۱. کوره دوار بهعنوان یک راکتور ترموشیمیایی
کوره دوار پخت کلینکر، یک راکتور شیمیایی-حرارتی پیوسته و ناهمگن است که در آن یک فاز جامد و یک فاز گاز، هر دو در شرایط دمای بالا و غیرهمدما (Non-isothermal)، در تعامل مستقیم با یکدیگر قرار دارند.
اگرچه چرخش کوره باعث زیرورو شدن و اختلاط عرضی مواد میشود، اما به دلیل وجود پروفایل دما و ترکیب مناسب در طول محور کوره، نمیتوان آن را یک راکتور همزده کامل (CSTR) در نظر گرفت. رفتار کلی کوره دوار بیشتر به یک راکتور جریان پیستونی با پراکندگی محوری خاص و محدود (PFR) شباهت دارد.
۱.۱. ویژگیهای اصلی راکتور کوره دوار
- کوره دوار سیمان یک راکتور ترموشیمیایی چندفازی است
- جریان پیوسته مواد جامد در طول کوره برقرار است
- جریان پیوسته گازها در جهت مخالف جریان مواد جامد برقرار است
- جریان متقابل (Counter-current) گاز و جامد، ویژگی اصلی این راکتور است
- همزمان فازهای جامد، گاز و مایع در طول کوره حضور دارند
- واکنشهای گرماگیر (کلسیناسیون) و گرمازا (تشکیل فازهای کلینکر) بهطور همزمان رخ میدهند
- تغییر شدید دما در طول محور کوره، از ورودی تا منطقه پخت، مشاهده میشود
- کیفیت نهایی کلینکر وابستگی شدیدی به ترکیب، ساختار حرارتی و حرکت مواد در طول کوره دارد
۲. شرایط مرزی لازم برای راکتور پخت
طراحی و راهبری صحیح کوره دوار مستلزم رعایت یک سری شرایط مرزی مشخص است که مشخصات یک کوره نسل چهارم (Generation IV) را تعریف میکنند. مواد در اثر چرخش و شیب کوره بهصورت «بستر غلتان» (Rolling Bed) حرکت میکنند.
| ردیف | پارامتر | مقدار معمول |
|---|---|---|
| 1 | شیب کوره | ۳ تا ۴ درصد |
| 2 | درصد پری کوره | ۱۰ تا ۱۳ درصد |
| 3 | سرعت دوران | ۳ تا ۴ دور بر دقیقه (rpm) |
| 4 | زمان ماند مواد در کوره | ۲۰ تا ۳۰ دقیقه |
| 5 | بار حرارتی حداکثر کوره | ۶×۱۰⁶ kcal/m²·hr |
| 6 | دمای مواد در منطقه پخت | حدود ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد |
| 7 | دمای گاز | حدود ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد |
| 8 | دمای آدیاباتیک شعله | حدود ۲۱۰۰ درجه سانتیگراد |
۳. زمان ماند مواد در کوره دوار
زمان ماند مواد در کوره، پارامتری کلیدی است که بهطور مستقیم بر مقدار تولید، کیفیت کلینکر و دانهبندی آن اثر میگذارد. این زمان با فرمول تجربی زیر قابل محاسبه است (برای شیب کوره در محدوده ۳۵ تا ۴۰ درجه):
t = 1.77 × l / (θ · P · De · n) × F
- l: طول کوره برحسب متر
- θ: زاویه شیب کوره برحسب درجه
- P: قطر موثر کوره برحسب متر
- De: ضریب اصطکاک مواد بر روی سطوح داخلی (معمولاً بین ۱ تا ۱.۱)
- n: دور کوره برحسب rpm
- F: ضریب موانع (معمولاً بین ۱ تا ۱.۴)
۳.۱. اثرات افزایش زمان اقامت مواد در کوره
افزایش زمان اقامت مواد در داخل کوره، مجموعهای از تغییرات ترکیبی و کیفی زیر را در پی دارد:
- میزان فاز C₃A کاهش پیدا میکند و در مقابل میزان C₄AF افزایش مییابد
- میزان فاز C₂S کاهش پیدا میکند و میزان C₃S افزایش مییابد
- میزان مقاومت مکانیکی سیمان در طول زمان افزایش پیدا میکند
- گرمای هیدراتاسیون اولیه سیمان در هنگام استفاده از محصول، در ابتدا کاهش مییابد
- کلینکری که بیش از حد حرارت دیده باشد، به اصطلاح «کلینکر سوختهشده» نامیده میشود
۴. بار حرارتی کوره (Heat Utilization)
بار حرارتی کوره (HU) شاخصی است که میزان بارگذاری حرارتی واحد سطح مقطع کوره را نشان میدهد و از رابطه زیر محاسبه میشود:
HU = (Qo × F) / (π × D²)
- Qo: میزان سوخت مصرفی برحسب kg/hr
- F: ارزش حرارتی ناخالص سوخت برحسب kcal/kg
- D: قطر موثر کوره برحسب متر
- میزان حداکثر مجاز بار حرارتی کوره، حدود ۶×۱۰⁶ kcal بر متر مربع بر ساعت است.
