سیمان و آهک

عملیات های صنعت سیمیان و دیرگدازهای مورد استفاده
ایالات متحده سومین تولید کننده ی سیمان دنیا (بعد از چین و هند) می باشد. تولید سیمان و محصولات واسط مانند کلینکر سیمان، در طی دهه های اخیر، افزایش ثابتی داشته است. با افزایش مصرف به میزان 40 % و در حالی که تولید تنها 27 % رشد داشته است، افزایش واردات در کوتاه مدت مشهود بوده است. کوره ی اصلی، قلب کارخانه محسوب می شود و عموماً با استفاده از آجرهای پخت شده، عایق کاری می شود. دیرگدازهای مونولیتیکی نیز تنها در بخش های مخروطی مربوط به محفظه ی خروجی، حفره ی ورودی کلسیناسیون و ورودی شارژ کوره، استفاده می شود. بیشتر این واردات از کشورهایی مانند کانادا و مکزیک انجام شده است. در واقع این افزایش در مصرف در درازمدت منجر به توسعه ی بیشتر این صنعت خواهد شد. هم اکنون، 115 کارخانه ی تولید سیمان در ایالات متحده ی آمریکا ووجود دارد که حدود 75 % از کل کارخانه ها، تنها در اختیار 10 % از شرکت ها می باشند.
در سال 1997، گزارش مرکز سرشماری اقتصادی، نشان داد که دیرگدازها (رسی و غیر رسی)، در حدود 2.5 % از کل هزینه های مربوط به صنعت سیمان را تشکیل می دهند.
یک کارخانه ی سیمان مدرن نمونه وار ممکن است شامل واحدهای آسترکاری شده ی دیرگداز زیر است:
1. یک پیش گرم کن که مجهز به چندین سیکلون به عنوان المان های تبادل حرارتی می باشد.
2. یک پیش گرم کن با یک مشعل برای فرایند دی کربونیزاسیون.
3. یک کوره
4. یک خنک کننده ی کوره ای
پیش گرم کن، سیکلون ها و مبدل های حرارتی موجب گرم شدن مواد اولیه ی تولید سیمان و یا دوغاب اولیه پیش از ورود به کوره ی چرخنده، می شوند. این مسئله موجب می شود تا میزان مصرف سوخت کاهش یابد. پیش کلیسینه کننده نیز از هوای احتراق پیش گرم شده ی تولید شده از بخش خنک سازی کلینکر استفاده می کند و همچنین دارای مشعل هایی است که می توانند تا 95 % کلسیناسیون را بر روی مواد انجام دهند. یک کوره ی پیش کلسینه کننده شامل یک کوره ی چرخنده با یک کوره ی خارجی می باشد که همچنین برای گرم کردن خوراک سیمان به دمای کلسیناسیون، استفاده می شود. این سیستم همچنین به یک پیش گرم کن سیکلونی متصل است که می تواند بازده حرارت دهی را بهبود دهد.
کوره جایی است که مواد اولیه به صورت خشک با هم مخلوط می شوند و در دمایی در حدود 2600 تا 3000 فارنهایت، به کلینکر تبدیل می شوند. کوره می تواند یک کوره ی چرخنده یا کوره ی شافت باشد و برای افزایش حرارت در آن می توان از زغال سنگ، نفت، گاز و سایر سوخت ها استفاده کرد. یک کوره ی چرخنده عموماً به نواحی مختلفی تقسیم بندی می شود. این بخش ها عبارتند از: خشک کن، پیش گرم کن، بخش کلسیناسیون، پخت و بخش سرد کردن. کوره هایی که دارای یک پیش گرم کن و یا یک پیش کلسینه کننده هستند، معمولاً حاوی سه ناحیه ی اول نیستند. خوراک مذاب از بخش انتهایی کوره به صورت کلینکر خارج می شوند. وقتی کلینکر خارج می شود، وارد بخش خنک کننده ی کلینکر می شود. وقتی خنک سازی انجام می شود، کلینکر آماده ی عبور از میان یک سری آسیاب هاست تا بدین صورت، سیمان خاکستری تولید شود.
