Fen Bilimleri Enstitusu Dergisi SaYI: 13 Haziran 2007

Dumlupmar Universitesi

1302 - 3055

Fen Bilimleri Enstitusu Dergisi SaYI: 13 Haziran 2007

DORT KADEMELi PARALEL

AKI~LI

ONKALSiNATORLU C;iMENTO FABRiKASINDA ENERJi AKIMLARI DENKLiKLERiNiN MODELLENMESi

Ahmet Fevzi SA V AS*

* Dumlupmar Oniversitesi, Osmaneli Meslek Yuksekokulu, 11500, Osmaneli, Bilecik, TORKiYE, savasafevzi @hotmail.com

6ZET

Bu cahsmada, paralel akish onkalsinatorlu dort kademeli cimento iiretim sistemlerinde enerji akirm denklikleri kurulmustur. Cimento iiretim prosesinde enerji akmu denkligi bir biitiin olarak ele ahnabilecegi gibi bu cahsrnada oldugu gibi onrsrnci, kalsinator, doner firm ve sogutucu iinite icin ayn ayn denklik olusturulabilir. Bu modelin temeli, fabrika iiniteleri omsmci, onkalsinator, doner finn ve izgarah sogutucu enerji dengesine

dayanmaktadir.

Bu modelleme ile doner finn, onkalsinator ve paralel akish orusrticr siklonlann her birinin giris ve crkrslanndaki kau ve gaz kiitlelerin enerji miktarlan hesaplanmaktadir,

Anahtar kelimeler: Paralel

akis,

Onkalsinator, Enerji, Modelleme

MODELING OF ENERGY FLOW BALANCES AT A FOUR LEVELLED PARALLEL FLOW PRECALCINER CEMENT PLANT

ABSTRACT

In this present study, energy flow balances of parallel flow precalciner four levelled cement production systems were generated. At cement production systems, energy flow balances can be considered as either integrated or separately for preheater, calcinator, rotary kiln and cooler unit. Fundamental of this modelling is energy balance of plant units such as precalciner, calcinator, rotary kiln and grate coolers. Amount of energy of solid and gases at the input and output of rotary kiln, calcinator and parallel flow preheater siclones, can be calculated with this modeling.

Keywords: Parallel flow, Precalciner, Energy, Modelling

1. ctats

Diinya enerji kaynaklanrun giin gectikce azalmasi bir cok iilkeyi enerji politikalanm yeniden gozden gecirmelerine ve verimli enerji kullamrm konusunda etkili tedbirler almalanna yoneltrnistir, Petrol, dogal gaz ve kornur gibi enerji kaynaklannm verimli bir sekilde kullanan enerji sistemlerinin gelistirilmesi cok onemlidir. Cimento klinkeri iiretimi sirasmda, ham kansirnm sisteme siklonlu ornsmcidan beslenmesi ile baslayan ve klinkerin sogutucudan cikmasi ile tamamlanan islernler sirasmda olusan lSI ve kiitle tasuurn olaylanm formiilize etmek icin citnento fabrikasmda matematiksel modelleme

yaprlmasi

miirnkiindiir [I, 2].

Bunun icin enerji ve kiitle denklikleri esas ahnarak her bir iinite icin (omsincr, kalsinator, doner firm ve sogutucu gibi) ayn modeller gelistirilir. Modellerin her biri, hammadde beslemesi, gaz ve toz akisi seklinde matematiksel olarak bir birine baghdrr ve turn proses iinitesi icinde kararh hal kosulunu hesaplamak miirnkiindiir [3].

Bu cahsmadan once kiitle ve enerji denklikleri ile ilgili yapilrms modelleme cahsmalannda ELKJAER [4]

sadece on lSltICI siklonlarda ISII analiz icin modelleme yaprrusnr. LOCHER [5] Cimento iiretim sistemlerinde kalsinator, doner finn ve sogutucu iiniteleri ile yanma iizerine ayn ayn calismalar yaprmstir.

xous

^{[6] ise}

seri akish orusitici siklonlu ve kalsinatorlu cimento fabrikalannda enerji ve ekserji analizi isimli doktora cahsmasmda bu konuda ilk olarak kutle, enerji ve ekserji modellemelerinin ii(j:iinii birlikte yaprrustir. SAVAS [7] ise paralel akish kalsinatorlu cimento iiretim sisteminde kiitle denkligi iizerine modelleme calismasi yapnusur. Bu calismada ise enerji denkligi iizerine modelleme yapilrrusur.

