موازنه حرارتی کوره دوار سیمان: راهنمای کامل محاسبات، مثالهای عددی و بهینهسازی
موازنه حرارتی ابزاری کارآمد برای اندازهگیری وضعیت واقعی یک سیستم کوره است. این موازنه امکان ارزیابی بهتر مصرف حرارتی را فراهم میکند و پتانسیلهای بهبود را، از نظر جنبههای حرارتی، آشکار میسازد. اصل موازنه حرارتی نسبتاً ساده است: حدود سیستم را برای موازنه مشخص میکنیم و تمام ورودیها و خروجیها را اندازهگیری میکنیم.
پس از انجام عملیات اندازهگیری موردنیاز، باید اقلام مختلف حرارتی را محاسبه کرد، از جمله: حرارت حاصل از احتراق سوخت، مواد قابل احتراق موجود در خوراک خام یا گاز خروجی، حرارت تشکیل، حرارت تبخیر، حرارت محسوس تمام جریانهای گاز و مواد، و حرارت تابشی و جابهجایی.
«هنگامی که بهبودها اجرا میشوند، اغلب میتوان در نظر گرفت که صرفهجویی در سوخت، تا زمانی که ناحیه دما بالا مورد بررسی است، بهوسیله ضریب ۱.۳ تا ۱.۵ بیشتر از بهبود اولیه در آیتم مربوطه خواهد بود (ضریب تکثیر).»
بهبودهای قابلتوجهی را میتوان از طریق کاهش اتلاف حرارتی پوسته، کاهش ورود هوای کاذب، بهبود تبادل حرارتی در برخی انواع پیشگرمکنها و بهبود عملکرد خنککنندههای کلینکر ایجاد کرد.
۱. مقدمه
موازنههای حرارتی در یک سیستم کوره میتوانند اطلاعات بسیار مفیدی درباره عملکرد حرارتی سیستم ارائه دهند. موازنههای حرارتی نشان میدهند که حرارت سوخت در کجا و چگونه مصرف میشود؛ این موضوع بر اساس اصل ساده «ورودی = خروجی» است. اتلافهای غیرضروری انرژی را میتوان بهسادگی شناسایی کرد.
هدف اصلی این راهنما، ارائه یک روش عملی برای انجام موازنههای حرارتی در کورههای سیمان است. این راهنما میتواند بهعنوان یک برگه کاری مورد استفاده قرار گیرد و برای استفاده از آن، دانش تخصصی ترمودینامیک یا منابع و جداول تکمیلی موردنیاز نیست. اصل موازنه حرارتی را میتوان بهراحتی به سیستمهای دیگری مانند پیشگرمکنها، خنککنندهها و سیستمهای خشککن نیز تعمیم داد.
در این راهنما فقط از واحدهای SI استفاده شده است؛ به این معنی که حرارت همیشه بر حسب کیلوژول (kJ) بیان میشود و دیگر نیازی به تبدیل واحدهای حرارتی نخواهد بود.
۲. مروری بر روش کامل انجام موازنه حرارتی
۲.۱ چرا باید موازنه حرارتی انجام داد؟
شرایط زیر میتوانند انجام یک موازنه حرارتی را توجیه کنند: آزمون عملکرد، ثبت عملکرد کوره قبل و بعد از یک تغییر یا اصلاح، مصرف حرارتی غیرعادی بالا یا دادههای غیرطبیعی بهرهبرداری کوره، و کمپین بهینهسازی کوره. یک موازنه حرارتی گسترده هزینهبر است، بهویژه هنگامی که تعداد زیادی نفر در آن مشارکت دارند؛ بنابراین هزینهها باید در مقایسه با منافع قابلدستیابی ارزیابی شوند.
برای مثال، بهبود احتمالی ۱۰۰ کیلوژول بر کیلوگرم در مصرف حرارتی یک کوره با ظرفیت ۳۰۰۰ تن در روز، با فرض قیمتهای فعلی سوخت، میتواند به صرفهجویی در حدود ۲۰۰٬۰۰۰ دلار آمریکا در سال منجر شود. در چنین شرایطی سرمایهگذاری برای یک بررسی دقیق، شامل یک موازنه حرارتی کامل، کاملاً توجیهپذیر است.
اگرچه مصرف حرارتی ویژه واقعی را میتوان تنها با اندازهگیری حرارت سوخت و تولید کلینکر نیز تعیین کرد، یک موازنه حرارتی کامل اطلاعات و اطمینان بسیار بیشتری فراهم میکند. سازگاری دادههای اندازهگیریشده بهتر بررسی میشود و موازنه بهوضوح نشان میدهد حرارت در کجا مصرف میشود؛ بنابراین موازنه حرارتی ابزاری بسیار کارآمد برای ارزیابی بازده حرارتی است.
۲.۲ نحوه انجام کار
موازنه حرارتی فقط به معنی محاسبه اقلام موازنه نیست. روش کامل معمولاً شامل چهار مرحله است: آمادهسازی، اجرا، ارزیابی و بحث و بررسی.
۲.۲.۱ مرحله اول: آمادهسازی
میزان کار موردنیاز به میزان کامل بودن و قابلیت اطمینانی که موردنظر است بستگی دارد. برنامهریزی و آمادهسازی دقیق توصیه میشود. موارد پایهای که باید مشخص شوند عبارتاند از: چه چیزهایی باید اندازهگیری شوند (نوع و محل نقاط اندازهگیری/نمونهبرداری)، مدت زمان آزمون، و تناوب اندازهگیریها (ثبت پیوسته، اندازهگیری نقطهای، فواصل زمانی). با مشخصشدن این شرایط، تعداد افراد و تجهیزات موردنیاز تعیین میشود.
چکلیست آمادهسازی آزمون:
- آیا افراد موردنیاز برای دوره آزمون در دسترس هستند؟
- آیا همه افراد میدانند در چه زمانی و چه کاری باید انجام دهند؟
- آیا فرمهای ثبت دستی اطلاعات آمادهاند؟
- آیا سیستم ثبت دادهها (الکترونیکی، ثبات قلمی و غیره) در دسترس است؟
- آیا جریان اطلاعات بین اعضای تیم آزمون مشخص است؟
- آیا کالیبراسیون یا کنترل تجهیزات و ترازوها انجام شده (فلومترها، اوریفیسپلیتها، ونتوریها، سلولهای اختلاف فشار، ترموکوپلها)؟
- آیا تجهیزات اندازهگیری موقت در دسترس، کامل، با رنج صحیح و سالم هستند؟
- آیا روش نمونهبرداری از جامدات (خوراک، غبار، کلینکر) مشخص شده؟
- آیا امکانات آنالیز در دسترس است؟
نمونه تجهیزات موردنیاز:
- لوله پیتوت
- مانومتر لوله U شکل / مانومتر الکترونیکی
- دماسنج قابلحمل
- پیرومتر تابشی
- آنالایزر گاز / Orsat
- تجهیزات نمونهبرداری گاز
۲.۲.۲ مرحله دوم: اجرا
یکی از پیششرطهای مهم برای یک آزمون مناسب، پایدار بودن عملکرد کوره است. آزمون باید تنها زمانی آغاز شود که سیستم به یک حالت تعادل پایدار رسیده باشد و در طول آن باید از تغییر پارامترهای بهرهبرداری اجتناب شود. توصیه میشود کامل بودن و قابلیت اطمینان اندازهگیریها از همان حین آزمون کنترل شود.
۲.۲.۳ مرحله سوم: ارزیابی
ارزیابی دادهها به معنی تهیه محاسبات موازنه حرارتی بر اساس اصل «ورودی = خروجی» است.
۲.۲.۴ مرحله چهارم: بحث و بررسی
خود موازنه حرارتی باید به نتایج عملی منجر شود، در غیر این صورت صرفاً ارزش آکادمیک خواهد داشت. موارد قابل بررسی:
آیا مصرف حرارتی قابلقبول و نرمال است؟
آیا اقلام موازنه برای سیستم کوره موردنظر در محدوده نرمال قرار دارند؟
برای بهبود اقتصاد حرارتی سیستم چه اقداماتی باید انجام شود؟
این مورد آخر میتواند به کاری نسبتاً گسترده تبدیل شود و امکانپذیری اقتصادی آن نیز باید بررسی شود.
آیا مصرف حرارتی قابلقبول و نرمال است؟
آیا اقلام موازنه برای سیستم کوره موردنظر در محدوده نرمال قرار دارند؟
برای بهبود اقتصاد حرارتی سیستم چه اقداماتی باید انجام شود؟
این مورد آخر میتواند به کاری نسبتاً گسترده تبدیل شود و امکانپذیری اقتصادی آن نیز باید بررسی شود.
در جمعبندی، کاملاً مشخص است که مرحله سوم، یعنی «ارزیابی»، تنها بخش محدودی از کل فرآیند است.
۳. مبانی موازنه و نکات مربوط به اجرای آن
۳.۱ حدود موازنه
در بسیاری از گزارشهای موازنه، مرز موازنه بهطور صریح نشان داده نمیشود. تا زمانی که موارد «استاندارد» مورد بررسی باشند، گاهی ممکن است انتخاب حدود موازنه بدیهی به نظر برسد. با این حال، همیشه بهتر است مشخص شود که مرز موازنه دقیقاً در کجا قرار دارد؛ این کار از سوءتفاهم جلوگیری کرده و احتمال بروز خطا را کاهش میدهد.
شکل ۱. نمونههایی از مرزهای سیستم مورد استفاده برای محاسبات موازنه جرم و انرژی در کوره دوار، کولر کلینکر، پیشگرمکن و آسیاب مواد
مرز موازنه نقاط برش مختلفی ایجاد میکند که جریانهای جامد و گاز ورودی یا خروجی از آنها عبور میکنند. به همین ترتیب، حرارت تابشی و جابهجایی نیز از مرز عبور میکند. هر نقطه برش، یک آیتم مشخص در موازنه حرارتی ایجاد میکند، زیرا نشاندهنده یک جریان حرارتی به داخل یا خارج از سیستم است. با این روش، سیستم بهوضوح تعریف شده و هیچ موردی از قلم نمیافتد.
«از نظر تئوری میتوان هر شکلی را برای مرز انتخاب کرد — برای مثال، مرز حتی میتواند یک کوره دوار را از وسط طول آن قطع کند! با این حال، مرز باید بر اساس ملاحظات عملی انتخاب شود.»
نقاط برش ایجادشده باید:
- برای اندازهگیری قابلاعتماد بهراحتی در دسترس باشند
- در کل موضوع مورد بررسی، از نظر عملی دارای اهمیت باشند
۳.۲ دستورالعملهای مربوط به مدت زمان آزمون
مدت زمان طولانیتر آزمون، دقت بیشتری فراهم میکند، اما زمان در دسترس بهوسیله ملاحظات عملی محدود میشود.
بهعنوان یک دستورالعمل کلی، حداقل مدت زمان آزمون باید حدود ده برابر زمان ماند مواد در کل سیستم کوره باشد:
مدت زمان آزمون = ۱۰ × زمان ماند
عوامل دیگری مانند منظم و پایدار بودن عملکرد کوره نیز بر مدت زمان آزمون تأثیر میگذارند. اگر فرآیند بسیار ناپایدار باشد، باید مدت زمان بیشتری در نظر گرفته شود. در یک کوره معمولی با پیشگرمکن تعلیقی، زمان ماند مواد در حدود یک ساعت است؛ در مقابل، در یک کوره شفتی آهک، ممکن است زمانهای ماند بیش از ۲۴ ساعت نیز اتفاق بیفتد. بنابراین مدت زمان لازم برای آزمون در این دو مورد کاملاً متفاوت خواهد بود.
راهنمای تقریبی مدت زمان آزمون بر اساس نوع کوره
| ردیف | نوع کوره | مدت آزمون برای موازنه حرارتی (ساعت) |
|---|---|---|
| 1 | کوره با پیشگرمکن تعلیقی و پیشکلساینر | ۱۲ |
| 2 | کوره با پیشگرمکن تعلیقی بدون پیشکلساینر | ۱۲ تا ۲۴ |
| 3 | کوره خشک / تر بلند | ۲۴ |
۳.۳ بهرهبرداری از کوره
در طول آزمون، کوره باید در شرایط ثابت و پایدار کار کند. تا حد امکان باید از تغییر Setpointها اجتناب شود. وقفهها باید ثبت شوند. اگر مشکلات جدی رخ دهد، آزمون باید تمدید یا حتی به زمان دیگری موکول شود؛ بنابراین معمولاً در نظر گرفتن مقداری زمان ذخیره برای آزمون ارزشمند است.
از دیدگاه تئوری، یک موازنه صحیح تنها زمانی امکانپذیر است که سیستم در شرایط پایدار کار کند. برای مثال، هنگام گرمکردن سیستم، حرارت در سیستم ذخیره میشود و بین ورودی و خروجی موازنهای وجود ندارد:
ورودی > خروجی
ورودی > خروجی
۳.۴ اطلاعات کوره
برای تسهیل بحث نهایی، معمولاً لازم است اطلاعات اصلی سیستم جمعآوری شود. این اطلاعات لزوماً برای محاسبات اصلی موازنه حرارتی موردنیاز نیستند، اما باید در یک گزارش کامل موازنه گنجانده شوند تا سیستم را توصیف کرده و اطلاعات بیشتری درباره عملکرد آن ارائه دهند.
الف) اطلاعات سیستم / فرآیند:
- نوع کوره
- ظرفیت اسمی
- نوع پیشگرمکن / پیشکلساینر
- نوع خنککننده
- سازنده
- سال راهاندازی
- سوخت و سیستم احتراق
- نوع نازل مشعل
- سیستم بازگردانی غبار
- ابعاد تجهیزات اصلی (اندازهها، شیبها و غیره)
- اطلاعات مربوط به فنها، درایوها و غیره
ب) اطلاعات بهرهبرداری:
- اطلاعات مختلف بهرهبرداری (دور، kW، پروفایلهای دما و فشار در طول سیستم کوره، سرعت گریت، فشارهای زیر گریت و غیره)
- قرائت توان الکتریکی (قبل / بعد از آزمون)
- آنالیز شیمیایی خوراک خام، غبارها و کلینکر، شامل LSF، SR، AR و غیره
۴. محاسبات موازنه حرارتی
۴.۱ ملاحظات کلی — نمادها و واحدها
نمادها و واحدها
| ردیف | نماد | معنی | واحد |
|---|---|---|---|
| 1 | A | مساحت | m² |
| 2 | cR | ثابت تابش | W/m²K⁴ |
| 3 | cp | گرمای ویژه در فشار ثابت | kJ/kg°C یا kJ/Nm³°C |
| 4 | cv | ارزش حرارتی | kJ/kg |
| 5 | D | قطر | m |
| 6 | g | ثابت گرانش | m/s² |
| 7 | h | محتوای حرارتی ویژه | kJ/kg یا kJ/Nm³ یا kJ/kg کلینکر |
| 8 | L | طول | m |
| 9 | m | جرم | kg |
| 10 | mf | دبی جرمی | kg/h |
| 11 | Qf | جریان حرارتی | kW |
| 12 | t | دما بر حسب سلسیوس | °C |
| 13 | T | دما بر حسب کلوین | K |
| 14 | V | سرعت | m/s |
| 15 | w | میزان آب | kg/kg |
| 16 | α | ضریب انتقال حرارت | W/m²°C |
| 17 | ε | گسیلندگی، برای تابش | بدون بعد |
| 18 | λ | ضریب هدایت حرارتی | W/m°C |
| 19 | ρ | چگالی | kg/m³ |
اعداد بدون بعد و اندیسها
| ردیف | نماد | معنی |
|---|---|---|
| 1 | Nu | عدد ناسلت (برای انتقال حرارت) |
| 2 | Pr | عدد پرانتل |
| 3 | R | نسبت خوراک کوره (مواد خام) به کلینکر |
| 4 | Re | عدد رینولدز |
| 5 | conv | اندیس جابهجایی |
| 6 | rad | اندیس تابش |
| 7 | tot | اندیس کل |
| 8 | 0 | شرایط محیط یا شرایط صفر |
ضرایب تبدیل واحد
| ردیف | کمیت | تبدیل |
|---|---|---|
| 1 | طول | ۱ اینچ = ۰.۰۲۵۴ m ؛ ۱ فوت = ۰.۳۰۴۸ m |
| 2 | مساحت | ۱ فوت مربع = ۰.۰۹۲۹۰۳ m² |
| 3 | حجم | ۱ فوت مکعب = ۰.۰۲۸۳۱۶ m³ ؛ ۱ فوت مکعب در دقیقه = ۱.۶۹۹ m³/h |
| 4 | جرم | ۱ پوند = ۰.۴۵۳۵۹ kg ؛ ۱ تن کوتاه = ۹۰۷.۱۸۵ kg |
| 5 | فشار | ۱ bar = ۱۰⁵ N/m² ؛ ۱ mmH₂O = ۹.۸۰۶ N/m² ؛ ۱ atm = ۱.۰۱۳ bar |
| 6 | انرژی | ۱ kJ = ۱۰۰۰ J ؛ ۱ MJ = ۱۰۰۰ kJ ؛ ۱ kWh = ۳۶۰۰ kJ ؛ ۱ kcal = ۴.۱۸۷ kJ ؛ ۱ BTU = ۱.۰۵۵ kJ |
| 7 | دما | °C = ۵/۹ (°F − ۳۲) ؛ K = ۲۷۳.۱۵ + °C |
| 8 | جریان حرارتی | ۱ kW = ۱۰۰۰ W = ۱ kJ/s ؛ ۱ kcal/h = ۱.۱۶۳ W ؛ ۱ BTU/h = ۰.۲۹۳۰۷ W |
| 9 | گرمای ویژه | ۱ kcal/kg°C = ۴.۱۸۷ kJ/kg°C = ۴۱۸۷ J/kg°C ؛ ۱ BTU/lb°F = ۱ kcal/kg°C |
| 10 | ضریب انتقال حرارت | ۱ kcal/m²h°C = ۱.۱۶۳ W/m²°C ؛ ۱ BTU/ft²h°F = ۵.۶۷۸ W/m²°C |
| 11 | شرایط استاندارد گازها | ۰°C و ۱ atm (۱.۰۱۳ bar) |
۴.۱.۲ دمای مرجع
دمای مرجع معمول را برابر ۲۰ درجه سلسیوس در نظر میگیریم؛ به این معنی که حرارت محسوس جریانهای مواد در دمای ۲۰°C برابر صفر است. تمام «حرارتهای تبدیل»، مانند احتراق، تبخیر و تشکیل نیز بر مبنای دمای مرجع ۲۰°C در نظر گرفته میشوند.
