Поддержание качества клинкера на должном уровне требует осуществления оперативного контроля параметров продукта, но точное определение качества производится физико-механическими испытаниями после длительного интервала времени, когда происходит твердение образцов. Вследствие длительного промежутка времени определения качества клинкера лабораторными методами, качество клинкера определяют по содержанию в нем свободной окиси кальция, гранулометрическим характеристикам, то есть используются косвенные методы.

Высокотемпературные цветные камеры и оптические пирометры обычно используются для предоставления оператору непрерывных изображений печи. Поскольку печь и конвейеры, занимающие центральное место в процессе, являются движущимися, бесконтактное измерение температуры с использованием инфракрасных методов уже давно признано более эффективным способом достижения поставленных целей.

Стандартной практикой является использование термометра соотношения, который подходит для температур в диапазоне от 1000-2600 ° C. Термометр отношения выдает два выходных сигнала с немного разными длинами волн, которые усредняются процессором сигналов для получения истинной температуры продукта независимо от любого временного препятствия на пути обзора. Сигнальные процессоры последнее поколение является многоканальным и способно принимать сигналы от нескольких инфракрасных термометров.

Повреждения корпуса печи и внутренней огнеупорной футеровки из-за чрезмерно высоких температур и теплового удара можно избежать, контролируя температуру корпуса с помощью инфракрасного сканера вместе с вращающимся зеркалом и сопутствующей электроникой. Система устанавливается на расстоянии 30-40 м и может производить до 1000 измерений. Выходные сигналы передаются на компьютер, содержащий электронику и программное обеспечение для сбора данных, который отображает цветное тепловое изображение, представляющее распределение температур вдоль корпуса печи и расположение холодных и горячих.

Идентификация скола обмазки в зоне обжига по результатам контроля температуры корпуса печи, температурная развертка высвечиваются на экране контроля температуры корпуса печи в разных зонах.

Существует несколько запатентованных экспертных систем, которые доказали свою ценность в оптимизации процесса сжигания, и они используют измеренные значения в дополнение ко многим другим входным данным процесса. В конечном счете, управление процессом осуществляется путем регулировки подачи в печь, расхода топлива и скорости вентилятора с принудительной тягой. Одновременный контроль подачи и скорости печи обеспечивает надлежащее объемное наполнение материалом (примерно, 7-12% от общего объема печи). Температура подаваемого газа и уровень кислорода на входе заданы на уровне 1000°C и 2% соответственно. Весь процесс управления печью, конечно же, связан с составом сырьевой муки, топлива и клинкера, определяемым заводской лабораторией.

Для управления электроприводами механизмов холодильника предусмотрено дистанционное управление cпульта оператора системы обжига с необходимыми электрическими блокировками и местное управление без блокировки. Дистанционное управление с автоматическими блокировками является основным видом управления. Местное управление предусматривается только для наладочных и ремонтных работ. Переключатели видов управления расположены в распределительном пункте.

Блокировка для работы колосникового холодильника имеет особенно важное значение, так как неисправности в схеме могут привести к аварийному выходу из строя колосниковой решетки и, следовательно, печного агрегата в целом. При остановке холодильника печь должна быть обязательно остановлена, и подача клинкера в холодильник прекращена. Печь должна быть обязательно остановлена и при выходе из строя вентиляторов острого и общего дутья.

Применение современных технических средств автоматизации и приборов контроля технологических величин, и разработка на их основе автоматизированных систем управления процессом обжига с применением методов теории управления, увеличивает объем производимой продукции, повышает энергоэффективность производства, снижает колебания качественных параметров клинкера. улучшая тем самым конкурентоспособность предприятия.

Для визуализации всех процессов и параметров управления в центре управления процессами установлены несколько мониторов, позволяющих оператору отслеживать и управлять всеми  процессами. Причем мнемосхемы могут быстро переключаться на экране в зависимости от необходимости воздействия на тот или иной процесс. Для наглядности на рисунках представлены мнемосхемы процесса обжига во вращающейся печи.

На рисунке ниже представлена мнемосхема обжига во вращающейся печи  с 5-ю ступенчатым циклонным теплообменником и предкальцинатором с одновременным выводом параметров охлаждения клинкера с охладителем отходящих газов.