۵. سوخت و مبانی احتراق
۵.۱. تعریف سوخت و اکسیدکننده
سوخت عبارت است از هر مادهای که در اثر اکسیداسیون، انرژی آزاد میکند؛ مثالهایی از سوخت عبارتاند از متان، مازوت و ذغال سنگ. اکسیدکننده نیز هر مادهای است که در خود اکسیژن دارد و با سوخت واکنش نشان میدهد.
واکنشهای احتراقی معمولاً در ناحیه بسیار باریکی از فضای مورد بررسی اتفاق میافتند که به آن «ناحیه احتراق» یا «شعله» گفته میشود. این واکنشها ممکن است ترکیبات میانی درخشان ایجاد کنند که خود عامل ایجاد رنگ شعله هستند.
۵.۲. تعریف احتراق
احتراق عبارت است از اکسیداسیون سریع سوخت که با تولید حرارت (و معمولاً نور) همراه است. برای انجام واکنش شیمیایی احتراق، لازم است مولکولهای سوخت و اکسیدکننده در کنار هم قرار بگیرند.
هوا شامل حدود ۲۱ درصد اکسیژن و حدود ۷۹ درصد نیتروژن است.
- سوختهای غیرگازی باید پیش از شروع احتراق به فاز گاز تبدیل شوند
- نقش نیتروژن هوا در احتراق، اتلاف انرژی، بالابردن حجم گازهای خروجی، و تولید اکسیدهای نیتروژن (NOx) است
- احتراق کامل، علاوه بر CO₂، دود سفید نیز تولید میکند
- در شرایطی که سوخت کامل نسوزد، تولید CO نیز رخ میدهد که انرژی تولیدی را کاهش میدهد
۶. شرایط لازم برای احتراق کامل
برای دستیابی به احتراق کامل و پایدار، چهار شرط زیر بهطور همزمان باید برقرار باشند:
۶.۱. دما
دما باید بهاندازه کافی بالا باشد بهطوریکه احتراق شروع شده و ادامه یابد.
۶.۲. اختلاط
اختلاط خوب سوخت و اکسیدکننده باید فراهم شود.
۶.۳. زمان
احتراق به زمان نیاز دارد؛ باید زمان کافی برای تکمیل واکنش احتراق وجود داشته باشد.
۶.۴. حجم
حجم مناسب برای انجام واکنشهای احتراقی لازم است.
۷. ارزش حرارتی سوخت (Heating Value)
ارزش حرارتی، مقدار انرژیای است که واحد جرم سوخت، در شرایط خاص تعریفشده، تولید میکند.
- ارزش حرارتی پایین (LHV): زمانی که آب موجود در محصولات احتراق بهصورت بخار باشد
- ارزش حرارتی بالا (HHV): زمانی که تمام آب محصولات، تقطیر شده باشد
- معیار مقایسه سوختها در عمل، معمولاً ارزش حرارتی پایین (LHV) است
۸. نسبت سوخت به هوا و نقش اکسیژن
- معمولاً برای اطمینان از احتراق کامل، مقداری هوای اضافی نسبت به مقدار استوکیومتری لازم است
- هوای بیشتر از حد لازم باعث اتلاف حرارت میشود
- سوخت اضافی (کمبود هوا) باعث احتراق ناقص و تولید CO و دود میشود
۹. پارامترهای اصلی جریانهای احتراقی
۹.۱. پارامترهای ترمودینامیکی
شامل فشار، دمای شعله آدیاباتیک و ارزش حرارتی است. این پارامترها فقط به میزان انرژی آزادشده بستگی دارند و بر مبنای قوانین بقای عناصر و بقای انرژی، با محاسبات ترمودینامیکی (احتراق ترموشیمی) به دست میآیند.
