Помол по своей природе неэффективен, либо всего 20% потребленной энергии конвертируется в измельчение, остальная часть теряется в виде шума, тепла, износа оборудования от вибрации. По данным Christian Pfeiffer Maschinenfabrik GmbH для шаровых мельниц только 3-6% потребленной энергии используется на измельчение твердых частиц (рис.1.)

Эффективность работы помольного агрегата зависит от факторов, которые условно разделяют на три группы:

Первая группа, связанные с конструкцией мельницы

• Схема измельчения (замкнутая или открытая, одно или двухстадийный помол и т.д.);
• Технические характеристики мельницы (тип и размер);
• Скорость вращения мельницы;
• Профиль и поверхность броневых плит;
• Вид и конструкция межкамерной перегородки

Вторая группа, обусловливает режим работы мельницы

• Степень заполнения объема мельницы мелющими телами;
• Качество и ассортимент мелющих тел;
• Интенсивность аспирации рабочего пространства мельницы;
• Величина и равномерность питания мельниц материалом, автоматизация мельницы

Третья группа, составляет физико-химические свойстваразмалываемого материала среды в мельнице, определяющие его сопротивляемость размолу, крупность исходного и конечного продуктов, температуру и влажность, адсорбционные свойства среды.

Эффективность процесса измельчения клинкера и добавок в шаровых барабанных мельницах зависит от следующих режимов:

• физико-химического режима, в ходе которого создаются рациональные температурно-влажностные и адсорбционные условия;
• гидродинамического режима, направленного на обеспечение рациональных концентраций материала в зоне измельчения и скорости движения материальных и воздушных потоков;
• энергетического режима, обеспечивающего рациональный состав и предельную крупность мелющих тел, создание дифференциального скоростного режима работы мелющей загрузки, при котором осуществляется постепенное изменение вида и уровня измельчающих воздействий в радиальном и осевом направлениях.

Эффективность реализации этих режимов осуществляется посредством разработки рациональных конструкций бронефутеровок и диафрагм, обеспечивающих наилучшие режимы работы мелющей загрузки в поперечном и осевом направлениях, внедрения высокопроизводительных помольных систем с применением стадийно-поточных схем измельчения и эффективных конструкций сепараторов, применения способов интенсификации путем создания адсорбционно-активной среды в мельницах с помощью ПАВ, а также разработки способов пылеподавления, эффективных систем пылеулавливания и рационального аспирационного режима работы мельницы.

В печных системах подогревателя-прекальцинатора летучие вещества практически не имеют путей выхода, и, следовательно, циркулирующие летучие вещества могут либо привести к закупорке циклона из-за образования низкоплавких фаз или чрезмерное улавливание в клинкере. Эта ситуация частично преодолевается путем отвода части выходящих из печи газов через обводной канал.

Если концентрация летучих веществ в системе печи становятся слишком высокой либо из-за большого поступления летучих компонентов, либо из-за высокой степени летучести, необходима установка байпаса печного газа для извлечения части летучих компонентов из системы печи.

Летучие компоненты в печном сырье, особенно сульфаты, щелочи, и хлориды, проходят через циклы конденсации-волатилизации в печных системах подогревателя-прекальцинатора.

Летучесть системы состоит из двух компонентов: первичная летучесть (E1) и вторичная или контурная летучесть (E2).

Первичная летучесть - это потери при испарении K₂O, Na₂O, SO₃, и Cl- (и других, если они присутствуют), когда печное сырье проходит через зону горения печи в первый раз.

Вторичная или контурная летучесть - это потери при испарении этих оксидов/радикалов после того, как испарившиеся фазы подверглись реакции конденсации в более холодных частях циклона подогревателя и повторили свой путь через печь.

Зона обжига печи очень горячая (обычно около 1400 C). Некоторые незначительные соединения и их эвтектика кипят или улетучиваются ниже температуры зоны горения. Они переносятся в потоке газа к концу подачи, где они часто конденсируются, создавая проблемы с налипанием материала. Они также конденсируются на частицах сырья и уносятся обратно в зону обжига, где снова улетучиваются. Это приводит к “летучему циклу”, который может сделать печь очень нестабильной и сложной в эксплуатации. Хлор, сера и щелочи - это элементы, которые обычно способствуют возникновению этой проблемы. Основная часть летучих соединений может быть удалена вместе с клинкером при соблюдении правильных условий эксплуатации печи. Однако хлориды (наиболее летучие) и большие количества сульфатов должны быть удалены и утилизированы с использованием либо системы отвода газа (для циклонных печей с предварительным нагревом), либо для удаления пыли в мешках/осадителях (для длинных печей). Содержание хлорида в сырьевом сырье выше 0,015- 0,02% обычно приводит к необходимости удаления пыли.

