Uticaj primene alternativnih goriva na izdržljivost vatrostalnog ozida

Influence of application of alternative fuels to refractory lining endurance

G.Lazić, Lafarge BFC, Beočin, Srbija

Izvod

Tokom proteklih nekoliko godina, sledeći zakonske preduslove zemlje, korišćenje alternativnih goriva u Lafarge BFC Beočin, je znatno povećano. Sa ekološkog stanovišta, postoje veoma strogi kriterijumi korišćenja takvih goriva. Sa aspekta kvaliteta cementa, ovi kriterijumi takođe su obavezujući. U oba slučaja, vrste alternativnog goriva moraju da se prilagode zadatim procesnim uslovima. Kao što je dobro poznato glavni zahtev za pravilnu selekciju vatrostalnih materijala za ozide termičkih postrojenja u cementari Lafarge BFC Beočin je da dati materijal pokazuje maksimalnu otpornost na koroziju na razne vrste pepela i rast temperature tokom upotrebe alternativnih goriva. Među raznim faktorima koji utiču na ponašanje vatrostalnih obloga najvažniji su: formiranje nalepa sirovinske smeše, dužina zone sa stabilnim i nestabilnim nalepom, formiranje sirovinskih prstenova i njihova dimenzija, uticaj sirovinskih prstenova na vreme zadržavanja različitih vrsta alternativnih goriva u određenoj zoni, izdržljivost vatrostalnih obloga izloženih odgovarajućim uslovima procesa, i posledice svih ovih faktora na brzinu trošenja vatrostalne obloge. U poslednje dve ili tri godine iskustva u primeni alternativnih goriva su vrlo pozitivna i obećavajuća.

Abstract

Over the past few years, following the country’s legal prerequisites, use of alternative fuels in Lafarge BFC Beočin, is significantly increased. From an environmental point of view, there are very strict criteria of their use. From the aspect of cement quality these criteria should be also applied. In both cases, the types of alternative fuel have to be adjusted to the requested process conditions. As it is well-known the main request for regular selection of refractory materials for furnace lining is to have a maximal corrosion resistance to various kind of ash and raise of temperature during the use of alternative fuels. Among of various influencing factors on the behavior of refractory lining the most important are: formation of paste of row slag, length of zones with stabile and non-stabile paste, formation of row rings and their dimensions, influence of row rings on the retention time diverse kinds of alternative fuels in particular zone, endurance of refractory lining exposed to corresponding process conditions, and consequence of all these factors to the rate of wear of refractory lining. In the past two or three years, the experience in the application of alternative fuels are very positive and promising.

Uvod

Kada je u pitanju energija, njeni izvori, utrošak i cena, sve to u mnogome utiče na cenu proizvoda i uspešnost kompanija. Ako se tome doda i činjenica da su u našem okruženju izvori energije sve siromašniji, logično je da se okrećemo obnovljivim izvorima i alternativnim gorivima. Posebni zadaci da se primena alternativnih goriva učini što masovnijom i da se elimiše u što većoj meri ekološki otpad postavljeni su pred cementnu industriju i sve druge oblasti procesne industrije koji troše veće količine energije. Princip je uvek jedinstven i jasan, mada mogućnosti različitih grana procesne industrije da se uklope u takav princip ponašanja i dosledno ga sprovedu do kraja, često su protivurečne i teško ostvarive.

Pored argumenta vezanih za primenu alternativnih izvora energije i energenata, ekološke prirode, veliki značaj imaju i argumenti ekonomske prirode. Obe vrste argumenata imaju jednak značaj, jer se međusobno dopunjuju, a gledano na duge staze, takva vrsta pristupa značajna je i za egzistenciju kompletne populacije planete.

Osnovne postavke

Tokom proteklih nekoliko godina, po sticanju zakonskih preduslova, nivo primene alternativnih goriva u Lafarge BFC Beočin, u stalnom je porastu. Sa ekološke tačke gledišta, postoje vrlo strogi kriterijumi u okviru kojih se dozvoljava njihova primena. Kada je reč o vrstama alternativnih goriva koje koristimo, za sada je u upotrebi: komunalni otpad, otpadna guma, otpadna tekstilna vlakna, otpadna papirna vlakna, otpadno drvo, biomasa, otpadno ulje i plastika, sa učešćem u ukupnom energetskom bilansu od preko četrdeset procenata. Kada je kvalitet proizvoda, odnosno cementa u pitanju, situacija je slična. U oba slučaja vrsta alternativnih goriva, prilagođava se unapred postavljenim uslovima. Drugim rečima, ekološki aspekt i aspekt kvaliteta cementa ne smeju biti narušeni.