۹.۲. پارامترهای دینامیکی
شامل طولوری شعله، حدود شعله، سرعت شعله و فاصله خاموشی است. این پارامترها به شدت آزادشدن انرژی و سینتیک احتراق بستگی دارند و علاوه بر قوانین بقا، به روابط سینتیکی نیز نیاز دارند (سینتیک احتراق).
۹.۳. پارامترهای آیرودینامیکی
شامل شکل شعله، طول و قطر شعله، کشیدگی شعله، میزان چرخش و توربولانس است. اگرچه این پارامترها بهطور مستقیم به احتراق بستگی ندارند، اما تأثیر آشکاری بر کیفیت احتراق و انتقال حرارت دارند.
۱۰. محاسبات استوکیومتری احتراق
واکنش زیر را در نظر بگیرید: CxHy + Air → CO₂ + H₂O. احتراق کامل، احتراقی است که در آن تمام کربنهای سوخت به CO₂ و تمام هیدروژنهای سوخت به H₂O تبدیل میشوند.
مخلوط درست (استوکیومتری) عبارت است از مخلوطی که حداقل اکسیژن لازم برای احتراق کامل را شامل شود. مبنای محاسبات استوکیومتری، بقای عناصر شیمیایی (C, H, N, O) است.
CxHy + a(O₂ + 3.76N₂) → xCO₂ + (y/2)H₂O + 3.76aN₂ , حالت استوکیومتری: a = x + y/4
نسبت سوخت به هوا (FA) و نسبت هوا به سوخت (AF) از روابط زیر محاسبه میشوند:
AF = m_air / m_fuel = 4.76·a·MW_air / MW_fuel , FA = 1 / AF
۱۰.۱. نسبت همارزی (Equivalence Ratio)
φ = (FA)a / (FA)st
نسبت همارزی، سرعت شعله و دمای شعله آدیاباتیک را مستقیماً تحت تأثیر قرار میدهد و ابزار کلیدی برای ارزیابی وضعیت غنی یا رقیق بودن مخلوط سوخت-هوا نسبت به حالت استوکیومتری است.
۱۱. ویژگیهای یک مشعل خوب
- دمای یکنواخت و قابل کنترل در فضای کوره ایجاد کند
- اتمسفری یکنواخت و قابل کنترل در فضای کوره ایجاد کند
- با دمایی که خود آزاد میکند مستهلک نشده و از بین نرود
- میزان انرژی مصرفی آن برای ایجاد شعله و پایداری آن، کم باشد
- شدت ترکیب مناسب و اقتصادی داشته باشد
- دامنه تغییرات پایداری شعله در آن وسیع باشد
- ظرفیت حرارتی مشعل برای ایجاد حرارت مطلوب در سیستم، قابل تغییر باشد
- مشعل باید توانایی استفاده از سوختهای با ارزش حرارتی متفاوت را داشته باشد
۱۲. طبقهبندی مشعلها
روشهای مختلفی برای طبقهبندی مشعلها وجود دارد که عبارتاند از: نوع سوخت مصرفی (جامد، مایع یا گازی، همچنین چندسوختی)، ظرفیت حرارتی تولیدی، نوع اختلاط سوخت، و فشار سوخت (پایین یا بالا). با توجه به محدودیت سوخت مصرفی، در این مقاله تمرکز بر روشهای اختلاط سوخت و هوا است.
۱۲.۱. مشعلهای دروناختلاط (Premix)
مشعلهایی هستند که سوخت و هوا در محفظه تزریق با هم مخلوط میشوند. این نوع مشعل کاربرد زیادی در صنایع با فاصله کوتاه احتراق دارد.
۱۲.۲. مشعلهای بیروناختلاط (Diffusion)
یکی از ویژگیهای مشترک این مشعلها این است که گاز و هوا از طریق مجاری و کانالهای مجزا به محل بلوک سر مشعل رسیده و در اطراف نازل یا خارج از آن، در داخل کوره با هم مخلوط میشوند. این موضوع باعث ایجاد فرایندی با احتراق طولانیتر میشود.
۱۲.۳. انواع مشعلهای بیروناختلاط بر اساس طراحی
- مشعلهای دو لولهای
- مشعلهای لوله در لوله
- مشعلهای توربولانسی
۱۳. پدیدههای انتقال در کوره دوار
سه دسته اصلی پدیده انتقال بهطور همزمان در کوره دوار رخ میدهند: انتقال حرارت، انتقال جرم، و انتقال مومنتوم. درک این سه مکانیسم و کوپلینگ آنها، پیشنیاز راهبری صحیح کوره است.
