انقر هنا لتنزيل أهم 13 كتابًا في صناعة الأسمنت
انقر هنا لتنزيل أهم 13 كتابًا في صناعة الأسمنت
كل ما تحتاج إلى معرفته عن مناطق التفاعلات في الفرن الدوار
إن التحكم في تشغيل الفرن يعني مراقبة جميع المناطق المختلفة والتفاعلات التي تحدث داخل نظام الفرن. وتتم مناقشة التفاعلات الكيميائية وتكوينات الأطوار التي تحدث داخل الفرن في الفصل 7. ولا يمكن إهمال أو تجاهل أي من هذه المناطق إذا أريد تشغيل الفرن بشكل صحيح. توجد خمس مناطق متميزة داخل الفرن، ويختلف موقعها وطولها باختلاف نوع نظام الفرن المستخدم. وترد هذه المناطق في الجدول 10.1
يُعرّف مشغلو الأفران مناطق الانتقال العلوية والتلبيد والانتقال السفلية على أنها وحدة كاملة تُعرف باسم «منطقة الحرق». ومنطقة الحرق هي تلك المنطقة داخل الفرن التي يتواجد فيها طلاء الكلنكر على السطح المقاوم للحرارة.
في منطقة التجفيف والتسخين المسبق، تتم إزالة كل الماء الحر الموجود في المواد المُدخلة، وترتفع درجة حرارة المواد المُدخلة إلى حوالي 805 درجة مئوية (1481 فهرنهايت)، وهي الدرجة التي يبدأ عندها التكليس. أثناء التجفيف، تظل درجة حرارة المادة المُغذية عند 100 درجة مئوية (212 فهرنهايت) حتى تتم إزالة كل الرطوبة الحرة. وابتداءً من درجة حرارة 550 درجة مئوية (1022 فهرنهايت)، يتم أيضًا طرد الماء المرتبط كيميائيًا الموجود في المعادن الطينية. وبالتالي، في هذه المنطقة بالذات، تتم التفاعلات بالتتابع على النحو التالي: رفع درجة حرارة المادة المُغذية إلى درجة حرارة التبخر، وتبخير الماء الحر، وإطلاق الماء المرتبط كيميائيًا، ورفع درجة حرارة المادة المُغذية إلى درجة حرارة التكليس.
من وجهة نظر المشغل، تُعد منطقة التكليس أهم منطقة تحدد الأحداث اللاحقة في منطقة الحرق. التكليس هو العملية التي يتم من خلالها إزالة ثاني أكسيد الكربون من الحجر الجيري وكربونات المغنيسيوم، تاركًا الجير الحر والمغنيسيا:
ينفصل ثاني أكسيد الكربون عن المواد المُغذية ويُطرد بواسطة غازات الفرن. وتُعد المواد المُغذية التي لم تُكلس تمامًا قبل دخولها منطقة الاحتراق صعبة الاحتراق، وهي أحد الأسباب الرئيسية لاضطراب ظروف الفرن. وبالتالي، فإن التكليس الكامل لمواد التغذية قبل دخولها منطقة الاحتراق أمر ضروري لاحتراق الكلنكر بشكل سليم.
ويترتب على التفاعل المذكور أعلاه للحجر الجيري أن تكوين الجير الحر في منطقة التكليس يصاحبه انخفاض مقابل في محتوى CaCO₃ (كربونات الكالسيوم) في المواد المُغذية. وإذا تم أخذ العينات على مسافات متزايدة على طول منطقة التكليس، فسيكون من الممكن تحديد معدل التفاعل الذي يحدث بدقة معقولة أثناء انتقال المواد المدخلة لأسفل الفرن. ومع ذلك، فإن إيقاف الفرن واستخراج هذه العينات من طبقة المواد الخام لن يخدم هذا الغرض؛ لأن طبقة المواد الخام ستستمر في التكليس بعد الإيقاف حتى تنخفض درجة حرارة المواد الخام إلى ما دون 805 درجة مئوية (1481 فهرنهايت). وقد أُجريت أبحاث في هذا الصدد من خلال تركيب منافذ أخذ العينات على غلاف الفرن وأخذ عينات من طبقة المواد الخام أثناء استمرار تشغيل الفرن. وتعد النتائج التي تم الحصول عليها كاشفة وذات أهمية لصناعة الأسمنت، لكن مثل هذه الإجراءات باهظة التكلفة، بسبب التكاليف المرتفعة للرقابة اليومية على تشغيل الفرن.