Возле каждой контрольной точки имеется окно, в котором отражается значение контролируемого параметра. При выходе параметра за контрольные значения система может подавать цветовой или звуковой сигнал.

Дистанционное диспетчерское управление производством подразумевает контроль технологических процессов и оборудования с помощью контрольно-измерительных приборов и датчиков. Сигналы передаются на преобразующие измерительные приборы, на исполнительные механизмы, которые управляются регулирующими дросселями.

Данные приборов и датчиков выводятся на экран компьютера пульта оператора, которые установлены в центре управления процессами (ЦУП). В описании схемы указываются всегда верхний и нижний пределы каждого параметра. Автоматизированные системы дают возможность производить действия по управлению технологическими процессами: закрывать и открывать задвижки на подаче шлама и топлива, изменять положение шиберов дымососов для изменения тягодутьевого режима печи, управлять работой приводов, вращающих цементную печь и пр.

На цементных производствах, где применяются современные средства автоматизации, все еще главную роль в управлении занимает оператор, на которого возлагаются функции принятия решения на основе информации, формируемой на пульте управления. При этом возможны ошибки в силу человеческого фактора. Создание полностью автоматической системы управления печью обжига с использованием инженерных методов автоматизации затрудняется тем, что процессы в печи являются достаточно сложными с точки зрения математического описания.

Поддержание определенного соотношения между количеством подаваемого воздуха и топлива, необходимого для горения, является непременным условием получения максимальной температуры факела, а, следовательно, и повышается экономичность процесса горения. Если количество воздуха подается больше, чем необходимо для горения, то температура факела становится ниже и происходит пережог топлива. При подаче меньшего количества воздуха температура факела уменьшается и происходит неполное сгорание топлива. В обоих случаях из-за нарушения указанного соотношения, для получения оптимальной температуры горения необходимо осуществлять управление технологическим процессом. Необходимое соотношение воздуха и природного газа устанавливается с помощью датчика этих регуляторов расхода. Расход первичного воздуха и газа измеряется сужающимися устройствами и измеряются измерительными приборами. Автоматическая система регулирования подачи воздуха полностью обеспечивает экономичное горение топлива.

В печи с циклонными теплообменниками имеются механизмы следующих трех групп: механизмы питания печи сырьевой мукой, обжига и охлаждения; тягодутьевые механизмы и механизмы пылеулавливания и транспортирования уловленной пыли. Для управления этими механизмами предусматривается дистанционное управление с блокировкой с пульта оператора печи, являющееся основным видом управления. И местное управление (без блокировки), которым пользуются только при проведении наладочных и ремонтных работ. На период розжига печи предусмотрено деблокированное управление отдельными механизмами печного агрегата (в том числе главным приводом печи и вентилятором первичного воздуха). С деблокированного управления на блокированное переводят на ходу без остановки механизмов. Работа главного привода печи сблокирована с работой системы смазки. Вспомогательный привод печи используют только при ремонтных работах. Для него применено местное управление.

Управляют встряхивающими механизмами электрофильтров и включают высоковольтные агрегаты электрофильтров со щита управления подстанции электрофильтров с одновременной сигнализацией об их работе на пульте оператора печи. При этом электроды электрофильтров встряхивают автоматически по заданной программе в соответствии с режимом встряхивания.

При нарушении нормальной работы системы смазки автоматически включается резервный маслонасос. Если после включения резервного насоса нормальная работа смазки не восстанавливается, то с выдержкой времени отключается электродвигатель привода печи. При превышении уровнем сырья в бункере заданного предела прекращается подача сырьевой муки из отделения смесительных силосов.

Для обеспечения нормальной работы агрегата имеется сигнализация: предпусковая звуковая; состояния механизмов (сигнальные лампы горят ровным светом при работе механизмов и не горят совсем при нормальной их остановке; при аварийной остановке лампы мигают); превышения температуры колосниковой решетки горячей зоны холодильника; превышения верхнего уровня сырья в бункере.

Качество клинкера в форме содержания свободной окиси кальция в нем на выходе печи в силу сложности и длительности лабораторного измерения оценивают по температурам в зонах печи, поскольку процесс изменения СаОсв прямо зависит от температуры. Для этого строят систему управления печью как распределенным объектом, разбивая печь на зоны и выделяя переменные по каждой зоне, характеризующие протекающие физико-химические процессы.

