Contents
كل ما تحتاج إلى معرفته عن عمليات نظام الأفران في صناعة الأسمنت
[wpecpp name="package" price="75" align="center"]
بقلم جيرالد ل. يونغ* وف. م. ميلر**
في الواقع العملي، تعمل مصانع الأسمنت النموذجية بنجاح من خلال تنفيذ خطوات المعالجة التالية:
• استخراج المواد الخام المختارة بعناية
• تحديد نسب المواد الخام بدقة لتحقيق التركيبة الكيميائية المطلوبة
• طحن المواد الخام إلى الدرجة المثلى من النعومة في أنظمة مطاحن المواد الخام
• خلط المواد الخام المطحونة في صوامع تجانس تغذية الفرن للحصول على خليط تغذية الفرن الأكثر تجانسًا قدر الإمكان
• معالجة مادة التغذية هذه، التي تم تحديد نسبها ومزجها بعناية، في فرنين دوارين لإنتاج المنتج الوسيط، وهو الكلنكر
• خلط الكلنكر مع الجبس وطحنه إلى الدرجة المطلوبة من النعومة في أنظمة المطاحن النهائية لإنتاج أسمنت عالي الجودة ومتجانس.
لن يستمر مصنع الأسمنت في العمل بنجاح إلا إذا تمكن من إنتاج منتج عالي الجودة مع تحقيق الكفاءة الاقتصادية والمادية، وتلبية أو تجاوز متطلبات أداء المنتج المطلوبة.
ويحدد تشغيل نظام الفرن الدوار، إلى حد كبير، جودة الأسمنت المنتج. سيؤدي التشغيل المستقر لنظام الفرن إلى تحسين الكفاءة التشغيلية، وزيادة معدلات الإنتاج، وتحسين جودة الكلنكر. كما يمكن أن يؤدي إلى تقليل الانبعاثات البيئية، وهو عامل تزداد أهميته باستمرار.
معايير التشغيل المستقر
لو كان من الممكن إدخال الكمية نفسها تمامًا من مواد التغذية إلى الفرن بتركيبة كيميائية خاضعة للتحكم التام، والكمية نفسها تمامًا من الوقود بنفس القيمة الحرارية، ودرجة النعومة، والتركيب الكيميائي للرماد، مع تشغيل مبرد الكلنكر بشكل متجانس تمامًا، لكان من الممكن إيجاد نقطة تشغيل يعمل فيها نظام المعالجة الحرارية بسلاسة، دون أي تغييرات، إلى الأبد.
في الواقع، لا يمكن الحفاظ على ثبات أي من هذه المعلمات بشكل مثالي. والهدف هو التحكم في مدخلات نظام الفرن بأكبر قدر ممكن من الدقة، في ضوء قيود المعدات ومهارة المشغلين في فهم المؤشرات التي يقدمها نظام الفرن والاستجابة لها. والمعلمات الأساسية التي يجب التحكم فيها بأكبر قدر ممكن من الدقة هي:
• التركيب الكيميائي لمواد التغذية في الفرن
• التماثل الكيميائي لمواد التغذية في الفرن
• درجة نعومة مواد التغذية في الفرن
• معدل تغذية الفرن
• القيمة الحرارية للوقود
• درجة نعومة الوقود ومحتواه من المواد المتطايرة
• معدل تغذية الوقود
• تشغيل مبرد الكلنكر
يتم عرض مناقشة تفصيلية لهذه المعلمات في الأقسام التالية.
التركيب الكيميائي لمواد التغذية في الفرن
تحتوي معظم المصانع على خلطات من المواد الخام تم تصميمها والتحكم فيها مسبقًا لإنتاج الكلنكر، لكل منتج يتم إنتاجه، بحيث تفي بالمواصفات وتضاهي على الأقل أداء المنافسين في السوق. يجب أن يكون الهدف الأساسي عند تصميم التركيب الكيميائي لمواد تغذية الفرن هو إنتاج كلنكر ينتج عنه، عند طحنه مع الإضافات المناسبة، منتج قابل للتسويق. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتمتع مواد تغذية الفرن بخصائص تسمح لمشغل مصنع الأسمنت بإنتاج الكلنكر بطريقة اقتصادية.
يؤثر التركيب الكيميائي لمواد تغذية الفرن تأثيرًا كبيرًا على عمليات الفرن. ومن بين المعلمات الأكثر أهمية نسبة السيليكا، والنسبة المئوية للسائل، ومحتوى C3S (أو عامل تشبع الجير، LSF).