Vatrostalni ozid je međutim kategorija, pred koju se postavlja uslov maksimalne tolerantnosti u okolnostima upotrebe alternativnih goriva. Kada se o tome govori, postoji više aktuelnih problema sa kojima se suočavamo u svojoj praksi, kao što su: i) formiranje sirovinskog nalepa, ii) dužina zone stabilnog, odnosno nestabilnog nalepa, iii) formiranje sirovinskih prstenova; iv) redukciona atmosfera, v) uticaj sirovinskih prstenova na dužinu boravka određenih vrsta alternativnog goriva u određenoj zoni, vi) izdržljivost vatrostalnog ozida izloženog datim uslovima; vii) posledice koje dati faktori, ili njihova kombinacija imaju na vatrostalni ozid.

U proteklom dvogodišnjem, odnosno trogodišnjem iskustvu u primeni alternativnih goriva, njegova primena u krajnjem slučaju, nije se negativno odrazila na izdržljivost vatrostalnog ozida, sve do avgusta / septembra tekuće godine.

Formiranje sirovinskog nalepa

Formiranje sirovinskog nalepa u postrojenjima za proizvodnju cementnog klinkera, uobičajena je i poželjna pojava. Ukoliko se njegovi parametri kreću u prihvatljivim granicama, tada nalep povoljno utiče na trajnost vatrostalnog ozida. Međutim, u uslovima korišćenja alternativnih goriva, zone njegovog formiranja, njegov geometrijski i hemijski profil drugačiji su u odnosu na procese u kojima se kao tehnološka goriva koriste manje – više plemeniti izvori energije.

Kada je reč o formiranju nalepa, treba naglasiti da je ova pojava u svakom smislu neuporedivo intenzivnija u procesima u kojima se koristi alternativno gorivo. To važi i za slučaj rotacione peći i za slučaj izmenjivača toplote sa pripadajućim segmentima.

Izmenjivač toplote

Ovaj deo tehnološke linije, u velikoj meri je podložan intenzivnom formiranju nalepa i to iz mnogo razloga, od kojih dominiraju: i) oblik i dimenzije svetlog preseka određene zone; ii) putanja čestica sirovine i vrelih gasova u posmatranoj zoni (mrtvi uglovi); iii) termohemijski uslovi određene zone

U našem slučaju, izrazito opterećena lokacija po svim pomenutim osnovama je ulazna komora izmenjivača toplote (2.), pozicija na samom prelomu između ulazne komore i kalcinatorskoga kanala (1.) i izlaz kalcinatorske komore, što je ilustrovano sledećom skicom:

Pored pomenutih dominantnih faktora koji utiču na intenzitet formiranja nalepa, svakako je prisutna i njihova kombinacija, kao i mnoštvo drugih razloga. U svakom slučaju, dimenzije nalepa moraju se držati pod kontrolom, što se čini na dva načina: i) izborom pogodnog vatrostalnog materijala, koji poseduje slab afinitet prema formiranju nalepa; ii) mehaničkim uklanjanjem (čišćenjem)

Izbor vatrostalnog materijala

Izbor vatrostalnog materijala je od izuzetne važnosti. Ukoliko se odaberu materijali koji svojim fizičko-hemijskim i strukturnim karakteristikama nisu pogodni za formiranje nalepa, ili u znatnoj meri umanjuju njegovo formiranje, kontinuitet procesa biće obezbeđen i sam proces odvijaće se stabilnije.

Mehaničko uklanjanje (čišćenje)

Mehaničko uklanjanje (čišćenje) je proces uklanjanja nepoželjnih nalepa mehaničkim putem. Od njega u znatnoj meri zavisi radni vek vatrostalne obloge.

Poznato je da se čišćenje izmenjivača toplote uglavnom vrši na dva načina, a to su: i) dejstvom vode pod visokim pritiskom („Woma“ pumpa) i ii) dejstvom gasa pod visokim pritiskom („Kardox“ punjenje). Takva praksa prisutna je i kod nas.