في أفران التسخين المسبق وأفران التكليس المسبق، لا تشكل هذه الطريقة لفحص معدل التكليس مشكلة، لأنه من السهل أخذ عينات من المادة عند خروجها من مراحل الفصل الدوامي الفردية. كما تحتوي معظم أفران العملية الجافة على منفذ أخذ عينات في طرف التفريغ لقسم السلسلة، مما يسمح بتحليل درجة التكليس. ومع ذلك، فإن النتائج في هذه الحالة لا تكون دالة بنفس القدر، لأن نقطة أخذ العينة تقع في مكان يبدأ فيه التكلس عادةً للتو. ومع ذلك، يُوصى بفحص معدل التكلس أسبوعياً أو شهرياً بالنسبة للأفران الجافة، وعلى أساس يومي بالنسبة لأفران التكلس المسبق وأفران التسخين المسبق.
للحصول على مؤشر مستمر لظروف التكليس أثناء تشغيل الفرن، يقوم المشغل بمراقبة محلل الغاز الذي يسجل، من بين مكونات الغاز الأخرى، محتوى ثاني أكسيد الكربون (CO₂) في غازات مخرج الفرن. ونظرًا لأنها وظيفة تحكم مهمة، يتم مناقشة التحكم في ثاني أكسيد الكربون بمزيد من التفصيل في الفصل الخاص بضوابط الأفران.
مصطلح «منطقة الانتقال العلوية»
هو مصطلح جديد نسبيًا في مصطلحات الأفران. في الفصل الخاص بنقل الحرارة، تمت الإشارة إلى التكوينات في المرحلة الانتقالية بمجرد تكليس المادة المُغذية. توجد منطقة في الفرن تتداخل فيها عمليات التكليس وتكوينات المرحلة الانتقالية مع بعضها البعض. بعض الجسيمات الدقيقة، أو تلك التي كانت الأكثر تعرضًا لغازات الفرن الساخنة على سطح طبقة المواد المُغذية، يمكن أن تصل إلى مرحلة التكليس الكامل وتبدأ في التفاعل مع الألومينا أو السيليكا أو الحديد لتكوين هذه المركبات الانتقالية. أما بالنسبة للجزيئات الأخرى، فلن يكتمل تحميصها، وبالتالي لن يبدأ تكوين أي سائل. ويشير المهندسون عمومًا إلى هذه المنطقة باسم «منطقة الانتقال العلوية». وتُعرَّف هذه المنطقة بأنها الثلث العلوي من المنطقة التي يتشكل فيها طلاء الكلنكر داخل الفرن. تقع هذه المنطقة داخل الفرن، مباشرةً خلف اللهب حيث يتخذ طبقة التغذية لونًا «داكنًا». في مخططات درجات الحرارة الموضحة في الفصل الخاص بنقل الحرارة، يتم تحديد هذه المنطقة من خلال الارتفاع المفاجئ والسريع في درجة حرارة المادة عند بداية منطقة الاحتراق مباشرةً.
منطقة التلبيد
هي المكان الذي تحدث فيه المراحل النهائية لتكوين مركبات الكلنكر. تتحول المراحل المؤقتة غير المستقرة مثل CsA3 وC2F إلى المركبات المستقرة C3A وC4AF. كما يتحد C2S مع المزيد من الجير الحر لتكوين المركب بالغ الأهمية C3S. يعتبر التلبيد في قلب منطقة الاحتراق عملية طاردة للحرارة؛ أي أن الحرارة تنبعث بدلاً من أن يتم امتصاصها خلال هذه العملية. يحدث التلبيد في الجزء الأوسط من منطقة الاحتراق مباشرةً تحت الجزء المضيء من اللهب. وهنا يمكن ملاحظة السلوك الأكثر لزوجة لطبقة الكلنكر، وحيث تصل درجات حرارة المواد إلى أعلى مستوياتها، أي > 1400 درجة مئوية (2552 فهرنهايت).
منطقة التبريد (أو منطقة الانتقال السفلي)
تشمل، عادةً مع استثناءات قليلة، آخر 3-6 أمتار (10-20 قدمًا) من طرف التفريغ للفرن. وعلى عكس المفاهيم الخاطئة الشائعة، لا تكتمل عملية تكوين الكلنكر عندما تمر المادة بالمنطقة الأكثر سخونة. وتؤثر طريقة تبريد الكلنكر تأثيرًا كبيرًا على جودته. د