الوقود في صناعة الأسمنت

من حيث الحالة الفيزيائية، يمكن تصنيف الوقود إلى صلب أو سائل أو غازي. وتُستخدم هذه الأنواع الثلاثة جميعها في صناعة الأسمنت. أما أنواع الوقود الصلب فهي: الفحم (الأنثراسيت)، والليغنيت، والخث، والخشب، والكوك. ويُستخدم الفحم والليغنيت في الأفران الدوارة لصناعة الأسمنت وفي المجففات. ويُستخدم الكوك في أفران الأسمنت العمودية. ومن بين أنواع الوقود السائل، يُستخدم زيت الوقود الثقيل بشكل رئيسي في صناعة الأسمنت. ويُعد الغاز الطبيعي أكثر أنواع الوقود الغازي شيوعًا في الاستخدام. أما استخدام الغازات الأخرى فهو ذو أهمية ثانوية.

لتنزيل جدول إكسل وجميع الكتب والموارد المفيدة الأخرى، يرجى النقر هنا 

 

 

في تسعينيات القرن التاسع عشر، حقق حرق الفحم المسحوق أول نجاح تجاري حقيقي له في صناعة الأسمنت بالولايات المتحدة. وفي أوائل القرن العشرين، أدخل توماس أ. إديسون تحسينات على عملية حرق الفحم المسحوق في أفران الأسمنت، مما أدى إلى زيادة كبيرة في كفاءتها وإنتاجها. وقد تطور حرق الفحم المسحوق إلى حد كبير كفن تجريبي. وعادةً ما كان الفهم النظري يتبع الإنجازات العملية في مجال حرق الفحم المسحوق، بدلاً من أن يسبقها.

تبلغ تكاليف الاستثمار في مناجم الفحم ما يقارب 20 ضعفًا مقارنةً بتلك الخاصة بآبار النفط أو الغاز. ومرة أخرى، فإن تكلفة استخراج الغاز الطبيعي أقل بـ 3 إلى 5 أضعاف من تكلفة استخراج النفط الخام. لا يتطلب شحن الغاز الطبيعي وسائل نقل معقدة، وتكلّف بناء خطوط أنابيب الغاز لا تمثل سوى جزء ضئيل من تكاليف بناء السكك الحديدية لنقل الفحم. وبشكل عام، يتم استهلاك تكلفة الاستثمار في خطوط أنابيب الغاز في غضون 3 إلى 5 سنوات. من ناحية أخرى، مع خطوط أنابيب الغاز، تعتمد صناعة الأسمنت على مورد واحد فقط.

تبلغ تكلفة قسم تجهيز الفحم في مصنع الأسمنت حوالي 15-20٪ من تكلفة إجمالي آلات المصنع. وبالمقارنة، يُعد الغاز الطبيعي ميزة كبيرة بشكل خاص، حيث لا يتطلب أي آلات لتجهيزه وتخزينه.

يرتبط تجهيز 1 طن من الفحم وطحنه حتى الوصول إلى نسبة بقايا تتراوح بين 8 و10٪ على منخل 170 ميش بالمتطلبات التالية من الطاقة:

اعتمادًا على القيمة الحرارية للفحم، يمكن افتراض نسبة الكلنكر إلى الفحم بمقدار 4:1.

عند التحول من الفحم إلى الغاز الطبيعي في مصانع الأسمنت القائمة، كان من الممكن مرارًا وتكرارًا خفض تكلفة إنتاج الأسمنت بنسبة 8-10٪. وفي الوقت نفسه، يزداد إنتاج الأسمنت لكل عامل في المصنع بنحو 6-8٪.

يحتوي الجدول 18.1 على نسب الأنواع الثلاثة من الوقود المستخدمة في تصنيع الأسمنت في الولايات المتحدة.

ونظرًا لأن احتراق الغاز الطبيعي وزيت الوقود يخلو عمليًّا من الرماد، فإن إعداد خليط الخام المناسب يكون أسهل. وبالتالي، فإن التركيب الكيميائي لخليط الخام يخلو من التباينات التي قد تحدث بسبب اختلاف محتوى الرماد في الفحم. وتنطبق هذه الميزة أيضًا عند استخدام الغاز الطبيعي.

يحتوي الجدول 18.2 على بيانات تتعلق باستهلاك الأنواع الثلاثة من الوقود لإنتاج الأسمنت في الولايات المتحدة، مرتبة وفقًا لعملية الإنتاج الرطبة والجافة.