Upotreba „Woma“ pumpe, podrazumeva dva efekta koji izrazito nepovoljno utiču na trajnost vatrostalnog betona i vatrostalnog materijala uopšte. To je termo-mehanički udar na vrelu površinu (crveno usijanje) betona, usled delovanja: i) tankog mlaza vode („vodeni nož“) pod izrazito visokim pritiskom od 500 – 700 bara; ii) eksplozije koja se javlja usled naglog prelaska vode iz tečnog u gasovito agregatno stanje i iii) termičkog šoka koji doživljava vrela površina vatrostalnog materijala usled intenzivnog lokalnog rashlađivaja.

Drugi važan faktor je vezan za termošok koji vatrostalni materijal trpi na poziciji revizionih vrata, odnosno otvora kroz koje se vrši čišćenje. Činjenica je da se ovde radi o manjim zonama koje bivaju napadnute. Međutim, kada strada radni beton, sledeća faza je uništavanje termoizolacionog sloja, zbog niske otpornosti na abraziju, što uzrokuje direktan kontakt zavarenog spoja ankera i samih ankera sa agresivnom atmosferom izmenjivača toplote. Posledice su korozija ankera i zavarenog spoja, što je u direktnoj vezi sa stabilnošću radnog betona.

Prema našim iskustvima, dobre osobine u ovakvim okolnostima pokazuju silicijum karbidni betoni. To je i logično, obzirom da silicijum-karbidni materijali imaju osobinu da u uslovima visoke temperature na svojoj površini formiraju staklastu fazu koja, kao veoma glatka, otežava formiranje nalepa. Ukoliko se nalep ipak formira, njegovo uklanjanje je znatno olakšano zbog glatke kontaktne površine. Otpornost na termošokove, takođe je važna osobina SiC materijala.

Za razliku od izmenjivača toplote i sličnih sistema, rotaciona peć je mnogo delikatnija, obzirom da se radi o postrojenju čiji rad se odvija uz rotaciono kretanje, kao što je poznato.

Što se tiče uticaja ostalih navedenih faktora koji utiču na dužinu trajanja vatrostalnog ozida u izmenjivaču (pogotovu kada se govori o redukcionoj atmosferi ), nije izraženo ništa posebno.

Rotaciona peć

Ako je stanje u izmenjivaču toplote u neku ruku i bilo donekle slično onome bez upotrebe alternativnog goriva, za rotacionu peć se to ne može reći. Prilikom rada uz upotrebu uobičajenih vrsta tehnološkoga goriva, formiranje sirovinskog nalepa bilo je vezano uglavnom za zonu sinterovanja, sa povremenim, kraćim ili dužim prisustvom sirovinskog prstena, uglavnom na ulaznom delu rotacione peći.

Kada je u pitanju proizvodnja uz upotrebu niže ili više količine alternativnoga goriva, situacija je složenija. Velik deo specifičnih procesnih parametara za primenu alternativnih goriva, koji značajno utiču na rad peći, dao je svoj „doprinos“. Sve pojave su međusobno povezane,što čini vrlo složenim rešavanje nastalih problema, zbog čega dolazi i do učestalih negativnih posledica.

Prisustvo nalepa

Za razliku od rada peći bez upotrebe alternativnog goriva, u ovom slučaju imamo prisutan nalep skoro celom dužinom peći. Pored toga, postoje zone sa izrazito nestabilnim nalepom. Šematski, to izgleda ovako:

Kao što se može videti sa šeme, od trenutka inspekcije koja je predstavljena pod rednim brojem sedam, prisustvo nalepa celom dužinom peći, sa izuzetkom njenog centralnog dela, uobičajena je pojava. Upravo u tom trenutku počinju da se dešavaju promene koje do tada nisu bile uočene. Naime, neposredno ispred zone nalepa u zoni sinterovanja, koja je počinjala formom u obliku prstena visine preko pola metra, na vatrostalnoj opeci mestimično, gledajući po obimu, pojavile su se manje lezije u jednom delu obima. Posle obavljenih konsultacija, diskusija i analiza na osnovu malo raspoloživog materijala izvedeni su određeni zaključci.