اینکه یک آیتم حرارتی بهعنوان ورودی یا خروجی در نظر گرفته شود، بر اساس جهت جریان جرم تعیین میشود:
به داخل مرز = ورودی
به خارج از مرز = خروجی
این یک قرارداد ساده و مفید است، نه یک قانون طبیعی. اگر «حرارتهای تبدیل» در داخل مرز اتفاق بیفتند، معمولاً اثر حرارتی خالص بهعنوان معیار استفاده میشود:
فرآیند تولیدکننده حرارت = ورودی
فرآیند مصرفکننده حرارت = خروجی
برای مثال، احتراق سوخت یک فرآیند تولیدکننده حرارت و گرمازا (Exothermic) است.
به داخل مرز = ورودی
به خارج از مرز = خروجی
این یک قرارداد ساده و مفید است، نه یک قانون طبیعی. اگر «حرارتهای تبدیل» در داخل مرز اتفاق بیفتند، معمولاً اثر حرارتی خالص بهعنوان معیار استفاده میشود:
فرآیند تولیدکننده حرارت = ورودی
فرآیند مصرفکننده حرارت = خروجی
برای مثال، احتراق سوخت یک فرآیند تولیدکننده حرارت و گرمازا (Exothermic) است.
موازنه حرارتی بر مبنای ۱ kg کلینکر تولیدشده بیان میشود. این امر به یک مرحله محاسباتی کلی، یعنی تقسیم بر تولید کلینکر، نیاز دارد که برای سادهتر نگه داشتن نمایش، در فرمولهای بعدی نشان داده نمیشود.
۴.۲ تعیین تولید کلینکر
۴.۲.۱ کلیات
تولید کلینکر در طول آزمون، یک کمیت کلیدی برای تمام محاسبات بعدی است. تمام جریانها و حرارتها را به ۱ kg کلینکر تولیدشده ارجاع خواهیم داد. تعیین تولید کلینکر را میتوان با توزین مستقیم تولید انجام داد که بدون شک بهترین روش است. اگر این کار امکانپذیر باشد، میتوان بخش تعیین غیرمستقیم را نادیده گرفت. اما در برخی موارد اندازهگیری مستقیم امکانپذیر نیست، بنابراین ممکن است تعیین غیرمستقیم لازم باشد.
۴.۲.۲ تعیین غیرمستقیم
بهخوبی شناخته شده است که از تقریباً ۱.۵۶ kg ماده خام (نه خوراک کوره!) میتوان ۱ kg کلینکر تولید کرد. بر اساس این واقعیت، در نگاه اول به نظر میرسد که محاسبه تولید کلینکر بهسادگی امکانپذیر باشد. با این حال، ضریب ۱.۵۶ از نظر عملی کاربرد محدودی دارد، زیرا ممکن است بازگشت غبار بر آن اثر بگذارد و همچنین به عوامل دیگری وابسته است. بهترین روش در چنین شرایطی، ایجاد یک موازنه جرمی برای سیستم است.
مشابه موازنه حرارتی، میتوان برای موازنه جرمی نیز یک مرز تعریف کرد. بنابراین:
کلینکر = خوراک کوره + خاکستر زغال + غبار تزریقشده − تلفات غبار
تمام موارد بر مبنای فاقد Loss on Ignition (L.o.I.-free) محاسبه میشوند. تلفات غبار شامل غبار گاز خروجی، غبار بایپس و غیره است.
کلینکر = خوراک کوره + خاکستر زغال + غبار تزریقشده − تلفات غبار
تمام موارد بر مبنای فاقد Loss on Ignition (L.o.I.-free) محاسبه میشوند. تلفات غبار شامل غبار گاز خروجی، غبار بایپس و غیره است.
دو حالت اصلی برای تلفات غبار از گاز خروجی
الف) جریان غبار از مرز موازنه جرمی عبور میکند:
- جریان غبار بر موازنه جرمی تأثیر میگذارد
- اینکه غبار چگونه یا به چه شکلی بازگردانده میشود، در صورتی که این بازگشت خارج از مرز باشد، اهمیتی ندارد
ب) جریان غبار از مرز موازنه جرمی خارج نمیشود (بازگشت داخلی غبار):
- جریان غبار بر موازنه جرمی تأثیر نمیگذارد
- بازگشت داخلی غبار باید پایدار باشد؛ یعنی نباید انباشت یا ذخیرهای ایجاد شود (مثلاً در سیلوها)
۴.۲.۳ مثالها
الف) بازچرخانی خارجی غبار (خارج از مرز)
شکل ۲ — موازنه جرمی / بازچرخانی خارجی غبار
شکل ۲ — موازنه جرمی / بازچرخانی خارجی غبار
خوراک کوره: KF = 204 t/h
غبار بایپس: BpD = 2.1 t/h
خوراک کوره: KF = 204 t/h
غبار بایپس: BpD = 2.1 t/h
| ردیف | جریان | mᵢ خشک (t/h) | L.o.I. | mᵢ(1−L.o.I.) (t/h) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | خوراک کوره (KF) | 204.0 | 0.357 | 131.17 |
| 2 | خاکستر زغال (Ash) | 1.8 | ≈0 | 1.80 |
| 3 | غبار موجود در گاز خروجی (D) | 11.0 | 0.315 | 7.54 |
| 4 | غبار بایپس (BpD) | 2.1 | 0.070 | 1.95 |
| 5 | کلینکر (Cli) | — | — | 123.48 |
بنابراین:
کلینکر = 131.17 + 1.80 − 7.54 − 1.95 = 123.48 t/h
توجه شود که داده L.o.I. خوراک کوره ممکن است هنگام تغییر از عملکرد ترکیبی به عملکرد مستقیم یا بالعکس، اندکی تغییر کند.
نسبت خوراک کوره به کلینکر:
R = 204.0 / 123.48 = 1.652
(همه موارد لحاظ شدهاند)
کلینکر = 131.17 + 1.80 − 7.54 − 1.95 = 123.48 t/h
توجه شود که داده L.o.I. خوراک کوره ممکن است هنگام تغییر از عملکرد ترکیبی به عملکرد مستقیم یا بالعکس، اندکی تغییر کند.
نسبت خوراک کوره به کلینکر:
R = 204.0 / 123.48 = 1.652
(همه موارد لحاظ شدهاند)
ب۱) بازچرخانی داخلی غبار (داخل مرز)
شکل ۳ — موازنه جرمی / بازچرخانی داخلی غبار
شکل ۳ — موازنه جرمی / بازچرخانی داخلی غبار
در حالت عملکرد مستقیم، روش محاسبه زیر اعمال میشود.
در حالت عملکرد مستقیم، روش محاسبه زیر اعمال میشود.
| ردیف | جریان | mᵢ خشک (t/h) | L.o.I. | mᵢ(1−L.o.I.) (t/h) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | خوراک کوره (KF) | 204.0 | 0.357 | 131.17 |
| 2 | خاکستر زغال (Ash) | 1.8 | ≈0 | 1.80 |
| 3 | غبار بایپس (BpD) | 2.1 | 0.070 | 1.95 |
| 4 | کلینکر (Cli) | ؟ | — | 131.02 |
R = 204.0 / 131.02 = 1.557
به تفاوت آن با مثال الف توجه شود. مثال ب۱ صرفاً برای مقایسه با مثال الف ارائه شده است و به هیچ وجه به معنی برتری راهکار بازگشت غبار نیست. مثال ب۲ روش محاسبه بسیار مشابهی با مثال ب۱ دارد.
به تفاوت آن با مثال الف توجه شود. مثال ب۱ صرفاً برای مقایسه با مثال الف ارائه شده است و به هیچ وجه به معنی برتری راهکار بازگشت غبار نیست. مثال ب۲ روش محاسبه بسیار مشابهی با مثال ب۱ دارد.
ب۲) بازگشت داخلی غبار — کوره تر
شکل ۴ — موازنه جرمی / بازچرخانی داخلی غبار
خوراک کوره: KF = 42 t/h دوغاب، با 37% H₂O = 26.48 t/h جامد خشک
خوراک کوره: KF = 42 t/h دوغاب، با 37% H₂O = 26.48 t/h جامد خشک
| ردیف | جریان | mᵢ تر (t/h) | mᵢ خشک (t/h) | L.o.I. | mᵢ(1−L.o.I.) (t/h) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | خوراک کوره (KF) | 42 | 26.46 | 0.360 | 16.93 |
| 2 | خاکستر زغال | — | 0.8 | ≈0 | 0.8 |
| 3 | کلینکر | — | — | — | 17.73 |
بنابراین:
کلینکر = 17.73 t/h
۴.۳ حرارت حاصل از سوخت
۴.۳.۱ احتراق سوخت
سوخت میتواند در محلهای زیر وارد شود: احتراق اصلی کوره، احتراق ثانویه یا پیشکلساینر، و اجزای قابل احتراق موجود در مواد خام.
بهطور کلی حرارت حاصل از سوخت بهصورت زیر محاسبه میشود:
h = m × CV (kJ/kg کلینکر)
که در آن:
h = حرارت (kJ/kg کلینکر)
m = مصرف ویژه سوخت (kg/kg کلینکر یا Nm³/kg کلینکر)
CV = ارزش حرارتی (kJ/kg سوخت یا kJ/Nm³ سوخت)
h = m × CV (kJ/kg کلینکر)
که در آن:
h = حرارت (kJ/kg کلینکر)
m = مصرف ویژه سوخت (kg/kg کلینکر یا Nm³/kg کلینکر)
CV = ارزش حرارتی (kJ/kg سوخت یا kJ/Nm³ سوخت)
برای ارزش حرارتی CV، در گروه سیمان پایش فقط از ارزش حرارتی پایین (Low / Net Calorific Value) استفاده میشود. گاهی موازنههای حرارتی بر اساس ارزش حرارتی بالا (High / Gross Calorific Value) نیز مشاهده میشوند. اما استفاده از ارزش حرارتی بالا بر اساس روش کاملاً متفاوتی برای در نظر گرفتن اتلافهای حرارتی است؛ بنابراین چنین موازنههایی را نمیتوان مستقیماً با نوع موازنه مورد استفاده ما مقایسه کرد.
۴.۳.۲ احتراق زغال
در مورد احتراق زغال، ضروری است که CV و میزان مصرف m هر دو به شرایط یکسانی مربوط باشند. قرارداد معمول این است که وضعیت زغال در حالتی در نظر گرفته شود که به مشعل کوره تغذیه میشود. این وضعیت ممکن است گاهی با وضعیت زغال در زمان آنالیز متفاوت باشد، به دلایل زیر: افزودن غبار در آسیاب زغال، از دست رفتن مواد فرار، یا صرفاً تغییر شرایط رطوبتی.
اگر CV واقعی در رطوبت معین زغال، یعنی w، معلوم نباشد، میتوان آن را از مقدار CV در رطوبت Wp محاسبه کرد:
CV = [(1 − w)/(1 − Wp)] × (CVp + Wp × r) − w × r
که در آن:
r = 2450 kJ/kg (حرارت تبخیر آب در دمای مرجع 20°C)
w، Wp = کسر وزنی آب
CV = [(1 − w)/(1 − Wp)] × (CVp + Wp × r) − w × r
که در آن:
r = 2450 kJ/kg (حرارت تبخیر آب در دمای مرجع 20°C)
w، Wp = کسر وزنی آب
مثال الف) زغال
CV در رطوبت 5%: 26,500 kJ/kg
CV در رطوبت 1%، یعنی در حالت تغذیه به مشعل: ؟
CV = [(1−0.01)/(1−0.05)] × (26500 + 0.05×2450) − 0.01×2450
CV = 27,464 kJ/kg
اگر زغال فوق با رطوبت 1% با نرخ ویژه 0.1230 kg/kg کلینکر سوزانده شود:
h = 0.1230 × 27,464 = 3,378 kJ/kg کلینکر
CV در رطوبت 5%: 26,500 kJ/kg
CV در رطوبت 1%، یعنی در حالت تغذیه به مشعل: ؟
CV = [(1−0.01)/(1−0.05)] × (26500 + 0.05×2450) − 0.01×2450
CV = 27,464 kJ/kg
اگر زغال فوق با رطوبت 1% با نرخ ویژه 0.1230 kg/kg کلینکر سوزانده شود:
h = 0.1230 × 27,464 = 3,378 kJ/kg کلینکر
مثال ب)
اگر CV ماده خشک معلوم باشد (CVdry)، فرمول کلی را میتوان ساده کرد؛ برای w = 0:
CV = (1 − w) × CVdry − w × r
اگر: CVdry = 28 MJ/kg و رطوبت = 2%
آنگاه: CV = 28 × (1 − 0.02) − 0.02 × 2.45 = 27.39 MJ/kg
اگر CV ماده خشک معلوم باشد (CVdry)، فرمول کلی را میتوان ساده کرد؛ برای w = 0:
CV = (1 − w) × CVdry − w × r
اگر: CVdry = 28 MJ/kg و رطوبت = 2%
آنگاه: CV = 28 × (1 − 0.02) − 0.02 × 2.45 = 27.39 MJ/kg
۴.۴ اجزای قابل احتراق موجود در مواد خام
۴.۴.۱ مواد آلی
مواد آلی میتوانند در خوراک خام وجود داشته باشند، برای مثال به شکل شیل نفتی و در موارد استثنایی حتی به شکل نفت خام آزاد. چنین موادی در ناحیه پیشگرمایش تا حدی فرّار شده و بخشی از سیستم بهصورت هیدروکربنهای سبک نسوخته خارج میشوند.
اگر هیدروکربنهای سبک واقعاً اندازهگیری شده و در موازنه حرارتی کل لحاظ شوند، توصیه میشود ارزش حرارتی خوراک خام تعیین شود؛ نه بهصورت مستقیم، بلکه با استخراج مواد آلی آن. در این صورت حرارت ورودی برابر است با:
h = CVmw × R (kJ/kg کلینکر)
که در آن:
CVlow = ارزش حرارتی ناشی از مواد آلی، بر مبنای 1 kg خوراک خام
R = ضریب خوراک کوره / کلینکر
h = CVmw × R (kJ/kg کلینکر)
که در آن:
CVlow = ارزش حرارتی ناشی از مواد آلی، بر مبنای 1 kg خوراک خام
R = ضریب خوراک کوره / کلینکر
اگر هیدروکربنهای سبک موجود در گاز خروجی نه اندازهگیری شوند و نه به هر حال در موازنه حرارتی کل لحاظ شوند، روش زیر نتایج بهتری ایجاد خواهد کرد: تنها مقدار ماده آلی را تعیین کنید (org. C) که از طریق سوزاندن در اکسیژن خالص و تبدیل به CO₂ اندازهگیری میشود. سپس فقط کربن آلی را در نظر بگیرید و بقیه را میتوان نادیده گرفت. حرارت ورودی تقریبی بهصورت زیر خواهد بود:
h = C × R × 33,000 kJ/kg
که در آن: C = مقدار کربن آلی موجود در خوراک خام
موارد فوق تنها یک تقریب هستند، اما به دلیل سادگی اغلب مورد استفاده قرار میگیرند.
h = C × R × 33,000 kJ/kg
که در آن: C = مقدار کربن آلی موجود در خوراک خام
موارد فوق تنها یک تقریب هستند، اما به دلیل سادگی اغلب مورد استفاده قرار میگیرند.
مثال:
R = 1.6 kg/kg کلینکر
C = 0.2% کربن
106 kJ/kg کلینکر =0.002 × 1.6 × 33,000
R = 1.6 kg/kg کلینکر
C = 0.2% کربن
106 kJ/kg کلینکر =0.002 × 1.6 × 33,000
۴.۴.۲ مواد معدنی
در برخی موارد ممکن است بقایای پیریت اکسیدنشده (FeS₂) در خوراک خام وجود داشته باشد. حرارت ورودی برابر است با:
h = S × R × 12,930 (kJ/kg کلینکر)
که در آن: S = کسر وزنی گوگرد، بیانشده بهصورت S، ناشی از پیریت موجود در خوراک خام
h = S × R × 12,930 (kJ/kg کلینکر)
که در آن: S = کسر وزنی گوگرد، بیانشده بهصورت S، ناشی از پیریت موجود در خوراک خام
مثال:
R = 1.6 kg/kg کلینکر
0.05% S از پیریت در خوراک خام
h = 0.0005 × 1.6 × 12,930 = 1 kJ/kg کلینکر
اثر حرارتی عملی در حالت فوق تنها جزئی است.
R = 1.6 kg/kg کلینکر
0.05% S از پیریت در خوراک خام
h = 0.0005 × 1.6 × 12,930 = 1 kJ/kg کلینکر
اثر حرارتی عملی در حالت فوق تنها جزئی است.
۴.۵ اتلاف ناشی از احتراق ناقص
اگر گازهای نسوخته مانند CO، H₂ و CH₄ در گاز خروجی وجود داشته باشند، یک خروجی حرارتی اضافی ایجاد میشود. این اتلاف را میتوان بهصورت زیر محاسبه کرد:
h = m × (CO × 12,640 + H₂ × 10,800 + CH₄ × 35,840)
که در آن:
m = مقدار ویژه گاز (Nm³/kg کلینکر)
CO، H₂، CH₄ = کسر حجمی موجود در گاز خروجی، بر مبنای گاز مرطوب
در بیشتر موارد فقط CO اندازهگیری میشود؛ در این صورت محاسبه به شکل زیر خواهد بود:
h = m × CO × 12,640
h = m × (CO × 12,640 + H₂ × 10,800 + CH₄ × 35,840)
که در آن:
m = مقدار ویژه گاز (Nm³/kg کلینکر)
CO، H₂، CH₄ = کسر حجمی موجود در گاز خروجی، بر مبنای گاز مرطوب
در بیشتر موارد فقط CO اندازهگیری میشود؛ در این صورت محاسبه به شکل زیر خواهد بود:
h = m × CO × 12,640
مثال:
m = 1.50 Nm³/kg کلینکر برای کوره SP
CO = 0.2%، بر مبنای مرطوب
h = 1.50 × 0.002 × 12,640 = 38 kJ/kg کلینکر
m = 1.50 Nm³/kg کلینکر برای کوره SP
CO = 0.2%، بر مبنای مرطوب
h = 1.50 × 0.002 × 12,640 = 38 kJ/kg کلینکر
۴.۶ حرارت تشکیل
حرارت تشکیل، تمام واکنشهای اصلی را که هنگام تبدیل خوراک خام به کلینکر اتفاق میافتند در نظر میگیرد (خوراک خام → کلینکر):
- حرارت آبزدایی رسها (گرماگیر)
- حرارت کربنزدایی CaCO₃ + MgCO₃ (گرماگیر)
- حرارت تشکیل کلینکر (گرمازا!)
- حرارت آبزدایی رسها (گرماگیر)
- حرارت کربنزدایی CaCO₃ + MgCO₃ (گرماگیر)
- حرارت تشکیل کلینکر (گرمازا!)