۱۴. انتقال حرارت در کوره
انتقال انرژی در اثر اختلاف دما را انتقال حرارت میگویند. انتقال حرارت، محرک اصلی تمام تحولات شیمیایی و فازی در کوره است؛ بدون تأمین مناسب حرارت، خشکشدن، کلسیناسیون، تشکیل فاز مایع و رشد آلیت به درستی انجام نمیشود.
۱۴.۱. سه مکانیزم اصلی انتقال حرارت
- هدایت (Conduction)
- جابهجایی (Convection)
- تشعشع (Radiation)
۱۴.۲. مکانیزم هدایت (رابطه فوریه)
قانون حاکم بر مکانیزم هدایت، رابطه فوریه است. علامت منفی در این رابطه به این دلیل است که انتقال حرارت همواره در جهت کاهش دما صورت میگیرد.
Q = -k·A·(ΔT/ΔX)
در این رابطه، k ضریب هدایت حرارتی ماده است.
۱۴.۳. مکانیزم جابهجایی (کنوکسیون)
ضریب کنوکسیونی (h) تابع جنس و سرعت سیال است؛ با افزایش سرعت، این ضریب افزایش یافته و انتقال حرارت بیشتر میشود.
Q = h·A·(T_W - T_Air)
۱۴.۴. مکانیزم تشعشع
فرق اصلی این مکانیزم با دو مکانیزم قبلی این است که انتقال حرارت تشعشعی به محیط مادی نیاز ندارد و در خلاء نیز منتشر میشود. در مکانیزمهای هدایت و جابهجایی، میزان انتقال حرارت تابع درجه یک دماست، اما در تشعشع، میزان انتقال حرارت تابع درجه چهارم دمای مطلق است؛ یعنی اگر دما دو برابر شود، انتقال حرارت تشعشعی ۱۶ برابر میشود.
Q = ε·σ·A·T⁴
شدت تابش بهشدت به دما وابسته است و در منطقه پخت، تابش سهم غالب انتقال حرارت را دارد. منابع اصلی تابش شامل شعله، گازهای CO₂ و H₂O، ذرات معلق و دیواره داغ کوره هستند.
۱۴.۵. نکات تکمیلی درباره تشعشع
- جسم سیاه یک جسم ایدهآل است که خارجیت نداشته و میزان تشعشع ساطعشده از آن در دمای T، حداکثر تشعشعی است که یک جسم میتواند در آن دما ساطع کند؛ این مقدار از قانون استفن-بولتزمن محاسبه میشود
- هر جسمی در هر دمایی غیر از صفر مطلق، از خود تشعشع ساطع میکند؛ در دمای ثابت، میزان تشعشع خروجی و ورودی یکسان است
- ضریب صدور (Emissivity) برابر است با نسبت میزان تشعشع ساطعشده از جسم واقعی در دمای معین، به میزان تشعشع ساطعشده از جسم سیاه در همان دما
- در اغلب موارد با انتقال حرارت تشعشعی خالص بین یک جسم کوچک و یک جسم بزرگ که جسم کوچک را کاملاً در بر گرفته مواجه هستیم؛ تشعشع خالص مبادلهشده بین این دو از رابطه ترکیبی زیر به دست میآید
Q_total = ε·σ·A·(T_s⁴ - T_w⁴) + h·A·(T_s - T_w)
۱۵. انتقال جرم در کوره دوار
انتقال جرم در کوره دوار شامل جابهجایی و انتشار گونههای شیمیایی بین فاز گاز، جامد و گاهی فاز مایع است. نرخ انتقال جرم میتواند بهصورت ساده زیر بیان شود:
NA = kg·A·(C{A,s} - C{A,g})
- NA: نرخ انتقال جرم گونه A
- kg: ضریب انتقال جرم گازی
- C{A,s}: غلظت گونه A در سطح جامد
۱۵.۱. مهمترین موارد انتقال جرم در کوره
- خروج رطوبت از خوراک
- آزاد شدن CO₂ در کلسیناسیون
- انتقال محصولات احتراق مانند O₂ و CO₂ به ناحیه احتراق
- تبخیر و میعان مواد فرار مانند قلیاها، کلر و گوگرد (H₂O و ترکیبات فرار)
- نفوذ یونها و گونهها در فاز جامد و فاز مایع کلینکر
- انتقال گوگرد و قلیا در چرخههای داخلی کوره
۱۶. انتقال مومنتوم در کوره دوار
انتقال مومنتوم در کوره به دو بخش اصلی مربوط است: حرکت گاز و حرکت بستر جامد.