D.p.D Fen Bilimleri Enstitusu 13. SaYI Haziran 2007

Dart Kademeli Paralel Akisl: Onkalsinatorlu Cirnento Fabrikasmda Enerji Akrrnlan Denkliklerinin Modellenmesi

A. Fevzi SAVAS Paralel akish onkalsinatorlu cimento iiretim sistemlerinde hammadde ve gaz akisi soyle olrnaktadir. Doner fmndan cikan baca gazlan, paralel siklon grubun en altinda yer alan dip siklona girerken dip siklondan crkan hammadde onkalsinatore girmektedir ve onkalsinatorden cikan biiyiik oranda kalsine olmus hammadde doner frnna girmektedir. Onkalsinatorden cikan baca gazlan ile dip siklondan cikan baca gazlan bir damper sistemi vasitasryla arzu edilen oranlarda (cogunlukla esit miktarda) paralel akish siklon grubunun her birine paylastmhr. Baca gazlan, paralel siklon gruplannda esit olarak yukanya dogru cikarken hammaddenin tamarru 1 nolu siklondan beslenir. Tiim hamrnadde orusinci siklon grubunun bir tarafmdan diger tarafina gecmek suretiyle biitiin siklonlardan seri bir sekilde gecer. Bu sisternin ana ozelligi, seri hammadde akmunm her iki paralel gaz akmundan gecmesidir. Yani gaz rniktanmn sadece yansi hammaddenin tarnarru ile temas eder (Sekil.l.).

2. <;iMENTO F ABRiKALARINDA ENERJi DENKLiKLERiNiN KURULMASI

Ismm buyuk oranda onemli oldugu cirnento iiretim proseslerinde kiitle ve enerji denkliklerinin cikanlmast iizerine bircok calismalar yapilnustir. Bunlardan en onemlileri [1, 8, 9, 10, 11, 12, 13] dir. Yas sistem cimento iiretiminde birim klinker basina enerji tiiketimi 4500 kJ/kg.klinker iken bu deger klasik OnISltICI

siklonlu sistem cimento iiretirninde 3300 kJ/kg.klinker, gelistirilmis onkalsinatorlu sistem1erde ise 3070 kJ/kg.klinker degerine kadar dusurulebilmektedir. Ozgul lSI tiiketirni, cimento iiretirninde mali yeti dogrudan etkileyen en onernli parametrelerden biridir. Ozgul lSI tiiketirni; kullanilan yakit kalitesinden, hammaddenin pisebilirlik kabiliyetinden ve fabrikarun sahip oldugu teknolojik irnkanlanndan etkilenmektedir. Minimum cimento maliyeti icin kiitle ve enerji denkliklerinin iyi yapilmasi ve takip edilmesi gerekir [14, 15].

Ha Baca zazi

...

.&c~~~._._._._._.J

..' - • - . - . - . Ba~a-g~z~v~;;;z~- . - . - . - .

l

1. Siklon 1'. Siklon

2. Siklon 2'.Siklon

3. Siklon 3'. Siklon

Din siklon-Kalsinatoil ..

---I

^{4. Siklon}

...

...

• .... • Baca gazl ve tozu

... -

""".

...

Doner finn

D.p.DFen Bilimleri Enstitusu 13. Sayi Haziran 2007

Dart Kademeli Paralel Akrsh Onkalsinatorlu Cirnento Fabrikasinda Enerji Akirnlan Denkliklerinin Modellenmesi

A. Fevzi SA VAS

2.1. Kan ve Gaz Maddelerin Entalpileri

Cimento iiretim proseslerinde hammadde, baca tozu ve klinker kati alarnlan; kacak hava, sogutma havasi, kalsinasyondan aciga cikan CO2 ve yakitm yanmasmdan olusan yanma gazlan da gaz akimlanm meydana getirirler. Kati ve gaz madde alarnlanmn entalpileri, ozgul isil kapasite (cp) ifadesinden faydalamlarak hesaplamr. Bu ozgul lS11 kapasite ifadeleri kat! ve gaz madde alarnlan icin Tablo 2.1 ve Tablo 2.2' te verilmektedir.

T bl

a

⁰

2 1 . .

K^ah alarnl^{ann ozgui}

"1

lSI on siyon an

f ksi

[15 16 17]

,

,

Madde Cp (kJ/kg.K) T(K)

Hammadde ve baca tozu 0,8

+

2,931O-4

T

SICak klinker 0,7934

+

31O-4

T

Soguk klinker 0,6783

+

3.10·4T

Ozgul isil kapasite cp ifadesinden faydalamlarak entalpi ifadesi,

dh =cp.dt _[1]

dir. SlVI suyun ismma, buharlasma ve gaz fazlan surecleri bir arada oldugu zaman su buhanmn entalpisi,

HSbuh = Msu. [C ^{p sv(373 - To) + ~Hbuh(373) +} I ^{cpsen. dTj [2]}

373

olarak elde edilir. Bu esitlikler genis bir sicakhk araliginda giivenli sekilde kullarulmaktadir.

T bl

a

0

2 2 . .

G^az alarnl arm ozgu. lSI

f nk .

