Il cemento è uno dei prodotti più utilizzati al mondo. Tuttavia, la domanda è particolarmente incessante in Cina, che guida la classifica mondiale della produzione di cemento. Il cemento è un ingrediente fondamentale per le infrastrutture e gli sviluppi abitativi che supportano la popolazione del paese, sempre più urbanizzata, e le megacittà in crescita.
Sebbene una domanda costante sia una buona notizia per i produttori cinesi, il cemento è un settore ad alta intensità energetica che si basa fortemente sul carbone come combustibile.
"Il carbone è una delle principali fonti di gas serra", ha dichiarato Alessandro Masiello, manager, Rockwell Automation. "I produttori di cemento cinesi stanno cercando modi non solo per ridurre i costi del combustibile, ma anche per rispettare le normative ambientali".
Recentemente, il principale produttore di cemento del paese si è rivolto a Rockwell Automation per trovare un modo migliore per ottimizzare il processo, ridurre il consumo di combustibile – e contenere i costi.
Variabili complesse
La produzione di cemento è un processo complesso che inizia nel mulino delle materie prime, dove calcare e altri materiali vengono polverizzati e miscelati. Nel forno, le materie prime sono sottoposte ad alte temperature e trasformate in clinker. Il clinker viene trasferito al mulino di finitura, dove viene macinato e miscelato con gesso per produrre il prodotto finale.
Sebbene la produzione di cemento consumi energia in ogni fase, il forno è uno degli elementi più difficili da ottimizzare.
Gli impianti di cemento moderni utilizzano tipicamente forni rotativi a secco con calcinatori. Il calcinatore preriscalda la materia prima a circa 900 °C (1650 °F). Il processo di calcinazione viene completato nel forno, che riscalda il materiale a circa 1200 °C (2200 °F). Per raggiungere queste temperature, viene aggiunto combustibile al bruciatore principale del forno – e a livello del calcinatore.
"Poiché la qualità della materia prima e il potere calorifico del carbone sono variabili, le condizioni di processo nel forno cambiano costantemente", ha dichiarato Tiger Xiaohu He, consulente per l’industria del cemento, Rockwell Automation.
Inoltre, le ventole raffreddano il clinker quando esce dal forno – e il sistema ricircola l’aria calda risultante al calcinatore. Sebbene l’aria ricircolata migliori l’efficienza energetica, aggiunge un’altra variabile al processo.
Inoltre, per mantenere la qualità del prodotto, il materiale viene periodicamente testato per garantire che il contenuto di calce libera rimanga nell’intervallo 1–2 %. La quantità di calce libera è direttamente correlata all’energia immessa nel forno.
Il problema del controllo convenzionale
"L’azienda di cemento utilizzava anelli PID standard per controllare un numero limitato di variabili", ha spiegato Tiger Xiaohu He. "Ma dato l’alto numero di variabili in uno stabilimento di cemento, gli anelli PID non possono realmente ottimizzare il processo".
Sebbene il produttore di cemento abbia affrontato sfide simili in tutta la sua vasta rete di stabilimenti, ha scelto di concentrarsi inizialmente sullo stabilimento di Yiyang.
Lo stabilimento di Yiyang produceva 5000 tonnellate di clinker al giorno, utilizzando circa 500 tonnellate di carbone. Annualmente, lo stabilimento consumava circa 165000 tonnellate di carbone per un costo di USD 16.500.000,00 all’anno. Per ridurre il consumo di carbone, l’azienda sapeva di dover ottenere un migliore controllo dell’uso dell’energia del forno.
"Le temperature nel forno variavano notevolmente", ha dichiarato Tiger Xiaohu He. "Per controllare le temperature, gli operatori monitoravano il processo e reagivano manualmente a qualsiasi fluttuazione".
Ad esempio, nel bruciatore principale, gli operatori monitoravano le telecamere termiche – e poi regolavano il flusso di combustibile per aumentare o diminuire la temperatura. Nel calcinatore, gli operatori modificavano i setpoint di temperatura dell’anello PID per attivare l’aggiunta di combustibile secondo necessità.
"Gli operatori trascorrevano il 50–70 % del loro tempo a monitorare e regolare le temperature e le aggiunte di combustibile", ha dichiarato Tiger Xiaohu He. "Ma nonostante i loro migliori sforzi, non sono riusciti a migliorare l’efficienza termica del sistema".
Maggiore stabilità del forno con controllo predittivo basato su modello
Per ottenere un funzionamento più stabile del forno, Rockwell Automation ha raccomandato una soluzione basata su FactoryTalk Analytics PavilionX, una piattaforma software di controllo predittivo basato su modello (controllo predittivo basato su modello).
"FactoryTalk Analytics PavilionX controllo predittivo basato su modello può essere integrato con qualsiasi sistema di controllo preesistente", ha dichiarato Jingkun Tang, Pavilion business development manager, Rockwell Automation. "Migliora il processo effettuando previsioni sulle uscite dello stabilimento – e rispondendo alle variabili di ingresso e ai disturbi di processo".
FactoryTalk Analytics PavilionX Il controllo predittivo basato su modello sfrutta tecnologie di machine learning supervisionato per costruire modelli robusti e dinamici di processi multivariabili. Analizza dati storici e trend di produzione – oltre ai dati di processo e di laboratorio attuali – e prende il controllo per ottimizzare le prestazioni.
Ad esempio, il software può modellare e prevedere l’impatto che la ricircolazione dell’aria calda avrà sulla temperatura del calcinatore. E quindi manipolare automaticamente le aggiunte di carbone per ottenere un prodotto di alta qualità utilizzando la quantità ideale di combustibile.
"In un’applicazione come questa, tutto è collegato", ha affermato Alessandro Masiello. "FactoryTalk Analytics PavilionX controllo predittivo basato su modello consente di controllare meglio la qualità, il che permette di ridurre l’energia – e infine aumentare la capacità".
Estensione dei vantaggi alle operazioni di mulino – e in tutta l’azienda
Concentrarsi sulle prestazioni del forno è stato un modo in cui lo stabilimento di Yiyang ha ottimizzato il consumo di carbone. Ma lo stabilimento sperava anche di ridurre il consumo di energia in un altro processo ad alta intensità energetica – le applicazioni del mulino.
Applicando FactoryTalk Analytics PavilionX controllo predittivo basato su modello sia nel mulino delle materie prime che in quello di finitura, lo stabilimento è stato in grado di controllare meglio variabili come l’incoerenza delle materie prime e la macinabilità del clinker – e ottimizzare l’uso dell’energia.
"Nel complesso, la soluzione ha contribuito a stabilizzare il funzionamento del forno e del mulino", ha dichiarato Jingkun Tang. "Il sistema più stabile ha ridotto significativamente il carico di lavoro degli operatori – e ha garantito notevoli risparmi energetici".
Con FactoryTalk Analytics PavilionX controllo predittivo basato su modello, lo stabilimento di Yiyang ha ridotto il consumo di carbone e di energia nel forno fino al 2 % – e ha ottenuto ulteriori risparmi nei mulini. La diminuzione del carbone rappresenta un risparmio annuo fino a USD 330.000,00 e ha permesso allo stabilimento di ridurre due sottoprodotti del consumo di carbone – emissioni di anidride carbonica (CO₂) e ossido di azoto (NOₓ).
"Il progetto pilota presso lo stabilimento di Yiyang è stato un grande successo", ha dichiarato Jingkun Tang. "L’azienda ha già esteso la soluzione FactoryTalk Analytics PavilionX controllo predittivo basato su modello a cinque stabilimenti aggiuntivi – con almeno altri cinque in arrivo".
