시멘트는 세계에서 가장 널리 사용되는 제품 중 하나입니다. 그러나 시멘트 생산에서 세계를 선도하는 중국에서는 수요가 특히 끊임없이 증가하고 있습니다. 시멘트는 점점 더 도시화되는 인구와 성장하는 대도시를 지원하는 인프라 및 하우징 개발에 필수적인 성분입니다.
지속적인 수요는 중국 생산자에게 좋은 소식이지만, 시멘트는 연료로 석탄에 크게 의존하는 에너지 집약적인 산업입니다.
“석탄은 온실가스의 주요 원천입니다.” Rockwell Automation의 매니저 Alessandro Masiello의 말입니다. “중국의 시멘트 생산업체들은 연료 비용을 절감할 뿐만 아니라 환경 규제를 준수할 수 있는 방법을 찾고 있습니다.”
최근 이 나라의 선도적인 시멘트 생산업체는 프로세스를 최적화하고 연료 소비를 줄이며 비용을 절감할 수 있는 더 나은 방법을 찾기 위해 Rockwell Automation을 찾았습니다.
복잡한 변수
시멘트 생산은 석회석과 기타 재료를 분쇄하고 혼합하는 원재료 공장에서 시작되는 복잡한 공정입니다. 킬른에서 원재료는 고온에 노출되어 클링커로 변환됩니다. 클링커는 마감 공장으로 옮겨져 분쇄되고 석고와 혼합되어 최종 제품이 생산됩니다.
시멘트 생산은 모든 단계에서 에너지를 소비하지만, 킬른은 최적화하기 가장 어려운 부분 중 하나입니다.
현대 시멘트 공장에서는 일반적으로 건식 회전 킬른과 칼시너를 사용합니다. 칼시너는 원료를 약 900°C(1650°F)까지 예열합니다. 소성 과정은 킬른에서 완료되며, 이때 재료를 약 1200°C(2200°F)까지 가열합니다. 이러한 온도를 달성하기 위해 연료가 킬른의 메인 버너와 칼시너 레벨에 추가됩니다.
Rockwell Automation의 시멘트 산업 컨설턴트 Tiger Xiaohu He는 “원재료의 품질과 석탄의 열량이 변동하기 때문에 킬른의 공정 조건이 지속적으로 변한다”고 말했습니다.
또한 팬은 클링커가 킬른을 떠날 때 냉각시키고, 시스템은 생성된 뜨거운 공기를 다시 칼시너로 재순환시킵니다. 재순환된 공기는 에너지 효율성을 향상시키지만, 프로세스에 또 다른 변수를 추가합니다.
또한 제품 품질을 유지하기 위해 재료를 정기적으로 테스트하여 자유석회 함량이 1～2% 범위 내에 있는지 확인합니다. 자유석회 함량은 킬른에 투입되는 에너지와 직접적인 관련이 있습니다.
기존 제어의 문제점
“시멘트 회사는 제한된 수의 변수를 제어하기 위해 표준 PID 루프를 사용했습니다.” Tiger Xiaohu He의 설명입니다. “그러나 시멘트 공장의 변수 수가 많기 때문에 PID 루프는 프로세스를 진정으로 최적화할 수 없습니다.”
시멘트 생산업체는 광범위한 공장 네트워크 전반에서 유사한 문제에 직면했지만, 먼저 Yiyang 시설에 집중하기로 결정했습니다.
Yiyang 공장은 하루에 약 500톤의 석탄을 사용하여 5000톤의 클링커를 생산했습니다. 연간으로는 약 165000톤의 석탄을 소비했으며, 매년 USD16500000의 비용이 들었습니다. 석탄 소비를 줄이기 위해 이 회사는 킬른 에너지 사용을 더 잘 제어해야 한다는 사실을 알고 있었습니다.
“킬른의 온도가 크게 변동했습니다.” Tiger Xiaohu He의 말입니다. “작업자는 온도를 제어하기 위해 프로세스를 모니터링하고 수동으로 변동에 대응했습니다.”