Первичная летучесть химических компонентов обычно определяется с помощью специально разработанных лабораторных установок, но летучесть контура трудно оценить, так как она измеряется на основе анализа образцов цепи, собранных надлежащим образом за период исследования.

Из приведенных выше данных следует, что летучесть щелочей в контуре и сульфатов существенно возрастает по сравнению с их первоначальной первичной летучестью, что не так для хлоридов. В этом контексте важно отметить что фактическая летучесть в печной системе будет также зависеть от потери летучих веществ из системы и их количества, переходящего в клинкер.

Современная байпасная система состоит из воздушной камеры гашения, запорного клапана, камеры водяного гашения и пылеуловителя. Воздушная камера гашения используется для смешивания окружающего воздуха с печными газами для быстрого охлаждения.

Эффект заключается в том, чтобы вызвать быстрый переход из парообразного состояния в твердое и предотвратить образование жидкости. Камера водяного тушения используется для охлаждения газов до более низких температур для сбора пыли.

В этой части дается представление о неорганической химии в системе обжига цемента в виде элементов серы, хлора, натрия и калия, поскольку эти элементы тесно связаны с эксплуатационными проблемами, возникающими в печи.

Путем повторяющегося испарения и конденсации эти элементы циркулируют при различных температурах и местоположениях цементного завода. Когда они присутствуют в высоких концентрациях, они часто вызывают трудности в работе печи из-за накопления материала и образования колец, которые будут дополнительно описаны ниже.

В таблице приведен диапазон концентраций Na₂O, K₂O, SO₃ и Cl^-, содержащихся в различных сырьевых материалах, используемых в цементной промышленности. Концентрации натрия, калия и серы обычно выражаются в виде оксидов в соответствии с методом элементного анализа. 

Циркулирующие элементы обладают сильным сродством к другим элементам и образуют химические соединения, такие как хлориды и сульфаты. Наблюдался следующий порядок сродства:

1. Хлор первично реагирует со щелочными оксидами, образуя KCl и/или NaCl, обычно в газовой фазе. Остаточный хлор соединяется с кальцием, образуя CaCl₂ (s/l). Однако редко бывает так, что количество хлора превышает количество щелочей.
2. Избыток щелочных оксидов вступает в реакцию с серой, образуя K₂SO₄ и/или Na₂SO₄ в твердой или газовой фазе, а также двойных солей Ca₂К₂(SO₄)₂. Остаточные щелочи соединяются с CO₂, образуя K₂CO₃ и Na₂CO₃ или с влагой, тем самым образуя NaOH и KOH в газовой фазе. Щелочи, не соединенные с хлоридом или серой, присутствуют в виде Na₂О и K₂О, встроенных в минералы клинкера.
3. Калий в сочетании с хлоридом в виде KCl испаряется почти на 100% в зоне горения, в то время как калий в сочетании с сульфатом в виде K₂SO₄ в значительной степени покидает печь вместе с клинкером.
4. Избыток серы, присутствующий в виде SO₃ и/или SO₂ в газе, вступит в реакцию с CaO (s), образуя CaSO₄(s).

Количественная оценка циркуляции определяется волатильностью, которая указывает на ту часть, которая улетучивается в печи и, следовательно, не покидает печь вместе с клинкером. Летучесть описывается с использованием коэффициентов испарения для каждого соединения, изменяющихся от 1 до 0, где 1 означает, что все летучие соединения испаряются, а 0 означает, что ни одно из них не испаряется и, следовательно, все уходит с клинкером.

Коэффициент испарения хлоридных соединений KCl, NaCl и CaCl₂ в печи составляет 0,990-0,996. Примерно при 800 C эти соединения расплавляются, а при 1200-1300 C они почти полностью испаряются.