در بیشتر موارد عملی، فرض مقدار ثابت زیر کافی است:
h = 1750 kJ/kg کلینکر
مقدار فوق نشاندهنده یک خروجی حرارتی است، زیرا واکنش کلی گرماگیر و مصرفکننده حرارت است. سهم اصلی در مقدار کلی مربوط به کربنزدایی CaCO₃ است: تقریباً 2100 kJ/kg کلینکر.
h = 1750 kJ/kg کلینکر
مقدار فوق نشاندهنده یک خروجی حرارتی است، زیرا واکنش کلی گرماگیر و مصرفکننده حرارت است. سهم اصلی در مقدار کلی مربوط به کربنزدایی CaCO₃ است: تقریباً 2100 kJ/kg کلینکر.
حرارت تشکیل طبیعتاً میتواند از یک خوراک خام به خوراک خام دیگر مقداری تغییر کند. اما به دلیل محدوده نسبتاً باریکی که برای ترکیب کلینکر سیمان مشخص شده است، در شرایط عادی نباید انحراف عمدهای، مثلاً بیشتر از ±50 kJ/kg کلینکر، انتظار داشت.
اگر CaO موجود در کلینکر از CaCO₃ منشأ نگرفته باشد، بلکه از منابع مواد خامی تأمین شده باشد که CO₂ کمتری نسبت به موازنه CaO دارند، مانند خاکستر زغال یا مخلوط خام دارای کربنزدایی جزئی، حرارت تشکیل از نظر تئوری تغییر خواهد کرد. با این حال، میتوان بهسادگی با تعریف زیر از این مشکل جلوگیری کرد: تمام جریانهای جرمی، مانند خوراک کوره، تلفات غبار و خاکستر زغال، که مقدار مشخصی CaO حاصل از CaCO₃ را حمل نمیکنند، بر اساس مقدار CaO «غیرکربناتی» خود بهعنوان «جریان حرارتی» در نظر گرفته میشوند (به بند 4.7 مراجعه شود).
با پیروی از تعریف فوق، نیازی به ایجاد تغییر در حرارت تشکیل نیست. یک وضعیت «غیرعادی» را میتوان بهسادگی با ایجاد ورودیها یا خروجیهای اضافی در نظر گرفت، نه با تغییر «حرارت تشکیل استاندارد». این روش بر ایده تشکیل یک «کلینکر ایدهآل» از کربناتهای خالص استوار است. اگر این شرایط ایدهآل برقرار نباشند، اصلاحات مربوطه را در ورودیها یا خروجیهای حرارتی اعمال میکنیم. چنین اصولی در محاسبه تلفات CaO در بایپس نیز بهخوبی شناخته شدهاند.
۴.۷ حرارت ناشی از مواد دارای کربنزدایی جزئی
تجزیه کربناتها یکی از اثرات حرارتی اساسی در یک کوره سیمان است. معمولاً دو حالت حدی در نظر گرفته میشود: یا حضور کامل کربناتها، یعنی CaCO₃ و MgCO₃، یا عدم حضور کامل کربناتها، مانند کلینکر. اما حالتهای بینابینی نیز میتوانند وجود داشته باشند که بر موازنه حرارتی تأثیر میگذارند.
جریانهای موادی که میتوانند حرارت غیرمحسوس منتقل کنند:
- خوراک خام، شامل CaO آزاد یا مواد معدنی حامل CaO غیرکربناتی
- غبار گاز خروجی، دارای کربنزدایی جزئی
- غبار بایپس، با کربنزدایی گسترده
- خاکستر زغال
حرارت میتواند بر اساس جهت جریان، یعنی ورودی یا خروجی، منفی یا مثبت باشد. اگر گاز خروجی در موازنه در نظر گرفته شود، ضروری است خوراک خام نیز در نظر گرفته شود. در بسیاری از موارد، غبار کوره که مقداری CaO آزاد دارد، به کوره بازگردانده میشود؛ اما این بازگشت لزوماً دقیقاً با نرخ غبار خروجی یکسان نیست. حتی اگر غبار بازگردانده شود، اثر حرارتی خالص ورودی منهای خروجی لزوماً بهطور خودکار صفر نخواهد بود.
اگر CaO و CO₂ از آنالیز شیمیایی معلوم باشند، بخش غیرکربناتی CaO، یعنی CaOₙc، را میتوان محاسبه کرد:
CaOₙc = CaO − (56/44) CO₂
بهطور دقیق، فرمول فوق تنها زمانی صحیح است که هیچ کربنات دیگری غیر از CaCO₃ وجود نداشته باشد. اگر MgCO₃ به شکل کربنات وجود داشته باشد، «MgO کربناتی» باید در نظر گرفته شود:
CaOₙc = CaO − 56 [(CO₂/44) − (MgO/40)]
CaOₙc = CaO − (56/44) CO₂
بهطور دقیق، فرمول فوق تنها زمانی صحیح است که هیچ کربنات دیگری غیر از CaCO₃ وجود نداشته باشد. اگر MgCO₃ به شکل کربنات وجود داشته باشد، «MgO کربناتی» باید در نظر گرفته شود:
CaOₙc = CaO − 56 [(CO₂/44) − (MgO/40)]
سپس حرارت بهصورت زیر محاسبه میشود:
h = m × CaOₙc × 3150
که در آن:
m = جرم ویژه (kg/kg کلینکر)
CaOₙc = CaO «غیرکربناتی»، بیانشده بهصورت کسر وزنی
h = kJ/kg کلینکر
فرمول فوق اثر کوچک احتمالی حرارت کربنزدایی MgCO₃ را در نظر نمیگیرد. اگر بتوان فرض کرد که تمام MgO به شکل غیرکربناتی وجود دارد، مثلاً پس از عملیات حرارتی در محدوده 700°C، میتوان فرمول بهبودیافته زیر را به کار برد:
h = m × (CaOₙc × 3150 + MgO × 2710)
h = m × CaOₙc × 3150
که در آن:
m = جرم ویژه (kg/kg کلینکر)
CaOₙc = CaO «غیرکربناتی»، بیانشده بهصورت کسر وزنی
h = kJ/kg کلینکر
فرمول فوق اثر کوچک احتمالی حرارت کربنزدایی MgCO₃ را در نظر نمیگیرد. اگر بتوان فرض کرد که تمام MgO به شکل غیرکربناتی وجود دارد، مثلاً پس از عملیات حرارتی در محدوده 700°C، میتوان فرمول بهبودیافته زیر را به کار برد:
h = m × (CaOₙc × 3150 + MgO × 2710)
مثالها
1) خوراک خام و غبار کوره
(غبار بازگردانده میشود، اندازهگیریها مربوط به حدود موازنه هستند، مخلوط خام نرمال است)
خوراک خام:
R = 1.65 kg/kg کلینکر
CaO = 42.3%
MgO = 0.9%
CO₂ = 34.0%
CaOₙc = 42.3 − 56 [(34/44) − (0.9/40)] = 0.3%
h = 1.65 × 0.003 × 3150 = 16 kJ/kg کلینکر (ورودی)
غبار کوره:
m = 0.09 kg/kg کلینکر
CaO = 43.5%
MgO = 1.1%
CO₂ = 30.5%
CaOₙc = 43.5 − 56 [(30.5/44) − (1.1/40)] = 6.2%
h = 0.09 × 0.062 × 3150 = 18 kJ/kg کلینکر (خروجی)
در مثال فوق، اثر حرارتی خالص عملاً صفر است و میتوان آن را کاملاً نادیده گرفت. اما این موضوع را نمیتوان بهعنوان یک قاعده کلی در نظر گرفت؛ همانطور که مثال بعدی نشان میدهد.
(غبار بازگردانده میشود، اندازهگیریها مربوط به حدود موازنه هستند، مخلوط خام نرمال است)
خوراک خام:
R = 1.65 kg/kg کلینکر
CaO = 42.3%
MgO = 0.9%
CO₂ = 34.0%
CaOₙc = 42.3 − 56 [(34/44) − (0.9/40)] = 0.3%
h = 1.65 × 0.003 × 3150 = 16 kJ/kg کلینکر (ورودی)
غبار کوره:
m = 0.09 kg/kg کلینکر
CaO = 43.5%
MgO = 1.1%
CO₂ = 30.5%
CaOₙc = 43.5 − 56 [(30.5/44) − (1.1/40)] = 6.2%
h = 0.09 × 0.062 × 3150 = 18 kJ/kg کلینکر (خروجی)
در مثال فوق، اثر حرارتی خالص عملاً صفر است و میتوان آن را کاملاً نادیده گرفت. اما این موضوع را نمیتوان بهعنوان یک قاعده کلی در نظر گرفت؛ همانطور که مثال بعدی نشان میدهد.
2) خوراک خام و غبار کوره
(مشابه مثال 1، اما مخلوط خام دارای سهم قابلتوجهی از CaO غیرکربناتی است)
خوراک خام:
R = 1.60 kg/kg کلینکر
CaO = 43.2%
MgO = 0.9%
CO₂ = 30.0%
CaOₙc = 43.2 − 56 [(30/44) − (0.9/40)] = 6.28%
h = 1.60 × 0.0628 × 3150 = 317 kJ/kg کلینکر (ورودی)
غبار کوره:
m = 0.09 kg/kg کلینکر
CaO = 43.5%
MgO = 1.1%
CO₂ = 30.5%
CaOₙc = 43.5 − 56 [(30.5/44) − (1.1/40)] = 6.2%
h = 0.09 × 0.062 × 3150 = 18 kJ/kg کلینکر (خروجی)
اگرچه CaO غیرکربناتی بهندرت وجود دارد، اما ممکن است سهم قابلتوجهی در موازنه حرارتی داشته باشد؛ در مثال اخیر اثر خالص برابر است با: 299 kJ/kg کلینکر
با این حال، مشکل عملی تعیین CaOₙc با دقت کافی است.
(مشابه مثال 1، اما مخلوط خام دارای سهم قابلتوجهی از CaO غیرکربناتی است)
خوراک خام:
R = 1.60 kg/kg کلینکر
CaO = 43.2%
MgO = 0.9%
CO₂ = 30.0%
CaOₙc = 43.2 − 56 [(30/44) − (0.9/40)] = 6.28%
h = 1.60 × 0.0628 × 3150 = 317 kJ/kg کلینکر (ورودی)
غبار کوره:
m = 0.09 kg/kg کلینکر
CaO = 43.5%
MgO = 1.1%
CO₂ = 30.5%
CaOₙc = 43.5 − 56 [(30.5/44) − (1.1/40)] = 6.2%
h = 0.09 × 0.062 × 3150 = 18 kJ/kg کلینکر (خروجی)
اگرچه CaO غیرکربناتی بهندرت وجود دارد، اما ممکن است سهم قابلتوجهی در موازنه حرارتی داشته باشد؛ در مثال اخیر اثر خالص برابر است با: 299 kJ/kg کلینکر
با این حال، مشکل عملی تعیین CaOₙc با دقت کافی است.
3) غبار بایپس
m = 0.04 kg/kg کلینکر (مقدار غبار بایپس)
CaO = 56.2%
MgO = 1.0%
CO₂ = 1.8%
CaOₙc = 56.2 − (56/44) × 1.8 = 53.9%
h = 0.04 × 0.539 × 3150 + 0.01 × 2710 = 95 kJ/kg کلینکر (خروجی)
m = 0.04 kg/kg کلینکر (مقدار غبار بایپس)
CaO = 56.2%
MgO = 1.0%
CO₂ = 1.8%
CaOₙc = 56.2 − (56/44) × 1.8 = 53.9%
h = 0.04 × 0.539 × 3150 + 0.01 × 2710 = 95 kJ/kg کلینکر (خروجی)
4) خاکستر زغال
m = 0.02 kg/kg کلینکر (مقدار خاکستر)
CaO = 21%
MgO = 2%
h = 0.02 × (0.21 × 3150 + 0.02 × 2710) = 14 kJ/kg کلینکر (ورودی)
m = 0.02 kg/kg کلینکر (مقدار خاکستر)
CaO = 21%
MgO = 2%
h = 0.02 × (0.21 × 3150 + 0.02 × 2710) = 14 kJ/kg کلینکر (ورودی)
۴.۸ حرارت تبخیر
اگر آب در داخل حدود موازنه تبخیر شود، حرارت تبخیر برابر است با:
h = m × 2450 (kJ/kg کلینکر)
m = آب تبخیرشده (kg/kg کلینکر)
آیتم فوق یک خروجی محسوب میشود.
h = m × 2450 (kJ/kg کلینکر)
m = آب تبخیرشده (kg/kg کلینکر)
آیتم فوق یک خروجی محسوب میشود.
یکی از منابع عمده آب برای تبخیر، معمولاً خوراک دوغابی در یک کوره تر است. اگرچه محاسبه حرارت تبخیر کاملاً ساده است، چند نکته باید مورد توجه قرار گیرد:
- فقط آب آزاد موجود در خوراک کوره در نظر گرفته میشود. آب هیدراته قبلاً در حرارت تشکیل لحاظ شده است.
- تبخیر آب میتواند در اثر تزریق آب به پیشگرمکن، کوره، خنککننده و غیره نیز اتفاق بیفتد.
- آب تبخیرشده از سوخت نباید در اینجا لحاظ شود. این اثر قبلاً در ارزش حرارتی خالص سوخت لحاظ شده است، مشروط بر اینکه طبق روش شرحدادهشده در بند 4.3 تعیین شده باشد.
- فقط آب آزاد موجود در خوراک کوره در نظر گرفته میشود. آب هیدراته قبلاً در حرارت تشکیل لحاظ شده است.
- تبخیر آب میتواند در اثر تزریق آب به پیشگرمکن، کوره، خنککننده و غیره نیز اتفاق بیفتد.
- آب تبخیرشده از سوخت نباید در اینجا لحاظ شود. این اثر قبلاً در ارزش حرارتی خالص سوخت لحاظ شده است، مشروط بر اینکه طبق روش شرحدادهشده در بند 4.3 تعیین شده باشد.
مثال الف) کوره تر
مقدار آب دوغاب = 35%
R = 1.56 kg/kg کلینکر خشک
m = 0.35/(1−0.35) × 1.56 = 0.84 kg/kg کلینکر
h = 0.84 × 2450 = 2058 kJ/kg کلینکر
مقدار آب دوغاب = 35%
R = 1.56 kg/kg کلینکر خشک
m = 0.35/(1−0.35) × 1.56 = 0.84 kg/kg کلینکر
h = 0.84 × 2450 = 2058 kJ/kg کلینکر
مثال ب) پاشش آب به خنککننده سیارهای
m = 0.05 kg/kg کلینکر
h = 0.05 × 2450 = 123 kJ/kg کلینکر
m = 0.05 kg/kg کلینکر
h = 0.05 × 2450 = 123 kJ/kg کلینکر
۴.۹ حرارت محسوس
۴.۹.۱ کلیات
بهطور کلی، حرارتهای محسوس بهصورت زیر محاسبه میشوند:
h = m × Cp × (t − 20°C)
که در آن:
m = جرم ویژه (kg/kg کلینکر یا Nm³/kg کلینکر)
Cp = گرمای ویژه متوسط (kJ/kg°C یا kJ/Nm³°C)
t = دمای m (°C)
فرمول فوق از دمای مرجع 20°C استفاده میکند؛ یعنی حرارت محسوس جریانهای مواد و گاز در 20°C برابر صفر است.
h = m × Cp × (t − 20°C)
که در آن:
m = جرم ویژه (kg/kg کلینکر یا Nm³/kg کلینکر)
Cp = گرمای ویژه متوسط (kJ/kg°C یا kJ/Nm³°C)
t = دمای m (°C)
فرمول فوق از دمای مرجع 20°C استفاده میکند؛ یعنی حرارت محسوس جریانهای مواد و گاز در 20°C برابر صفر است.
مقدار h، بر حسب kJ/kg کلینکر، میتواند مثبت یا منفی باشد:
اگر t > 20°C → h مثبت
اگر t < 20°C → h منفی
اینکه h بهعنوان ورودی یا خروجی در نظر گرفته شود، فقط به جهت جریان m بستگی دارد:
اگر m = ورود به مرز → h = ورودی
اگر m = خروج از مرز → h = خروجی
اگر t > 20°C → h مثبت
اگر t < 20°C → h منفی
اینکه h بهعنوان ورودی یا خروجی در نظر گرفته شود، فقط به جهت جریان m بستگی دارد:
اگر m = ورود به مرز → h = ورودی
اگر m = خروج از مرز → h = خروجی
در اصل مقدار m میتواند بر حسب kg یا Nm³ بیان شود؛ بنابراین منطقی است که مقادیر Cp نیز بر اساس همان واحد مورد استفاده قرار گیرند. برای سهولت، قرارداد زیر را استفاده میکنیم:
برای جریانهای جامد: واحد = kg
برای جریانهای گازی: واحد = Nm³
استفاده از واحد kg برای گازها نیز قابل تصور است، اما از آنجا که Nm³ در صنعت سیمان کاملاً جاافتاده است و نمودارهای Cp نیز فقط بر مبنای Nm³ ارائه شدهاند، در این راهنما از Nm³ استفاده میشود.
برای جریانهای جامد: واحد = kg
برای جریانهای گازی: واحد = Nm³
استفاده از واحد kg برای گازها نیز قابل تصور است، اما از آنجا که Nm³ در صنعت سیمان کاملاً جاافتاده است و نمودارهای Cp نیز فقط بر مبنای Nm³ ارائه شدهاند، در این راهنما از Nm³ استفاده میشود.
مقادیر ضروری Cp در نمودارهای شکل 5 و 6، برای جامدات و سوختها، و شکل 7، برای گازها، ارائه شدهاند. همین روش پایه محاسبه حرارت محسوس را میتوان برای تمام جریانهای مواد و گاز که از مرز عبور میکنند به کار برد، از جمله: خوراک خام، کلینکر، غبارها، گاز خروجی/بایپس/زائد، و هوای خنککننده و هوای کاذب.
شکل 6 — Cp آب مایع:
در 0°C → 4.22 kJ/kg°C
در 50°C → 4.18 kJ/kg°C
در 100°C → 4.22 kJ/kg°C
در 0°C → 4.22 kJ/kg°C
در 50°C → 4.18 kJ/kg°C
در 100°C → 4.22 kJ/kg°C
۴.۹.۲ محاسبه Cp مخلوطها
مقادیر Cp معمولاً برای مواد خالص بهصورت جدول ارائه میشوند. اگر یک مخلوط وجود داشته باشد، ممکن است لازم باشد Cp بر اساس ترکیب مشخصشده محاسبه شود. این موضوع بهتر است با یک مثال عملی نشان داده شود، نه با یک فرمول کلی.
