セメントは、世界で最も広く使用されている製品の1つです。しかし、セメント生産で世界をリードする中国では、需要は特に容赦ないものです。セメントは、国のますます都市化する人口と成長する大都市をサポートするインフラと住宅開発の重要な要素です。
一貫した需要は中国の生産者にとって朗報ですが、セメントはエネルギー集約型の産業であり、燃料を石炭に大きく依存しています。
ロックウェル･オートメーションのマネージャであるアレッサンドロ・マシエッロは、次のように述べています。「中国のセメント生産者は、燃料費を削減するだけでなく、環境規制を満たす方法も模索しています。」
最近、この国の大手セメント生産者は、プロセスを最適化し、燃料消費量を削減し、コストを抑えるためのより良い方法を求めて、ロックウェル･オートメーションに目を向けました。
変数が複雑
セメントの製造は、石灰石やその他の材料を粉砕して混合する生ミルで始まる複雑なプロセスです。窯内では、原料が高温にさらされ、クリンカーに変化します。クリンカーは仕上げ工場に移され、そこで粉砕され、石膏と混合されて最終製品が製造されます。
セメントの生産はすべての段階でエネルギーを消費しますが、窯は最適化が最も難しいものの1つです。
現代のセメント工場は通常、焼炉を備えた乾式ロータリーキルンを使用しています。煆焼機は原料を約900°C (1650°F)に予熱します。煆焼プロセスは、材料を約1200°C (2200°F)に加熱する窯で完了します。これらの温度を達成するために、燃料は窯のメインバーナーに、そして煆焼器レベルで追加されます。
ロックウェル・オートメーションのセメント業界コンサルタントであるタイガー･シャオフー･フゥー(Tiger Xiaohu He)は、次のように述べています。「原料の品質と石炭の発熱量は変動するため、キルンのプロセス条件は常に変化しています。」
さらに、ファンはクリンカーが窯を出るときにクリンカーを冷却し、システムは結果として生じる熱風を煆焼器に再循環させます。再循環された空気はエネルギー効率を向上させますが、プロセスに別の変数を追加します。
さらに、製品の品質を維持するために、材料は定期的にテストされ、遊離石灰の含有量が1～2%の範囲内にあることを確認します。遊離石灰の量は、窯へのエネルギー投入量に直接関係しています。
従来の制御の問題
タイガー･シャオフー･フゥーは次のように説明します。「セメント会社は、限られた数の変数を制御するために標準のPIDループを使用しました。しかし、セメント工場には多数の変数があるため、PIDループはプロセスを真に最適化することはできません。」
セメント生産者は、その広範なプラントネットワーク全体で同様の課題に直面しましたが、最初にイーヤン施設(湖南省益陽市)に焦点を当てることを選択しました。
イーヤンプラントは、約500トンの石炭を使用して、1日当たり5000トンのクリンカーを生産しました。年間、このプラントは約165,000トンの石炭を消費し、その費用は毎年1,650万米ドルでした。石炭消費量を削減するために、同社はキルンのエネルギー使用量をより適切に管理する必要があることを認識していました。
タイガー･シャオフー･フゥーは次のように述べています。「窯の温度は大きく変動していました。温度を制御するために、オペレータはプロセスをモニタし、変動に手作業で対応していました。」
例えば、メインバーナーでは、オペレータが赤外線カメラを監視し、燃料の流れを調整して温度を上げたり下げたりしました。煆焼炉では、オペレータがPIDループ温度設定値を変更して、必要に応じて燃料の追加をトリガしました。
タイガー･シャオフー･フゥーは次のように述べています。「オペレータは、時間の50〜70%を温度と燃料の追加の監視と調整に費やしていました。「しかし、彼らの最善の努力にもかかわらず、彼らはシステムの熱効率を改善することができませんでした。」
MPCにより窯の安定性が向上
より安定したキルンの運用を実現するために、ロックウェル･オートメーションは、モデル予測制御(MPC)ソフトウェアプラットフォームであるPavilion8に基づくソリューションを推奨しました。
ロックウェル･オートメーションのパビリオン事業開発マネージャであるジンクン･タン(Jingkun Tang)は、次のように述べています。「Pavilion8は、既存の制御システムと統合できます。プラントの出力について予測を行ない、プロセスの入力変数と外乱に対応することで、プロセスを改善します。」
Pavilion8 MPCは、監視付き機械学習テクノロジを活用して、多変数プロセスの堅牢で動的なモデルを構築します。履歴データと生産トレンド、および現在のプロセスと実験室のデータを分析し、パフォーマンスを最適化するために制御します。
例えば、ソフトウェアは、再循環する熱気が煆焼器の温度に与える影響をモデル化して予測できます。そして、石炭の添加を自動的に操作して、理想的な量の燃料を使用して高品質の製品を実現します。
アレッサンドロ・マシエッロは次のように述べています。「このようなアプリケーションでは、すべてがリンクされています。Pavilion8 MPCを使用すると、品質をより適切に制御できるため、エネルギーを削減でき、最終的には容量を増やすことができます。」
利益を工場運営に拡大し、さらに企業全体に拡大
窯の性能に焦点を当てることは、イーヤンプラントが石炭消費を最適化する1つの方法でした。しかし、このプラントは、電力を大量に消費する別のプロセスであるミルアプリケーションでのエネルギー消費を削減することも望んでいました。
Pavilion8 MPCを原材料工場と仕上げ工場の両方に適用することで、プラントは原材料の不整合やクリンカーの粉砕性などの変数をより適切に制御し、エネルギー使用量を最適化することができました。
ジンクン･タンは次のように述べています。「全体として、このソリューションは窯と製粉所の操業を安定させるのに役立ちました。より安定したシステムにより、オペレータの作業負荷が大幅に軽減され、大幅なエネルギー節約が実現しました。
Pavilion8 MPCにより、イーヤンプラントは、窯での石炭とエネルギーの消費を最大2%削減し、工場でさらに節約を実現しました。石炭の減少は、最大33万米ドルの年間節約を意味し、プラントは石炭消費の2つの副産物である二酸化炭素(CO2)と窒素酸化物(NOx)の排出を削減することができました。
ジンクン･タンは次のように述べています。「イーヤンプラントでのパイロットプロジェクトは大成功でした。同社はすでにPavilion8 MPCソリューションを5つの追加プラントに拡張しており、少なくともさらに5つのプラントが開発中です。」