کوره ی اصلی، قلب کارخانه محسوب می شود و عموماً با استفاده از آجرهای پخت شده، عایق کاری می شود. دیرگدازهای مونولیتیکی نیز تنها در بخش های مخروطی مربوط به محفظه ی خروجی، حفره ی ورودی کلسیناسیون و ورودی شارژ کوره، استفاده می شود. این دیرگدازهای مونولیتیکی، نیازمند مقاومت بالا در برابر واکنش با مواد اولیه ی تولید سیمان هستند. همچنین این دیرگدازها باید مقاومت خوبی در برابر نفوذ مواد قلیایی، و تنش های مکانیکی، داشته باشند. عموماً جرم های ریختنی پر آلومینا و حاوی مقادیر اندک سیمان با دماهای سرویس دهی 1700 تا 1800 درجه ی سانتیگراد، در این بخش ها، استفاده می شوند.
یک کوره ی طولانی نمونه وار شامل یک ناحیه ی خشک کن، یک ناحیه ی پیش گرم کن، یک ناحیه ی کلسیناسیون و یک ناحیه ی پخت است. در واقع این بخش ها برای انجام کل فرایند تولید آماده سازی شده اند. آجرهای عایق کاری سبک برای کاهش اتلاف حرارتی مربوط به کوره، مورد استفاده قرار می گیرند. در این نواحی، دیرگدازها تحت سایش و خردایش ساختاری می شوند که بواسطه ی انجام واکنش با مواد قلیایی موجود در مواد اولیه، ایجاد می شوند. اگر چه دمای این نواحی به نسبت پایین است، ولی به دلیل استفاده از مواد ضایعاتی در تولید سیمان، سایش دیرگداز می تواند شدید باشد. نوع سوخت مورد استفاده نیز می تواند زغال سنگ، تایر اتومبیل، ضایعات جامد و ... باشند و این مسئله در واقع موجب تمرکز مواد قلیایی، گوگرد، کلر و سایر فلزات خورنده مانند Pb و Zn در کوره می شود. به عنوان یک نتیجه، دیرگدازهای مورد استفاده، متحمل خوردگی قلیایی قابل توجه می شوند. گوگرد همچنین با اجزای سیمان ترکیب می شود و منجر به تشکیل کلسیم سولفات می شود. این کلسیم سولفات که به صورت مایع می باشد، به داخل آجرها نفوذ می کند و منجر به تخریب دیرگداز، افزایش رسانایی گرمایی و تغییر در ضریب انبساط حرارتی دیرگدازهای موجود در دیواره ی کوره می شود. این مسئله در نهایت، منجر به کاهش انعطاف پذیری ساختاری آستر کوره می شود. علاوه بر این، افزایش در رسانایی گرمایی اغلب موجب تخریب پوسته ی فولادی کوره می شود.
دیرگدازهای مونولیتیکی همچنین برای بخش هایی از کوره ی سیمان به طور نمونه وار در خروجی استفاده می شوند. این بخش ها دارای نرخ سایش بسیار بالایی هستند. در تمام این نواحی، مواد ریختنی بر پایه ی سیلیکون کاربید اغلب مورد استفاده قرار می گیرند. سیکلون ها در بخش های پیش گرم کن کارخانه های سیمان همچنین با استفاده از مواد ریختنی با دانسته ی بالا عایق کاری می شوند که علت این استفاده، پیچیدگی شکل این بخش ها و نیاز به مقاومت به سایش بالا در این نواحی است. پوسته ی داکت گازهای خروجی از مواد ریختگی با دانسیته ی بالا و عایق، تولید می شود. در بخش خنک کننده ی کارخانه، دیرگدازهای مونولیتیکی برای آسترکاری استفاده می شود. سیکلون های بالایی و پایینی بخش کلسیناسیون نیز عموماً با استفاده از مواد ریختگی حاوی گل آتشخوار، عایق کاری می شوند. یک مسئله ی متداول در مورد این بخش ها، وقتی رخ می دهد که مواد اولیه به محفظه ی ورودی می رسند و به آن می چسبند. این مسئله موجب گرفتگی سیکلون ها می شود.
در ایالات متحده ی آمریکا، به عنوان یک کشور صنعتی، دو نوع از فرایندهای تولید در صنعت سیمان استفاده می شود. این فرایندها، فرایند تر و فرایند خشک نامیده می شود. اگر چه در بسیاری از جنبه ها، این فرایندها مشابه هستند، در روش تر، مواد آسیاب شده با آب مخلوط می شوند تا بدین صورت یک دوغاب تولید شود. این در حالی است که در فرایند خشک، سنگ آهک خردایش یافته مورد استفاده قرار می گیرد و مواد اولیه بدون افزودن آب، مخلوط سازی می شوند. این مسئله منجر به بهبود بازده انرژی در فرایند خشک می شود. امروزه تکنولوژی تر جای خود را در بیشتر کشورهای دنیا، به تکنولوژی خشک داده است.