При разработке автоматизированной системы управления печью обжига как единым агрегатом в обязательном порядке учитываются взаимные связи между данными процессами, которые накладываются друг на друга. Назначение системы автоматического регулирования состоит в обеспечении стабилизации качества обжига, снижении расхода топлива и ручного труда.

Различают следующие методы автоматизированного контроля и управления производством в зависимости от целей управления и возможности автоматизации:

1. автоматизированный контроль технологического процесса;
2. дистанционное диспетчерское управление технологическими процессами и агрегатами;
3. автоматическое регулирование и автоматизированное управление.

Они и определяют основные мероприятия при проведении управления вращающейся печью:

• подбор оптимального химического и минералогического состава клинкера в сырьевой смеси, обеспечивающего необходимые условия для высокоэффективной работы печи и стабильности процесса;
• выбор рационального режима работы теплообменных устройств для интенсивного теплообмена и снижения потерь теплоты;
• отработка рационального режима сжигания топлива, обеспечивающего экономное его расходование и интенсивность высокотемпературных процессов;
• выбор оптимальных режимных параметров всей печной системы и отработка методов управления процессами.

Выделяют следующие технологические величины и переменные, характеризующие процесс обжига, которые используются при автоматическом контроле и управлении:

• температура и разрежение отходящих газов;
• температура материала по зонам печи (чаще всего измеряют температуру в зоне подогрева, кальцинирования и спекания);
• расход, температура, давление и калорийность газообразного топлива;
• гранулометрический состав клинкера;
• нагрузка на главном приводе печи;
• содержание СО₂, О₂, NO_xи СО в отходящих газах.

На входе печи всегда имеются неконтролируемые возмущения, которые возникают из-за изменения свойств сырья, внешних условий либо других неучитываемых факторов. Для компенсации неконтролируемых возмущений, измеряются промежуточные переменные, такие как температуры по зонам печи, учитывается гранулометрия клинкера, то есть косвенно определяются показатели качества клинкера и отслеживаются значимые параметры технологического процесса.

Если переменные покидают интервал нормального протекания процесса, то это свидетельствует о нежелательных режимах, это требует управления всей системой. При этом в силу случайного характера возмущений измеряемые технологические величины являются стохастическими процессами. По результатам измерений рассчитывается необходимое количество тепла, изменяется тягодутьевой режим, либо корректируются другие управляющие воздействия для компенсирования этих возмущений. Соответственно управляющие воздействия как реакция на входные случайные изменения тоже будут носить стохастический характер, что позволяет применять методы статистической динамики для идентификации математической модели.

Процесс обжига клинкера характеризуется тем, что во вращающейся печи обжига происходят взаимосвязанные физические и химические превращения вещества, тепломассобменные процессы, происходит движение материала от холодного конца к горячему концу печи, происходит сжигание топлива в самом пространстве печи. Приведенные процессы являются достаточно сложными.

 Так, например, процессы горения топлива, движения газов и материала, теплообмена и физико-химических превращений сырьевой смеси тесно связаны между собой и каждый из них имеет решающее значение. Производительность печей, удельный расход топлива зависят не только от конструктивных и технологических исходных характеристик, но и от режима работы.

Форсирование режима до известного предела повышает производительность, но увеличивает унос материала, температуру отходящих газов, удельный расход теплоты. Дальнейшее форсирование может привести к сокращению производительности из-за большого уноса при одновременном резком увеличении удельного расхода теплоты.

Уменьшение нагрузок печей против оптимальных также расстраивает их работу: происходит смещение зон, пересушка материала и т.д. Например, процесс декарбонизации, с выделением СО₂ воздействует на процесс сжигания топлива как углекислотный огнетушитель, тем самым изменяя форму факела, что в свою очередь влияет на разложение СаСО₃. Или, например, при возникновения сильного пыления клинкера пропускная способность холодильника уменьшается, что негативно влияет на тягодутьевой режим и может привести к еще большему пылению.