0 siyon an _{[18 19]}

,

Madde cp =a+bT+cT2 +dT3[(kJlkmoI.K), T(K), To = 298,15 K]

5,981 *102 2 2 3,501 * 10-5 3 3 7,469* 10-9

*(T4 _ Tc 4)

CO2 22,26*(T-Tc)+ *CT -Tc )- *(T -Tc )+

2 3 4

0,1675* 102 2 2 -5 -9

0,5372 * 10 3 3 2,222 * 10 4 4

CO 28,16,*(T-Tc)+ *(T -Tc )+ * (T - Tc ) - * (T - Tc )

2 3 4

32,24* (T - Tc) +

0,1923*102 2 2 1,055*10-5 3 3 3,595*10-9

*(T4 _Tc4)

H02 ₂ ^{* (T - Tc ) +} ₃ ^{* (T - Tc )-} ₄

0,1571*102 0,8081*10-5 -9

3 2,873 * 10 4 4

N2 28,90*(T-Tc)- *(T2 _Tc2)+ *(T3 - Tc ) - * (T - Tc )

2 3 4

2 -5 -9

1,520*10 2 2 0,7155*10 3 3 1,312*10 4 4

O2 25,48*(T-Tc)+ *(T -Tc )- *(T -Tc )+ *(T -Tc )

2 3 4

14,58*102

*(T2 _Tc2)

11,20*10-5

*(T3 _Tc3)+ 32,42 * 10-9

*(T4 _Tc4)

S02

16,40*CT-Tc)+

2 3 4

2.2. Kalsinator ve Kalsinator Ustii Siklonlardaki Reaksiyon Enerjileri

Hammadde firma girmeden once bir kalsinatorde rniktar kalsine olmaktadir. Bu oran, paralel akish onkalsinatorlu sistemlerde doner firma beslenen hammadde de % 90-95' e ulasmaktadir [20).

Kalsinatordeki kalsinasyon reaksiyonu endotermik (lSI alan) olup reaksiyon enerjisi asagidaki ifade ile hesaplamr.

D.p.D Fen Bilimleri Enstitiisii 13. SaYI Haziran 2007

DM Kademeli Paralel Akish Onkalsinatorlu Cirnento Fabrikasmda Enerji Akimlan Denkliklerinin Modellenmesi

A. Fevzi SA VAS

QRk = 3200. [CaO'KA +Yk.Ash.CaO,y ]+2175.[Yk.Ash.MgO,y] [3]

Kalsinatoriin hemen uzerindeki siklonda da hammadde bir miktar kalsine olmaktadir. Bu reaksiyon enerjisi kalsinatordekine benzer olup asagidaki sekilde hesaplamr (NI=8);

QR = 3200.CaO, (NI - 2) + 2175.MgO, (NI - 2) [4]

Hammadde ve baca tozundaki CaO ve MgO' in P2 kadarhk

kisrm

kalsinatonin hemen uzerindeki ikinci (NI- 3) ve PI kadarhk kisrru ucuncu (NI-4) siklonda yeniden karbonatlasmaktadir.

Yeniden karbonatlasma reaksiyonlan ekzotermik (lSI veren) olup reaksiyon enerjileri asagidaki sekilde hesaplanmaktadir;

YKE = 3200.CaO'ykar [5]

YKE, (2) = 3200.CaO, ykar +2175.MgO, ykar

ifadeleri ile hesaplamr.

[6]

2. 3. Doner Fmnda Klinker Olusum

Entalpisi

Cimento klinkeri doner finnlarda pisirilmektedir. Klinker olusum entalpisi cesitli yollarla hesaplanabilmektedir. Burada kullamlan olusum entalpisinin hesaplanmasi, H. ZUR STRASSEN' in vermis oldugu faktorlerle klinkerin kimyasal analizlerinin carpihp toplanmasiyla yapilmaktadrr [21].

HK=%CaO'k3200+%MgO'k.2175+%A1203 , kl721-

[%Fe203 k247+%Si02 , , k·2142] ^[7]

2. 4. Klinker Sogutucu Unitesinde Enerji Denkligi

Farkh tiplerdeki klinker sogutuculanm tennal verirnliliklerine gore proses muhendisligi smirlan icinde karsilastirmak onemli bir sorun teskil etmektedir. Bunlar yakit enerjisi tuketirni, hava fazlasi, doner fmnda

onsogutma

bolgesi

uzunlugu

ve klinker granulometrisi gibi hammadde ve yakitm ozelliklerinden etkilenen

unsurlardir

[22].

Klinker sogutuculanrun terrnal etkinligini degerlendirmek icin deneyler yapilarak sogutucu etrafindaki kutle ve enerji denklikleri kurulmustur. Bu denkliklerden her hangi birini temel alarak elde edilebilen karakteristik kriterler ile hem

sogutucunun

rum prosese etkisini belirlemek, hem de sogutucuyu optimize etmek icin gerekli yonternleri tahmin etmek mumkundur. Klinker sogutuculannda kutle ve enerji denkliginin kurulmasma yonelik calrsmalann en onemlileri [8, 21,22,23,] dir.

Klinker sogutuculan, basit olarak, entalpi akisi halindeki enerji akismm pisme prosesi icm geri kazarulamayan

krsrmndan

ileri gelen enerji kayiplanm goz onune alarak degerlendirebilir. Bunlarla birlikte, sogutucunun isletmesini optimize etmek veya enerji geri kazamrrum maksimum hale getinnek icin spesifik belirlemeler

saglayamamasi

yuzunden enerji

kaybi,

yalruz basma,

zayif

bir termal etkinligin sebebini aciklamak icin yeterli degildir. Bu nedenle sogutucunun tipine, proses icinde yerlestirilmesine, sogutucu etrafmdaki kutle ve enerji denklikleri kurulabilmesine uygun olarak verimlilik terimi tarnrnlarur Sekil 2.1 ve Tablo 2.3' de verilmistir.