مثال:
گاز خروجی یک کوره با پیشگرمکن تعلیقی در دمای 360°C
اندازهگیری با Orsat، بر مبنای خشک:
CO₂ = 27.2% (CO = 0)
O₂ = 4.3%
N₂ = 100 − 27.2 − 4.3 = 68.5%
از تعیین رطوبت: H₂O = 0.08 Nm³/Nm³ گاز مرطوب
سؤال: مقدار Cp مخلوط گاز مرطوب چقدر است؟
گاز خروجی یک کوره با پیشگرمکن تعلیقی در دمای 360°C
اندازهگیری با Orsat، بر مبنای خشک:
CO₂ = 27.2% (CO = 0)
O₂ = 4.3%
N₂ = 100 − 27.2 − 4.3 = 68.5%
از تعیین رطوبت: H₂O = 0.08 Nm³/Nm³ گاز مرطوب
سؤال: مقدار Cp مخلوط گاز مرطوب چقدر است؟
| ردیف | جزء | گاز خشک (%) | گاز مرطوب (%) | Cp خالص (kJ/Nm³°C) | Cp × کسر حجمی |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | CO₂ | 27.2 | 25.0 | 1.92 | 0.480 |
| 2 | O₂ | 4.3 | 4.0 | 1.37 | 0.055 |
| 3 | N₂ | 68.5 | 63.0 | 1.31 | 0.825 |
| 4 | H₂O | — | 8.0 | 1.55 | 0.124 |
| 5 | مجموع | 100 | 100 | — | 1.484 ≈ 1.48 |
نتیجه:
Cp مخلوط = 1.48 kJ/Nm³°C در دمای 360°C
مقدار فوق برای یک کوره SP معمولی تیپیک است. همواره مقادیری در محدوده 1.5 kJ/Nm³°C یافت میشود.
Cp مخلوط = 1.48 kJ/Nm³°C در دمای 360°C
مقدار فوق برای یک کوره SP معمولی تیپیک است. همواره مقادیری در محدوده 1.5 kJ/Nm³°C یافت میشود.
۴.۱۰ اتلاف حرارتی ناشی از تابش و جابهجایی
۴.۱۰.۱ کلیات
در عمل، در نظر گرفتن انتقال حرارت تابشی و جابهجایی بهصورت همزمان بسیار مناسب است. اگرچه قوانین فیزیکی این دو پدیده انتقال حرارت با یکدیگر متفاوت هستند، معمولاً مجموع آنها بهعنوان یک مقدار کل ارائه میشود. تعیین ضرایب کلی انتقال حرارت با استفاده از نمودارهای سادهشده کاری، بهاندازه کافی دقیق خواهد بود. کاربر این راهنما معمولاً نیازی ندارد وارد جزئیات تئوریهای انتقال حرارت تابشی و جابهجایی شود؛ محاسبه بر اساس تئوری کامل نیز بهسختی دقت عملی را افزایش میدهد، زیرا تمام این تئوریها دارای مقداری عدمدقت هستند.
۴.۱۰.۲ انتقال حرارت تابشی
انتقال حرارت تابشی به دمای سطح و گسیلندگی ε (0...1) بستگی دارد.
| ردیف | نوع سطح | دما (°C) | ε |
|---|---|---|---|
| 1 | فولاد زبر اکسیدشده | 100 | 1 |
| 2 | فولاد زبر اکسیدشده | 400 | 0.9 |
| 3 | رنگ سفید آهکی روی فولاد | 400 | 0.8 |
| 4 | رنگ آلومینیومی | 100 | 0.2 تا 0.4 |
| 5 | آلومینیوم، ورق نوردشده | 100 تا 500 | 0.08 |
| 6 | آلومینیوم، فویل صیقلی یا براق | 100 تا 500 | 0.04 |
در بیشتر موارد، باید مقدار ε روی پیرومتری که برای اندازهگیری استفاده میشود تنظیم شود؛ این مقدار به نوع پیرومتر بستگی دارد. برای پیرومترهایی که قرائت را بر اساس گسیلندگی ثابت ε = 1 ارائه میکنند، میتوان از شکل 8 برای اصلاح استفاده کرد. ضریب خالص انتقال حرارت تابشی، αrad (W/m²°C)، در شکل 9 نشان داده شده است. توجه شود که محور دما در شکل 9 نشاندهنده اختلاف دما نسبت به محیط است.
محاسبه انتقال حرارت تابشی معمولاً مشکل خاصی ایجاد نمیکند، مشروط بر اینکه سطوح تابشکننده آزادانه رو به محیط قرار داشته باشند. یک وضعیت خاص در خنککننده سیارهای اتفاق میافتد که در آن برخی جهات تابش مسدود هستند؛ یعنی تمام سطوح نمیتوانند به محیط تابش کنند. در اینجا در نظر گرفتن مجموع سطح لولهها بهعنوان سطح تابشی صحیح نخواهد بود. بهعنوان یک تقریب اولیه میتوان سطح استوانه محاطکننده بیرونی، که تمام لولهها را دربرمیگیرد، بهعنوان سطح مرجع در نظر گرفت.
۴.۱۰.۳ انتقال حرارت جابهجایی
دو نوع مختلف جابهجایی را میتوان از یکدیگر متمایز کرد:
جابهجایی آزاد: در اثر کشش حرارتی طبیعی و در سرعتهای پایین باد اتفاق میافتد.
جابهجایی اجباری: در سرعتهای بالای باد اتفاق میافتد.
در عمل ممکن است ناحیهای میانی بین این دو حالت حدی وجود داشته باشد که به سرعت باد v (m/s) بستگی دارد. مقدار حاصل αconv را میتوان از شکل 10 تعیین کرد. نمودار شکل 10 به محدوده معمول قطر کوره، یعنی 3 تا 6 متر، مربوط است. توجه شود که محور دما در شکل 10 نشاندهنده اختلاف دما نسبت به محیط است، نه خود دما.
جابهجایی آزاد: در اثر کشش حرارتی طبیعی و در سرعتهای پایین باد اتفاق میافتد.
جابهجایی اجباری: در سرعتهای بالای باد اتفاق میافتد.
در عمل ممکن است ناحیهای میانی بین این دو حالت حدی وجود داشته باشد که به سرعت باد v (m/s) بستگی دارد. مقدار حاصل αconv را میتوان از شکل 10 تعیین کرد. نمودار شکل 10 به محدوده معمول قطر کوره، یعنی 3 تا 6 متر، مربوط است. توجه شود که محور دما در شکل 10 نشاندهنده اختلاف دما نسبت به محیط است، نه خود دما.
تأثیر قطر:
جابهجایی آزاد (v = 0 m/s):
ضریب جابهجایی آزاد به قطر یا ارتفاع تجهیزات وابسته نیست. اگر باد وجود نداشته باشد، شکل 10 را میتوان برای هر ابعادی به کار برد.
جابهجایی اجباری:
برخلاف جابهجایی آزاد، جابهجایی اجباری به قطر وابسته است. به همین دلیل محدوده کاربرد شکل 10 به 3 تا 6 متر محدود میشود، اما فقط هنگامی که سرعتهای بالای باد وجود داشته باشند. در سرعتهای پایین باد، محدودیت قطری وجود ندارد.
جابهجایی آزاد (v = 0 m/s):
ضریب جابهجایی آزاد به قطر یا ارتفاع تجهیزات وابسته نیست. اگر باد وجود نداشته باشد، شکل 10 را میتوان برای هر ابعادی به کار برد.
جابهجایی اجباری:
برخلاف جابهجایی آزاد، جابهجایی اجباری به قطر وابسته است. به همین دلیل محدوده کاربرد شکل 10 به 3 تا 6 متر محدود میشود، اما فقط هنگامی که سرعتهای بالای باد وجود داشته باشند. در سرعتهای پایین باد، محدودیت قطری وجود ندارد.
| ردیف | قطر | اصلاح αconv (فقط در سرعت باد حداقل 2 m/s) |
|---|---|---|
| 1 | 2 m | +15% |
| 2 | 1 m | +30% |
| 3 | 0.5 m | +50% |
۴.۱۰.۴ ضریب کل انتقال حرارت (تابش و جابهجایی)
برای تعیین ضریب کل انتقال حرارت αtot (W/m²°C)، دو حالت ممکن است وجود داشته باشد:
الف) حالت استاندارد: ε = 0.9 (سطح فولاد زبر اکسیدشده) — این حالت بسیار ساده است. میتوان مستقیماً از شکل 11 استفاده کرد؛ با اختلاف دما وارد نمودار شده و ضریب کل انتقال حرارت را میخوانیم.
ب) حالت غیراستاندارد: اگر ε بهطور مشخص با 0.9 متفاوت باشد و/یا اصلاح ضریب انتقال حرارت جابهجایی ضروری باشد، از شکلهای 9 و 10 استفاده کنید:
αtot = αrad + αconv
احتیاط: هرگز جابهجایی آزاد + جابهجایی اجباری را با یکدیگر جمع نکنید. شکل 10 از قبل همپوشانی هر دو اثر را در خود لحاظ کرده است.
الف) حالت استاندارد: ε = 0.9 (سطح فولاد زبر اکسیدشده) — این حالت بسیار ساده است. میتوان مستقیماً از شکل 11 استفاده کرد؛ با اختلاف دما وارد نمودار شده و ضریب کل انتقال حرارت را میخوانیم.
ب) حالت غیراستاندارد: اگر ε بهطور مشخص با 0.9 متفاوت باشد و/یا اصلاح ضریب انتقال حرارت جابهجایی ضروری باشد، از شکلهای 9 و 10 استفاده کنید:
αtot = αrad + αconv
احتیاط: هرگز جابهجایی آزاد + جابهجایی اجباری را با یکدیگر جمع نکنید. شکل 10 از قبل همپوشانی هر دو اثر را در خود لحاظ کرده است.
۴.۱۰.۵ جریان حرارتی کل
جریان حرارتی کل ناشی از انتقال حرارت تابشی و جابهجایی مطابق رابطه زیر محاسبه میشود:
Qₜ = αtot × A × (t − t₀)
که در آن:
Qₜ = جریان حرارتی (W)؛ 1 kW = 1000 W
αtot = αrad + αconv (ضریب کل انتقال حرارت، W/m²°C)
A = سطح پوسته (m²)
t = دمای پوسته (°C)
t₀ = دمای محیط (°C)
از جریان حرارتی Qₜ میتوان اتلاف ویژه را محاسبه کرد:
qf = (Qₜ / mf) × 3.6 (kJ/kg کلینکر)
که در آن:
Qₜ = جریان حرارتی (W)
mf = تولید کلینکر (t/h)
3.6 = ضریب تبدیل، به دلیل استفاده از واحد t/h برای mf
Qₜ = αtot × A × (t − t₀)
که در آن:
Qₜ = جریان حرارتی (W)؛ 1 kW = 1000 W
αtot = αrad + αconv (ضریب کل انتقال حرارت، W/m²°C)
A = سطح پوسته (m²)
t = دمای پوسته (°C)
t₀ = دمای محیط (°C)
از جریان حرارتی Qₜ میتوان اتلاف ویژه را محاسبه کرد:
qf = (Qₜ / mf) × 3.6 (kJ/kg کلینکر)
که در آن:
Qₜ = جریان حرارتی (W)
mf = تولید کلینکر (t/h)
3.6 = ضریب تبدیل، به دلیل استفاده از واحد t/h برای mf
اگر دمای یک ناحیه از پوسته تقریباً ثابت نباشد، لازم است سطح به بخشهای مجزای مختلف تقسیم شود. برای مثال، در یک کوره دوار میتوان حدود 10 بخش استوانهای مجزا یا بیشتر انتخاب کرد که هرکدام دارای سطح زیر هستند:
Aᵢ = π × Dᵢ × Lᵢ (m²)
Aᵢ = π × Dᵢ × Lᵢ (m²)
مثال — کوره دوار:
تولید کلینکر: 1900 t/d = 79.17 t/h
ابعاد: 4.4 m × 67 m
گسیلندگی متوسط: ε = 0.9
دمای محیط: 20°C
سرعت متوسط باد: v = 1 m/s (تقریباً جابهجایی آزاد)
تولید کلینکر: 1900 t/d = 79.17 t/h
ابعاد: 4.4 m × 67 m
گسیلندگی متوسط: ε = 0.9
دمای محیط: 20°C
سرعت متوسط باد: v = 1 m/s (تقریباً جابهجایی آزاد)
| ردیف | موقعیت (m) | طول المان (m) | قطر (m) | سطح المان (m²) | دمای سطح (°C) | ε | αtot (W/m²°C) | جریان حرارتی (W) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0–5 | 5 | 4.40 | 69.1 | 230 | 0.9 | 22.7 | 331,000 |
| 2 | 5–10 | 5 | 4.40 | 69.1 | 360 | 0.9 | 32.9 | 774,000 |
| 3 | 10–15 | 5 | 4.40 | 69.1 | 310 | 0.9 | 28.6 | 574,000 |
| 4 | 15–25 | 10 | 4.40 | 138.2 | 220 | 0.9 | 22.1 | 611,000 |
| 5 | 25–35 | 10 | 4.40 | 138.2 | 330 | 0.9 | 30.3 | 1,299,000 |
| 6 | 35–45 | 10 | 4.40 | 138.2 | 260 | 0.9 | 24.9 | 825,000 |
| 7 | 45–55 | 10 | 4.40 | 138.2 | 290 | 0.9 | 27.1 | 1,011,000 |
| 8 | 55–60 | 5 | 4.40 | 69.1 | 270 | 0.9 | 25.6 | 442,000 |
| 9 | 60–67 | 7 | 4.40 | 96.8 | 220 | 0.9 | 22.1 | 428,000 |
طول کل: 67 m
مساحت کل: 926.1 m²
اتلاف حرارتی کل: Qtotal = 6,295 kW
اتلاف حرارتی ویژه:
q = 6,295 × 3.6 / 79.17 = 286 kJ/kg کلینکر
مساحت کل: 926.1 m²
اتلاف حرارتی کل: Qtotal = 6,295 kW
اتلاف حرارتی ویژه:
q = 6,295 × 3.6 / 79.17 = 286 kJ/kg کلینکر
یادداشت فرمولها:
1) A = π × D × L (استوانه)
2) تابش بهعلاوه جابهجایی (مطابق شکل 11)
1) A = π × D × L (استوانه)
2) تابش بهعلاوه جابهجایی (مطابق شکل 11)
۵. موازنههای حرارتی
۵.۱ کلیات
نتایج مربوط به ورودیها و خروجیهای حرارتی، که مطابق بند 4 قبلی محاسبه شدهاند، در یک جدول موازنه خلاصه میشوند. جدول 1، مربوط به سیستم کامل کوره، و جدول 2، مربوط فقط به خنککننده، بهعنوان نمونه ارائه شدهاند. همچنین میتوان از این جداول بهعنوان چکلیست برای بررسی کامل بودن اندازهگیریها و محاسبات خود استفاده کرد.
آیتم «باقیمانده» (Rest):
یک موازنه واقعی، که بر اساس دادههای کامل تهیه شده باشد، همیشه شامل یک آیتم با عنوان «باقیمانده» خواهد بود که تمام خطاهای اندازهگیری — زیرا هیچ اندازهگیریای 100% دقیق نیست — و همچنین اقلام درنظرگرفتهنشده را دربر میگیرد.
مقدار آیتم «باقیمانده» نباید از 3% کل حرارت ورودی بیشتر باشد.
یک موازنه واقعی، که بر اساس دادههای کامل تهیه شده باشد، همیشه شامل یک آیتم با عنوان «باقیمانده» خواهد بود که تمام خطاهای اندازهگیری — زیرا هیچ اندازهگیریای 100% دقیق نیست — و همچنین اقلام درنظرگرفتهنشده را دربر میگیرد.
مقدار آیتم «باقیمانده» نباید از 3% کل حرارت ورودی بیشتر باشد.
مصرف حرارت:
مصرف حرارتی واقعی برابر است با مجموع ورودی یا ورودیهای سوخت، که دقیقاً با مجموع کل ورودیهای حرارتی یکسان نیست. اگر بیش از یک ورودی سوخت وجود داشته باشد، بهتر است مصرف حرارتی واقعی و حقیقی بهصورت جداگانه مشخص شود.
مصرف حرارتی واقعی برابر است با مجموع ورودی یا ورودیهای سوخت، که دقیقاً با مجموع کل ورودیهای حرارتی یکسان نیست. اگر بیش از یک ورودی سوخت وجود داشته باشد، بهتر است مصرف حرارتی واقعی و حقیقی بهصورت جداگانه مشخص شود.
موازنه خنککننده:
در یک خنککننده، اندازهگیری قابلاعتماد حرارت هوای ثانویه عملاً غیرممکن است. بنابراین این مقدار از طریق محاسبه موازنه تعیین میشود و در این حالت آیتم «باقیمانده» ارائه نمیشود.
بازده حرارتی خنککننده معمولاً به شکل زیر تعریف میشود:
بازده حرارتی خنککننده = حرارت هوای ثانویه و ثالثیه / حرارت کلینکر داغ
مقادیر درصدی موجود در جدول موازنه، با این حال، بر اساس مجموع ورودیها محاسبه میشوند. این موضوع میتواند باعث ایجاد اختلاف جزئی با درصد بازده حرارتی تعریفشده در رابطه فوق شود.
در یک خنککننده، اندازهگیری قابلاعتماد حرارت هوای ثانویه عملاً غیرممکن است. بنابراین این مقدار از طریق محاسبه موازنه تعیین میشود و در این حالت آیتم «باقیمانده» ارائه نمیشود.
بازده حرارتی خنککننده معمولاً به شکل زیر تعریف میشود:
بازده حرارتی خنککننده = حرارت هوای ثانویه و ثالثیه / حرارت کلینکر داغ
مقادیر درصدی موجود در جدول موازنه، با این حال، بر اساس مجموع ورودیها محاسبه میشوند. این موضوع میتواند باعث ایجاد اختلاف جزئی با درصد بازده حرارتی تعریفشده در رابطه فوق شود.
جدول ۱ — موازنه حرارتی سیستم کوره سیمان (حالت عمومی)
تمام مقادیر بر مبنای 1 kg کلینکر هستند.