Второстепенными элементами, вызывающими озабоченность, являются сера, хлор, натрий и калий, которые, как известно, циркулируют как летучие элементы в системе обжига. Соединения, содержащие эти элементы, испаряются при воздействии высоких температур и впоследствии могут конденсироваться в более прохладных частях оборудования. Высокая внутренняя циркуляция серьезно влияет на стабильность процесса и работу системы обжига клинкера, например, из-за накопления материала в циклонах и/или во вращающейся печи в виде материальных колец, настылей, а в более длительном масштабе времени из-за коррозии корпуса.

Это многократное испарение и конденсация приводят к внутренней циркуляции, при которой концентрация некоторых компонентов в материале печи может быть увеличена в пятьдесят раз по сравнению с исходной концентрацией. Когда достигается равновесное состояние, выход летучих компонентов равен общему расходу сырья и топлива. Особенно в печной установке, оснащенной башней предварительного нагрева, почти все летучие вещества в конечном итоге покидают печь вместе с клинкером, поскольку только небольшая часть проходит через циклоны и выходит вместе с выходящим газом. Концентрация компонента в системе обжига в этом равновесном состоянии может быть очень высокой, в зависимости от степени летучести компонента.

На многих старых установках такие проблемы неизвестны, поскольку конструкция системы печи позволяет испаряющимся компонентам выходить через дымоход. Однако в установках, построенных в восьмидесятые и девяностые годы, с эффективными подогревателями и фильтрами это является проблемой.

Поэтому состав печной муки должен быть скорректирован в соответствии с количеством и составом топливной золы, чтобы обеспечить однородное качество клинкера. Изменения количества отходящих газов и температурного режима установки также могут иногда оказывать неблагоприятное влияние на производительность и потребление энергии, а также на свойства клинкера. 

Температура газа в системе обжига колеблется от температуры окружающей среды до 2000 C, а уровень кислорода колеблется от 2 до 21 об. %, в зависимости от положения в системе обжига.

Сжигание твердых коммунальных отходов (ТКО) в цементных печах в виде  Refuse Derived Fuel RDF – один из наиболее экологически безопасных и экономически эффективных видов термической утилизации отходов. К сожалению, в нашей стране этот метод пока еще не получил широкого распространения, а между тем его плюсы очевидны.

Существует множество преимуществ использования альтернативных видов топлива, как для цементной промышленности, так и с точки зрения общества в отношении общих проблем с отходами. Некоторые преимущества замены ископаемого топлива альтернативными видами топлива являются:

• Снижение затрат на топливо и производство;
• Альтернативные виды топлива могут быть частично или полностью нейтральными по отношению к CO₂;
• Отходы эффективно используются в качестве энергии;
• Зольный остаток включается в состав цементного клинкера.

Однако к использованию альтернативных видов топлива предъявляются некоторые общие требования, такие как наличие больших объемов, законодательство и разрешения, прежде чем можно будет использовать конкретное альтернативное топливо, логистика транспортировки и обращения с конкретным топливом.

Принятый способ утилизации отходов в специальных мусоросжигательных печах имеет ряд недостатков, связанных с выбросами в атмосферу  HCl, NH3, бензола, тяжелых металлов, диоксинов, фуранов. После сжигания ТКО остается зола, которую тоже необходимо утилизировать.

В мировой практике сжигание ТКО проводится во вращающихся печах производства цемента. Одной из ведущих стран по замене ископаемого топлива является Германия, где в 2011 году 61,1% тепловой энергии было получено из альтернативных источников топлива (VDZ, 2012).

Отходящие из вращающейся печи газы с температурой 900-1000 С по газоходу движутся в циклонный теплообменник IV ступени, а затем последовательно проходят циклонные теплообменники III, II и I ступеней, пылеулавливающее устройство и дымососом через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. Время пребывания материала в подогревателе составляет примерно 30 с, а в печи - около 40 мин. Печь вращается со скоростью два оборота в минуту, а перепад давления в циклонном теплообменнике составляет 300-600 мм воды.

Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, и при этом нагревается. На выходе из циклона IV ступени материал имеет температуру 700-800 С, затем он подаётся во вращающуюся печь для дальнейшего обжига.

Время пребывания частиц сырьевой муки в циклонном теплообменнике не превышает 25-30 с, и за это очень короткое время материал нагревается, полностью дегидратируется глинистая составляющая сырьевой смеси, а также на 25-30% успевает пройти декарбонизация карбонатной породы. Таким образом, в циклонном теплообменнике осуществляются процессы, которые соответствуют зоне подогрева и частично зоне кальцинирования. При этом процесс теплообмена на 80 % осуществляется в газоходах и только 20 % приходится на долю циклонов.

Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками имеют высокие технико-экономические показатели, длительный срок службы, просты по конструкции и надёжны в эксплуатации (отсутствие движущихся элементов), они отличаются высоким коэффициентом использования. Основным недостатком данного теплообменного устройства является большая высота циклонной башни — 50-60 м.

Учитывая разницу температур и характер твердофазовых реакций до этой стадии, наиболее энергоэффективным решением для процесса клинкерообразования было разделение на две подсистемы: подсистему предварительного нагрева и частичной декарбонизации в режиме воздушной суспензии частиц, и подсистему спекания клинкера в присутствии жидкой среды.

Наиболее современными являются технологии, основанные на трёхступенчатом обжиге, которые позволяют направлять в обжиговую печь материал, который декарбонизирован почти полностью. Для интенсификации процесса диссоциации CaСО3 между запечным теплообменником и печью устанавливается специальный реактор – диссоционная ступень (декарбонизатор или кальцинатор), представляющая собой печь специальной конструкции с вихревой форсункой, где происходит сжигание топлива и декарбонизация сырьевой муки в вихревом потоке.

Реализация этих подсистем дала возможность генерировать и поглощать более 60% общего подводимого тепла в зоне прокаливания, где потребление тепла было высоким из-за эндотермической природы реакции декарбонизации. Сгорание топлива и, в еще большей степени, время пребывания твердых частиц зависят от режима газового потока. Расчетное время пребывания газа в различных конструкциях варьируется от 1,4–1,7 секунды в системах с отдельным декарбонизатором и до 4-5 секунд в расширенной системе воздуховодов. Некоторые декарбонизаторы для предварительного прокаливания материала сконструированы с закрученным или циклоническим движением газового потока внутри них, что обеспечивает твердым частицам относительно более длительное время пребывания.

Современные системы печей предварительного нагрева и декарбонизации рассчитаны на удаление СО2 из карбоната кальция (не менее 85% материала).

Степень прокаливания материала в декарбонизаторе зависит от:

• температуры газового потока в реакторе;
• времени пребывания материала;
• разделения газа и твердых частиц;
• эффекта циркуляции твердых частиц;
• кинетики декарбонизации известняка, обусловленную морфологией и химическим составом карбоната кальция.

Температура материала на входе в реактор составляет 720-750 С. В результате сгорания дополнительного количества топлива температура газового потока повышается до 1000-1050 С, а материал нагревается до температуры 920-950 С. Каждая частица материала находится в системе «циклонный теплообменник — декарбонизатор» всего 70-75 с, но на выходе из нее степень декарбонизации составляет 85-95%.

Установка диссоционной ступени позволяет повысить съем клинкера с 1 м3 внутреннего объёма печи в 2,5-3 раза, в результате печь диаметром 5-5,5 м имеет производительность 6000-8000 т/сут, а удельный расход теплоты снижается до 3-3,1 кДж/кг клинкера. Размеры реактора невелики, он может быть использован не только при строительстве новых линий, но и при модернизации уже существующих коротких вращающихся печей с циклонными теплообменниками.

Различие в производительности печей обусловлены типом циклонных теплообменников (в основном количество ступеней и диаметром циклонов) и типом декарбонизатора.

В последние годы цементные печи начали оснащаться новыми типами горелок.

Все импортные горелки имеют широкий диапазон регулирования процесса горения топлива и длины факела.

Преимущества зарубежных горелок:

• возможность применения различных видов топлива;
• возможность сжигания альтернативного топлива;
• наличие защитной теплоизоляции;
• возможность регулирования формы и температуры факела изменением скорости вылета и завихрением топливно-воздушного потока.

Недостатки:

• усложненная массивная конструкция;
• несколько завышен объем первичного воздуха.

Горелки многоканального типа рассчитаны на сжигание угля, кокса, мазута и природного газа и их смесей, а также альтернативного топлива. Горелки многоканального типа с радиальным и аксиальным газом оснащены двумя типами форсунок: для осевой подачи газа (аксиальный газ) и для тангенциальной подачи газа (радиальный газ). По сравнению с простой одноканальной горелкой современные многоканальные предполагают большие возможности для управления формой факела путем регулирования соотношения между подачей радиального и аксиального газа.