D.P.U Fen Bilimleri Enstitiisu 13. SaYI Haziran 2007

Dart Kademeli Paralel Akish Onkalsinatorlu Cirnento Fabrikasmda Enerji Akirnlan Denkliklerinin Modellenmesi

A. Fevzi SA VAS Tersiyer hava

[HE(6)]

+--____'

Sekonder hava

Sicak klinker[KE(l)]

Duvar

^lSI kaybi [Qw,sog]

,---_. Atik hava [HE(2)]

Soguk klinker

Sogutma havasi [HE(l)]

Seidl 2. 1. Sogutucu iinitede giren-cikan enerji akimlarmm sematik gosterilisi Tablo 2. 3. Sogutucu iinitede giren-cikan enerjiler

Giren Enerjiler Cikan Enerjiler

- Steak klinker ile [KE(l)] - Soguk klinker ile [KE(2)]

- Sogutrna havasi He [HEO)] - Sogutucudan anlan atik

hava ile [HE(2)]

- Tersiyer hava ile [HE(6)]

- Sekonder hava ile [HE(3)]

- Duvar

^lSI

kaybi He [Qw,

SOil]

Cimento iiretim sisterninde genel olarak Izgarah, Doner ve planet olrnak iizere ii~ tip sogutucu kullarulmaktadir. Izgarah sogutucu icin duvardan kaybolan

^lSI

konveksiyon ve radyasyon yoluyla olmak iizere [22].

Qkon =akon.Aw.(Tw-To) Qrad = Ew.cr.Aw.(Tw 4 _T04)

[8]

[9]

D.p.D Fen Bilimleri Enstitiisii 13. SaYI Haziran 2007

Dart Kademeli Paralel Akish Onkalsinatorlu Cimento Fabrikasmda Enerji Akimlan Denkliklerinin Modellenmesi A. Fevzi SAVAS Burada; Aw

sogutucunun

duvar

yuzey alarum,

c:w duvar

yuzeyinden yayilma katsayisim

^{(c:w=O,9), 0'8} Stefan-Boltzman sabitini (0'8 =5,67.1O-8W/m2.K4 ve

a kon

konvektif lSI iletim katsayismi ({4on = 7W/m2.K) gostermektedir.

Federal Almanya' da cimento arastirma enstitusiinde klinker sogutuculan uzerinde cahsan bir gurup tarafmdan klinkeri temel olarak enerji kaybi ile ilgili yapilan cahsma sonuclan Tablo 2. 4' da verilmektedir [22].

T bl 2 4 Kl' k a

0

. .

^{in er teme}

I I

^{a mar}ak ^{sogutucu ann}

^enerji

^ayrpian

Sogutucu Tipi Kayip Enerji (k.l/kg.klin.) Ol~iim Sayisr

Doner

sogutucu 440

2

Planet

sogutucu 555

2

Izgarah sogutucu

480--570 7

2. 5. Doner Fmn Unitesinde Enerji Denkligi

Cirnento fabrikalannda doner firm unitesinde enetji denkliginin kurulmasi yanmanm yanmda diger faktorlerin de bilinmesini gerektirmektedir [25, 26]. Cimento uretim sistemlerinin tumunde hammaddenin pisirilerek klinker haline getirilmesi doner finn unitesinde gerceklesmektedir. Doner fmn unitesi, butun uretirn metotlannda aymdir ve ters akim prensibine gore cahsan bir lSI degistiricisi ( lSI esanjoru) gibidir.

y as, yan yas ve kuru ornsiticih siklonlu sistemlerde yakitm tamarru doner fmnda yakihr. Onkalsinatorlu sistemlerde ise yakitm bir

kismi

kalsinator unitesinde yakilmaktadir. Doner fmnda enetji akisi, yakrtin her iki unitede de yaktlabilme hali goz onunde bulundurularak butun sistemler icin gecerli olan durum Sekil Z. 3' de gosterilmektedir.

Kals.cikan CO2

[CE(l)]

Baca tozu [TE(l)]

Baca gazi

i L

[GE(l)]

L

DONERFIRIN Hamrnadde

[FE(n)]

QW,DF

Sekonder hava

1--- [HE(3)]

Klinker

Sekil

2. 3.