دمای مرجع: 20°C
دمای محیط: ... °C
تولید: ... t/h
مصرف حرارتی ویژه: ... kJ/kg کلینکر
دمای مرجع: 20°C
دمای محیط: ... °C
تولید: ... t/h
مصرف حرارتی ویژه: ... kJ/kg کلینکر
| ردیف | ورودی | مشخصات قابل ثبت |
|---|---|---|
| 1 | احتراق سوخت — احتراق اولیه | kg/kg کلینکر یا Nm³/kg کلینکر ؛ دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 2 | احتراق سوخت — احتراق ثانویه | kg/kg کلینکر یا Nm³/kg کلینکر ؛ دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 3 | مواد قابل احتراق موجود در خوراک کوره | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 4 | خوراک خام — حرارت محسوس | دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 5 | سوخت — حرارت محسوس | دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 6 | هوای اولیه — حرارت محسوس | Nm³/kg کلینکر ؛ دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 7 | هوای خنککننده — حرارت محسوس | Nm³/kg کلینکر ؛ دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 8 | CaO غیرکربناتی موجود در خوراک کوره | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 9 | مجموع ورودیها | 100% |
| ردیف | خروجی | مشخصات قابل ثبت |
|---|---|---|
| 1 | حرارت تشکیل | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 2 | تبخیر آب — آب موجود در خوراک کوره | kg/kg کلینکر ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 3 | تبخیر آب — پاشش یا پاششهای آب | kg/kg کلینکر ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 4 | گاز خروجی — حرارت محسوس | Nm³/kg کلینکر ؛ دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 5 | گاز خروجی — اتلاف CaO همراه غبار | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 6 | گاز خروجی — گازهای نسوخته (CO و غیره) | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 7 | خنککننده — حرارت محسوس هوای زائد | Nm³/kg کلینکر ؛ دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 8 | خنککننده — حرارت محسوس هوای میانی | Nm³/kg کلینکر ؛ دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 9 | خنککننده — حرارت محسوس کلینکر خروجی | دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 10 | تلفات بایپس — حرارت محسوس گاز | Nm³/kg کلینکر ؛ دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 11 | تلفات بایپس — حرارت محسوس غبار | kg/kg کلینکر ؛ دما °C ؛ حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 12 | تلفات بایپس — اتلاف CaO همراه غبار | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 13 | تلفات بایپس — گازهای نسوخته (CO و غیره) | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 14 | تابش و جابهجایی — پیشگرمکن | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 15 | تابش و جابهجایی — کوره دوار | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 16 | تابش و جابهجایی — خنککننده | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 17 | تابش و جابهجایی — کانال هوای ثالثیه | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % |
| 18 | باقیمانده | حرارت kJ/kg کلینکر ؛ درصد از کل % (حداکثر 3%) |
| 19 | مجموع خروجیها | 100% |
جدول ۲ — موازنه حرارتی خنککننده گریت کلینکر
تمام مقادیر بر مبنای 1 kg کلینکر هستند.
دمای مرجع: 20°C
دمای محیط: ... °C
دمای مرجع: 20°C
دمای محیط: ... °C
| ردیف | ورودی | خروجی |
|---|---|---|
| 1 | کلینکر داغ | هوای ثانویه، شامل غبار |
| 2 | هوای خنککننده | هوای ثالثیه |
| 3 | — | هوای میانی |
| 4 | — | هوای زائد |
| 5 | — | کلینکر خروجی |
| 6 | — | پاشش آب |
| 7 | — | تابش و جابهجایی |
| 8 | مجموع ورودی: 100% | مجموع خروجی: 100% |
۵.۲ نمونههایی از موازنههای حرارتی سیستمهای مختلف کوره
موازنههای حرارتی سیستمهای مختلف کوره در جدول 3 ارائه شدهاند. با این حال، هنگام مقایسه این موازنهها باید در نظر داشت که سیستمهای کوره را نمیتوان فقط بر اساس این موازنههای حرارتی قضاوت کرد.
مصرف حرارتی یک سیستم کوره ممکن است به عوامل زیادی بستگی داشته باشد. عوامل دارای بیشترین تأثیر عبارتاند از:
- اندازه کوره، یعنی نرخ تولید
- اتلاف حرارتی ناشی از تابش و جابهجایی
- مقدار و دمای هوای ثانویه
- شرایط بهرهبرداری کوره
علاوه بر این، سیستمهای مرتبط نیز باید مورد توجه قرار گیرند. برای مثال یک کوره دارای پیشگرمکن گریت، یعنی Lepol kiln، را در نظر بگیرید. مصرف حرارتی ویژه آن ممکن است تقریباً بهاندازه یک کوره دارای پیشگرمکن چهارمرحلهای پایین باشد. با این حال، کوره دارای پیشگرمکن گریت، که از نوع نیمهخشک است، نیازمند صرف حرارت اضافی برای خشککردن مواد است؛ در حالی که گاز خروجی کوره دارای پیشگرمکن چهارمرحلهای میتواند برای خشککردن مواد خام با رطوبت تا حدود 8% مورد استفاده قرار گیرد.
جدول 3 موازنه حرارتی سه سیستم مختلف کوره را نشان میدهد.
کوره تر: ظرفیت تولید تقریبی 3000 تن در روز؛ مقدار آب دوغاب: 38%
کوره Lepol: موازنه حرارتی مربوط به واحدی نسبتاً کوچک؛ مقدار رطوبت نودولها: 12%. بهطور کلی، کورههای دارای پیشگرمکن گریت از نوع نیمهخشک، مصرف حرارتیای دارند که فقط اندکی بیشتر از کورههای دارای پیشگرمکن چهارمرحلهای است.
پیشگرمکن تعلیقی خشک: موازنه حرارتی کوره دارای پیشگرمکن چهارمرحلهای، برای واحدی در محدوده 2000 تا 3000 تن در روز تیپیک است.
کوره تر: ظرفیت تولید تقریبی 3000 تن در روز؛ مقدار آب دوغاب: 38%
کوره Lepol: موازنه حرارتی مربوط به واحدی نسبتاً کوچک؛ مقدار رطوبت نودولها: 12%. بهطور کلی، کورههای دارای پیشگرمکن گریت از نوع نیمهخشک، مصرف حرارتیای دارند که فقط اندکی بیشتر از کورههای دارای پیشگرمکن چهارمرحلهای است.
پیشگرمکن تعلیقی خشک: موازنه حرارتی کوره دارای پیشگرمکن چهارمرحلهای، برای واحدی در محدوده 2000 تا 3000 تن در روز تیپیک است.
جدول ۳ — موازنههای حرارتی کوره تر، کوره دارای پیشگرمکن گریت و کوره دارای پیشگرمکن تعلیقی
| ردیف | فرآیند تر — ۱. ورودی | |
|---|---|---|
| 1 | سوخت — حرارت محسوس | 25 kJ/kg کلینکر = 0.4% |
| 2 | سوخت — حرارت حاصل از احتراق | 5560 kJ/kg کلینکر = 96.7% |
| 3 | خوراک خام — حرارت محسوس | 25 kJ/kg کلینکر = 0.4% |
| 4 | خوراک خام — حرارت محسوس آب | 71 kJ/kg کلینکر = 1.2% |
| 5 | هوای احتراق — حرارت محسوس (اولیه + ثانویه) | 67 kJ/kg کلینکر |
| 6 | کل ورودی | 5750 kJ/kg کلینکر = 100% |
| ردیف | فرآیند نیمهخشک Lepol — ۱. ورودی | |
|---|---|---|
| 1 | حرارت محسوس سوخت | 15 kJ/kg کلینکر = 0.4% |
| 2 | حرارت احتراق سوخت | 3343 kJ/kg کلینکر = 97.6% |
| 3 | حرارت محسوس خوراک خام | 30 kJ/kg کلینکر = 0.9% |
| 4 | حرارت محسوس آب | 17 kJ/kg کلینکر = 0.5% |
| 5 | حرارت محسوس هوای احتراق | 20 kJ/kg کلینکر = 0.6% |
| 6 | مجموع ورودی | 3425 kJ/kg کلینکر = 100% |
| ردیف | فرآیند نیمهخشک Lepol — ۲. خروجی | |
|---|---|---|
| 1 | حرارت تشکیل | 1750 kJ/kg کلینکر = 51.1% |
| 2 | تبخیر آب خوراک خام | 506 kJ/kg کلینکر = 14.8% |
| 3 | حرارت محسوس گاز خروجی | 314 kJ/kg کلینکر = 9.2% |
| 4 | حرارت محسوس غبار | 21 kJ/kg کلینکر = 0.6% |
| 5 | احتراق ناقص، CO | 50 kJ/kg کلینکر = 1.5% |
| 6 | دمای خروجی کلینکر | 276 kJ/kg کلینکر = 8.1% |
| 7 | تلفات ناشی از تابش و جابهجایی | 452 kJ/kg کلینکر = 13.2% |
| 8 | خنککاری آبی، شوت ورودی Recupol | 42 kJ/kg کلینکر = 1.2% |
| 9 | باقیمانده | 14 kJ/kg کلینکر = 0.4% |
| 10 | مجموع خروجی | 3425 kJ/kg کلینکر = 100% |
| ردیف | فرآیند خشک با پیشگرمکن چهارمرحلهای — ۱. ورودی | |
|---|---|---|
| 1 | حرارت محسوس سوخت | 13 kJ/kg کلینکر = 0.4% |
| 2 | حرارت حاصل از احتراق | 3150 kJ/kg کلینکر = 97.7% |
| 3 | حرارت محسوس خوراک خام | 54 kJ/kg کلینکر = 1.7% |
| 4 | حرارت محسوس هوای احتراق | 6 kJ/kg کلینکر = 0.2% |
| 5 | مجموع ورودی | 3223 kJ/kg کلینکر = 100% |
| ردیف | فرآیند خشک با پیشگرمکن چهارمرحلهای — ۲. خروجی | |
|---|---|---|
| 1 | حرارت تشکیل | 1750 kJ/kg کلینکر = 54.3% |
| 2 | تبخیر آب خوراک خام | 13 kJ/kg کلینکر = 0.4% |
| 3 | حرارت محسوس گاز خروجی | 636 kJ/kg کلینکر = 19.7% |
| 4 | حرارت محسوس غبار | 18 kJ/kg کلینکر = 0.6% |
| 5 | احتراق ناقص، CO | 63 kJ/kg کلینکر = 2.0% |
| 6 | دمای خروجی کلینکر | 423 kJ/kg کلینکر = 13.1% |
| 7 | تلفات ناشی از تابش و جابهجایی | 297 kJ/kg کلینکر = 9.2% |
| 8 | باقیمانده | 23 kJ/kg کلینکر = 0.7% |
| 9 | مجموع خروجی | 3223 kJ/kg کلینکر = 100% |
۶. بخش ویژه
۶.۱ تأثیر دمای مرجع
دمای مرجع برای یک موازنه حرارتی معمولاً برابر 20°C انتخاب میشود. در این دما، تمام حرارتهای محسوس برابر صفر میشوند. این انتخاب از نظر عملی مناسب است، زیرا دمای معمول محیط همیشه در نزدیکی 20°C قرار دارد.
علاوه بر این، انتخاب دمای مرجع پیامدهای دیگری نیز دارد که معمولاً بهطور صریح بیان نمیشوند. تا زمانی که روش محاسباتی ارائهشده در این راهنما مورد استفاده قرار گیرد، با مشکل عملی خاصی مواجه نخواهیم شد. اما اگر بخواهیم کمی عمیقتر وارد موضوع شویم، خیلی زود با برخی پرسشهای ویژه روبهرو خواهیم شد که در ادامه نشان داده میشوند.
۶.۱.۱ «حرارت تبدیل»
در اینجا با اصطلاح «حرارت تبدیل» تمام اثرات حرارتی ناشی از واکنشهای شیمیایی و تغییر حالت فیزیکی را بهصورت کلی بیان میکنیم، مانند: احتراق، حرارت تشکیل، تبخیر.
برای درک مفهوم دمای مرجع در ارتباط با این اثرات حرارتی، یک نمودار فرآیند ایزوترمال ایدهآل (شامل گرمشدن و سردشدن) در نظر گرفته میشود؛ محور عمودی آن دما و محور افقی آن محتوای حرارتی است، با نقاط: دمای واقعی واکنش، نقطه شروع، دمای مرجع 20°C، «حرارت تبدیل» در دمای واقعی واکنش، «حرارت تبدیل» در دمای مرجع، و نقطه پایان.
برای درک مفهوم دمای مرجع در ارتباط با این اثرات حرارتی، یک نمودار فرآیند ایزوترمال ایدهآل (شامل گرمشدن و سردشدن) در نظر گرفته میشود؛ محور عمودی آن دما و محور افقی آن محتوای حرارتی است، با نقاط: دمای واقعی واکنش، نقطه شروع، دمای مرجع 20°C، «حرارت تبدیل» در دمای واقعی واکنش، «حرارت تبدیل» در دمای مرجع، و نقطه پایان.
از این نمودار مشاهده میشود که «حرارت تبدیل» در دمای مرجع و «حرارت تبدیل» در دمای واقعی واکنش یکسان نیستند. علت این موضوع، تفاوت در محتوای گرمای ویژه ماده اولیه و محصولات واکنش است. همچنین انتخاب هر سطح دیگری بهعنوان دمای مرجع، اساساً مقدار «حرارت تبدیل» را تغییر خواهد داد.
بنابراین «حرارت تبدیل» در دمای مرجع 20°C باید در مفهوم دقیق خود درک شود: این مقدار، اثر حرارتی تحت این قرارداد است که فرآیند را در 20°C آغاز میکنیم و دقیقاً در همان 20°C به پایان میرسانیم. فرآیند واقعی، شامل گرمکردن، تبدیل و سردکردن، صرفنظر از دماهای واقعی، تأثیری بر نتیجه ندارد. این موضوع پیامد مستقیم اصل بقای انرژی است.
بنابراین «حرارت تبدیل» در دمای مرجع 20°C باید در مفهوم دقیق خود درک شود: این مقدار، اثر حرارتی تحت این قرارداد است که فرآیند را در 20°C آغاز میکنیم و دقیقاً در همان 20°C به پایان میرسانیم. فرآیند واقعی، شامل گرمکردن، تبدیل و سردکردن، صرفنظر از دماهای واقعی، تأثیری بر نتیجه ندارد. این موضوع پیامد مستقیم اصل بقای انرژی است.
موارد مهم عبارتاند از:
ارزش حرارتی — حرارت احتراق:
CV نیز باید بر مبنای دمای مرجع 20°C باشد. خوشبختانه خطایی که مثلاً با انتخاب دمای مرجع 0°C ایجاد میشود آنقدر کوچک است که در محدوده دقت معمول تعیین CV قرار میگیرد.
حرارت تشکیل:
در مورد فقط حرارت کربنزدایی، گاهی ممکن است مقادیری مربوط به دمای واقعی واکنش، یعنی دمای کربنزدایی در محدوده 800°C، مشاهده شود. چنین مقادیری نباید برای یک موازنه حرارتی با دمای مرجع 20°C استفاده شوند، زیرا خطای قابلتوجهی ایجاد خواهند کرد.
حرارت تبخیر آب:
توجه شود که در موازنهها باید حرارت تبخیر آب در دمای 20°C، یعنی 2450 kJ/kg، استفاده شود، نه مقدار متناظر با دمای 100°C، یعنی 2260 kJ/kg. اثرات گرمشدن آب یا بخار بهصورت خودکار در روش معمول محاسبات موازنه و از طریق آیتمهای حرارت محسوس لحاظ میشوند.
ارزش حرارتی — حرارت احتراق:
CV نیز باید بر مبنای دمای مرجع 20°C باشد. خوشبختانه خطایی که مثلاً با انتخاب دمای مرجع 0°C ایجاد میشود آنقدر کوچک است که در محدوده دقت معمول تعیین CV قرار میگیرد.
حرارت تشکیل:
در مورد فقط حرارت کربنزدایی، گاهی ممکن است مقادیری مربوط به دمای واقعی واکنش، یعنی دمای کربنزدایی در محدوده 800°C، مشاهده شود. چنین مقادیری نباید برای یک موازنه حرارتی با دمای مرجع 20°C استفاده شوند، زیرا خطای قابلتوجهی ایجاد خواهند کرد.
حرارت تبخیر آب:
توجه شود که در موازنهها باید حرارت تبخیر آب در دمای 20°C، یعنی 2450 kJ/kg، استفاده شود، نه مقدار متناظر با دمای 100°C، یعنی 2260 kJ/kg. اثرات گرمشدن آب یا بخار بهصورت خودکار در روش معمول محاسبات موازنه و از طریق آیتمهای حرارت محسوس لحاظ میشوند.
۶.۱.۲ گرماهای ویژه
گرماهای ویژه مورد استفاده در این راهنما، مقادیر متوسط هستند که در نتیجه بر مبنای دمای مرجع 20°C تعریف شدهاند. میتوان این موضوع را با یک فرآیند گرمکردن که از 20°C آغاز میشود توضیح داد: در نموداری با محور عمودی محتوای حرارتی (kJ/kg) و محور افقی دما، گرمای ویژه متوسط را میتوان از نظر گرافیکی بهصورت شیب خط مستقیم از نقطه مرجع P تا نقطه P در دمای موردنظر توضیح داد؛ این شیب برابر گرمای ویژه متوسط (kJ/kg°C) است.
واضح است که این شیب به نقطه مرجع P در 20°C وابسته است. در نقطه P، مماس بر منحنی حرارتی نیز قابل ترسیم است؛ شیب این خط، گرمای ویژه واقعی در دمای t است. این مقدار با گرمای ویژه متوسط متفاوت است. علاوه بر این، گرمای ویژه واقعی به هیچ نقطه مرجعی وابسته نیست.
پیامد عملی این موضوع آن است که هرگز نباید گرماهای ویژه گرفتهشده از منابع مختلف را بدون بررسی مفهوم واقعی آنها مورد استفاده قرار دهیم. در بیشتر موارد، مقادیر واقعی لحظهای ارائه میشوند، نه مقادیر متوسط؛ بنابراین قبل از استفاده از آنها برای محاسبه محتوای حرارتی، نیاز به انتگرالگیری یا میانگینگیری خواهد بود.
در محدوده دماهای بالا باید احتیاط ویژهای داشت، زیرا مقدار واقعی و مقدار متوسط ممکن است اختلاف قابلتوجهی داشته باشند. با این حال، در محدوده 20 تا 200°C اختلافهای عملی نسبتاً کوچک هستند.
در محدوده دماهای بالا باید احتیاط ویژهای داشت، زیرا مقدار واقعی و مقدار متوسط ممکن است اختلاف قابلتوجهی داشته باشند. با این حال، در محدوده 20 تا 200°C اختلافهای عملی نسبتاً کوچک هستند.
۶.۲ حرارت تشکیل
۶.۲.۱ کلیات
حرارت تشکیل بیانگر مقدار نظری حرارتی است که برای تولید 1 kg کلینکر موردنیاز است. مراحل زیر در نظر گرفته میشوند:
مرحله 1: خارج شدن آب هیدراته، همراه با تبدیل کانیهای رسی — دمای تقریبی تا حدود 500°C — اثر حرارتی: منفی (حرارت مصرف میشود)
مرحله 2: کربنزدایی ابتدا MgCO₃ و سپس CaCO₃ (CaCO₃ → CaO + CO₂) — دمای تقریبی حدود 850°C — اثر حرارتی: منفی (حرارت مصرف میشود)
مرحله 3: تشکیل کانیهای کلینکر (C₂S، C₃S، C₃A، C₄AF) — دمای تقریبی تا حدود 1400°C — اثر حرارتی: مثبت (حرارت تولید میشود)
اثر حرارتی خالص کل واکنش منفی است؛ یعنی در مجموع حرارت مصرف میشود و این مقدار بهعنوان خروجی در موازنه ثبت میشود.