في عام 1981، بلغ إنتاج الأسمنت في الاتحاد السوفيتي حوالي 127 مليون طن (متري) [142b]. ونظرًا لإنتاج كمية كبيرة من الأسمنت المخلوط في الاتحاد السوفيتي، فمن الصعب تحديد معدل إنتاج الكلنكر. تسمح معايير الأسمنت السوفياتية باستخدام كميات كبيرة من المضافات الهيدروليكية في أنواع مختلفة من الأسمنت. وبالتالي، يمكن بهذه الطريقة توفير الكثير من الوقود المستخدم في حرق الكلنكر. تشير مصدر رسمي سوفيتي إلى توفير 40٪ من الوقود باستخدام المضافات الهيدروليكية [142c]. ومن هذا المنطلق، يمكن الافتراض نظريًّا أنه، باستثناء إضافة الجبس، فإن الرقم المذكور أعلاه لإنتاج الأسمنت لا يحتوي إلا على 60٪ من الكلنكر. في الستينيات، كان حوالي 60٪ من الكلنكر المنتج يُحرق بالغاز الطبيعي. أما الجزء المتبقي من الكلنكر، فقد تم حرقه بنسب متساوية تقريبًا باستخدام زيت الوقود أو الفحم.

بعد بلوغ الإنتاج 33 مليون طن (متري) في عام 1980، انخفض إنتاج الأسمنت في جمهورية ألمانيا الاتحادية إلى 27.5 مليون طن في عام 1982. كما يمكن ملاحظة استمرار تحول مصانع الأسمنت الألمانية من استخدام النفط إلى الفحم. خلال السنوات العشر الماضية، انخفض الاعتماد على النفط من 80 إلى 8 في المائة. ولم يعد استهلاك الغاز الطبيعي يُذكر في الإحصاءات

يجب أن يستوفي الفحم المستخدم في صناعة الأسمنت المتطلبات التالية:

القيمة الحرارية الدنيا (LHV) 6500-7000 كيلو كالوري/كجم

الرماد: 12-15%

المواد المتطايرة: 18-22 0/o الرطوبة حتى 12 0/o، عند التسليم.

في بعض دول أوروبا الشرقية، يُستخدم الفحم البني بشكل متكرر لحرق الكلنكر.

يتميز هذا الفحم بالخصائص التالية: القيمة الحرارية الدنيا (LHV) = 4800 كيلو كالوري/كجم

الرماد: 12 0/o

المواد المتطايرة: 40-50 %

درجة النعومة: 40 % من البقايا على منخل 170 ميش.

في جمهورية ألمانيا الديمقراطية، يتم تطبيق الحرق المختلط بنجاح. ويكون التكوين كما يلي: 50-75٪ من الفحم البني و50-25٪ من الفحم البيتوميني.

تُشعل أفران ليبول بالمزيج التالي: 40٪ من الفحم البني و60٪ من الفحم البيتوميني.

تستخدم صناعة الأسمنت في الاتحاد السوفيتي الفحم المستخرج من مناجم الفحم القريبة. وغالبًا ما يكون هذا الفحم منخفض الجودة، مثل فحم الغبار وطين الفحم. يحتوي الجدول 18.3 على معلومات حول خصائص الفحم المستخدم في مصانع الأسمنت المذكورة.

الوقود الصلب – الفحم

تتكون الوقود الصلب من مكونات عضوية ومعدنية. وتشمل المكونات العضوية الكربون (C) والهيدروجين (H) والأكسجين (O) والنيتروجين (N). أما الكبريت (S) والرماد فيشكلان المكونات المعدنية. قد يتكون رماد الفحم كمياً من: 15-21٪ من Al₂O₃، و25-40٪ من SiO₂، و20-45٪   Fe₂O₃، و1-5% CaO، و0.5-1% MgO، و2-8% SO₃. تحتوي بعض أنواع الفحم على كلوريدات تتراوح نسبتها عمومًا بين 0.01 و0.1٪؛ أما الفحم الغني بالرماد فيحتوي على كلوريدات تصل نسبتها إلى 0.4٪، وفلوريدات تصل نسبتها إلى 0.02٪.

يتكون رماد الفحم البني من 25-40٪ من CaO، و3-10٪ من Al₂O₃، و0.5-5٪ من MgO، وما يصل إلى 40٪ من SO₃. وإلى جانب المكونات المعدنية، يحتوي رماد الفحم على أملاح (كلوريدات وكبريتات)، ومواد متطايرة مثل ماء التبلور في المعادن الطينية. كما يحتوي على ثاني أكسيد الكربون في الكربونات وحمض الكبريتيك في الكبريتات.

يحتوي الجدول 18.4 على التركيب العنصري للفحم وفحم الكوك.

المكونات القابلة للاحتراق هي الكربون والهيدروجين والكبريت؛ وعند الاحتراق، تتحد هذه المكونات مع الأكسجين الموجود في الهواء وتولد حرارة. وكلما زادت نسبة المواد القابلة للاحتراق في الوقود، زادت قيمته الحرارية. وعند تقييم الوقود، يُؤخذ في الاعتبار فقط محتوى الكربون والهيدروجين