Doner fmn unitesinde giren-cikan enetji akimlanrun sematik gosterilisi

D.P.O Fen Bilimleri Enstitiisii 13. Say! Haziran 2007

Dort Kademeli Paralel Akish Onkalsinatorlu Cimento Fabrikasmda Enerji Akimlan Denkliklerinin Modellenmesi

A. Fevzi SA VAS Tablo 2. 5. Doner finn iinitesine giren-cikan enerji akimlan

Giren Enerjiler «;Ikan Enerjiler

- Harnrnadde ile [FE(n)] -Klinker ile [KE(l)]

-Sekonder hava ile

[HE(3)]

-Baca tozlan ile

[TE(l)]

-Y akit

tasima

havasi

ile

[HE(4)]

-Baca gazlan ile [GE(l)]

-Primer hava ile

[HE(5)]

-Kalsinasyondan aylga

-Yakit ile

[YE,DF] cikan

CO² ile [CE(l)]

-Reaksiyon ISISI ile

[QR,DF]

-Radyasyon ve konveksiyon

ile olan lSI kaybi

[QW,DF]

2. 6. Doner Fmnlarda Duvar

^lSI

Kayiplarmm Hesaplanmasi

Doner fmnlann duvanndan lSI kaybi radyasyon ve konveksiyon ile

olmaktadir. Finn enerji denkligi icin

doner fmnlann duvar lSI kayiplanrn kabul edilebilir simrlar icerisinde kalan yaklasimlarla hesaplamak yeterli

olmaktadir [27, 28].

GARDEIK ve

arkadaslan doner

finn duvar IS!

kayiplanm

veren deneysel ifadeleri yaymlarmslardir [10, 11, 12, 22]. Bu cahsma doner

fmnda

lSI dengesi yapilmasmda cok kolayhk saglamaktadir ve burada lSI transferi katsayilanmn belirlenmesi icin yaklasik esitlikler verilmistir.

Doner finn duvanndan kayip olan lSI ~x=lm' lik finn uzunlugu icin GARDEIK ve arkadaslanmn cahsmalan dikkate ahnarak soyle hesaplarnr.

Fmndan cevreye kondiiksiyon ile olan lSI transferi:

dQk =

^a

^k

.(Tw-To).l£D.dx

on

on

^[10]

Fmndan cevreye radyasyonla olan lSI transferi:

Q d =

^a d·(Tw-To).J[D.l:u

ra ra

^[11]

Fmndan cevreye olan toplarn lSI transferi asagidaki ifade ile hesaplamr.

[12]

Fmn klinker ciknsr (ton/giin) dikkate

alrnarak

birim klinker basma duvar lSI kaybi ise;

[13]

denkligi He hesaplamr.

D.p.D Fen Bilimleri Enstitiisii 13. SaYI Haziran 2007

DM Kademeli Paralel Akrsh Onkalsinatorlu Cirnento Fabrikasmda Enerji Aktmlan Denkliklerinin Modellenmesi A. Fevzi SAVAS 2.7. Kalsinator Umtesinde Enerji Denkligi

Enerji tasarrufu saglamak ve finnlann kapasitesini arttmnak arnaciyla kalsinasyon islerninin doner fmn bunyesinden ahnarak, dip siklonda ikinci bir yakit yakildiginda bu siklon kalsinator adim almaktadir [29, 30]. Esasen dip siklonda yakit yanmasmdan baska da omsiuci siklonlu sistemden farki yoktur. Kalsinator icinde genel olarak gerceklesen proses uygun toz farin (hammadde) besleme akimiyla birlikte tersiyer havamn, doner

finn

~Ila~ toz ve gazlan ile kalsinatordeki yanma sisterninden olusan yanma gazlanmn kansmasi esasma dayanmaktadir. Ancak burada incelenen paralel akish onkalsinatorlu sistemde doner fmndan cikan toz ve gazlar kalsinator iinitesine degil, bir iist siklona yonlendirilmektedir. Klinker formasyonuna kansan ardisik reaksiyonlar, basitlestirme icin ti~ gurupta incelenir [31];

1- Kaolinit'in dehidratasyonu ve MgC03' in dekarbonasyonu sadece kalsinatorde ve kalsinator ustu siklonda olusmaktadir,

2- Kalsinasyonun

onemli

bir

kisrru

kalsinatorde meydana gelmektedir. Kalsinasyon reaksiyon enerjisinin bir kisnu klinker faz olusumunda geri almrnaktadir,

3- C3S, C3A ve C0F' nin olusumu sadece doner

finnda

olur ve bu reaksiyon ekzoterrniktir.

Kalsinator cikismda yanma gazlan icindeki tozlann srcakhgmm gaz sicakhgma esit oldugu kabul edilir.

Kalsinator iinitesinde reaksiyon entalpisini belirlemek icin top lam reaksiyon entalpisinin kalsinator ve doner fmn arasmda dogru paylastmlmasi gerekir. Bundan baska, CaC03' in dekarbonasyonu ile C2S olusumunun aym zamanda meydana geldigi varsayihr. Paralel akish onkalsinasyonlu sistemlerde kalsinasyon;

hammaddenin ozelliklerine, isletrne kosullanna ve kalsinatoriin tasanrnma baghdir. ikincil yakiciya veri len yakit; kimyasal kompozisyon, partiktil boyut dagihrm, yanma ve kalsinasyon sonundaki CO2' nin kismi basmci, materyal sicakhgi, ve kalsinatordeki tutulma zamamna baghdir [9], (Sekil 2.4 ve Tablo 2.6).