حرکت گاز توسط مکش فن، افت فشار سیستم، سرعت گاز و مقاومت مسیر کنترل میشود.
حرکت بستر جامد نیز تابعی از سرعت دوران کوره، شیب کوره، درجه پرشدگی، بار مواد، خواص فیزیکی خوراک و وضعیت کوتینگ است. رژیم حرکتی بستر میتواند شامل لغزش، غلتش، آبشار شدن یا حرکت ناپایدار باشد.
۱۷. کوپلینگ (وابستگی متقابل) انتقال حرارت، جرم و مومنتوم
در کوره دوار، هیچ پدیدهای مستقل عمل نمیکند؛ تمام فرایندهای کلیدی حاصل کوپلشدن همزمان انتقال حرارت، انتقال جرم و حرکت بستر هستند.
۱۷.۱. کلسیناسیون بهعنوان نمونه کوپلینگ حرارت-جرم
کلسیناسیون نمونه بارز کوپلشدن انتقال حرارت و انتقال جرم است؛ انرژی برای تجزیه کربنات لازم است و همزمان باید CO₂ از ذره خارج شود.
۱۷.۲. تشکیل فاز مایع بهعنوان نمونه کوپلینگ چندگانه
تشکیل فاز مایع نیز نمونه مهمی از کوپلشدن حرارت، جرم، شیمی و حرکت بستر است. فاز مایع برای تشکیل آلیت ضروری است، اما اگر مقدار آن زیاد شود یا ویسکوزیته آن بیش از حد کاهش یابد، مواد چسبنده شده و احتمال تشکیل رینگ در کوره و اسنومن (Snowman) در کولر افزایش مییابد.
حرکت بستر بر انتقال حرارت و جرم اثر دارد، زیرا تماس مواد با دیواره، شعله و گاز داغ را تغییر میدهد و سطح تازه برای واکنش ایجاد میکند. نودولسازی نیز نتیجه کوپلشدن فاز مایع، حرکت غلتشی بستر و خنکشدن است.
۱۸. ابزار تنظیم شرایط برای پخت بهینه: گروه اول (متغیرهای اساسی کوره)
| ردیف | متغیر اساسی | مقدار معمول |
|---|---|---|
| 1 | دمای منطقه پخت | حدود ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد |
| 2 | دمای انتهای کوره (عقب کوره) | حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد |
| 3 | مقدار اکسیژن در انتهای کوره | حدود ۲ درصد |
| 4 | دمای سر کوره | حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد |
| 5 | مکش انتهای کوره | حدود ۷ تا ۱۰ میلیبار |
۱۹. کنترل عقب کوره
یکی از راههای اصلی کنترل و راهبری کوره، کنترل عقب کوره است. شاید دلیل اساسی این کنترل، آگاهشدن زودتر از موقع از اتفاقاتی است که چند دقیقه بعد ممکن است در منطقه پخت رخ دهد.
این کنترل از دو طریق صورت میگیرد: کنترل درجه حرارت عقب کوره، و کنترل مکش عقب کوره.
۱۹.۱. نشانههای بالا بودن حرارت عقب کوره
- کوره بهطور یکنواخت و به مدت طولانی با درصد اکسیژن بالا کار میکند
- زودپز بودن مداوم مواد که باعث میشود منطقه پخت بیش از حد لازم عقب کشیده شود
- نحوه کار قبلی کوره نشان میدهد که در حالت پایدار و با پارامترهای یکسان، کوره با درجه حرارت عقب کمتری کار میکرده است؛ بدین معنی که برای مقدار معین و ترکیب معین خوراک، سوخت زیادتری مصرف میشود (کوره با بازده حرارتی پایین کار میکند)
۱۹.۲. نشانههای پایین بودن حرارت عقب کوره
- کوره برای مدت طولانی با درصد اکسیژن پایین کار میکند
- ورود مواد ناقص کلسینهشده به منطقه پخت و ایجاد شرایط پخت مشکل برای مدت طولانی
- وجود رطوبت بیش از حد معمول در مواد خام ورودی به پیشگرمکن
- نکته مهم: بررسی برگههای گزارش، ثباتها و سایر اطلاعات موجود درباره حالات قبلی کوره، کلید نسبتاً پایدار برای عملکرد کوره است
۲۰. کنترل اکسیژن عقب کوره
همواره باید دستگاههای سنجش، درصد اکسیژن را نشان دهند و هیچگاه منواکسید کربن در گازهای خروجی وجود نداشته باشد؛ به عبارت دیگر، هرگز نباید مقدار هوا آنچنان کم باشد که عمل سوختن ناقص باشد.
