo dell'anello e a stabilizzare immediatamente il forno.

Cause principali, in breve

La formazione di anelli è guidata da quattro cause principali interagenti: squilibrio del ciclo zolfo-alcali, combustibilità della miscela cruda fuori specifica, problemi di qualità del combustibile e un profilo della fiamma del bruciatore non adatto alla geometria della zona di cottura.

• Squilibrio del ciclo zolfo / alcali / cloruri. Il range target Holderbank per il rapporto molare S/A è 0,8-1,2 (Holderbank Cement Course, Vol 3, sintetizzato su Cementequipment.org). Al di fuori di questo range, si accumulano sali di potassio a basso punto di fusione (S/A < 0,83) o incrostazioni causate dall'anidrite (S/A > 1,2); il carico di cloruri da combustibili alternativi accelera il ciclo.
• Combustibilità della miscela cruda. Un LSF elevato, un rapporto di silice (SR) elevato o particelle di calcare grossolane portano a una combustione lenta e a una sinterizzazione parziale, che favorisce la crescita dell'anello.
• Qualità del combustibile. Combustibili ad alto contenuto di volatili, carbone ad alto tenore di zolfo e combustibili alternativi ad alto contenuto di cloruri portano il ciclo dei volatili fuori range. Il petcoke ad alto contenuto di vanadio è associato alla formazione specifica di anelli di cenere.
• Profilo del bruciatore e della fiamma. Una fiamma troppo corta produce un punto caldo localizzato che favorisce la fusione che promuove l'anello; una fiamma troppo lunga sposta la sinterizzazione nella posizione assiale errata.

Interventi a breve, medio e lungo termine

Gli interventi sugli anelli sono suddivisi per livelli.

Breve termine (operatore, da ore a un turno): ridurre l'alimentazione del forno, operare con combustione magra (minore consumo specifico di combustibile, più aria in eccesso) per raffreddare la zona interessata e utilizzare tecniche di rimozione meccanica come una lancia ad acqua o un ciclo di raffreddamento controllato quando l'accesso lo consente.

Medio termine (ingegnere di processo, da giorni a settimane): regolare il rapporto S/A modificando il mix di combustibili, apportare modifiche alla miscela cruda per portare LSF e SR entro le specifiche e restringere il range di temperatura della zona di cottura.

Lungo termine (progetto ingegneristico, mesi): piano di gestione delle ceneri da combustibili alternativi, installazione di un bypass del forno per eliminare i cloruri, modifica del profilo del refrattario per alterare la geometria di trasferimento del calore. Questi interventi vengono pianificati congiuntamente con l'OEM del forno e un team di consulenza ingegneristica.

Dove si interseca il lavoro di audit dei forni di Oswal

Un audit del forno di Oswal esamina gli indicatori di formazione di anelli insieme alla linea di base dell'aria parassita. I due aspetti sono correlati: il degrado della tenuta all'ingresso del forno alimenta il ciclo dei volatili, che guida la crescita dell'anello di clinker. Un audit standard esamina il trend della scansione del mantello, ispeziona le tenute per l'aria parassita, campiona l'O₂ all'ingresso del forno e nel preriscaldatore per confermare la percentuale accettabile di aria parassita e analizza lo storico CCR per i pattern di deriva sopra descritti. Nei retrofit che abbiamo sottoposto ad audit, gli anelli di clinker nella zona di transizione superiore (7-11 diametri del forno dallo scarico) sono di gran lunga il tipo più comune osservato e sono fortemente correlati al degrado della tenuta all'ingresso del forno che spinge il ciclo S/A fuori range.