Kalsin. aciga cikan CO2[CE(2)]

Hammadde [FE(n-I)]

Baca gazi [GE(2)]

Baca tozu [TE(2)]

QW,K

+----f

_KALSiNATOR

'---- Primer hava [HE(8)]

Hammadde [FE(n)]

Sekil 2.4. Kalsinatorde giren-cikan enetjilerin sematik gosterilisi

D.P.U Fen Bilimleri Enstitiisii 13. Say) Haziran 2007

Dort Kademeli Paralel Akrsh Onkalsinatorlu Cimento Fabrikasmda Enerji Akirnlan Denkliklerinin Modellenmesi

A. Fevzi SAVAS

T hi a

0

2 6 K I . . .

a sinator umtesm

. d

e giren-ci

k

an enerjr er^.'1

Giren Enerjiler Cskan Enerjiler

- Hammadde ile [FE(n-l)] - Baca tozu ile [TE(2)]

- Tersiyer hava ile [HE(6)] - Baca gazl ile [GE(2)]

- Y

akit

tasima havasi

ile [HE(7)] - Hammadde ile [FE(n)]

- Primer hava ile [HE(8)] - Kalsinasyondan a<;lga

- Yakit ile

[YE,J

cikan CO2 ile [CE(2)]

- Kalsinasyon reaksiyon

entalpisi ile [QR,K]

- Radyasyon ve

konveksiyon ile [QW,K]

2. 8.

Omsrnci

Siklon Kademelerinde Enerji Denkligi

lSI muhendisligi bakimmdan en onemli nokta tozun ve gazm birbirine kansnnlmasidrr. Prensipte toz ve gaz arasinda butiin olarak sicakhk esitlemesinden bahsedilemez. Bu durum maksimum lSI degisimine karsihk gelmektedir. lSI degisiminin, dolayrsiyla da termal verimlilik siklonun tasanrmna baghdir. Spesifik orneklerdeki termal verim, ayn ayn siklonlardaki enerji dengesinin ve operasyonel olcumlerin yardmuyla belirlenebilir. Ancak bu olcumler karmasiktrr ve omsmcmm asagi bolgeleri icin kullarnsh degildir. Bu yuzden

ornsmci

siklon kademelerinde enerji denkligi akiskan maddelere dayanan hesaplamalarla miimkiin olmaktadir [9].

Her siklon kademesinde enerji denkligi yapihrken hammaddenin, baca gazmm, yakma havasmm, fmn giris-

<;tkt~ sizdirmazhklanndan giren kacak havarun, kalsinasyondan meydana gelen CO2' nin

lSII

ytikleri ele aluur. Aynca, hammadde nemi ve kristal suyunun buharlasma enerjisi ve teorik reaksiyon enerjisi (MgC03,

CaC03 ve kil minerallerinin ilgili kademelerde aynsmalan icin verilen) isil yuklerde dikkate ahmr [6, 32].

Omsiuci siklonlann her bir kademesi icin isil olaylar su sekilde gerceklesmektedir. Birinci siklon kademesinde; harnmaddenin, harnmadde transfer havasmm ismlmasi, hammadde nemi ve kristal suyunun buharlastmlmasi, baca gazi, baca tozu ve kacak havamn sogutulmasi ile radyasyon ve konveksiyon lSI kaybi olmaktadir. Ara siklon kademelerinde; hammaddenin

rsrtilmasi,

baca gazlannm, baca tozlanmn ve kacak havanm sogutulmasi, radyasyon ve konveksiyon kaybi meydana gelmektedir. Kalsinatorun hemen ustundeki siklonlarda hammaddenin ve finn giris-cikis sizdrrmazhklanndan giren kacak havanm isitrlmasr, hammaddedeki CaC03' m kismen kalsinasyonu, finndan gelen gazlann ve baca tozlanrun sogutulmasi, radyasyon ve konveksiyon kaybi olmaktadir. Ilave olarak kalsinator ve hemen uzerindeki siklon gurubundan sonraki siklonlara gelen baca tozlan icindeki MgO' in tamarm ve CaO' in bir kisrm yeniden

karbonatlasmaktadir.

(~ekil 2.5 ve Tablo 2.7).

FE(n) FHE(n+l) TE(n+l) GE(n+l)

~

n.Siklon

r---+

^QW(n)

FE(n+l) _FHE(n) TE(n) GE(n)

Sekil 2. 5. Genel halde

orusitrcr

siklon kademesinde enerji akimlanmn sernatik gosterilisi

D.p.D Fen BilimJeri Enstitusu 13. Say) Haziran 2007

Dart Kademeli Paralel Akish Onkalsinatorlu Cirnento Fabrikasinda Enerji Akrrnlan DenklikJerinin Modellenmesi

A. Fevzi SAVAS

T bl

a

⁰2 7 G

. ^.

