Contents
كل ما تحتاج إلى معرفته عن أجهزة التسخين المسبق وأجهزة التكليس المسبق
[wpecpp name=”package” price=”75″ align=”center”]
بقلم كلاوس بيك* وأليكس ميشولوفيتش**
لا يزال الفرن الدوار، المستخدم تجاريًا منذ ثمانينيات القرن التاسع عشر، هو المفاعل الأكثر قبولًا على نطاق واسع للمعالجة عالية الحرارة للمواد الصلبة، عندما يتطلب الأمر وقت تفاعل طويل وتجانسًا مرضيًا. ونظرًا لطول مدة البقاء والكتلة الكبيرة لحمولة الفرن، فإنه يتميز بالاستقرار في التشغيل بالإضافة إلى بساطته من الناحية الميكانيكية. بعبارة أخرى، فهو مثالي تقريبًا للتعامل مع الخطوات النهائية لعملية تكوين الكلنكر في منطقتي الاحتراق والتبريد. ومع ذلك، فإن التبادل الحراري بين تيار الغاز وحمولة الفرن غير فعال بسبب المساحة السطحية المحدودة للواجهة بين المادة الصلبة والغاز، وضعف التوصيل الحراري للطبقة الحبيبية من المواد. وتصبح الكفاءة الحرارية عاملاً حاسماً في الخطوات التي يتحكم فيها التبادل الحراري والتي تسبق تلبيد الكلنكر.
الشكل 3.2.1. أجهزة التسخين المسبق وأجهزة التكليس المسبق ذات الفصادات الحلزونية متعددة المراحل في مصنع الأسمنت.
تحسين الكفاءة الحرارية لعملية تصنيع الأسمنت التي تستهلك طاقة كثيفة. يناقش هذا الفصل دور أجهزة التسخين المسبق وأجهزة التكليس المسبق في تحسين المعالجة الحرارية والمزايا المرتبطة بالمواد والتشغيل والبيئة لتشغيل فرن الأسمنت بشكل عام.
أجهزة التسخين المسبق
من الناحية المثالية، يجب أن يكون الفرق في درجة الحرارة بين المواد الخام الجديدة التي تدخل الفرن وتيار الغاز الذي يخرج منه منخفضًا قدر الإمكان عمليًّا. وكانت ضرورة تقليل هذا الفرق هي الدافع الذي وجه تطوير الوسائل التقنية لزيادة مساحة سطح التبادل الحراري بشكل كبير. بالنسبة لأفران المعالجة الرطبة، تم إدخال الستائر السلسلية لهذه الأغراض منذ أكثر من 100 عام، واستمرت في الاستخدام، على الرغم من نطاق درجة الحرارة المحدود للتشغيل والمحاولات العديدة لاستبدالها بأجهزة خارجية أكثر كفاءة. أما في أفران المعالجة الجافة، فقد كان البحث عن أجهزة التبادل الحراري الخارجية أكثر إثمارًا.
وقد حققت طريقتان أساسيتان درجة كبيرة من النجاح. استندت الطريقة الأولى إلى التبادل الحراري بين الطبقة الأفقية من المواد الحبيبية، التي يتم تحريكها نحو طرف تغذية الفرن بواسطة شبكة متحركة، والتدفق العرضي الرأسي للغازات المنبعثة من الفرن. أحد تطبيقات هذا المبدأ، الذي يستخدم مرور الغاز مرتين عبر الشبكة، أصبح شائعًا إلى حد ما في السنوات التي أعقبت الحرب العالمية الثانية في أوروبا تحت الاسم التجاري «Lepol».
ويستخدم نهج آخر التبادل الحراري بين تدفق الغاز والمواد الصلبة العالقة فيه، والتي تكون عادةً في شكل مسحوق. وقد أصبحت التصاميم المختلفة القائمة على هذا المبدأ هي السائدة في الصناعة منذ ستينيات القرن العشرين، وذلك بفضل كفاءتها العالية في استخدام الطاقة في نطاق واسع من درجات الحرارة، وسعة الوحدة العالية، والبساطة النسبية في التشغيل والصيانة.