بیشترین سوختی که درایالات متحده ی آمریکا در کارخانه های سیمان استفاده می شود، زغال سنگ و کک و یا کک و مواد نفتی می باشند. از سال 1980 به بعد، به هر حال، سایر سوخت ها مانند استفاده از تایرهای فرسوده ی خودرو، موا جامد و ضایعات سمی مایع و ضایعات غیر سمی مانند روغن و حلال ها نیز به تدریج، جایگزین سوخت هایی همچون زغال سنگ و مواد نفتی شده است. استفاده از یک چنین سوخت های جایگزین به طور قابل توجه در سال های اخیر، افزایش یافته است (جدول 1). در کل، این پیشنهاد می شود که هیچ تغییر قابل توجهی در استفاده از سوخت در کوره های سیمان و از سال 1990 تاکنون اتفاق نیفتاده است، اگر چه کارخانه های مدرن نیز با تکنولوژی های پیشرفته ساخته شده اند. در سال 1997، گزارش سرشماری اقتصادی نشان می دهده که هزینه های انرژی در حدود 40 % از کل هزینه های مربوط به صنعت سیمان را تشکیل می دهد. موانع
مواد دیرگداز نقش کلیدی در عملیات کلیسیناسیون، روش تولید اصلی برای تولید سیمان و صنعت آهک، ایفا می کنند. این تخمین زده شده است که تقریباً تمام مصرف انرژی بوسیله ی دیرگدازها تحت تأثیر قرار می گیرد. بهبودهای پیشنهادی برای دیرگدازها برای استفاده در تمام بخش های فرایند کلسیناسیون با کوره ی چرخنده، مناسب می باشند. بر اساس آنالیزهای انجام شده بر روی کوره های نمونه وار و واحدهای تولید، بهبودهای انجام شده در سیستم های دیرگداز مورد استفاده در صنعت آهک و سیمان، می تواند منجر صرفه جویی کلی انرژی تا 42.3 TBtu در سال شود. موانع خاص موجود در این زمینه، عبارتند از:
• عدم دسترسی به دیرگدازهای بدون کروم برای استفاده در نواحی انتقالی کوره های آهک که در واقع در این بخش ها، دیرگدازها با نوسانات دمایی قابل توجهی مواجه می باشند.
• عدم دسترسی به دیرگدازها با مقاومت به خوردگی کافی و چسبندگی مطلوب به کوتینگ برای استفاده در ناحیه ی پخت کلینکر آهکی که در واقع بتواند دماهایی تا 1450 درجه ی سانتیگراد را تحمل کند.
• عدم دسترسی به دیرگدازهای مونولیتیک با مقاومت به سایش، مقاومت مکانیکی بالا و مقاومت به خرد شدن بالا برای استفاده در محفظه ورودی و بخش های خاصی از کوره که در واقع هم اکنون از بخش های ریخته گری شده ی سیلیکون کاربیدی در آنها استفاده می شود.
• عدم دسترسی به مواد دیرگداز مونولیتیکی با مقاومت به واکنش های قلیایی برای استفاده در بخش خنک کننده ی کوره برای جایگزینی با مواد ریخته گری با مقادیر آلومینای بالا.

روش های تحقیق و توسعه

• توسعه ی مواد دیرگداز مونولیتیکی با مقاومت بیشتر در برابر سایش و خواص چسبندگی پایین
• توسعه ی روشهایی برای اصلاح سطحی آجرهای ناحیه ی کلینکر به نحوی که تشکیل کوتینگ محافظتی بواسطه ی تغییر فیزیکی سطح دیرگداز بهبود یابد. توسعه وبهبود آجرهای اسپینل- منیزیایی و نشان دادن اثر افزودنی های زیرکونیایی بر روی آن.
• شناسایی دیرگدازهای بدون کرومی که دارای مقاومت به خوردگی بهبود یافته هستند و می تواند از آنها در فرایند تولید سیمان بهره برد.
• توسعه ی روش های غیر مخرب برای ارزیابی سایش دیرگدازها
• توسعه و بهبود دیرگدازهای ریختنی سیلیکون کاربیدی با خواص گرمایی بهبود یافته و چسبندگی کمتر نسبت به مواد اولیه ی سیمانی
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Refractories for industrial processing: opportunities for improved energy efficiency/ prepared by DOE- EERE industrial technologies program