Nama najprihvatljivije bila su sledeća objašnjenja: i) velike otpadne gume (kamionske), ne sagorevaju u potpunosti do pomenute zone, ii) kada dospeju u ovu zonu, zbog visine prisutnog prstena borave u njoj znatno duže nego u slučaju da prstena nema ili da su njegove dimenzije manje, iii) obzirom na prisutnu barijeru (prsten), jedan deo gume sagoreva u relativno kratkoj zoni, što nameće zaključak da postoji velika verovatnoća intenzivnijeg lokalnog zagrevanja, što naravno ima nepovoljan termo – hemijski uticaj na strukturu opeke, iv) abrazivnost polusagorele kamionske gume, obzirom da je svaka manje-više opremljena čeličnom žicom kao armaturom i v) nedostatak zaštitnog nalepa (ili njegovo mestimično prisustvo) u zoni ispred prstena.

Pri tome, nametala su se pitanja: i) koliko dugo opeka može da izdrži ovakve uslove rada, ukoliko se ovakva formacija nalepa duže zadrži u jednoj istoj zoni?, ii) kako prevazići ovakvo stanje, pogotovu ako se ista ili slična situacija ostvari i na drugom mestu? i iii) ukoliko su naše pretpostavke tačne, koji su to materijali koji mogu uspešno da trpe ovakve uslove proizvodnje?

Posle izvesnog vremena nešto slično se desilo, ali u drugoj zoni: negativan efekat koji ranije nije bio poznat, predstavljaju velike lezije u zoni jedanaestog do petnaestog metra. Ono što smo u tom trenutku imali kao nedvosmislene činjenice, jeste: i) da u delu obima gde su uočene velike lezije, nalepa nije bilo, ili ga je bilo veoma malo (dakle ovde je reč o nestabilnom nalepu), ii) u aktuelnom periodu imali smo značajno prisustvo lokalne redukcione atmosfere, što je za očekivati kada je u pitanju rad uz upotrebu alternativnih goriva.

Mogućnost da su oštećenja nastala zbog pomenutog, nameće se iz dva razloga: i) na aktuelnoj poziciji bio je ugrađen materijal koji je u određenim uslovima osetljiv na redukcionu atmosferu, ii) nedostatak (ili nestabilnost) zaštitnog nalepa (u zonama u kojima se to ne očekuje) omogućio je direktan kontakt ovog vatrostalnog materijala sa redukcionom atmosferom, što je doprinelo narušavanju njegove strukture.

Paralelno ovde treba reći da je značajan doprinos promenama dala upotreba petrol-koksa preko glavnog gorionika. Naime, posle pregleda kompletnog gorionika ustanovljeno je da je tokom rada došlo do oštećenja njegove glave, što se jasno vidi na fotografiji.

Značaj navedenih činjenica je u sledećem: i) oštećenje izlaznog kanala gorionika za ugalj (glave gorionika), dovelo je do nepravilnog sagorevanja i nepravilnog oblika plamena. Između ostalog, oštećenje je uzrokovalo i sniženje brzine čestica petrol-koksa, a sve zajedno je opeku dovelo u direktan kontakt sa plamenom. Ovo smatramo neposrednim uzrokom nastanka lezija.; ii) zbog lokalnog pregrevanja dolazi do pojačanog isparavanja sumpora i alkalija, što uslovljava njihovo dublje prodiranje prema unutrašnjosti rotacione peći (umesto njihovog ugrađivanja u klinker i izlaska iz peći). To opet za posledicu ima formiranje prstena (ovde imamo upravo takav slučaj!).; iii) povišeno prisustvo petrol-koksa u pomenutoj zoni dovelo je do pojave lokalne redukcione atmosfere, a činjenica je da redukciona atmosfera značajno pospešuje isparavanje sumpora i alkalija; iv) poznato je da prisustvo redukcione atmosfere iz više razloga nepovoljno utiče na vatrostalni ozid, pogotovu njegov deo koji sadrži trovalentno gvožđe (redukcija u niže valentno stanje, uz narušavanje strukture).

I da rezimiramo. Naša realna pretpostavka je da su svi pomenuti faktori uticali na formiranje velikih lezija o kojima je ovde bilo reči i zbog kojih je vatrostalni ozid u ovoj zoni morao biti zamenjen.

