كل ما تحتاج إلى معرفته عن مبردات الكلينكر
[wpecpp name="package" price="75" align="center"]
بقلم هانز إ. شتوش*
في صناعة الأسمنت، يتشكل الكلنكر على شكل حبيبات عند مدخل الجزء الأكثر سخونة من الفرن، حيث تبلغ درجة حرارة المادة حوالي 1280 درجة مئوية. ويفضل أن يكون الكلنكر على شكل حبيبات يتراوح حجمها بين 10 و25 ملم، تخرج من الطرف الأمامي للفرن إلى المبرد. ومن الأهمية بمكان أن يتم تبريد الكلنكر بسرعة لضمان تكوين طور يمنح خصائص لاصقة مناسبة. ومن المهم بنفس القدر أن يكون التبادل الحراري بين الكلنكر والهواء فعالاً لضمان التبريد المناسب، وفي الوقت نفسه تعظيم استرداد الحرارة إلى الهواء الثانوي والهواء الثالث ومتطلبات العملية ذات الصلة. يجب أن يؤدي المبرد الحديث جميع هذه المهام بكفاءة وفي وقت واحد.
مثل معدات المعالجة الأخرى، شهدت مبردات الكلنكر تطورًا كبيرًا على مدار السنوات الماضية. يصف هذا الفصل ظهور مبردات الكلنكر مع مناقشة ووصف لأنواع مختلفة من المبردات المتوفرة حاليًا. كما يركز الفصل على المبرد ذي الشبكة الترددية وأحدث التطورات في تصاميم المبردات، مع تتبع التطور التاريخي للمبرد ذي الشبكة الترددية في سياق أنظمة الأفران التي تتسم بكفاءة متزايدة في استهلاك الوقود. يتم عرض معادلات التوازن النظري للكتلة والحرارة التي تصف الحالة المستقرة وكفاءة استرداد الحرارة، يليها مناقشة أكثر عملية حول كيفية أتمتة وتشغيل المبرد على النحو الأمثل. يوضح الشكل 3.8.1 الجزء الداخلي لأكثر مبردات الشبكة شيوعًا في صناعة الأسمنت.
الشكل 3.8.1. مبردات الكلنكر ذات الشبكة.
عند طرف التفريغ من الفرن، يكون الكلنكر متوهجًا ويحتوي على طاقة حرارية تبلغ حوالي 1.0 مليون وحدة حرارية بريطانية لكل طن قصير. كما أن الكلنكر لا يزال، إلى حد ما، يخضع لتفاعلات كيميائية تؤدي إلى تكوين معادن كلنكر متنوعة. الغرض من تبريد الكلنكر هو استرداد بعض الحرارة الموجودة فيه، مما يجعله باردًا بدرجة كافية لتتمكن من التعامل معه. كما نهدف إلى إيقاف التفاعلات الكيميائية في الكلنكر عند النقطة الأكثر ملاءمة لجودة الأسمنت.
أنواع مبردات الكلنكر
ما الذي يحكم تصميم واختيار مبرد الكلنكر؟ من المؤكد أن أي مشروع تصميمي اليوم سيتضمن بعض المتطلبات التالية: تكلفة رأسمالية منخفضة؛ معدل تبريد أمثل لضمان جودة جيدة للكلنكر؛ درجة حرارة منخفضة لتفريغ الكلنكر؛ أقل تأثير ممكن على البيئة؛ استرداد عالي للحرارة؛ استهلاك منخفض للطاقة؛ تكلفة تآكل وصيانة منخفضة، وموثوقية في التشغيل تقلل من فترات التعطل إلى أدنى حد؛ وسهولة التحكم بحيث يوفر تدفقًا ثابتًا لهواء الاحتراق بدرجة حرارة ثابتة إلى الفرن وجهاز التكليس. هذه المعايير تهم بشكل مباشر مصنّع الأسمنت الذي يشتري مبردًا للكلنكر. ينظر مصمم مبرد الكلنكر إلى هذه المعايير ويحاول تحسين التصميم، اعتمادًا على أهمية كل معيار من هذه المعايير الفردية.
على مر السنين، تغيرت المعايير المستخدمة لاختيار المبردات. كما تطورت تكنولوجيا تبريد الكلنكر أيضًا، بحيث تم استخدام أنواع عديدة ومختلفة من مبردات الكلنكر منذ بدايات صناعة الأسمنت البورتلاندي في أواخر القرن التاسع عشر. ستصف الأقسام التالية مبردات الكلنكر الأكثر شيوعًا مع التركيز بشكل خاص على مبرد الشبكة الترددية.
المبردات الكوكبية
يُشتق اسم المبرد الكوكبي من حقيقة أنه يدور حول الفرن مثلما تدور الكواكب حول الشمس. يتكون المبرد الكوكبي من عدد من أنابيب التبريد المثبتة حول محيط غلاف الفرن (الشكل 3.8.2).
