Low SO2 Emission Preheaters for Cement Production

摘要

Den mest almindelige måde at producere cement i dag er ved den tørre metode. Den tørre metode kan, hvis råvarerne indeholder sulfid, føre til udledning af SO2 fra forvarmertårnet. SO2 emissionen er ofte forårsaget af oxidering af pyritsulfid, som er oxideret mellem 300 og 600 °C. Af den dannede SO2 antages det ofte at omkring 50 % vil udledes som SO2 fra forvarmeren. Imidlertid er store variationer i dette tal blevet observeret med blandt andet recirkulering af kalcinermateriale som en forklaring. Et af de eksperimentelle mål i denne afhandling har været at producere CaO med et stort overfladeareal. Dette er gjort med henblik på at øge optagelsen af SO2. Til formålet er benyttet flashkalcinering, kalcinering under vakuum og kalcinering i en fixed bed reaktor samt i en fluid bed. Forsøgene blev udført i et temperaturinterval fra 650 °C til 850 °C. Resultaterne viste, at flashkalcinering ved lave temperaturer resulterede i det største overfladeareal, ca 140 m2/g CaO. Det kalcineredemateriale var i alle tilfælde en blanding af CaO og CaCO3, hvilket betyder, at materialet kun var delvist kalcineret. Hovedformålet med denne afhandling har været at undersøge reaktionen mellem CaO og SO2 i et temperaturinterval hvor SO2 dannes i forvarmeren. Forsøgene blev udført i en CO2 koncentration på til 25 %. Reaktionstiden har i alle tilfælde været kortere end 1 sekund, hvilket var muligt ved brug af en entrained flow reaktor. I alle forsøg blev det fundet at reaktionen var begrænset af båe ekstern og intern diffusion. Reaktionsproduktet er blevet identificeret som en blanding af CaSO3 og CaSO4. For temperaturer under 600 °C blev ingen effekt af O2 observeret. Ved lave CO2 koncentrationer steg CaO omdannelsesgraden med både temperatur og overfladeareal. Ved høje CO2 koncentrationer blev observeret en positiv effekt af øget overfladeareal, men ingen effekt eller endda en negativ effekt af temperatur. Overordnet blev det observeret at CO2 inhiberer CaO/SO2 reaktionen. Modellering af de eksperimentelle resultater er koncentreret om de opn°aede resultater for CaO i en ikke CO2 beriget atmosfære. På grund af eksterne og interne diffusionsbegrænsninger og de meget korte reaktionstider er en tidsafhængig grain model med kemisk reaktion mellem SO2 og CaO på grænsefladen mellem produktlaget og den skrumpende kerne blevet brugt imodelleringen af de opnåede data. Resultatet af modelleringen var, at den kemiske reaktion mellem SO2 og CaO er så hurtig, at de observerede reaktionshastigheder udelukkende bestemmes af faststof diffusion i produktlaget af de ikke-porøse CaO korn. En aktiveringsenergi på 115 kJ/mol blev fundet brugbar til at beskrive temperaturafhængigheden af alle dataserier, selvom modeltilpasning ved brug af mindste kvadratersmetoden viste, at aktiveringsenergien kunne være mellem 90 kJ/mol og 140 kJ/mol. Forudsigelse af emissioner er meget vigtig i forbindelse med opførelse og ombygning af cementfabrikker. I denne afhandling introduceres en ny måde at modellere cyklontrinene i et cement forvarmertårn. Ideen er at tage højde for de komplekse strømningsmønstre i en cyklon ved at opdele et cyklontrin i zoner, som hver har særlige karakteristika. På denne måde kan modellen redegøre for varmeveksling mellem gas og faststof, seperation af gas/faststof separation, forskellige opholdstider for gas og faststof i et cyklontrin, med mere. Modellen er blevet evalueret i forhold til SO2 data fra fem fuldskala anlæg, og viste tilfredsstillende resultater i to tilfælde. En undersøgelse af modelparametrene viste, at det var muligt at opnå tilfredsstillende resultater i fire ud af fem tilfælde ved at benytte et overfladeareal af CaCO3 omkring 4 m2/g i stedet for de målte arealer, som var op til omkring 10 m2/g .