مرحله 1: خارج شدن آب هیدراته، همراه با تبدیل کانیهای رسی — دمای تقریبی تا حدود 500°C — اثر حرارتی: منفی (حرارت مصرف میشود)
مرحله 2: کربنزدایی ابتدا MgCO₃ و سپس CaCO₃ (CaCO₃ → CaO + CO₂) — دمای تقریبی حدود 850°C — اثر حرارتی: منفی (حرارت مصرف میشود)
مرحله 3: تشکیل کانیهای کلینکر (C₂S، C₃S، C₃A، C₄AF) — دمای تقریبی تا حدود 1400°C — اثر حرارتی: مثبت (حرارت تولید میشود)
اثر حرارتی خالص کل واکنش منفی است؛ یعنی در مجموع حرارت مصرف میشود و این مقدار بهعنوان خروجی در موازنه ثبت میشود.
حرارت تشکیل در دمای 20°C تعریف میشود. به عبارت دیگر، بیانگر مقدار نظری حرارتی است که برای تبدیل خوراک خام در 20°C به 1 kg کلینکر در 20°C لازم است، در صورتی که هیچ اتلاف حرارتی وجود نداشته باشد. بنابراین حرارت تشکیل را میتوان حداقل حرارت نظری موردنیاز برای پخت کلینکر نیز در نظر گرفت. حرارت تشکیل به هیچ وجه به نحوه انجام واقعی واکنش، یعنی رابطه دما و زمان، وابسته نیست. تنها پیششرط آن است که واکنشهای مراحل 1، 2 و 3 واقعاً کامل شده باشند.
اگرچه اصل پایه حرارت تشکیل نسبتاً ساده به نظر میرسد، چند قرارداد یا تعریف ضروری است:
- آب هیدراته خارجشده بهصورت بخار در نظر گرفته میشود؛ بنابراین نیازی نیست حرارت تبخیر اضافی برای آن در موازنه وارد شود.
- بهعنوان «حالت استاندارد» فرض میشود که CaO موجود در خوراک خام بهصورت CaCO₃ حضور دارد. اگر CaO غیرکربناتی وجود داشته باشد، حرارت تشکیل را تغییر نمیدهیم، بلکه مطابق بند 4.7 ورودی حرارتی اضافه میکنیم
- اجزای قابل احتراق موجود در مخلوط خام بهصورت جداگانه بهعنوان ورودی در نظر گرفته میشوند (به بند 4.4.2 مراجعه شود).
۶.۲.۲ محاسبه حرارت تشکیل
۶.۲.۲.۱ مقدمه
تعیین مستقیم حرارت تشکیل از طریق اندازهگیریهای کالریمتری دشوار است. به همین دلیل روشهای محاسباتی توسعه یافتهاند تا اثر متغیر خواص مخلوط خام در نظر گرفته شود. اگرچه در ادامه فرمولهایی ارائه شدهاند، باید با احتیاط از آنها استفاده شود.
تا زمانی که مخلوط خام بهطور واضح از مقدار «استاندارد» حدود 1750 kJ/kg کلینکر منحرف نشده باشد، ارقام محاسبهشده الزاماً دقیقتر از همان مقدار 1750 kJ/kg نخواهند بود. حتی فرمولهای گسترده برای حرارت تشکیل نیز دارای مقداری عدم قطعیت هستند، زیرا برای برخی کانیهای درگیر، مقادیر استاندارد ترمودینامیکی دقیق بهطور کامل موجود نیست.
۶.۲.۲.۲ فرمولهای محاسبه
فرمولهای زیر تا حدی بر اساس کار H. zur Strassen (منبع 1) هستند؛ با این حال، چند اصلاح جدیدتر نیز در آنها اعمال شده است.
نمادگذاری:
CaO, MgO, SiO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃ = آنالیز کلینکر، بیانشده بهصورت کسر وزنی (kg/kg کلینکر)
H₂O = آب هیدراته موجود در مواد خام، بر مبنای kg کلینکر، نه بر مبنای خوراک خام
نمادگذاری:
CaO, MgO, SiO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃ = آنالیز کلینکر، بیانشده بهصورت کسر وزنی (kg/kg کلینکر)
H₂O = آب هیدراته موجود در مواد خام، بر مبنای kg کلینکر، نه بر مبنای خوراک خام
فرمول عمومی زیر برای حرارت تشکیل اعمال میشود:
h = CaO × 3200 + MgO × 2710 − SiO₂ × 2140 − Fe₂O₃ × 250 + hRes (kJ/kg کلینکر)
سهم آخر، یعنی hRes، به مقدار Al₂O₃ و H₂O هیدراته وابسته است. محاسبه hRes به اطلاعات موجود درباره آب هیدراته و/یا نوع رس بستگی دارد. معمولاً هرچه اطلاعات بیشتری در دسترس باشد، نتیجه بهتر خواهد بود.
h = CaO × 3200 + MgO × 2710 − SiO₂ × 2140 − Fe₂O₃ × 250 + hRes (kJ/kg کلینکر)
سهم آخر، یعنی hRes، به مقدار Al₂O₃ و H₂O هیدراته وابسته است. محاسبه hRes به اطلاعات موجود درباره آب هیدراته و/یا نوع رس بستگی دارد. معمولاً هرچه اطلاعات بیشتری در دسترس باشد، نتیجه بهتر خواهد بود.
| ردیف | حالت | آب هیدراته | نوع رس | فرمول hRes |
|---|---|---|---|---|
| 1 | حالت 1 | معلوم نیست | معلوم نیست | hRes = Al₂O₃ × 1720 |
| 2 | حالت 2 | معلوم است | معلوم نیست | hRes = Al₂O₃ × 120 + H₂O × 5520 |
| 3 | حالت 3 | معلوم نیست | معلوم است | hRes = (Al₂O₃)k × 2220 + (Al₂O₃)m × 1310 + (Al₂O₃)i × 1640 |
| 4 | حالت 4 | معلوم است | معلوم است | hRes = (Al₂O₃)k × 1400 + (Al₂O₃)m × 620 + (Al₂O₃)i × 760 + H₂O × 2450 |
در حالتهای 3 و 4 باید مشخص شود که Al₂O₃ از چه نوع رسی منشأ گرفته است. اندیسها عبارتاند از:
k = Kaolinite = کائولینیت
m = Montmorillonite = مونتموریلونیت
i = Illite = ایلیت
k = Kaolinite = کائولینیت
m = Montmorillonite = مونتموریلونیت
i = Illite = ایلیت
توضیح درباره فرمولهای hRes:
شماره 1: برای کاربردهای عمومی، زمانی که هیچ اطلاعاتی درباره آب هیدراته موجود نیست.
شماره 2: مقدار واقعی آب هیدراته را در نظر میگیرد. همچنین زمانی که آب هیدراته فقط از رسها منشأ نگرفته باشد، بلکه مثلاً از Ca(OH)₂ نیز حاصل شده باشد، تقریب بسیار خوبی است. توجه شود که ضریب H₂O هیدراته بیش از دو برابر حرارت معمول تبخیر است.
شمارههای 3 و 4: نوع رس را در نظر میگیرند. در این حالات، آب هیدراته باید فقط از رس منشأ گرفته باشد؛ در غیر این صورت باید از حالت شماره 2 استفاده شود.
شماره 1: برای کاربردهای عمومی، زمانی که هیچ اطلاعاتی درباره آب هیدراته موجود نیست.
شماره 2: مقدار واقعی آب هیدراته را در نظر میگیرد. همچنین زمانی که آب هیدراته فقط از رسها منشأ نگرفته باشد، بلکه مثلاً از Ca(OH)₂ نیز حاصل شده باشد، تقریب بسیار خوبی است. توجه شود که ضریب H₂O هیدراته بیش از دو برابر حرارت معمول تبخیر است.
شمارههای 3 و 4: نوع رس را در نظر میگیرند. در این حالات، آب هیدراته باید فقط از رس منشأ گرفته باشد؛ در غیر این صورت باید از حالت شماره 2 استفاده شود.
وقتی CaO در فرمول وارد میشود، لازم نیست بدانیم CaO از CaCO₃ حاصل شده است یا خیر. اگر هر مقدار CaO غیرکربناتی وارد سیستم شود، مطابق تعریف، یک ورودی حرارتی موازنهای برای آن لحاظ میکنیم (به بند 4.7 مراجعه شود). بنابراین حرارت تشکیل محاسبهشده تحت تأثیر قرار نمیگیرد.
فرمول قدیمیتر H. zur Strassen فقط 2450 kJ را به H₂O اختصاص میداد، اما در مقابل 930 kJ را به Al₂O₃ نسبت میداد. این موضوع تعمیم فرمول برای هیدراتهایی غیر از هیدراتهای حاصل از رس را دشوار میکرد. از نظر منطقی صحیحتر است که حرارت به H₂O نسبت داده شود، زیرا خود H₂O عامل واقعی مصرف حرارت است.
مثال 1) ترکیب کلینکر:
CaO: 64.8% | MgO: 1.2% | SiO₂: 22.6% | Fe₂O₃: 3.3% | Al₂O₃: 5.2%
SO₃: 0.52% | Na₂O: 0.08% | K₂O: 1.20% | TiO₂: 0.29% | Mn₂O₃: 0.03% | L.O.I: 0.54%
هیچ اطلاعاتی درباره آب هیدراته موجود در خوراک خام در دسترس نیست.
h = 0.648 × 3200 + 0.012 × 2710 − 0.226 × 2140 − 0.033 × 250 + 0.052 × 1720
h = 1704 kJ/kg کلینکر
CaO: 64.8% | MgO: 1.2% | SiO₂: 22.6% | Fe₂O₃: 3.3% | Al₂O₃: 5.2%
SO₃: 0.52% | Na₂O: 0.08% | K₂O: 1.20% | TiO₂: 0.29% | Mn₂O₃: 0.03% | L.O.I: 0.54%
هیچ اطلاعاتی درباره آب هیدراته موجود در خوراک خام در دسترس نیست.
h = 0.648 × 3200 + 0.012 × 2710 − 0.226 × 2140 − 0.033 × 250 + 0.052 × 1720
h = 1704 kJ/kg کلینکر
مثال 2) ترکیب کلینکر:
CaO: 65.2% | MgO: 1.2% | SiO₂: 22.9% | Fe₂O₃: 3.0% | Al₂O₃: 5.0%
مواد خام دارای 1.1% آب هیدراته
نسبت: R = 1.57 kg/kg
بنابراین: 0.017 kg آب هیدراته / kg کلینکر
h = 0.652 × 3200 + 0.012 × 2710 − 0.229 × 2140 − 0.03 × 250 + 0.050 × 120 + 0.017 × 5520
h = 1721 kJ/kg کلینکر
CaO: 65.2% | MgO: 1.2% | SiO₂: 22.9% | Fe₂O₃: 3.0% | Al₂O₃: 5.0%
مواد خام دارای 1.1% آب هیدراته
نسبت: R = 1.57 kg/kg
بنابراین: 0.017 kg آب هیدراته / kg کلینکر
h = 0.652 × 3200 + 0.012 × 2710 − 0.229 × 2140 − 0.03 × 250 + 0.050 × 120 + 0.017 × 5520
h = 1721 kJ/kg کلینکر
۶.۲.۲.۳ اثرات سولفاتهشدن
SO₂ میتواند با قلیاهای K₂O یا Na₂O و همچنین با CaO واکنش دهد. برای اثر حرارتی، واکنش سادهشده زیر بهعنوان واکنش تیپیک در نظر گرفته میشود:
Na₂O + SO₂ + 1/2 O₂ → Na₂SO₄ + حرارت
اثرات حرارتی مولی K₂O و Na₂O تقریباً هماندازه هستند. درجه کلی واکنشهای سولفاتهشدن معمولاً معلوم نیست. برای اثر حرارتی میتوان حدود پایین و بالای زیر را محاسبه کرد.
Na₂O + SO₂ + 1/2 O₂ → Na₂SO₄ + حرارت
اثرات حرارتی مولی K₂O و Na₂O تقریباً هماندازه هستند. درجه کلی واکنشهای سولفاتهشدن معمولاً معلوم نیست. برای اثر حرارتی میتوان حدود پایین و بالای زیر را محاسبه کرد.
حد پایین:
= −8370 × [(SO₃)cli + (SO₃)D − (SO₃)R]
حد بالا:
= −10800 × [(Na₂O)R − (Na₂O)cli] − 7120 × [(K₂O)R − (K₂O)cli] + 8370 × [(SO₃)R − (SO₃)cli]
(kJ/kg کلینکر)
در این روابط، SO₃، Na₂O و K₂O بر حسب kg/kg کلینکر بیان میشوند.
اندیسها:
cli = در کلینکر
D = در غبار
R = در خوراک خام
= −8370 × [(SO₃)cli + (SO₃)D − (SO₃)R]
حد بالا:
= −10800 × [(Na₂O)R − (Na₂O)cli] − 7120 × [(K₂O)R − (K₂O)cli] + 8370 × [(SO₃)R − (SO₃)cli]
(kJ/kg کلینکر)
در این روابط، SO₃، Na₂O و K₂O بر حسب kg/kg کلینکر بیان میشوند.
اندیسها:
cli = در کلینکر
D = در غبار
R = در خوراک خام
میتوان یک مقدار متوسط را وارد موازنه حرارتی کرد. ترجیحاً این آیتم مستقیماً زیر آیتم «حرارت تشکیل» و در بخش خروجی ثبت میشود. علامت آن در آن صورت منفی است، یعنی خروجیها کاهش مییابند.
۶.۲.۲.۴ کورههای آهک
فرمول حرارت تشکیل آهک پخته بسیار مشابه فرمول کلینکر سیمان است. واکنشهای اصلی زیر در نظر گرفته میشوند:
CaCO₃ → CaO + CO₂
MgCO₃ → MgO + CO₂
CaO + 2SiO₂ → C₂S (تشکیل دیکلسیم سیلیکات)
برخلاف کلینکر سیمان، CaO موجود در محصول آهک منحصراً از CaO «غیرکربناتی» تشکیل نشده است، بلکه مقداری CaCO₃ باقیمانده نیز وجود دارد.
CaCO₃ → CaO + CO₂
MgCO₃ → MgO + CO₂
CaO + 2SiO₂ → C₂S (تشکیل دیکلسیم سیلیکات)
برخلاف کلینکر سیمان، CaO موجود در محصول آهک منحصراً از CaO «غیرکربناتی» تشکیل نشده است، بلکه مقداری CaCO₃ باقیمانده نیز وجود دارد.
بنابراین ابتدا باید سهم CaO غیرکربناتی محاسبه شود:
CaOₙc = CaOtot − CO₂ × (56/44)
حرارت تشکیل برابر است با:
h = CaOₙc × 3150 + MgO × 2710 − SiO₂ × 2100 (kJ/kg آهک)
CaOₙc، MgO و SiO₂ نشاندهنده کسرهای وزنی در محصول آهک هستند.
CaOₙc = CaOtot − CO₂ × (56/44)
حرارت تشکیل برابر است با:
h = CaOₙc × 3150 + MgO × 2710 − SiO₂ × 2100 (kJ/kg آهک)
CaOₙc، MgO و SiO₂ نشاندهنده کسرهای وزنی در محصول آهک هستند.
اگر آهک به شکل کلوخهای وجود داشته باشد و SiO₂ مثلاً از خاکستر زغال منشأ گرفته باشد، تشکیل کانی C₂S بعید است. در چنین حالتی فقط SiO₂ای که از خوراک سنگ آهک منشأ گرفته است باید در فرمول لحاظ شود.
۶.۳ انتقال حرارت تابشی
فرمول پایه تابش عبارت است از:
Qf = CR × ε × A × [(T/100)⁴ − (T₀/100)⁴]
که در آن:
Qf = جریان حرارتی [W]
CR = ثابت تابش = 5.67 W/m²K⁴
ε = گسیلندگی، بین 0 و 1
A = سطح تابشکننده [m²]
T = دمای مطلق سطح تابشکننده [K] (T = 273 + t)
T₀ = دمای مطلق محیط [K]
Qf = CR × ε × A × [(T/100)⁴ − (T₀/100)⁴]
که در آن:
Qf = جریان حرارتی [W]
CR = ثابت تابش = 5.67 W/m²K⁴
ε = گسیلندگی، بین 0 و 1
A = سطح تابشکننده [m²]
T = دمای مطلق سطح تابشکننده [K] (T = 273 + t)
T₀ = دمای مطلق محیط [K]
بهطور دقیق، فرمول فوق فقط برای استوانههایی با طول بینهایت معتبر است که به سمت محیطی دور از استوانه تابش میکنند. همچنین نباید هیچ مانعی تابش را مسدود کند. با وجود سادهسازیهای موجود، این فرمول برای بیشتر موارد تقریب مناسبی است.
با تقسیم Qf بر (T − T₀) و بر A، میتوان مقدار α، یعنی ضریب انتقال حرارت، را بهدست آورد:
α = CR × ε × {[(T/100)⁴ − (T₀/100)⁴] / (T − T₀)} (W/m²°C)
از فرمول جایگزین معادل، با T̄ = دمای متوسط مطلق (K) و ΔT = T − T₀ (اختلاف دما بر حسب K یا °C)، مشخص میشود که در اختلاف دماهای کوچک، α با توان سوم دمای متوسط افزایش مییابد، نه با توان چهارم. علاوه بر این، مقدار α هنگام نزدیک شدن اختلاف دما به صفر، به یک مقدار محدود و غیرصفر میل میکند.
α = CR × ε × {[(T/100)⁴ − (T₀/100)⁴] / (T − T₀)} (W/m²°C)
از فرمول جایگزین معادل، با T̄ = دمای متوسط مطلق (K) و ΔT = T − T₀ (اختلاف دما بر حسب K یا °C)، مشخص میشود که در اختلاف دماهای کوچک، α با توان سوم دمای متوسط افزایش مییابد، نه با توان چهارم. علاوه بر این، مقدار α هنگام نزدیک شدن اختلاف دما به صفر، به یک مقدار محدود و غیرصفر میل میکند.
برای ارزیابی عملی α تابشی، شکل 9 (به بند 4.10.2 مراجعه شود) در دسترس است. این شکل بر اساس دمای محیط ثابت T₀ = 293 K = 20°C تهیه شده است. اگر دمای واقعی محیط دقیقاً 20°C نباشد، خطای کوچکی ایجاد میشود که معمولاً میتوان آن را نادیده گرفت.