نسبة السيليكا. تُعد نسبة السيليكا، أو معامل السيليكا (SR)، من العوامل التي لها أكبر الأثر على قابلية الاحتراق. فكلما زادت نسبة السيليكا، زادت صعوبة احتراق المواد المُغذية للفرن. وكلما انخفضت نسبة السيليكا، أصبح احتراق المواد المُغذية للفرن أسهل. وعادةً ما تُعتبر نسبة السيليكا التي تزيد عن 3.0 نسبةً عاليةً، بينما تُعتبر النسبة التي تقل عن 2.3 نسبةً منخفضةً. وفي ظل ثبات جميع العوامل الأخرى، تميل الأفران ذات القطر الأكبر (أي التي يبلغ قطرها 4 أمتار أو أكثر) إلى العمل بشكل أفضل مع نسبة سيليكا أقل، بينما تميل الأفران ذات القطر الأصغر إلى العمل بشكل أفضل مع نسبة سيليكا أعلى.
قد تحتوي بعض مواد التغذية على نسبة سيليكا تزيد عن 3.0، وتكون سهلة الاحتراق نسبيًا لعدة أسباب أخرى مجتمعة، مثل عندما يحتوي المزيج على نسبة منخفضة من C3S أو LSF. وهناك عوامل أخرى تؤثر على تأثير نسبة السيليكا على قابلية الاحتراق، مثل نوع وحجم السيليكا. يُعد السيليكا البلوري الحر أو الكوارتز (مثل ذلك الموجود في الرمل) أصعب في الاندماج مقارنةً بالسيليكا غير المتبلور، أو السيليكات أو الألومينوسيليكات الموجودة في الطين أو الصخر الطيني. وكلما كانت حبيبات السيليكا أكثر خشونة، زادت صعوبة تفاعلها كيميائيًا. كما تجدر الإشارة إلى أن CaO لا يدخل في معادلة معامل السيليكا هذه؛ وبالتالي، لا تؤخذ الجير وتأثيراته في الاعتبار. ويمكن أن تتواجد نفس نسبة السيليكا مع تباين كبير في محتوى الجير. ولا يعطي معامل السيليكا وحده الصورة الكاملة؛ بل يجب أيضًا مراعاة العوامل المؤثرة الأخرى.
إذا أبقينا محتوى السيليكا ثابتًا وخفضنا نسبة السيليكا عن طريق زيادة الحديد و/أو الألومينا، فإن كمية الطور السائل تزداد. كذلك، إذا أبقينا محتوى الحديد والألومينا ثابتًا ولكن خفضنا محتوى السيليكا، فإن معامل السيليكا ينخفض بينما تظل كمية الطور السائل ثابتة بشكل أساسي. بشكل عام، إذا أنتج الفرن كلنكر «مغبرًا» بسبب انخفاض تركيز الطور السائل عند درجة حرارة منطقة الاحتراق، فمن المتوقع أن يؤدي خفض نسبة السيليكا — الذي يتحقق بإضافة المزيد من الحديد و/أو الألومينا — إلى تقليل ظروف الكلنكر المغبر في الفرن. ومع ذلك، إذا تم تخفيض نسبة السيليكا بشكل أكبر بهذه الطريقة بحيث تصبح منخفضة جدًّا، فقد تواجه الفرن صعوبات بسبب تكوّن كمية زائدة من الطور السائل داخل الفرن، مما قد يؤدي إلى تسربها إلى مبرد الكلنكر، وتشكيل كتل تشبه «رجال الثلج» أو قطع كبيرة من الكلنكر المتكتل. إن خفض نسبة السيليكا (أي عن طريق زيادة السائل) من معامل مرجعي معروف ومُرضٍ سيضيق نطاق درجة الحرارة الذي يمكن تشغيل الفرن ضمنه دون مشاكل.
الطور السائل. تكتسب أهمية الطور السائل أهمية كبيرة فيما يتعلق بوجود منطقة تكلس فعالة تشكل مركبات الأسمنت النهائية (محتوى عالٍ من C3S مع جير حر منخفض). كما أن تطور الذوبان مهم لتكوين C3S؛ لأنه أثناء تكوين معادن الكلنكر، يتم امتصاص الحرارة الطاردة للذرة الناتجة عن التكوين في السائل ويمكن نقلها بسرعة إلى الأنواع المتفاعلة الأخرى.
يُحسب النسبة المئوية للسائل في تغذية الفرن من خلال التحليل الكيميائي لتغذية الفرن على أساس خالٍ من الفقد. وهناك عدة معادلات مختلفة يمكن استخدامها. على سبيل المثال، وفقًا لمعادلة Lea & Desch:
بينما وفقًا لمعادلة Lea و Parker:
النسبة المئوية للسائل عند 1400 درجة مئوية = 2.943 A + 2.250 F
قدمت معادلة Lea و Parker (1935) مؤشراً جيداً لكيفية تفاعل مادة التغذية في منطقة الاحتراق داخل الفرن. وعادةً ما يكون المحتوى السائل الذي يتراوح بين 22.0% و22.5% هو الأمثل. فكلما زاد المحتوى السائل، أصبح المزيج أسهل في الاحتراق؛ وكلما انخفض، أصبح المزيج أصعب في الاحتراق. ويزداد محتوى السيليكا في مرحلة الذوبان مع ارتفاع درجة الحرارة، لذا فإن درجات الحرارة الأعلى ستؤدي إلى