By-pass by měl odvádět minimálně 10 % plynů z hlavního hmotnostního toku plynů, aby měl výraznější efekt, při odvádění 25 % plynů je efekt již stoprocentní. Energetická náročnost technologie při použití by-passu je vyšší, 10% by-pass znamená nárůst spotřeby tepelné energie o cca 167,5 kJ.kg-1 slínku.
Obr. 1: Příklad principu směšovací komory by-passových systémů
Například podle japonských autorů, pokud cement obsahuje 0,2 % hmotnosti jemných by-passových odprašků (obsahujících cca 22 % chlóru), ještě není významně snížena tzv. 28 denní pevnost betonu.
Rotační pece v technologii výroby cementu slouží k pálení surovinových směsí na slínek (původní patent rotační pece z r. 1885 v USA – Frederik Ransome, realizace první pece 1887). Svými rozměry (např. průměr 4 metry, délka 90 metrů) patří tyto rotační pece k největším technologickým strojním zařízením pro zpracování nerostných surovin.
Jako by-pass je označován odtah části pecních plynů z přechodového kusu rotační cementářské pece, rychlé zchlazení této části pecních plynů a jejich odvedení do samostatného filtru – tato část plynů není vedena do výměníku před pecí, kde dochází k částečné kalcinaci v surovinové směsi. Takový by-pass omezuje nebo odstraňuje tvorbu nálepků ve výměníku odváděním alkálií (především ve formě chloridů) mimo pecní okruh, dále omezuje obsah alkálií přímo ve vznikajícím slínku.
Příklady teplot tavení sloučenin alkálií: KOH – 361 °C, NaOH – 319 °C, KCl – 768 °C, NaCl – 801 °C, K2CO3 – 894 °C, Na2CO3 – 850 °C, K2SO4 – 1 074 °C, Na2SO4 – 884 °C.
By-passové plyny jsou odtahovány z přechodového kusu rotační pece do chladicí komory, kde rychlým ochlazením těchto horkých plynů dojde ke kondenzaci alkálií na prachových částicích v by-passových plynech. Prachové částice tvoří kondenzační jádra. Teplota v přechodovém kusu je cca 900–1000 °C, odtahované by-passové plyny musí být šokově ochlazeny na teplotu cca 300–400 °C, aby došlo ke kondenzaci veškerých sloučenin alkálií.
Při provozu rotační cementářské pece sloučeniny alkálií sublimují nebo se vypařují do pecních plynů v oblasti teplot nad 1000 °C, v oblasti nižších teplot opět kondenzují jednak do horké surovinové moučky, jednak na stěny výměníku a přechodového kusu, kde tvoří nálepky.
Tvorbě nálepků nelze zabránit pouze eliminací alkálií, především je nutno eliminovat chlór. V surovině bývá obsah chlóru kolem 0,04–0,15 %, chlór přichází také s palivem a se spalovanými odpady.
Nutnost zavedení by-passu vyplývá ze surovinové základny, kdy při obsahu alkálií na vstupu do pece nad 2 % (případně 1,2 % K2O + Na2O), obsahu chlóru nad 0,02 % a obsahu nad 0,5 % SO3, je již doporučován by-pass.
Koncentrace alkálií a chloridů může být sledována v horké moučce v přechodovém kusu, nebo v prachu, kterým jsou zaprášeny pecní plyny v přechodovém kusu. Podle této koncentrace může být nastaven by-pass, tak, aby bylo by-passem odtahováno optimální procento pecních plynů.
Rovněž převedením alkálií z oxidů na sírany se eliminuje jejich škodlivost v cementu.
Čím větší část pecních plynů je odváděna by-passem, tím více se zhoršuje energetická bilance pece. Pro co nejvyšší účinek by-passu je důležité jeho umístění tak, aby byly odtahovány pecní plyny z takového místa, ve kterém je koncentrace alkálií nejvyšší. Zaprášenost pecních plynů v přechodovém kusu je v ose pece vyšší (cca 200 g.mn-3) a směrem k hornímu okraji průřezu pece klesá. Koncentrace alkálií v prachu v přechodovém kusu je v ose pece nižší a směrem k hornímu okraji průřezu pece stoupá. Musí být zohledněn také vliv rotace pece. Umístění odtahového hrdla by-passu je nejvhodnější v horní části přechodového kusu s mírným náklonem 10–15° od vertikální osy příčného průřezu pece ve směru rotace pece.
Při konvenčním řešení vznikají by-passové odprašky jako vedlejší produkt výroby cementu a vzhledem k vysokému obsahu alkálií nemohou být přidávány zpět k surovinové moučce dle obr. 2.
Obr. 2: Konvenční řešení by-passu
Řešení dle obr. 3 umožňuje hrubé nízkoalkalické odprašky (s obsahem cca 2 % Cl) vracet zpět do surovinové moučky, takže množství vedlejšího produktu (jemné by-passové odprašky s obsahem cca 22 % Cl) je oproti konvenčnímu by-passu až pětkrát nižší.
Obr. 3: Řešení by-passu s využitím hrubých by-passových odprašků zpět do surovinové moučky a přidáváním jemných odprašků do cementu v cementové mlýnici
Hrubší částice lze odseparovat z by-passových plynů pomocí cyklonu a při teplotě cca 350 °C vracet zpět do pece nebo do výměníku. Cyklon je průměru 1500 mm, hranice třídění 10 μm.
By-passové plyny s obsahem jemných podílů jsou ochlazovány na 150 °C, aby je bylo možno odprašovat přes tkaninový filtr. Jemné chloridové odprašky jsou po navlhnutí lepivé, chlór je obsažen v krystalcích KCl.
By-passové odprašky lze tedy mechanickými postupy rozdělit na dvě frakce. Hrubší frakce (částice větší než 70 μm) obsahující převážně slínkový a surovinový prach s nízkým obsahem alkálií včetně CaSO4, dále jemná frakce (částice menší než 70 μm) obsahující slínkový a surovinový prach s vysokým obsahem alkálií. Množství hrubé frakce je 85–90 % a množství jemné frakce je 10–15 % z celkového množství odprašků. Hrubá frakce je recyklována zpět do procesu (homosilo, vstup do výměníku, surovinová mlýnice) a jemná frakce je použita jako přísada do cementu v množství max. 0,5 %, aby sledované škodliviny (Na, K, Cl, stopové prvky) nepřesáhly maximální limity dané normou. Přísada alkalických odprašků má rovněž mírný negativní dopad (až o 5 %) na výsledné pevnosti betonu. Lze konstatovat, že alkalické by-passové odprašky lze kombinovat pouze s velmi kvalitním slínkem a za přísné analytické kontroly kvality výsledného produktu.
Závěrem chci poděkovat mým bývalým kolegům z PSP Engineering a.s. za pomoc při udržování kontaktů, informací a znalostí z průmyslového vývoje vůči VUT v Brně, FSI.