على الرغم من الاختلافات في التفاصيل والترتيب، فإن جميع أجهزة التسخين المسبق المعلق، التي يتم إنتاجها وتشغيلها حاليًا، تشترك في نفس مبادئ التصميم. وهي تتألف من عدة مراحل (تصل إلى ست مراحل) مرتبة عموديًا بحيث يدخل غاز الفرن إلى كل مرحلة من المرحلة السفلية، وتدخل المادة إلى المرحلة من المرحلة العلوية. يُظهر الشكل 3.2.1 نموذجًا لـ«جهاز التسخين المسبق المعلق» متعدد المراحل. تتكون كل مرحلة من قناة عمودية في الغالب وفصل دوامي. توفر القناة المساحة التي يحدث فيها التبادل الحراري بين الغاز والمادة الصلبة كما هو موضح في الشكل 3.2.2. وتوفر الحالة المسحوقة لمواد تغذية الفرن سطحًا هائلاً للتبادل الحراري. وفي الوقت نفسه، فإن الحجم الصغير جدًّا للجسيمات الصلبة يقلل إلى أدنى حد من التأثير المقيّد للتوصيل الحراري ويضمن توحيد درجة الحرارة عبر المقطع العرضي للجسيمات. وفي نظام مبني بشكل سليم، حيث تتوزع الجسيمات بالتساوي عبر القناة، تتساوى درجات حرارة الغاز والمادة الصلبة بشكل شبه فوري، على غرار ما يحدث عند خلط السوائل.
الشكل 3.2.2. رسم تخطيطي للمرحلتين العلويتين من جهاز التسخين المسبق بالمعلق.
ثم يدخل المعلق الصلب/الغازي إلى الفصل الدوامي حيث يتم فصله. يخرج الغاز من الفصل الدوامي عبر الأنبوب الرأسي (الكم) ويدخل إلى المرحلة الأعلى، بينما تسقط المادة الصلبة إلى المرحلة السفلية. وبالتالي، تعمل كل مرحلة كمبادل حراري مثالي ذي تدفق متوازي، لكن جميع المراحل مرتبة بنمط التدفق المعاكس. في الممارسة العملية، ترتفع درجة حرارة المادة في كل مرحلة بمقدار 150 درجة مئوية إلى 250 درجة مئوية، مع انخفاض مقابل في درجة حرارة الغاز.
وقد أثبت هذا المفهوم العام أنه الأكثر عملية على الرغم من المحاولات العديدة لاستبدال الفراغات الدوامة بأوعية تبادل حراري أخرى. وقد تم بالفعل تسويق بعض الأنظمة، التي تستخدم أعمدة أسطوانية أو مخروطية ذات تيار معاكس بشكل أساسي، على نطاق محدود. أما الأفكار الأكثر غرابة، مثل استخدام سلسلة من القنوات الحلزونية المائلة لأسفل بدلاً من الدوامات (Hess، 1982)، فلم يتم تطويرها أبدًا إلى ما بعد المرحلة التجريبية.
ميكانيكا الفصل الدوامي
يتميز تشغيل الفصل الدوامي بمعلمتين رئيسيتين، هما كفاءة التجميع وانخفاض الضغط، وكلاهما يتحكم فيهما ميكانيكا تدفق الغاز.
يمكن وصف كفاءة التجميع، η، تجريبياً:
ومن الخصائص الأكثر دقة حجم القطع (dpc)، الذي يُعرَّف بأنه حجم الجسيم الذي تبلغ الكفاءة عنده 50٪. يمكن حساب حجم الجسيم هذا تقريبًا عن طريق مساواة القوة الطردية المركزية المؤثرة على الجسيم (الناجمة عن سرعته الزاوية) بمقاومة السحب المؤثرة على الجسيم بسبب السرعة الشعاعية للغاز (Dietz، 1981). تشير نماذج رياضية متنوعة إلى أن الكفاءة تتحسن بشكل حاد مع زيادة سرعة الغاز وتقليل قطر الفاصل الحلزوني، حيث يؤدي كلاهما إلى زيادة قوة الطرد المركزي