برای اطمینان از سوختن کامل سوخت، باید همواره با مقداری هوای اضافی کار کرد تا درصد اکسیژن به محدوده ۱ تا ۱.۵ درصد برسد.
۲۱. کنترل مکش عقب کوره
از مکش عقب کوره برای موارد زیر استفاده میشود:
- پیبردن به تشکیل رینگ یا جمعشدن مواد (Build-up)
- تشخیص اشکالات بهوجودآمده در فن کوره
- شناسایی نشتیهای احتمالی هوا در قسمتهای فیمابین کوره و فن
از مکش عقب کوره نمیتوان بهعنوان عامل کنترلکننده و تعیینکننده مستقیم درجه حرارت عقب کوره استفاده کرد، زیرا عوامل زیادی روی این مکش تأثیر دارند.
۲۲. متغیرهای کنترلی اساسی کوره: گروه دوم
کنترل کوره تحت فرمان چهار عامل اصلی است که هر تغییری در آنها، مجموعهای از پارامترهای عملیاتی را متأثر میکند:
۲۲.۱. دور فن کوره (ID Fan)
دور فن کوره باعث تغییر مکش عقب کوره و سرعت گازهای خروجی میشود.
۲۲.۲. سوخت مصرفی در کلساینر
مقدار سوخت مصرفی در کلساینر روی میزان تکلیس خوراک کوره و داغشدن آن اثر میگذارد.
۲۲.۳. سوخت مصرفی در مشعل اصلی کوره
مقدار سوخت مصرفی در مشعل اصلی کوره باعث تغییر گرمای منطقه پخت میگردد.
۲۲.۴. مقدار خوراک کوره
مقدار خوراک کوره باعث تغییرات در درصد پر بودن (پری) کوره میگردد.
۲۳. تنظیم اتمسفر کوره
اکسیژن مورد نیاز سوخت مصرفی در کوره، از طریق هوای عبوری از کولر تأمین میشود که به آن «هوای ثانویه» نیز میگویند.
اگر میزان اکسیژن مورد نیاز تأمین نشود، کربن (C) موجود در سوخت بهجای تبدیل کامل به CO₂، احتراق ناقص داشته و به CO تبدیل میگردد. گاز CO ناپایدار بوده و به دنبال واکنش با اکسیژن است تا به CO₂ پایدار تبدیل شود. در این حالت گفته میشود که شرایط احیاء در کوره ایجاد شده است.
۲۳.۱. سه حالت متصور برای CO در کوره
- حالت اول: اگر منطقه پخت سرد باشد، تجمع CO و هیدروکربنهای نسوخته میتواند در صورت نشتی هوا، با اکسیژن بهشدت ترکیب شده و به سمت الکتروفیلتر حرکت کرده و حالت انفجاری در الکتروفیلتر ایجاد کند
- حالت دوم: اگر منطقه پخت داغ باشد، O₂ مورد نیاز از کلینکر در حال تشکیل، یا در شرایط مخربتر، از ترکیب بستر نسوز تأمین میشود
- حالت سوم: اکسیدهای فلزی نظیر Fe₂O₃ و SO₃، و همچنین عناصری نظیر Cr، Mn و Nox، توانایی احیاء شدن دارند و پیامدهای مضری در بر دارند
۲۳.۲. واکنشهای احیاء صورتگرفته
Fe₂O₃ + O₂⁻ = FeO , FeO + 1/2O₂ = Fe , SO₃ + O₂⁻ = SO , SO + 1/2O₂ = S , S + Fe = FeS
نتیجه واکنشهای اسلاید قبل، تشکیل FeO و FeS است که ضمن کاهش کیفیت کلینکر، تغییر ساختار ماکروسکوپی را در پی دارد و باعث روشنشدن مغز کلینکر میگردد.
در مواردی، کاهش ۴ واحدی فاز تیرهرنگ C₄AF در کلینکر احیاءشده مشاهده شده است که نشان از شرایط بهشدت احیاء در منطقه پخت دارد.