Još jedan slučaj nedostatka nalepa u zoni u kojoj se to do sada nije dešavalo, rezultirao je novim iskustvom. Sve prisutne okolnosti moguća objašnjenja usmeravaju u više pravaca.

Ono što je situaciju učinilo značajnom, „zanimljivom“ i delikatnom iz više razloga, je sledeće: i) oštećenje ozida je na plaštu peći dovelo do pojave vidljivog isijanja.; ii) isijanje na plaštu imalo je temperaturu od preko 500 º C i sve to neposredno ispod nosivog prstena rotacione peći.; iii) kao što se vidi sa šeme, nepostojanje nalepa uočeno je na uskom pojasu u dužini od oko dva metra gledano po osi rotacione peći i iv) prilikom inspekcije vatrostalnog ozida utvrđeno je, da je u okviru jednog istoga prstena opeka bila izrazito neujednačeno potrošena. Njena visina kretala se od 14 cm do 21 cm.

Ono što je još uvek nepoznanica u ovom slučaju, jeste zašto je do pojave vidljivog isijanja na plaštu peći došlo, iako dislokacije ozida unutar peći praktično nije bilo. Najniža izmerena visina opeke od 140 mm, trebalo bi da je dovoljna da spreči vidljivo isijanje. U našem okruženju postoji iskustvo koje kaže da je to moguće, u slučajevima kada struktura vatrostalne opeke bude toliko narušena da njeno izolaciono svojstvo biva svedeno na vrlo nizak nivo. Kompletna slika će biti dobijena posle završetka analitike uzoraka od strane eminentnih institucija kojima, na žalost, još ne raspolažemo.

Uklanjanje nepoželjnog dela sirovinskog nalepa u rotacionoj peći

Kao što je poznato, prisustvo nalepa u postrojenjima ove vrste, poželjno je. Međutim, ako njegove dimenzije počinju negativno da se odražavaju na rad postrojenja, tada se pribegava njegovom uklanjanju, odnosno svođenju njegove visine u prihvatljive granice. Za razliku od izmenjivača toplote, ovaj postupak je u slučaju rotacione peći daleko kompleksniji. Uklanjanje prekomernog nalepa vršili smo na dva načina: i) podešavaje vrednosti silikatnog modula na nivo koji će rezultirati sniženjem visine nalepa.; ii) termo-šok, koji se postiže promenom oblika i dužine plamena glavnoga gorionika.

            Povećanje silikatnog modula je efikasna metoda, kojom smo relativno brzo postizali rezultate. Međutim, obzirom da se tom prilikom u tehnološki proces ubacuju aktivne komponente (npr. pesak), to ima uticaja i na sastav i kvalitet cementnog klinkera. Drugo, agresivno delovanje koje se na ovaj način odražava na debljinu sirovinskog nalepa, ima isti takav uticaj i na vatrostalnu opeku. To je pogotovo delikatno za zone bez nalepa ili za zone sa nestabilnim nalepom. U svakom slučaju treba naglasiti da je ova metoda neselektivna i da jednako agresivno deluje na sve materijale. Iz tog razloga njen domet je ograničen.

Termo-šok je efekat koji se postiže promenom dužine i oblika plamena, pri čemu se termalno težište u relativno kratkim vremenskim razmacima premešta iz jedne u drugu zonu i obratno. Kao i prethodna i ova metoda je neselektivna. Njome smo uspevali relativno efikasno da uklonimo nepoželjne naslage, ali delovanje termo-šoka, na žalost, izrazito nepovoljno utiče i na vatrostalni materijal. Frekvencija kojom smo, u pojedinim periodima bili prinuđeni da vršimo promene oblika i dužine plamena i amplitude tih promena, nije bila zanemarljiva.

Zaključak

Kao što je rečeno, upotreba alternativnih goriva obezbeđuje mnoge prednosti. U prvom redu tu je značajan ekološki efekat, jer očuvanje živitne sredine, pored bezbednosti na radu koja je na prvom mestu, postaje nezaobilazan faktor. Dalje, to je način da se cena energije svede na što je moguće niži nivo, što se direktno odražava na cenu proizvoda.

Međutim, druga strana medalje su zamke i nepoznanice sa kojima se svi prilkom ovakve prakse susrećemo i koje moramo da prevazilazimo, svesni da je to cena i uslov uspeha.