^eneI h ld^{a e omsmci}.. ^Sikl^on k d^{a emesm}'d e _g_rren-~l an en(!!J_1er

k "1 Giren Enerjiler Cikan Enerjiler

- Hammadde ile [FE(n)] - Hammadde ile [FE(n+l)]

- Baca gazl ile [GE(n)] - Baca

gazi

ile [GE(n+l)]

- Baca tozu ile [TE(n)] - Baca tozlan ile [TE(n+ 1)]

- Kacak

hava ile [FHE(n)] - Kacak hava ile [FHE(n+ 1)]

- Radyasyon ve konveksiyon kaybi [Qw(n)]

3. SONUC;LAR VE TARTISMALAR

Paralel akish onkalsinatorlu dort omsitici siklon kademeli sistem icin detayh olarak yapilan modellemede top lam serbestlik derecesi belirIenerek, atanan degiskenlerle cozume gidilir. Degiskenlerin sayisi omsiuci siklon unitelerinin sayisma bagh olarak degisir, Paralel akish onkalsinatorlu dort on ismcrh siklon kademeli cimento iiretirn sisteminde enerji akimlan denkligi ile her bir unite giris ve

crkista

enerji degisimleri hesaplana bilir. Bu hesaplama

doner

finn ~lkt~

sicakhgi

sabit parametre ve onkalsinator yakin icin minimum ve maksimum degerler belirlenerek hedef parametre secilerek yapihr.

Cimento uretim sisternlerinde standart parametreler degistirilerek her bir unite icin hammadde, baca gazi, baca tozu sicakhk

degisimleri

bulunmaktadir, Aynca turn sistemin ozgul yakit enerjisi ttiketimi, doner

finn

duvar IS kaybi ve sogutucunun toplam lSI kaybi, hesaplanabilmektedir. Yukanda saydigirmz butun bu hesaplamalar enerji ve kutle denkliklerinin birlikte kullanan bir mode lie elde edilmektedir. Kutle ve enerji denklikleri bu cahsmarnn hacmini arttiracagmdan bu cahsmada sadece paralel akisli onkalsinatorlu cimento fabrikasmda her bir uniteye ait enerji akimlan unite sekilleriyle birIikte cikanlrrustir. Burada sunulan bu cahsma ile su anda kullanilan uretim sisternleriyle sadece belli kabuller icin gercekci sonuclar vermektedir.

Prensipte, olcme ile bir cok model varsayimlann kontrolunu yapmak mumkundur. Yuksek

sicakhk

bolgelerinde ytiksek dogrulukta olcmelere ihtiyac vardir,

SemboUer:

Ash

CE

FE GE HE HK NI

Qkon Qrad

QR QR-DF QRk

Qw

QW,DF

TE

YE

YKE

Yk

: Kul (%)

: Kalsinasyondan

cikan

enerji

(kJ)

: Hammadde enerjisi

(kJ)

: Baca gazi enerjisi

(kJ)

: Hava enerjisi

(kJ)

: Doner fmndaki klinker olusum entalpisi

(kJ)

: Siklon

sayrsi

(adet)

: Konveksiyon lSI kaybi

(kJ)

: Radrasyon yoluyla lSI kaybi

(kJ)

: Kalsinator iizerindeki siklonda reaksiyon enerjisi

(kJ)

: Doner

fmnda

reaksiyon IS1S1

(kJ)

: Kalsinatordeki reaksiyon enerjisi

(kJ)

: Duvar lSI kaybi

(kJ)

: Doner finnda radyasyon ve konveksiyon ile lSI kaybi

(kJ)

: Baca tozu enerjisi

(kJ)

: Yakit enerjisi

(kJ)

: Yeniden karbonatlasma enerjisi

(kJ)

: Yakit kalsinasyonu

(%)

D.P.U Fen Bilimleri Enstitiisii l3. Sayi Haziran 2007

Dart Kademeli Paralel Akish Onkalsinatorlu Cimento Fabrikasmda Enerji Alamlan DenkJiklerinin Modellenmesi A. Fevzi SAVAS indisler

DF : Doner finn

F : Hammadde

K : Klinker

KS : Klinker sogutucusu KA : Kalsinator

Y .Yakit

ykr : Yeniden karbonatlasma KAYNAKLAR

[1] LOCHER, G., "Mathematical Models for the Cement Clinker Burning Process Part I:Reactions and Unit Operations", ZKG INTERNATiONAL, Vo1.55, No:l, pp. 29-37, 2002

[2] KHURANA, S., BANERJEE, GAiTONDE, U.", Energy Balance and Cogeneration for a Cement Plant", Aplied Thermal Engineering, Vo1.22, pp.485-494, 2002.

[3] ERKOV AN, t, "Cimento Uretiminde Enerji Tasarrufu", T<;MB, No:230, 1986

[4] ELKJAER, H.P.,<;eviren OKBA~, Y., "Matematiksel Model Uygulayarak Dort Kademeli Siklonlu Omsmcida

^lSI

Harcamasirun Tayini", T<;MB, No:241, 1987

[5] LOCHER, G., "Mathematical Models for The Cement Clinker Burning Process Part 3:Rotary Kiln", ZKG INTERNATiONAL, Vol. 55, No:3, pp.68-80, 2002

[6] KOLjp, A., "Cimento Uretiminde Enetji ve Eksetji Analizi", Doktora Tezi, YIldiz Teknik Universitesi Fen. Bil. Enstitiisii, 1993

[7] SAVAS, A.F. "Mathematical modelling of mass balance of different proportion in a cement factory"