در برخی شرایط بسیار خاص یا استثنایی، میتوان از فرمولهای فوق برای محاسبه استفاده کرد. از آنجا که گسیلندگی ε اغلب با دقت کامل مشخص نیست و همچنین به دما وابسته است، معمولاً انجام اصلاحات کوچک روی مقادیر α حاصل از شکل 9 ارزش عملی ندارد.
۶.۴ انتقال حرارت جابهجایی
۶.۴.۱ جابهجایی آزاد
جابهجایی آزاد به دلیل اختلاف چگالی میان هوای گرم، در سطح پوسته، و هوای محیط ایجاد میشود. یک جریان طبیعی رو به بالا، حرکت جابهجایی هوا را به وجود میآورد. برای صفحات عمودی یا استوانههای افقی، رابطه زیر اعمال میشود:
Nu = 0.13 (Pr × Gr)^(1/3)
که در آن:
Nu = αD/λ = عدد ناسلت
Pr = cpη/λ = عدد پرانتل
Gr = عدد گراشف
α = ضریب انتقال حرارت (W/m²K)
D = بعد مشخصه (m)
λ = ضریب هدایت حرارتی (W/mK)
cp = گرمای ویژه (J/kgK)
g = شتاب گرانش = 9.81 m/s²
ρ = چگالی گاز (kg/m³)
ΔT = T − T₀ = اختلاف دما (K)
η = ویسکوزیته دینامیکی (kg/ms)
T₀ = دمای مطلق محیط (K)
برای یک استوانه با قطر d: D = (π/2) × d
محدوده کاربرد: Pr × Gr > 10⁹
که در آن:
Nu = αD/λ = عدد ناسلت
Pr = cpη/λ = عدد پرانتل
Gr = عدد گراشف
α = ضریب انتقال حرارت (W/m²K)
D = بعد مشخصه (m)
λ = ضریب هدایت حرارتی (W/mK)
cp = گرمای ویژه (J/kgK)
g = شتاب گرانش = 9.81 m/s²
ρ = چگالی گاز (kg/m³)
ΔT = T − T₀ = اختلاف دما (K)
η = ویسکوزیته دینامیکی (kg/ms)
T₀ = دمای مطلق محیط (K)
برای یک استوانه با قطر d: D = (π/2) × d
محدوده کاربرد: Pr × Gr > 10⁹
تا زمانی که حداقل اختلاف دمای چند درجه وجود داشته باشد و قطر بیشتر از 1 m باشد، محدودیت فوق بر محاسبه تأثیری ندارد. تبدیل ریاضی معادله پایه نشان میدهد که انتقال حرارت جابهجایی آزاد اصلاً به بعد مشخصه وابسته نیست؛ در نتیجه α = 0.13 × (...)^(1/3). در اختلاف دمای ΔT = 0، جابهجایی آزاد صفر میشود. این رفتار با انتقال حرارت تابشی متفاوت است.
مقادیر عددی cp، λ، ρ و η باید از جداول خواص هوا در دمای متوسط بین سطح و محیط گرفته شوند. فقط باید از واحدهای SI استفاده شود. توجه شود که چگالی ρ به فشار بارومتریک نیز وابسته است؛ بنابراین نتیجه به ارتفاع از سطح دریا نیز بستگی خواهد داشت. بهعنوان یک دستورالعمل کلی، انتقال حرارت جابهجایی تقریباً به میزان 8% به ازای هر 1000 m افزایش ارتفاع کاهش مییابد.
با استفاده از تقریبهای عددی برای خواص هوا، رابطه زیر توسعه یافته است:
α = 1.4 × (ρ × ρ̄ × ΔT)^(1/3) (W/m²K)
که در آن:
ρ = چگالی در دمای محیط
ρ̄ = چگالی در دمای متوسط
با وجود سادگی، این فرمول محدوده دمای 0 تا 500°C را با دقت بهتر از 1% پوشش میدهد. این دقت برای کاربردهای عملی بیش از حد کافی است. در سطح دریا و دمای محیط 20°C، رابطه سادهشده مربوطه بهدست میآید. این رابطه همچنین تقریب عددی بسیار خوبی از منحنی مربوط به v = 0 در شکل 10 است (به بند 4.10.3 مراجعه شود).
α = 1.4 × (ρ × ρ̄ × ΔT)^(1/3) (W/m²K)
که در آن:
ρ = چگالی در دمای محیط
ρ̄ = چگالی در دمای متوسط
با وجود سادگی، این فرمول محدوده دمای 0 تا 500°C را با دقت بهتر از 1% پوشش میدهد. این دقت برای کاربردهای عملی بیش از حد کافی است. در سطح دریا و دمای محیط 20°C، رابطه سادهشده مربوطه بهدست میآید. این رابطه همچنین تقریب عددی بسیار خوبی از منحنی مربوط به v = 0 در شکل 10 است (به بند 4.10.3 مراجعه شود).
جدول خواص هوا در فشار 1 bar شامل ستونهای زیر است: دما (°C)، چگالی ρ (kg/m³)، گرمای ویژه cp (kJ/kgK)، ضریب انبساط حجمی β، هدایت حرارتی λ، ویسکوزیته دینامیکی η، ویسکوزیته سینماتیکی ν، ضریب پخش حرارتی a، و عدد پرانتل Pr.
توجه: مقادیر cp این جدول، مقادیر واقعی هستند، نه مقادیر متوسط.
توجه: مقادیر cp این جدول، مقادیر واقعی هستند، نه مقادیر متوسط.
۶.۴.۲ جابهجایی اجباری
جابهجایی اجباری در سرعتهای نسبتاً بالای باد رخ میدهد و بر انتقال حرارت جابهجایی غالب میشود؛ یعنی جابهجایی آزاد سرکوب میشود. محاسبه جابهجایی اجباری به عوامل متعددی وابسته است، از جمله: سرعت باد، جهت باد، توزیع سرعت و موانع جریان، یکنواختی باد، و عدد رینولدز که به قطر کوره وابسته است. در مقایسه با جابهجایی آزاد، عوامل مؤثر بیشتری وجود دارند و محاسبه انتقال حرارت جابهجایی اجباری منابع خطای احتمالی بیشتری نسبت به جابهجایی آزاد دارد.
برای سادهسازی، یک استوانه در جریانی بدون اغتشاش و با سرعت ثابت v فرض میشود که جهت آن با محور کوره زاویه 90° دارد (شکل 14: جریان هوا با سرعت v عمود بر محور استوانه).
برای هوا، فرمولهای زیر اعمال میشوند:
Nu = 0.0239 × Re^0.805 برای Re = 40,000 تا 400,000
Nu = 0.00672 × Re^0.905 برای Re > 400,000
عدد رینولدز: Re = vD/ν
عدد ناسلت: Nu = αD/λ
خواص η، λ و ρ باید در دمای متوسط هوا گرفته شوند.
Nu = 0.0239 × Re^0.805 برای Re = 40,000 تا 400,000
Nu = 0.00672 × Re^0.905 برای Re > 400,000
عدد رینولدز: Re = vD/ν
عدد ناسلت: Nu = αD/λ
خواص η، λ و ρ باید در دمای متوسط هوا گرفته شوند.
فرمولهای دیگری نیز در کاربرد وجود دارند که ممکن است نتایج متفاوتی ارائه دهند، اما فرمولهای فوق به دلیل سادگی ترجیح داده میشوند. در هر صورت، همیشه مقداری عدم قطعیت ناشی از خود روش محاسبه وجود دارد.
دو عامل اصلی مقدار α را تعیین میکنند: سرعت v و دمای متوسط بین سطح و محیط. علاوه بر این، α به قطر D نیز وابسته است. اگر معادله مربوط به عدد رینولدز بالا (Re > 400,000) برای α حل شود، رابطهای بهدست میآید که نشان میدهد وابستگی α به قطر بسیار ضعیف است. بنابراین در یک محدوده مشخص قطر میتوان با مقادیر تقریباً ثابت کار کرد. این موضوع اساس شکل 10 (بند 4.10.3) است که برای محدوده متداول قطر 3 تا 6 متر محاسبه شده است.
۶.۴.۳ جابهجایی آزاد بهعلاوه جابهجایی اجباری
اگر انتقال حرارت جابهجایی بهوضوح تحت سلطه جابهجایی آزاد یا جابهجایی اجباری باشد، تعیین نهایی α مشکلی ایجاد نمیکند؛ زیرا مقدار بزرگتر باید انتخاب شود. اگر دو مقدار در یک مرتبه باشند، باید با روش مناسبی با یکدیگر ترکیب شوند. جمع ساده آن دو مقدار قطعاً اشتباه خواهد بود. روش بهتر، جمع مربعی است:
αtot = √(αfree² + αforced²)
این رابطه حتی در حالتی که یکی از دو نوع جابهجایی غالب باشد نیز معتبر است. شکل 10 بر اساس همین روش تهیه شده است.
αtot = √(αfree² + αforced²)
این رابطه حتی در حالتی که یکی از دو نوع جابهجایی غالب باشد نیز معتبر است. شکل 10 بر اساس همین روش تهیه شده است.
۶.۵ اثر بهبودهای حرارتی
بر اساس وضعیت واقعی یک سیستم کوره موجود، شامل مصرف حرارتی، موازنه حرارتی و سایر دادههای بهرهبرداری، میتوان یک برنامه بهینهسازی را در نظر گرفت. از دیدگاه حرارتی، میتوان برخی اقدامات را برای کاهش مصرف حرارتی ویژه انجام داد.
اقدامات تیپیک برای کاهش مصرف حرارتی:
- بهبود عایقکاری کوره دوار یا پیشگرمکن/پیشکلساینر برای کاهش تلفات تابشی، بهجز ناحیه پخت
- بهبود بازده خنککننده، از طریق بهینهسازی بهرهبرداری گریتکولر یا نصب تجهیزات داخلی با بازده بالا در خنککنندههای سیارهای یا دوار
- کاهش ورود هوای کاذب از آببندیهای کوره یا پیشگرمکن
- کاهش گردشهای داخلی غبار در خنککننده، کوره یا پیشگرمکن؛ این کار انتقال حرارت داخلی جریان مخالف را بهبود میدهد
- اصلاح ترکیب مواد خام برای کاهش دمای پخت، که به نوبه خود تلفات حرارتی را نیز کاهش میدهد (اثر جانبی: کاهش گردش داخلی غبار به دلیل بهبود دانهبندی کلینکر)
- اصلاح ترکیب مواد خام برای کاهش حرارت موردنیاز کربنزدایی، مثلاً با استفاده از منابع مواد خام دارای CaO غیرکربناتی
با این حال، امکان اخیر (استفاده از منابع CaO غیرکربناتی) بسیار نادر است و اغلب قابلیت اجرا ندارد. توجه شود که این مورد اساساً با اقداماتی که هدف آنها کاهش دمای پخت یا افزایش سهم فاز مذاب است، تفاوت دارد. موارد فوق فقط چند مثال تیپیک هستند.
وقتی وارد چنین موضوعاتی میشویم، یک پدیده مهم خیلی زود ظاهر میشود: ضریب موسوم به «تکثیر اتلاف» برای تلفات یا صرفهجوییهای حرارتی.
این موضوع به چه معناست؟ اگر در ناحیه دمای بالای یک کوره مثلاً 100 kJ صرفهجویی یا اتلاف ایجاد شود، تغییر ممکن در مصرف حرارت سوخت فقط 100 kJ نخواهد بود، بلکه معمولاً حدود 130 تا 150 kJ خواهد بود. یعنی صرفهجویی اولیه، از نظر آیتم موازنه حرارتی، با ضریبی تا حدود 1.5 ضرب میشود.
این موضوع به چه معناست؟ اگر در ناحیه دمای بالای یک کوره مثلاً 100 kJ صرفهجویی یا اتلاف ایجاد شود، تغییر ممکن در مصرف حرارت سوخت فقط 100 kJ نخواهد بود، بلکه معمولاً حدود 130 تا 150 kJ خواهد بود. یعنی صرفهجویی اولیه، از نظر آیتم موازنه حرارتی، با ضریبی تا حدود 1.5 ضرب میشود.
در نگاه اول ممکن است این اصل متناقض به نظر برسد، زیرا ظاهراً اصل موازنه حرارتی یا قانون انرژی را نقض میکند. اما آنچه واقعاً رخ میدهد، تغییر همزمان بیش از یک آیتم موازنه حرارتی است. برای روشن شدن موضوع، مثالی را در نظر میگیریم که در آن تلفات تابشی پوسته به میزان 100 kJ/kg کلینکر کاهش یافته است.
| ردیف | شکل ۱۵ — اثر کاهش تلفات تابشی روی سایر اقلام موازنه |
|---|---|
| 1 | قلم |
| 2 | حرارت گاز خروجی (h°ex) |
| 3 | حرارت تابشی (h°r) |
| 4 | حرارت سوخت (h°f) |
در این حالت، ضریب تکثیر برابر است با:
ضریب تکثیر = 140 / 100 = 1.40
مقادیر دارای علامت h° نشاندهنده وضعیت قبل از اصلاح هستند. این پدیده از رفتار حرارتی سیستم ناشی میشود و میتوان آن را با مدلهای شبیهسازی تأیید کرد، نه فقط با یک موازنه ساده. ضریبی در محدوده 1.4 برای شرایط ناحیه دمای بالای کوره سیمان، یعنی بالاتر از حدود 800°C، کاملاً تیپیک است.
ضریب تکثیر = 140 / 100 = 1.40
مقادیر دارای علامت h° نشاندهنده وضعیت قبل از اصلاح هستند. این پدیده از رفتار حرارتی سیستم ناشی میشود و میتوان آن را با مدلهای شبیهسازی تأیید کرد، نه فقط با یک موازنه ساده. ضریبی در محدوده 1.4 برای شرایط ناحیه دمای بالای کوره سیمان، یعنی بالاتر از حدود 800°C، کاملاً تیپیک است.
اثر اصلی یک تغییر در این ناحیه، تغییر متناظر در حرارت گاز خروجی خواهد بود، اما اثرات جزئی دیگری نیز رخ میدهند، مثلاً در تلفات خنککننده. یک «موازنه تفاضلی» حرارتی همچنان میتواند به شکل زیر اعمال شود:
تغییر ورودی — سوخت: −140 kJ/kg — کل: −140 kJ/kg
تغییر خروجی — تابش: −100 kJ/kg، گاز خروجی: −40 kJ/kg — کل: −140 kJ/kg
تغییر ورودی — سوخت: −140 kJ/kg — کل: −140 kJ/kg
تغییر خروجی — تابش: −100 kJ/kg، گاز خروجی: −40 kJ/kg — کل: −140 kJ/kg
اصل تکثیر اتلاف فقط برای تابش در ناحیه دمای بالا کاربرد ندارد، بلکه برای حرارتی که در خنککننده کلینکر بازیابی میشود نیز صدق میکند. در مورد ورود هوای کاذب، افزایش متناظر مصرف حرارتی اغلب کمتر از مقدار واقعی برآورد میشود. اگر هوای کاذب وارد ناحیه دمای بالا شود، نهتنها به این دلیل اتلاف حرارت ایجاد میکند که این هوا باید تا دمای گاز خروجی سیستم کوره گرم شود، بلکه در واقع اتلاف بسیار بیشتری نسبت به نتیجه یک محاسبه ساده ایجاد میکند.
بهعنوان یک قاعده سرانگشتی، برای رسیدن به نتیجهای واقعبینانه میتوان دو اثر اصلی زیر را در نظر گرفت:
1. گرمشدن هوای کاذب تا دمای ناحیه دمای بالا، که میتوان آن را تقریباً 800°C، یعنی انتهای ناحیه دمای بالا، در نظر گرفت.
2. ضرب نیاز حرارتی فوق در ضریب تکثیر اتلاف.
محاسبه فوق یک تقریب ساده است. با استفاده از مدلهای شبیهسازی پیچیدهتر، برای مثال مشخص میشود که ورود هوای کاذب به ناحیه دمای بالا به مقدار 0.08 Nm³/kg کلینکر میتواند باعث افزایش مصرف حرارتی به میزان 100 kJ/kg کلینکر شود. در مقابل، ورود هوا در ناحیه دمای پایین، مثلاً Air Lift در کوره SP، بسیار کمخطرتر است.
1. گرمشدن هوای کاذب تا دمای ناحیه دمای بالا، که میتوان آن را تقریباً 800°C، یعنی انتهای ناحیه دمای بالا، در نظر گرفت.
2. ضرب نیاز حرارتی فوق در ضریب تکثیر اتلاف.
محاسبه فوق یک تقریب ساده است. با استفاده از مدلهای شبیهسازی پیچیدهتر، برای مثال مشخص میشود که ورود هوای کاذب به ناحیه دمای بالا به مقدار 0.08 Nm³/kg کلینکر میتواند باعث افزایش مصرف حرارتی به میزان 100 kJ/kg کلینکر شود. در مقابل، ورود هوا در ناحیه دمای پایین، مثلاً Air Lift در کوره SP، بسیار کمخطرتر است.
۶.۶ انتقال حرارت در پیشگرمکنها و خنککنندهها و پتانسیل بهبود
معمولاً کوره سیمان را بهعنوان تجهیزی برای پخت کلینکر سیمان در نظر میگیریم. یکی از ویژگیهای اساسی آن این است که باید بتوانیم دمای بالای پخت در حدود 1450°C را در ماده ایجاد کنیم. اما سیستم کوره فقط یک مولد دمای پخت نیست؛ این سیستم همچنین مجموعهای از مبدلهای حرارتی است که امکان پخت با مصرف حرارتی پایین را فراهم میکنند.
بهطور کلی، در هر کوره سیمان دو سیستم اصلی تبادل حرارت وجود دارد: الف) پیشگرمکن خوراک خام، ب) خنککننده کلینکر. مصرف حرارتی پایین فقط در صورتی امکانپذیر است که این دو «مبدل حرارتی» بهصورت بهینه عمل کنند.
از تئوری پایه مشخص است که حتی در مورد یک مبدل کاملاً عایقشده از اثر دمای محیط، سه شرط مهم برای تبادل حرارت بهینه لازم است:
1. نرخ انتقال حرارت بهینه (از گاز به جامد): سطح تماس ویژه بالا، سطح انتقال حرارت بالا، α بالا بر حسب W/m²°C
2. دو جریان در حال تبادل حرارت باید بهصورت جریان مخالف حرکت کنند، یا حداقل آرایشی داشته باشند که رفتار مشابه جریان مخالف داشته باشد. برای مثال، آرایش کلی یک پیشگرمکن سیکلونی چهارمرحلهای.