۲۳.۳. مکانیسم نفوذ FeO به فاز مایع
Fe₂O₃ که به لحاظ ساختاری کمحجمتر است، باعث نفوذ آن به داخل فاز C₃S میگردد. این امر یعنی وارد شدن FeO بهجای CaO در فاز C₃S، که کاهش فاز مایع را ایجاد میکند و تجزیه این فاز، آزادشدن CaO را باعث میشود.
بهرهبردار با دیدن عدد آهک آزاد بالا، اقدام به افزایش دمای منطقه پخت مینماید. در این مرحله سولفاتهای قلیایی از کلینکر خارج شده و به انتهای کوره مهاجرت میکنند، که در نتیجه، کلینکر استحصالی وزن لیتری پایین، مغزه روشن، و آهک آزاد بالا خواهد داشت.
۲۳.۴. علت تمرکز شرایط احیاء در مغز کلینکر
دلیل اینکه شرایط احیاء عمدتاً در مغز کلینکر مشاهده میشود این است که داغی و تماس سطح گلولههای کلینکر با دمای منطقه پخت، مجدداً شرایط را برای اکسیداسیون فراهم مینماید؛ به همین دلیل پوسته کلینکر با مغزه آن متفاوت دیده میشود.
معمولاً شرایط احیاء، به دنبال خود سرد شدن کوره را در بر دارد؛ علت آن، مکش کم و احتراق ناقص سوخت است که باعث کاهش دمای شعله در منطقه پخت میشود.
۲۴. توصیههای عملیاتی برای کارکرد بهتر کوره
- درصد اکسیژن در گازهای خروجی کوره در شرایط پایدار و متعادل، اصولاً باید در فاصله ۰.۷ تا ۱.۵ درصد کار کند
- گازهای خروجی تا حد امکان نباید حاوی منواکسید کربن (CO) باشند
- درصورت مشاهده منواکسید کربن، باید فوراً در صدد چارهجویی بود
- گازهای خروجی باید دارای حداکثر مقدار ممکن گاز کربنیک (CO₂) باشند
۲۵. مطالعه موردی: تحلیل یک وضعیت واقعی کوره
جدول زیر یک مثال کاربردی از روش کنترل و بررسی شرایط کوره را نشان میدهد، که در آن مقادیر فعلی با مقادیر هدف مقایسه شدهاند.
| ردیف | شاخص | مقدار فعلی | هدف |
|---|---|---|---|
| 1 | درجه حرارت منطقه پخت | ۱۳۵۰ درجه سانتیگراد | ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد (پایینتر از هدف) |
| 2 | درجه حرارت عقب کوره | ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد | ۸۸۵ درجه سانتیگراد (بالاتر از هدف) |
| 3 | درصد اکسیژن | ۳.۵ درصد | ۱.۵ درصد (بالاتر از هدف) |
وضعیت این مثال عبارت است از: درجه حرارت پایین منطقه پخت، درجه حرارت بالای عقب کوره، و درصد اکسیژن نسبتاً بالا در عقب کوره.
۲۵.۱. پاسخ اشتباه رایج
اگر پاسخ این باشد که «مقدار سوخت اضافه شود»، عقب کوره فراموش شده است. با چنین عملی، افزایش مقدار سوخت باعث تصحیح درجه حرارت منطقه پخت خواهد شد، ولی درجه حرارت عقب کوره را بالاتر میبرد و قطعاً برای حالت پایدار کوره مطلوب نیست.
۲۵.۲. پاسخ صحیح مهندسی
پاسخ صحیح، «کاهش دور فن» است. این تنظیم ساده، همزمان هر سه انحراف از هدف را تصحیح میکند: پایینآوردن دور فن باعث کمتر مکیدن حرارت به عقب کوره و در نتیجه افزایش درجه حرارت منطقه پخت، کاهش درجه حرارت عقب کوره، و همچنین کاهش مقدار اکسیژن خواهد شد.
ترکیب «کاهش دور فن» و «افزایش مقدار سوخت» نیز مورد قبول است، مشروط بر اینکه باعث نقصان شدید اکسیژن و بروز مواد حاصل از احتراق ناقص نشود.
۲۶. کولر کلینکر (Cooler)
وظیفه خنککن کلینکر، سرد نمودن کلینکر خروجی از کوره است. کولر با انجام تبادل حرارتی با هوای محیط، دمای کلینکر را از حدود ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد به کمتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد تقلیل میدهد.
در صورت سرد کردن سریع کلینکر با سرعت بیش از ۱۰۰°C/min، به علت تخریب شبکه بلوری C₂S، فعالیت هیدرولیکی کلینکر در محدوده حرارتی ۹۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد افزایش مییابد.