Таким образом, можно сказать, что при управлении вращающейся печью обжига нельзя отдельно воздействовать на какой-либо процесс или параметр, а нужно учитывать взаимозависимость технологических величин.

Основными выбросами из цементных печей являются CO₂, клинкерная пыль, NO_x и SO₂ — все остальные выбросы незначительны и иногда специфичны для некоторых установок.

Усредненные данные по выбросам из цементных печей составляют в расчете на 1 кг клинкера в граммах:

• CO₂  =835;
• SO₃=0,5;
• NO_x=2,5;
• цементная пыль=25.

Мировая общественность в первую очередь озабочена выбросом CO₂, который возникает из-за декарбонизации известняка (50-55%), сжигания топлива (40-45%) и потребления электроэнергии (до 10%).

В процессе производства, по оценкам материального баланса процесса, на метрическую тонну клинкера при обжиге известняка выделяется около 535 кг CO₂ и около 330 кг CO₂ при сжигании топлива, что приводит к прямым выбросам 835 кг CO₂ на метрическую тонну клинкера.

Промышленность в целом приняла следующие ключевые рычаги для сокращения выбросов CO₂:

• Сведение к минимуму использования клинкера в составе цемента (ввод минеральных добавок);

• Расширение использования альтернативных видов топлива;

• Повышение энергоэффективности работы печного агрегата;

• Выработка электроэнергии с использованием отработанного тепла;

• Постепенное внедрение возобновляемых источников энергии.

Кроме того, изучается возможность улавливания и рециркуляции CO₂.

Что касается выбросов пыли, то мировые стандарты устанавливают пределы содержания пыли в отходящих газах до 30-50 мг/нормальный м³ (Нм³). Благодаря усовершенствованным электрофильтрам и эффективным тканевым фильтрам промышленность соблюдает предельные нормы. Образование оксидов азота (NO_x) связано с высокой температурой пламени в печи, и NO является основным компонентом (около 95%) так называемого термического NO_x. Количество выбросов NO_x увеличивается, если топливо, сжигаемое в печи с предкальцинаором, содержало большое количество азота. Поскольку большая часть NO преобразуется для NO₂ в атмосфере выбросы указаны как NO₂ на кубический метр отходящих газов. Измеренные значения выбросов NO_x показали диапазон 300-2000 мг/Нм³, но в большинстве случаев выбросы превышают глобальный предел в 500-800 мг/Нм³. В этом случае важно принять меры по сокращению выбросов, и разрабатываемые новые технологии включают установку горелок с низким содержанием NO_x, ступенчатое сжигание топлива и селективное некаталитическое восстановление оксида азота. Выбросы SO², как правило, ниже 300…500 мг/Нм3, но в некоторых случаях может быть и выше. Высокие выбросы SO₂ часто объясняются сульфидами, содержащимися в сырье, которое окисляется при температуре от 370 до 420°C в предкальцинаторе и циклонном теплообменике.

В таких случаях может потребоваться внедрение технологии десульфуризации дымовых газов путем введения гидроксида кальция.

Помимо вышеуказанных основных выбросов, возможны незначительные выбросы нескольких органических соединений, таких как диоксины и фураны, полихлорированные бифегилы, полициклические ароматические углеводороды, группа BTEX (бензол, толуол, этилбензол и ксилол) и неорганические кислоты, такие как HCl и HF, которые  могут поступать из системы обжига. Выбросы тяжелых металлов также встречаются в процессе производства клинкера. Эти выбросы редко превышают нормы, установленные во всем мире. Когда они обнаруживаются в избытке, исследование сырья и топлива становится важным для выявления источников и их соответствующего устранения.

Выбросы органических соединений стали более важными с использованием альтернативных видов топлива, и соблюдение норм выбросов имеет важное значение.

Все эффекты, описанные в предыдущих статьях, указывают на то, что желательно быстрое охлаждение: алюминатная фаза медленнее реагирует с водой при мелкозернистом и плотном смешивании с ферритом, что облегчает регулирование скорости схватывания, алит фиксируется в кристаллическом состоянии в результате реакций с участием промежуточного материала.

Скорость охлаждения позволяет перераспределять MgO по разным фазам, что придает клинкеру размалываемость.