Energetikarun Problernleri, No:2, pp.91-101, 2004

[8] LOCHER, G., "Mathematical Models for The Cement Clinker Burning Process Part 4: Great Cooler"

,ZKG INTERNATiONAL, Vol. 55, No:2, pp.46-58,2002

[9] LOCHER, G."Mathematical Models for The Cement Clinker Burning Process Part 2:Preheater, Calciner and Bypass", ZKG INTERNATiONAL, Vol. 55, No:1, pp.39-50, 2002

[10] LOCHER, G., "Mathematical Models for The Cement Clinker Burning Process Part 3:Rotary Kiln", ZKG INTERNATiONAL, Vol. 55, No:3, pp.68-80, 2002

[11] GARDEIK, H.O., LUDWIG, H. And STEINBIB, E., "Calculation of Heat Loss Trough the Walls of Rotary Kiln and Mills:Part I", ZKG, No:2, 1980

[12] GARDEIK, H.O., LUDWIG, H. "Calculation of Heat Loss Trough the Walls of Rotary Kiln and Mills:Part If', ZKG, No:5, 1985

[13] ONISSI, T.R., "Some Considerations on Heat Transfer in The Rotary Kiln", ZKG, No:8, 1970

[14] SCHEUER, A., ELLERBROCK, H.,G., "Possible ways of saving energy in cement production", ZKG, No:7, pp.175-182, 1992

[15] MiROLLi, M.D., "The Kalma Cycle For Cement Kiln Waste Heat Recovery Poyer Plants", IEEE, pp.

330-336, 2005

[16] GARDEiK, H.O., "Fuel Energy Consumption in Cement Burning With Precalcining", ZKG, No:12, pp.611-617,1981

[17] LABAHN, 0., "Cement Engineers Handbook", Fourth Ediation, 1983 [18] CENGEL, Y., A., "Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer", 1997

[19] BUYUKTURK, A., R., "Termodinarnik Cilt I Termodinamigin Temel Yasalan", Uludag Unv. Basim

Evi,1982 .

[20] BEKER, H., HAMILTOM, M., Cev. KATNAS, F., " Onkalsinator ve Fmnlar", T<;MB, Cilt.9, Sayi 96, s. 41-44,1997

[21] PERAY, E., K., "Cement Manufacturers Handbook", Chemical publishing Co. Inc., 1979, USA

[22] GARDEiK, H.O., ROSEMAN, H. And STEINBACH, V., Ceviren TURKER, P., "Klinker

Sogutuculannm Termal Olarak Degerlendirilmesi'', T<;MA, Cilt.25, SaY1.253,ss.13-31, 1988

D.P.U Fen Bilimleri Enstitusu 13. Say] Haziran 2007

OM Kademeli Paralel Akish Onkalsinatorlu Cimento Fabrikasinda Enerji Akimlan Oenkliklerinin Modellenmesi A. Fevzi SAVAS [23] STEINBACH, V., MUJUMDAR, K.S., GANESH, K.V., KULKARNi, S.B., RADANE, Vivek V.

"Rotary Cement Kiln Simulator (RoCKS): Integrated Modeling of Pre-heater, Calciner, Kiln and Clinker Cooler", Chemical Engineering Science, Vo1.62, pp.2590-2607, 2007

[24] KREFr, W., GUNNEWiG, L. "Possibilities for Energy Saving in the Clinker Burning Process by Optimization of rotary Coolers and Planetary Coolers", ZKG, No: 1, pp.12-1989

[25] GOCER, C., "Doner Finn Muhendisligi.Adana Cimento Sanayii T.A.S. Yaymlan, No.2, Ocak-2001 [26] CARVALHO, M., MODiv ATE, De O. "Theoretical Energy Requirement for Burning Clinker", Cement and Concrete Research, Vo1.29, pp.695-698, 1999

[27] CHAKRABARTi, B.K., "Investigations on Heat Loss Trough the Kiln Shell in Magnesite Dead Burning Process: A Case Study", Ablied Thermal Engineering, Vo1.22, pp.1339-1345, 2002

[28] MRATINS, M.A., OLIVEIRA, L.S., FRANCA, A.S., "Modelling and Simulation of Limestone Calcination in Rotary Kilns Part 1: pilot kiln", ZKG INTERNATiONAL, Vol. 55, No:4, pp.76-85, 2002

[29] FiDAROS,D.K., BAXEV ANOU,

c.x.,

VLACHOS Dritselis and N.S., "Numerical Modelling of Flow and Transport Processes in a Calciner for Cement Production ", Powder Technology, VoLl71, No.2, pp.81- 95,2007

[30] HARDER,

J.,

"Development of Precalcining Technology in the Cement Industry", ZKG INTERNATIONAL, Vo1.55, No:lO, pp.34-39,2002

[31] GARDEiK, H.O., and ROSEMANN, H., "Fuel Energy Consumption and Fuel Energy Apportionment in the Precalcining Process", ZKG, No:9, pp.435-444, 1981

[32] OKBAS,

Y.,

"Klinker Uretim Prosesinde Hava Kacaklan ve Bedeli", Cimento Sanayiinde Enerji Tasarrufu Semineri Tebligleri, 1989