۲۶.۱. عملکرد خوب کولر
کولر بخشی از سیستم حرارتی کوره است، نه فقط یک تجهیز سردکننده کلینکر. کولر خوب اثرات زیر را در پی دارد:
- سرد شدن سریع و مناسب کلینکر
- تولید هوای ثانویه داغ و پایدار
- بازیافت حرارت
- کاهش مصرف سوخت
- کاهش احتمال تشکیل Snowman
اگر دمای هوای ثانویه کاهش یابد، دمای شعله نیز کاهش مییابد و زون پخت ناپایدار میشود.
۲۷. کنترل دمای هوای ثانویه
دمای هوای ثانویه باید تا حد امکان بالا باشد تا بدین ترتیب بازیافت حرارتی از کلینکر خروجی به حداکثر برسد. این مقدار معمولاً بین ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد است.
۲۷.۱. راهکارهای بالابردن راندمان خنککردن
- به حداکثررساندن هوای ثانویه
- بهینهسازی ارتفاع بستر کلینکر در خنککن
۲۷.۲. عوامل مؤثر بر ارتفاع بستر کلینکر
- فشار زیر صفحات خنککن
- ارتفاع بستر کلینکر روی صفحات
- دانهبندی متوسط کلینکر
- درجه حرارت کلینکر در خنککن
- مقدار هوای ورودی به خنککن
- دور خنککن
۲۷.۳. دو عامل اصلی مؤثر بر درجه حرارت هوای ثانویه
- سرعت سیستم مشبک در رابطه با حجم و درجه حرارت هوای ورودی
- درجه حرارت و اندازه ذرات کلینکری که از کوره وارد سیستم خنککن میشود
۲۷.۴. علل کاهش درجه حرارت هوای ثانویه
- افزایش سرعت سیستم مشبک کولر
- کاهش ضخامت بستر کلینکر در کولر
- کاهش اندازه ذرات کلینکر
- کاهش مقدار کلینکر ورودی به خنککن
- نزدیکشدن منطقه پخت به ته کوره
۲۸. سوالات متداول
چرا کوره دوار سیمان را نمیتوان راکتور همزده کامل (CSTR) در نظر گرفت؟
افزایش زمان ماند مواد در کوره چه تأثیری بر کیفیت کلینکر دارد؟
چرا تشعشع، مکانیزم غالب انتقال حرارت در منطقه پخت است؟
درصد اکسیژن مطلوب در گازهای خروجی کوره چقدر باید باشد؟
اگر همزمان دمای منطقه پخت پایین، دمای عقب کوره بالا و اکسیژن بالا باشد، راهحل صحیح چیست؟
شرایط احیاء در کوره چگونه ایجاد میشود و چه پیامدهایی دارد؟
چرا شرایط احیاء عمدتاً در مغز کلینکر دیده میشود، نه در پوسته آن؟
چهار متغیر کنترلی اصلی کوره کداماند و هرکدام بر چه چیزی اثر میگذارند؟
سرعت سردکردن کلینکر چه تأثیری بر کیفیت آن دارد؟
عوامل اصلی کاهش دمای هوای ثانویه در کولر کداماند؟
۲۹. جمعبندی
تنظیم بهینه سیستم پخت کوره دوار سیمان، مستلزم درک همزمان کوره بهعنوان یک راکتور ترموشیمیایی چندفازی، رعایت شرایط مرزی طراحی (زمان ماند، بار حرارتی، دمای منطقه پخت)، کنترل دقیق پارامترهای احتراق و استوکیومتری سوخت، و مدیریت کوپلشده پدیدههای انتقال حرارت، جرم و مومنتوم است. راهبری عملیاتی مؤثر کوره، بر پایه کنترل همزمان چهار متغیر اصلی (دور فن، سوخت کلساینر، سوخت مشعل اصلی، خوراک کوره) و پایش مستمر شرایط عقب کوره (دما، اکسیژن، مکش) صورت میگیرد؛ نمونههای واقعی نشان میدهند که تصحیح صحیح انحرافات، اغلب نیازمند تنظیم همزمان چند متغیر (نه صرفاً افزایش سوخت) است. در نهایت، عملکرد بهینه کولر کلینکر — با تولید هوای ثانویه داغ و پایدار — نقشی تعیینکننده در پایداری زون پخت و کاهش مصرف سوخت کل سیستم ایفا میکند.