Быстрое охлаждение клинкера также повышает сульфатостойкость  цемента. Это объясняется тем фактом, что содержание C₃A, которое связано с устойчивостью портландцемента к воздействию сульфатных растворов, в основном присутствует в стеклообразном состоянии при быстром охлаждении; в этой форме C₃A гораздо менее подвержен воздействию сульфата натрия или магния (рис. 3).

На рис. 3 показано расширение двух стержней раствора, изготовленных из одного и того же клинкера, содержащего 11 % C₃A, и хранящихся в 5% растворе сульфата магния. В одном случае – при медленном охлаждении – кристаллы C₃A полностью разрушались, тогда как в другом случае клинкер охлаждался быстро. Кривые показывают определенное преимущество быстрого охлаждения клинкера.

На рис. 4 с помощью двух диаграмм показано сравнение измельчаемости быстро и медленно охлаждаемого клинкера. Клинкер, который медленно охлаждался в рекуператорном холодильнике, показывает более высокую удельную потребляемую мощность для измельчения в кВт/т, чем клинкер, который быстро охлаждался в колосниковом холодильнике клинкера. Более высокая доля жидкой фазы, а также более мелкие кристаллы минералов клинкера делают измельчение этого клинкера более легким, чем измельчение медленно охлаждаемого клинкера.

При медленном охлаждении неустойчивые модификации алита начинают перекристаллизовываться с выделением примесей, вследствие чего они подвергаются расщеплению.  Если клинкер охлаждается слишком медленно в диапазоне от 1250 C до 1100 C, алит начинает распадаться на вторичные кристаллы белита и СаО. Зерна белита при этом располагаются в виде каемок на поверхности кристаллов алита.

Скорость охлаждения влияет на то, как происходят белитовые переходы, причем эффекты различимы микроскопически.

Медленное охлаждение клинкера способствует росту минералов клинкера. Размер кристаллов алита не только влияет на измельчаемость клинкера (для измельчения крупных кристаллов требуется дополнительная энергия), но также влияет на гидратацию и прочность цемента. Кристаллы алита, которые при правильном обжиге и быстром охлаждении остаются небольшими, повышают прочность цемента. Из двух цементов с идентичным химическим составом тот, который содержит кристаллы алита меньшего размера (15 микрон), оказался прочнее. Его 28-дневная прочность на сжатие составила 391 кг / см², тогда как испытание на прочность при сжатии цемента с кристаллами диаметром 40 микрон составило всего 293 кг / см².

Составы алюминатной и ферритовой фаз при охлаждении могут заметно отличаются от расчетных составов C₃A и C₄AF соответственно в зависимости от скорости охлаждения и присутствия второстепенных оксидов.

 Несколько более медленное охлаждение, от 1300 до 700 C за несколько секунд, дает орторомбическую кристаллизацию C₃A, слабокристаллическую, богатую железом форму этой фазы. Еще более медленное охлаждение (1300-1100 C за 6 минут) дало обычно кристаллическую алюминатную и ферритную фазы.

Орторомбическая модификация C₃A известна как призматический, темный промежуточный материал, и иногда является псевдотетрагональной. Эта модификация может возникнуть только при наличии достаточного количества щелочных оксидов, но его образованию, по-видимому, способствует также быстрое охлаждение и исходное содержание оксида алюминия в материале, потенциально способные давать относительно высокую долю алюмината.

Кубический алюминат C₃A в клинкере часто мелкозернистый и тесно смешан с дендритными кристаллами феррита: когда он образует более крупные кристаллы, они, как правило, равноразмерны. Эти две модификации имеют разную скорость растворения в воде, т.о. разную химическую гидравлическую активность.

Поведение MgO при образовании клинкера заметно зависит от скорости охлаждения. Если клинкер обжигается при высокой температуре (> 1500 C), относительно высокое содержание MgO может попасть в жидкую фазу, и при быстром охлаждении большая его часть остается в кристаллической решетке алюминатной и ферритовой фазах, и только небольшое количество периклаза отделяется в виде мелких кристаллов. При медленном  охлаждении от высоких температур только около 1,5% MgO (относящегося к клинкеру) переходит в твердый раствор, избыток которого образует крупные кристаллы периклаза. При температурах ниже 1450  C MgO сложнее переходит в раствор, и могут сохраняться скопления кристаллов периклаза.