예를 들어, 메인 버너에서는 작업자가 열화상 카메라를 모니터링한 다음 연료 흐름을 조절하여 온도를 높이거나 낮췄습니다. 칼시너에서는 작업자가 PID 루프 온도 설정점을 변경하여 필요에 따라 연료를 추가했습니다.
“운영자들은 온도와 연료 추가를 모니터링하고 조정하는 데 시간의 50 ～ 70%를 소비했습니다.” Tiger Xiaohu He의 말입니다. “그러나 최선의 노력에도 불구하고 시스템의 열 효율성을 개선할 수 없었습니다.”
MPC로 더 안정적인 킬른
더욱 안정적인 킬른 운영을 위해 Rockwell Automation은 FactoryTalk Analytics PavilionX, 모델 예측 제어(MPC) 소프트웨어 플랫폼을 권장했습니다.
Rockwell Automation의 Pavilion 비즈니스 개발 관리자 Jingkun Tang은 “FactoryTalk Analytics PavilionX MPC는 기존의 모든 제어 시스템과 통합할 수 있다”라며 “공장 출력에 대한 예측을 통해 프로세스를 개선하고 프로세스 입력 변수 및 외란에 대응한다”라고 말했습니다.
FactoryTalk Analytics PavilionX MPC는 감독형 머신 러닝 기술을 활용하여 다변수 프로세스의 강력하고 동적인 모델을 구축합니다. 이력 데이터와 생산 추세는 물론 현재 프로세스 및 실험실 데이터를 분석하고 제어하여 성능을 최적화합니다.
예를 들어, 이 소프트웨어는 재순환되는 고온 공기가 칼시너 온도에 미치는 영향을 모델링하고 예측할 수 있습니다. 그런 다음 석탄 첨가를 자동으로 조절하여 이상적인 연료 양을 사용해 고품질 제품을 생산할 수 있습니다.
“이러한 애플리케이션에서는 모든 것이 연결되어 있습니다.”라고 Alessandro Masiello는 말합니다. “FactoryTalk Analytics PavilionX MPC를 사용하면 품질을 더 잘 제어할 수 있어 에너지 소비를 줄이고 궁극적으로 용량을 늘릴 수 있습니다.”
이익을 제분소 운영으로 확장 – 그리고 전사적으로 확장
Yiyang 공장은 킬른 성능에 집중하여 석탄 소비를 최적화했습니다. 그러나 공장은 또 다른 전력 집약적인 공정인 밀 애플리케이션에서 에너지 소비를 줄이기를 원했습니다.
적용함으로써 FactoryTalk Analytics PavilionX MPC를 원료 및 마감 밀 모두에 적용하여 원료 불일치 및 클링커 연삭성 같은 변수를 더 잘 제어하고 에너지 사용을 최적화할 수 있었습니다.
“전반적으로 이 솔루션은 킬른과 밀 운영을 안정화하는 데 도움이 되었습니다.” Jingkun Tang의 말입니다. “더욱 안정적인 시스템은 작업자의 업무 부담을 크게 줄였고, 인상적인 에너지 절감 효과를 제공했습니다.”
FactoryTalk Analytics PavilionX MPC를 통해 Yiyang 공장은 킬른에서 석탄 및 에너지 소비를 최대 2%까지 줄였고, 밀에서 추가적인 절감 효과를 얻었습니다. 석탄 소비 감소는 연간 최대 USD330000의 절감 효과를 나타내며, 공장은 석탄 소비의 부산물인 이산화탄소(CO2) 및 질소 산화물(NOx) 배출량을 줄이는 데 도움이 됩니다.
“Yiyang 공장에서의 시범 프로젝트는 매우 성공적이었습니다.” Jingkun Tang의 말입니다. “회사는 이미 FactoryTalk Analytics PavilionX MPC 솔루션을 추가로 5개 공장에 도입했으며, 최소 5개 공장이 추가로 도입을 준비 중입니다.”