3. اگر بخواهیم حرارت یک «جریان 1» را بهطور کامل در «جریان 2» بازیابی کنیم، «جریان 2» باید حداقل همان معادل حرارتی «جریان 1» را داشته باشد:
(Flow 2) × cp₂ ≥ (Flow 1) × cp₁
که در آن Flow بر حسب kg/s یا kg/kg کلینکر، و cp بر حسب kJ/kg°C است؛ حاصل بر حسب kW/°C یا kJ/kg کلینکر°C.
1. نرخ انتقال حرارت بهینه (از گاز به جامد): سطح تماس ویژه بالا، سطح انتقال حرارت بالا، α بالا بر حسب W/m²°C
2. دو جریان در حال تبادل حرارت باید بهصورت جریان مخالف حرکت کنند، یا حداقل آرایشی داشته باشند که رفتار مشابه جریان مخالف داشته باشد. برای مثال، آرایش کلی یک پیشگرمکن سیکلونی چهارمرحلهای.
3. اگر بخواهیم حرارت یک «جریان 1» را بهطور کامل در «جریان 2» بازیابی کنیم، «جریان 2» باید حداقل همان معادل حرارتی «جریان 1» را داشته باشد:
(Flow 2) × cp₂ ≥ (Flow 1) × cp₁
که در آن Flow بر حسب kg/s یا kg/kg کلینکر، و cp بر حسب kJ/kg°C است؛ حاصل بر حسب kW/°C یا kJ/kg کلینکر°C.
در رابطه فوق، cpها ثابت فرض شدهاند که یک تقریب است. از نظر گرافیکی، این موضوع به این معنی است که منحنیهای مشخصه حرارتی دو جریان باید رابطه مشخصی با یکدیگر داشته باشند (نموداری با محور عمودی دما، شامل انتهای سرد و انتهای گرم، و محور افقی جریان حرارتی، که محدوده شیب مجاز برای جریان 2 را نشان میدهد).
الف) پیشگرمکن خوراک خام
۱. نرخ انتقال حرارت
در پیشگرمکن تعلیقی سیکلونی، نرخ انتقال حرارت بهینه و سطح ویژه مناسب، ناشی از ذرات کوچک و توزیع خوب مواد، تقریباً حاصل شده است. پس از هر مرحله سیکلون، دمای ماده و گاز تقریباً به یکدیگر نزدیک میشوند و معمولاً فضای کمی برای بهبود این بخش باقی میماند. بهبودها بیشتر باید در جایی انجام شوند که انتقال حرارت در خود بخش دوار رخ میدهد. بهخصوص در کورههای تر و کورههای خشک بلند، تجهیزات داخلی کوره برای انتقال حرارت مناسب بسیار مهم هستند.
۲. اصل جریان مخالف
جریان مخالف به معنای واقعی کلمه در پیشگرمکن تعلیقی سیکلونی وجود ندارد. در عوض، معمولاً چهار واحد تبادل حرارتی همجهت داریم، اما آرایش کلی سیستم رفتاری مشابه جریان مخالف دارد. برای رسیدن به حالت ایدهآل، از نظر تئوری باید تعداد بینهایتی مرحله سیکلون وجود داشته باشد. در عمل، آرایش معمول چهار یا پنج مرحله را میتوان کافی دانست.
پیشگرمکنهای واقعاً جریان مخالف عبارتاند از: پیشگرمکنهای شفتی، و پیشگرمایش در کورههای دوار بلند. چنین پیشگرمکنهایی از نظر تئوری ایدهآل خواهند بود. اما در عمل، به دلیل مشکلات توزیع، اثر اختلاط برگشتی (یعنی گردش داخلی مواد)، و تلفات نسبتاً بالای حرارت به محیط، بهخصوص در مورد کوره دوار، بازده کمتری دارند.
۳. معادل بودن مشخصههای جریان حرارتی
یکی از ویژگیهای عمومی هر پیشگرمکن خوراک خام، مازاد ورودی حرارت توسط گازهای داغ است. پس از مرحله کلسیناسیون، گاز داغ دمایی در حدود 850°C دارد و مقدار ویژه آن حتی در یک سیستم کوره بهینه، مثلاً کوره SP چهارمرحلهای، همیشه بیشتر از حدود 1.3 Nm³/kg کلینکر است.
این مقدار حرارت بیش از حد نیاز است و نمیتوان آن را بهطور کامل برای پیشگرمایش خوراک خام، در حدود 1.56 kg خوراک خام/kg کلینکر، تا دمای کلسیناسیون، در حدود 800°C، استفاده کرد. بنابراین حتی در حالت ایدهآل نیز مقداری حرارت زائد باقی خواهد ماند. از نظر تئوری، برای بازیابی ایدهآل نباید از حدود 1 Nm³/kg کلینکر بیشتر شویم. در عمل این وضعیت قابل دستیابی نیست، حتی در سیستمهای مدرن کوره که مقدار نسبتاً کمی گاز خروجی تولید میکنند.
شکل ۱۶ — وضعیت حرارتی در یک پیشگرمکن خوراک خام (محور عمودی: دما [°C]، دمای مشخصشده 50°C؛ محور افقی: حرارت منتقلشده یا محتوای حرارتی [kJ/kg کلینکر]) — این نمودار سادهشده است، اما برای هر پیشگرمکن تیپیک محسوب میشود.
به دلیل «مازاد حرارتی» گاز خروجی، حتی در صورت انتقال حرارت جریان مخالف کامل، مثلاً با تعداد بینهایت مراحل سیکلون، دستیابی به بازیابی ایدهآل امکانپذیر نیست. گاز خروجی همیشه مقدار مشخصی محتوای حرارتی باقیمانده خواهد داشت.
به دلیل «مازاد حرارتی» گاز خروجی، حتی در صورت انتقال حرارت جریان مخالف کامل، مثلاً با تعداد بینهایت مراحل سیکلون، دستیابی به بازیابی ایدهآل امکانپذیر نیست. گاز خروجی همیشه مقدار مشخصی محتوای حرارتی باقیمانده خواهد داشت.
از نظر عملی، این موضوع به این معنی است که تمام انواع بهبودهای پیشگرمکن دارای پتانسیل محدود هستند. در مثال یک کوره دارای پیشگرمکن چهارمرحلهای، میتوان یک مرحله پنجم اضافه کرد که باعث کاهش مصرف حرارت سوخت در حدود 100 kJ/kg کلینکر میشود. بیش از پنج مرحله، از دیدگاه اقتصادی فقط سود حاشیهای ایجاد خواهد کرد. حتی در سیستم پنجمرحلهای نیز باید بررسی شود که آیا سرمایهگذاری لازم و افزایش احتمالی افت فشار با توجه به ساختار هزینههای محلی توجیهپذیر هستند یا خیر.
بهجای ساخت بیش از پنج مرحله سیکلون متداول، ترجیح داده میشود از پیشگرمکنهای «غیرمتداول» استفاده شود؛ مانند Cross-Suspension Preheater، یعنی دو رشته با جریان متقاطع خوراک خام.
ب) خنککنندههای کلینکر
۱. نرخ انتقال حرارت
در یک خنککننده سیارهای یا دوار، میتوان با نصب تجهیزات داخلی کارآمد، مانند Tumblers و Lifters، نرخ انتقال حرارت را افزایش داد. این تجهیزات با حرکت بهتر و پخش کردن کلینکر، سطح فعال انتقال حرارت را افزایش میدهند. اگر تجهیزات داخلی خنککننده فرسوده شده باشند یا طراحی نامناسبی داشته باشند، میتوان پتانسیل قابلتوجهی برای بهبود ایجاد کرد. همچنین یکنواختتر شدن دانهبندی کلینکر، یعنی کاهش گردش داخلی غبار، میتواند باعث بهبود شود.
در گریتکولر وضعیت کاملاً متفاوت است. مشکل واقعی، نرخ انتقال حرارت بین یک قطعه کلینکر و هوای خنککننده نیست، بلکه توزیع یکنواخت هوا در بستر کلینکر است. در اینجا نیز میتوان بهبود قابلتوجهی ایجاد کرد، برای مثال: کارکرد با بستر ضخیم، اصلاحات مکانیکی در ناحیه ورودی، و غیره.
۲. اصل جریان مخالف
| ردیف | نوع خنککننده | نوع جریان |
|---|---|---|
| 1 | خنککننده سیارهای / دوار | جریان مخالف |
| 2 | گریتکولر | تقریباً جریان متقاطع |
گریتکولر عملکردی تقریباً از نوع جریان متقاطع دارد و بنابراین از نظر اصول پایه، پتانسیل بازیابی حرارتی آن محدود است. با این حال، بهبودهایی امکانپذیر هستند. برای مثال، میتوان هوای زائد داغ را به بخش اول گریت بازچرخانی کرد تا محتوای حرارتی هوای ثانویه افزایش یابد. اقدام کاملاً متفاوت دیگر، افزایش ضخامت بستر است تا تبادل حرارتی بیشتر به رفتار جریان مخالف نزدیک شود، مشابه یک خنککننده شفتی. عیب این روش، افزایش فشار موردنیاز هوای خنککننده است.
۳. معادل بودن مشخصه حرارتی
در یک خنککننده کلینکر، از نظر تئوری تقریباً 0.77 Nm³/kg کلینکر هوای خنککننده موردنیاز است تا در شرایط انتقال حرارت جریان مخالف کامل، حرارت کلینکر بهطور کامل به هوای ثانویه منتقل شود. مقادیر عملی معمولاً بیشتر از 0.8 Nm³/kg کلینکر هستند.
در مقایسه با پیشگرمکن خوراک خام، در اینجا با وضعیت معکوس روبهرو هستیم: حرارت کلینکر داغ از نظر تئوری میتواند در شرایط ایدهآل بهطور کامل بازیابی شود. البته میدانیم که مقادیر عملی متداول بازده اغلب کمتر از 70% هستند. این واقعیت نشان میدهد که از نظر اصول پایه، هنوز پتانسیل حرارتی قابلتوجهی وجود دارد که برای کاهش مصرف حرارتی کوره مورد استفاده قرار نمیگیرد.
در مقایسه با پیشگرمکن خوراک خام، در اینجا با وضعیت معکوس روبهرو هستیم: حرارت کلینکر داغ از نظر تئوری میتواند در شرایط ایدهآل بهطور کامل بازیابی شود. البته میدانیم که مقادیر عملی متداول بازده اغلب کمتر از 70% هستند. این واقعیت نشان میدهد که از نظر اصول پایه، هنوز پتانسیل حرارتی قابلتوجهی وجود دارد که برای کاهش مصرف حرارتی کوره مورد استفاده قرار نمیگیرد.
در این زمینه همچنین مهم است توجه شود که بازده عملی هر نوع خنککننده کلینکر با افزایش مقدار هوای خنککننده افزایش مییابد. در نتیجه باید تا حد امکان هوای خنککننده بیشتری از خنککننده عبور داده شود و بنابراین باید از مقادیر بیش از حد هوای اولیه یا ورود هوای کاذب در هود کوره یا آببندیهای کوره جلوگیری یا آنها را کاهش داد. بهبود حاصل، ناشی از خود انتقال حرارت نیست، بلکه بیشتر از بهبود «مشخصه حرارتی» سیستم، یعنی نسبت هوا به کلینکر، حاصل میشود.
موازنه حرارتی کوره سیمان چیست و چرا اهمیت دارد؟
موازنه حرارتی ابزاری است که تمام جریانهای ورودی و خروجی حرارت در یک سیستم کوره را بر مبنای اصل «ورودی = خروجی» اندازهگیری و محاسبه میکند. اهمیت آن در این است که بهطور دقیق نشان میدهد سوخت مصرفی در کجا هزینه میشود و کجا پتانسیل صرفهجویی وجود دارد؛ حتی بهبودی معادل 100 kJ/kg در یک کوره 3000 تنی میتواند سالانه حدود 200 هزار دلار صرفهجویی ایجاد کند.
دمای مرجع در محاسبات موازنه حرارتی کوره سیمان چند درجه است؟
دمای مرجع استاندارد 20°C است، زیرا به دمای معمول محیط نزدیک است. در این دما، حرارت محسوس تمام جریانهای مواد و گاز صفر در نظر گرفته میشود و تمام حرارتهای تبدیل مانند احتراق، تبخیر و حرارت تشکیل نیز بر همین مبنا محاسبه میشوند.
حداکثر درصد مجاز آیتم باقیمانده در جدول موازنه حرارتی چقدر است؟
مقدار آیتم باقیمانده، که خطاهای اندازهگیری و اقلام درنظرگرفتهنشده را پوشش میدهد، نباید از 3 درصد کل حرارت ورودی بیشتر شود. عبور از این مقدار معمولاً نشانه ناقص یا نادقیق بودن اندازهگیریها و محاسبات است.
حرارت تشکیل کلینکر چقدر است و شامل چه واکنشهایی میشود؟
مقدار استاندارد حرارت تشکیل کلینکر حدود 1750 kJ/kg کلینکر است. این مقدار حاصل جمع سه اثر حرارتی است: آبزدایی کانیهای رسی (گرماگیر)، کربنزدایی CaCO₃ و MgCO₃ (گرماگیر و بزرگترین سهم با حدود 2100 kJ/kg)، و تشکیل کانیهای کلینکر مانند C₃S و C₂S (گرمازا).
ضریب تکثیر اتلاف در بهینهسازی مصرف انرژی کوره سیمان به چه معناست؟
ضریب تکثیر اتلاف نشان میدهد که تغییر حرارتی در ناحیه دمای بالای کوره (بالاتر از حدود 800°C) اثری بزرگتر از مقدار اولیهاش روی مصرف سوخت میگذارد. برای مثال، کاهش 100 kJ/kg در تلفات پوسته معمولاً باعث صرفهجویی 130 تا 150 kJ/kg در سوخت میشود، زیرا این تغییر همزمان چند قلم دیگر موازنه، از جمله حرارت گاز خروجی، را نیز تحت تأثیر قرار میدهد.
نصب مرحله پنجم سیکلون در پیشگرمکن چقدر صرفهجویی سوخت ایجاد میکند و معادل آن در کاهش هوای کاذب چقدر است؟
نصب یک مرحله پنجم سیکلون در پیشگرمکن چهارمرحلهای معمولاً حدود 100 kJ/kg کلینکر در مصرف سوخت صرفهجویی ایجاد میکند. برای دستیابی به صرفهجویی مشابه از طریق کاهش هوای کاذب در ناحیه دمای بالا، کاهشی معادل حدود 0.08 Nm³/kg کلینکر در ورود هوای کاذب لازم است.
مهمترین نقاط اندازهگیری برای موازنه حرارتی کوره با پیشگرمکن تعلیقی کداماند؟
نقاط کلیدی اندازهگیری شامل: مصرف و ارزش حرارتی سوخت، دبی و دمای خوراک خام و هوای اولیه/ثانویه، دبی و ترکیب شیمیایی کلینکر و غبارهای مختلف (خروجی، بایپس)، دما و ترکیب گاز خروجی (CO₂، O₂، CO، رطوبت)، و پروفایل دمای پوسته کوره برای محاسبه تلفات تابش و جابهجایی است. تمام این نقاط باید دقیقاً روی مرز موازنه انتخابی قرار داشته باشند تا هیچ جریانی از قلم نیفتد.
گرمای ویژه گاز خروجی کوره SP در دمای 350 درجه سلسیوس چقدر است؟
برای یک کوره SP معمولی، گرمای ویژه مخلوط گاز خروجی مرطوب در این محدوده دمایی معمولاً حدود 1.48 تا 1.5 kJ/Nm³°C است؛ این مقدار با محاسبه Cp وزنی بر اساس ترکیب گاز (CO₂، O₂، N₂ و بخار آب) به دست میآید.
محتوای حرارت محسوس یک کیلوگرم کلینکر در دمای پخت 1450 درجه سلسیوس چقدر است؟
این مقدار با فرمول h = m × Cp × (t − 20°C) و با استفاده از منحنی گرمای ویژه متوسط کلینکر (شکل 5) محاسبه میشود. با گرمای ویژه متوسط تقریبی کلینکر در این محدوده دمایی، مقدار حرارت محسوس در حدود 1150 تا 1250 kJ/kg کلینکر برآورد میشود؛ مقدار دقیق به منحنی Cp مورد استفاده بستگی دارد.
حرارت تشکیل کلینکر چه اثرات حرارتیای را در بر میگیرد و مقدار استاندارد آن چقدر است؟
مقدار استاندارد حرارت تشکیل حدود 1750 kJ/kg کلینکر است. این مقدار سه اثر حرارتی را ترکیب میکند: آبزدایی کانیهای رسی تا حدود 500°C (گرماگیر)، کربنزدایی CaCO₃ و MgCO₃ تا حدود 850°C که بزرگترین سهم را با تقریباً 2100 kJ/kg دارد (گرماگیر)، و تشکیل کانیهای کلینکر مانند C₃S، C₂S، C₃A و C₄AF تا حدود 1400°C (گرمازا).
ضریب کل انتقال حرارت پوسته کوره در دمای 200 درجه با محیط 20 درجه و گسیلندگی 0.9 چقدر است؟
با ترکیب فرمول تابش (αrad) و جابهجایی آزاد (αconv) برای اختلاف دمای 180 درجه، مقدار ضریب کل انتقال حرارت (αtot) تقریباً 20 W/m²°C به دست میآید؛ این مقدار با خواندن مستقیم از نمودار شکل 11، برای شرایط استاندارد ε=0.9، نیز قابل تأیید است.
در چه شرایطی باید جابهجایی اجباری بهجای جابهجایی آزاد در محاسبه تلفات کوره در نظر گرفته شود؟
جابهجایی اجباری زمانی غالب میشود که سرعت باد نسبتاً بالا باشد (معمولاً بیش از حدود 2 m/s)، در حالی که جابهجایی آزاد بهطور طبیعی و مستقل از قطر تجهیزات، در سرعتهای پایین باد رخ میدهد. اگر قطر از 5 متر به 1 متر کاهش یابد، در سرعتهای بالای باد باید یک ضریب اصلاحی حدود 30 درصد به ضریب جابهجایی اجباری اضافه شود؛ اما در سرعتهای پایین باد، تغییر قطر تأثیری بر محاسبه ندارد.
کاهش 50 کیلوژول بر کیلوگرم در تلفات پوسته ناحیه کلسیناسیون چقدر در مصرف سوخت صرفهجویی ایجاد میکند؟
با توجه به ضریب تکثیر اتلاف که در ناحیه دمای بالای کوره معمولاً بین 1.3 تا 1.5 است، کاهش 50 kJ/kg کلینکر در تلفات پوسته منجر به صرفهجویی واقعی حدود 65 تا 75 kJ/kg کلینکر در مصرف سوخت خواهد شد؛ رقمی معادل با 1.4 برابر مقدار اولیه، یعنی تقریباً 70 kJ/kg کلینکر، مقداری تیپیک برای این محاسبه است.