Прочность твердеющего портландцемента зависит от размера кристаллов периклаза. Гидратация более крупных кристаллов периклаза, которая связана с одновременным увеличением объема, происходит медленнее, чем гидратация минералов, образующих клинкер и это ухудшает прочность твердеющего цемента. Максимальный размер кристаллов периклаза, которые практически не повреждают цемент, составляет около 5-8 микрон. Медленное охлаждение клинкера может привести к образованию кристаллов периклаза размером около 60 микрон. Было обнаружено, что 4% кристаллов периклаза в цементе размером до 5 микрон демонстрируют ту же скорость расширения в тесте с автоклавированием, что и 1% кристаллов периклаза размером 30-60 микрон.

Алит и белит, составляющие более 75 мас.% клинкера, в процессе охлаждения могут претерпевать изменения. Далее при охлаждении он может подвергаться  перекристаллизации и разложению (последнее с образованием белита).

Кристаллы алита и белита распределяются в плотной матрице из мелкокристаллического срастания алюмината и феррита, которое образовалось на самой ранней стадии охлаждения выше 1300 C.

В процессе обжига образуется клинкерная жидкость, количество которой может достигать до 30%. Кристаллы алита быстро зарождаются и растут в расплаве через растворение. Белит может образовываться как на стадии процесса обжига, так и на стадии охлаждения. 

Клинкерная жидкость  может вести себя любым из трех способов во время охлаждения, с промежуточными возможностями.

В первом случае постоянно поддерживается равновесие между жидкой и ранее существовавшими твердыми фазами (алит и белит). Это подразумевает возможность переноса материала между этими твердыми частицами и жидкостью в любом направлении до момента, пока жидкость остается. Эта ситуация будет называться "равновесной кристаллизацией".

Во втором случае жидкость не кристаллизуется, а образует стеклофазу.

В третьем случае жидкость кристаллизуется независимо, т.е. без  взаимодействия с уже присутствующими твердыми фазами. Промежуточные режимы включают, например, равновесную кристаллизацию до определенной температуры и независимую кристаллизацию ниже нее.

Быстрое охлаждение клинкера позволяет получать кристаллы алита и белита достаточно однородного строения. Промежуточная фаза при этом выделяется или в виде мелких кристаллов, или затвердевает в виде стекла.

Циркуляция хлора и места образования различных видов хлора на цементном заводе проиллюстрированы на рисунке. Хлор в виде хлоридов часто встречается в известняках и глинах, преимущественно в виде NaCl. Сырьевая мука обычно содержит относительно небольшое количество Cl, в основном менее 0,01 мас. % без LOI и максимальная допустимая концентрация хлора в сырой муке составляет 0,03 мас. % без LOI для ILC-системы без байпаса, поскольку более высокие концентрации вызовут серьезные проблемы с накоплением хлора в печи.

Хлор может выделяться при сгорании топлива, и поступление хлора из топлива может значительно варьироваться в зависимости от типа топлива. Содержание Cl в ископаемом топливе, таком как уголь и коксующийся газ, довольно низкое, но оно может быть значительным для альтернативных видов топлива, таких как RDF. Возможные пути и механизмы высвобождения Cl при пиролизе и сжигании биомассы объясняется следующим. Газ HCl образуется при сжигании топлива, содержащего органически связанный хлор или неорганические хлоридные соли. Органически связанный Cl также может выделяться в газовой фазе в виде CH₃Cl. В кальцинаторе и на нижних ступенях подогревателя HCl будет поглощаться свободной известью в соответствии с реакцией (4-8) (Partanen, 2004), однако поглощение HCl известняком сильно зависит от влажности дымовых газов.

В зоне горения в пламени нет активного свободного CaO, взвешенного в воздухе, и поэтому HCl из печного топлива поступает непосредственно в подогреватель и там преобразуется в CaCl₂. В кальцинаторе и на нижних ступенях циклона при температуре 800-850 C частицы хлора из сырья могут плавиться, а также происходит конденсация частиц хлора из печных газов. Следовательно, частицы хлора присутствуют в жидкой фазе. Обратная реакция (4-8) также может происходить в присутствии влаги.