Обеспечение рационального сжигания топлива имеет важнейшее значение при эксплуатации цемент­ных вращающихся печей. Путем регулирования процесса горе­ния можно изменять гранулометрию клинкера и величину об­мазки в зоне спекания, повышать стойкость футеровки и произ­водительность печей, существенно снижать удельный расход тепла.

Для этого необходимо обеспечивать высокий уровень тепло­обмена по всей длине факела и не допускать местного пере­грева футеровки на коротком участке.

 Длина факела определяет размеры зоны обжига в печи, локальную теплонапряженность футеровки и условия образования обмазки на ней. При обеспечении оптимальных характеристик факела (длины, температуры, теплоотдачи) с учетом соблюдения требуемой температуры обжигаемого материала в зоне обжига печи устраняется локальный перегрев и износ футеровки печи, достигается максимальная светимость факела и равномерный нагрев сырья, повышается производительность агрегата, снижается удельный расход тепла и улучшаются показатели качества конечного продукта.

Опыт эксплуатации вращающихся печей показывает, что эффективность их работы в значительной степени зависит от рационального сжигания большого количества топлива, которое в свою очередь, зависит от совершенства его смешения с окислителем и от температуры подготовки смеси к горению. Оптимизация режима сжигания топлива во вращающейся печи связана с количеством воздуха, подводимого в зону горения, и является одним из главных факторов, определяющих снижение удельного расхода тепла на процесс обжига, повышение производительности агрегата и уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу при условии обеспечения требуемых показателей качества сырьевой смеси на выходе.

 Для ведения экономного режима сжигания топлива следует устанавливать такой режим, который бы обеспечивал необходимую температуру обжига без химического и механического недожога топлива. Практика сжигания различных видов топлива показывает, что обеспечить горение топлива без химического недожога при коэффициенте избытка воздуха α=1 не удается даже при его высококачественном смешении и высокой температуре горения (1600-1700  С). Опытным путем установлено оптимальными являются значения α= 1,03 ± 0,02 для условий работы вращающихся обжиговых печей.

 Тепловая работа вращающейся печи и вспомогательного оборудования в большой степени зависит от организации процессов горения. Создание необходимых физико-химических параметров оказывает прямое влияние на качество продукта, а эффективность работы печи в заданном режиме в конечном итоге влияет на расход топлива и себестоимость продукции. Для обеспечения оптимальной работы вращавшейся печи необходимо обеспечить полное горение топлива с минимальным избытком воздуха, наряду с высокой степенью теплообмена между газом и обжигаемой сырьевой смесью. Правильный выбор горелочного устройства и его эксплуатация позволяют обеспечить совершенное смешение топлива с воздухом и получить факел необходимых параметров в соответствии с технологическим процессом и условиями работы печи.

Естественно, что все факторы взаимосвязаны и не могут быть рассмотрены изолированно друг от друга. При изучении совокупности воздействий установлено, что важнейшее влияние на скорость горения оказывает предварительное смешение топлива с воздухом до момента его воспламенения, которое в значительной степени определяется удалением факела от форсунки. Чем дальше в печи загорается топливо, тем больше оно предварительно смешивается с воздухом до воспламенения и тем, следовательно, короче зона горения. Если же путем уменьшения количества и скорости первичного воздуха, разрежения за обрезом печи или увеличения тонкости помола, температуры вторичного воздуха и содержания летучих в угле приблизить факел к форсунке, то он становится желтым и непрозрачным. Видимость в печи резко ухудшается, что свидетельствует о высокой степени черноты факела. При этом создаются рациональные условия сжигания топлива, обеспечивающие защитную обмазку по длине всей зоны спекания, высокую стойкость футеровки, низкий расход тепла и хорошую гранулометрию клинкера.

Таким образом, основным параметром, определяющим рациональное сжигание топлива, является расстояние от точки воспламенения топлива до устья форсунки L₀, которое контролируется по удаленности максимальной температуры корпуса печи от ее горячего обреза L_max. Для вращающихся печей длиною от 100 до 185 метров оптимальной величиной является L_max= 11-13 метров. При сжигании угольного топлива следует поддерживать L₀ на уровне 0,5-1,5 метра.

Для подачи в печь подготовленного топлива используют форсуночные и горелочные устройства различных конструкций, образующих факел необходимого направления и длины.