الشكل 3.8.2. المبرد الكوكبي.
تتمثل ميزة المبرد الكوكبي في بساطته: فهو لا يتطلب معالجة هواء زائد، ولا يحتاج إلى مراوح أو محركات، ولا أجهزة قياس. كما أنه يتميز بالضبط الذاتي. يبلغ استهلاك الطاقة حوالي 0.5 إلى 1 كيلوواط/ساعة فقط لكل طن من الكلنكر يُضاف إلى محرك الفرن ومروحة العادم، مما يجعله الأقل استهلاكًا بين جميع أنواع مبردات الكلنكر. تتراوح خسائر الحرارة الناتجة عن الإشعاع والحرارة المحسوسة في الكلنكر بين 0.40 و0.45 ميجا جول لكل كيلوغرام من الكلنكر بالنسبة للفرن الاقتصادي الذي يعمل بالعملية الجافة، وتكون أقل من ذلك بالنسبة للأفران التي تعمل بالعملية الرطبة. وقد استُخدمت المبردات الكوكبية بنجاح في أفران تصل سعتها إلى 4000 طن متري يوميًا، وإن لم يكن ذلك في أمريكا الشمالية.
كانت هذه المبردات شائعة في ستينيات وسبعينيات القرن الماضي عندما تم بناء العديد من أنظمة الأفران ذات المسخن المسبق رباعي المراحل التي تعمل بالعملية الجافة في جميع أنحاء العالم. أما في أمريكا الشمالية، فقد تم تزويد معظم أفران العملية الجافة بمبردات شبكية.
لا يسمح المبرد الكوكبي بسحب الهواء الثالثي إلى جهاز التكليس. ونظرًا لأن معظم أنظمة الأفران التي تُبنى اليوم مزودة بأجهزة تكليس، فإن المبرد الكوكبي أصبح من بقايا الماضي. ومن نقاط ضعف المبردات الكوكبية أن صيانتها قد تكون مكلفة. غالبًا ما تتآكل مداخل المبرد بسرعة كبيرة بسبب الضغوط الحرارية والميكانيكية والتآكلية التي تتعرض لها. ولتقليل الصيانة ووقت التعطل الناتج عن ذلك، استمرت على مر السنين عمليات التحسين من خلال إجراء تجارب باستخدام مداخل مصنوعة من سبائك معدنية مقاومة للحرارة العالية أو مواد خزفية.
المبردات الدوارة
كانت بعض المبردات القديمة تشبه إلى حد كبير فرنًا آخر يتبع أنبوب حرق الكلنكر، أو، باستخدام صورة أخرى، خذ المبردات الكوكبية، وادمجها في أنبوب واحد مزود بدعامة ومحرك خاصين به، وستحصل على مبرد دوار (الشكل 3.8.3).
الشكل 3.8.3. المبرد الدوار.
المبرد الدوار الحديث مزود ببطانة خزفية ورافعات تستند إلى التطوير الذي طرأ على المبرد الكوكبي. وهناك حاجة إلى أختام خاصة عند مخرج الفرن ومدخل المبرد. ولتجنب التسرب من المدخل، يُمال المبرد بزاوية 2.5° وتُعطى له سرعة دوران تبلغ 3 دورة في الدقيقة. يبلغ استهلاك الطاقة للمحرك حوالي 3.5 كيلوواط ساعة/طن. تتراوح درجة حرارة الكلنكر بين 200 درجة مئوية و250 درجة مئوية، ولكنها تنخفض إلى حوالي 150 درجة مئوية عن طريق حقن الماء في المخرج. في الوقت الحالي، لا يُستخدم أي مبرد من هذا النوع في أمريكا الشمالية.
مبردات العمود
ومن باب الفضول، تجدر الإشارة إلى المبرد العمودي (الشكل 3.8.4)، الذي يعمل مع فرن بسعة 3000 طن متري يوميًا في أوروبا منذ عام 1976، ولكنه على ما يبدو لم يكتسب موطئ قدم في صناعة الأسمنت. يتطلب هذا المبرد توزيعًا متساويًا إلى حد ما لحجم الكلنكر. يُشغَّل الجزء العلوي كطبقة مائعة لتجنب التكتل وضمان التوزيع المتساوي. يكون استهلاك الطاقة مرتفعًا، حيث يتراوح بين 10 و12 كيلوواط ساعة/طن، لأن هواء التبريد يجب ضغطه إلى حوالي 20 كيلو باسكال. مع الحد الأدنى من الهواء المتدفق إلى المبرد، تتراوح درجة حرارة الكلنكر بين 300 و350 درجة مئوية، لكنها تنخفض عن طريق حقن الماء في الجزء السفلي.
وتجدر الإشارة إلى