کوره پخت آهک

کوره پخت آهک در صنایع شیمیایی جهت تولید آهک زنده از سنگ آهک (کلسیم کربنات) به کار می‌رود.در این کوره‌ها سنگ آهک با دیدن حرارت بالا بین ۹۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد، تکلیس شده و به کربن دی اکسید و آهک تبدیل می‌شود:

CaCO_۳ + heat → CaO + CO_۲

در این کوره‌ها به طور معمول مخلوطی از سنگ آهک و زغال سنگ به طور لایه لایه قرار داده می‌شود.پس از روشن کردن کوره، زغال سنگ سوخته و حرارت بالایی تولید می‌کند که موجب تجزیه سنگ آهک می‌شود.کرب دی اکسید تولیدی از بالای کوره خارج شده و آهک زنده در کوره باقی می‌ماند.

 

مقایسه عملکرد انواع کوره های پخت آهک

بررسی فرآیند تولید آهک

در روشی که برای تولید آهک وجود دارد ابتدا سنگ آهک از معدن به کارخانه انتقال یافته و ذخیره می گردد.سپس به ابتدای خط تولید که یک فیدر(خوراک دهنده) می باشد منتقل می گردد.سنگ معدن توسط فیدر به داخل سنگ شکن ریخته شده و دانه بندی مورد نظر بدست می آید. این دانه بندی متناسب با نوع کوره و روش پخت آهک که در مرحله بعد صورت می گیرد،از حداقل یک تا حداکثر ۱۴ سانتیمتر می باشد. درجه سختی سنگ آهک ۳و وزن مخصوص آن ۷۱/۲گرم بر سانتیمتر مکعب می باشد.سنگ آهک خرد شده توسط یک نوار نقاله به یک سرند منتقل می گردد و با سرند کردن مواد دانه های ریز کمتر از آنچه برای کوره مورد نیاز می باشد از سایر دانه ها جدا شده و توسط نوار نقاله در محل مشخصی ذخیره میگردد(این دانه ها به عنوان پودر سنگ و شن و ماسه آهکی به عنوان محصول فرعی کارخانه محسوب می شوند.)

مواد با دانه بندی مورد نیاز نیز به یک انبار(محوطه روباز دپوی سنگ) منتقل می گردد. در این مرحله سنگ آهک خرد شده با دانه بندی مورد نظر آماده انتقال به کوره می باشد.با توجه به تولید حدود ۲۰%ضایعات زیرسایز در مرحله خردایش، چنانچه امکانات انجام این فرآیند در محل معدن فراهم باشد بهتر است که این مراحل در آنجا انجام گیرد و سنگ دانه بندی شده به محل کارخانه انتقال یابد.در کوره عمل تکلیس سنگ آهک صورت گرفته ودر درجه حرارت حدود ۹۰۰تا ۱۲۰۰درجه سانتیگراد(متناسب با نوع سنگ آهک و نوع کوره) سنگ آهک به آهکاکتیوتبدیل میگردد.CaCO3CaO+CO2این واکنش شیمیایی را کلسینیشن۲یا پخت آهک می گویند.از هر ۱۰۰گرم سنگ آهک ۵۶گرم آهک اکتیو و ۴۴گرم گاز کربنیک بدست می آید.

به طور معمول برای پخت آهک از کوره های مختلفی استفاده می گرددکه در ادامه به معرفی و مقایسه عملکرد آنها پرداخته می شود.

مقایسه انواع کوره های پخت آهک

معمولا انتخاب بهترین و مناسب ترین فرآیند تولید براساس فاکتورها و عوامل متعددی صورت میگیرد که اهم آنهاعبارتنداز:

–قابلیت تولید محصول با مشخصات لازم

–نیاز به سرمایه گذاری کمتر

–راندمان بالا تر تولید

–هزینه نگهداری و تعمیرات کمتر

–مصرف انرژی کمتر

–سایز سنگ آهک قابل دسترس

در کوره های مختلف تولید آهک صنعتی،قسمت آماده سازی، انتقال و ذخیره سازی سنگ آهک دانه بندی شده با یکدیگر مشابه بوده وتفاوت عمده ای با یکدیگر ندارد. تفاوت اساسی برای تولید محصول به نوع استفاده بستگی دارد.

کوره های دوار

این نوع کوره ها متشکل از یک لوله با قطر و طول های مختلف بسته به ظرفیت تولید ،یک سیستم چرخاننده و رولهای نگهدارنده می باشد.لوله و یا بدنه اصلی کوره از داخل توسط آجر نسوز عایق گردیده و در مرکز خروجی کوره،مشعلی با ظرفیت حرارتی متناسب نصب گردیده است.خوراک یا سنگ آهک با دانه بندی یک دست از سمت مقابل مشعل وارد و در اثر شیب موجود با شروع دوران به سمت خروجی به آرامی حرکت می نماید. مقدارسنگ آهک موجود در کوره حداکثر ۲۰درصد حجم کوره را اشغال می نماید و ۸۰درصد حرارت مشعل صرف گرم کردن سطوح غیر موثر کوره می گردد.به دلیل افزایش بیش از حد وزن ، استفاده از لایه نسوز ضخیم امکانپذیر نمی باشد و در نتیجه بخش قابل توجهی از انرژی به صورت تشعشع مادون قرمز از بدنه کوره منتشر می گردد.

از طرفی لایه نسوز تحت تنش مکانیکی حاصل از چرخش بدنه کوره بوده که دارای عمر مفید کوتاهی می باشد.در عمل اضافه نمودن پیش گرمکن و کولر در ابتدا و انتهای کوره تاثیر چندانی در افزایش راندمان حرارتی کوره ندارد.کوره های دوار برای تولید آهک و دولومیت در کشورهای توسعه یافته به دلیل استهلاک و نیزمصرف انرژی زیاد و ایجاد آلودگی زیست محیطی منسوخ گردیده به شکلی که در اروپا تقریبا هیچ کوره دواری برای تولید آهک و دولومیت کلسینه به کار گرفته نمی شود.

 

کوره های شفت

نوع رایج دیگری ازکوره ها،کوره شفت عمودی میباشد.این نوع کوره رامی توان به عنوان یک سیلندر فولادی مقاوم ایستاده که با مواد نسوز پوشانده شده توصیف کرد .سنگ آهک ازبالای کوره شارژ شده ودرهمان حین که به آرامی به سمت پایین حرکت میکند تا تخلیه گردد، فرآیند کلسینیش انجام می گردد   . مزیت اصلی کوره عمودی برکوره های دوار بازدهی بالاتر سوخت ،کاهش قابل ملاحظه در استهلاک و نیاز به تعمیر و نگهداری می باشد.

یک اپراتور میتواند به راحتی راهبری کوره را به عهده بگیرد. عمر پوشش نسوز کوره ها کمتر از۸ سال نخواهد بود .هزینه اجرایی نهائی کوره های عمودی درمقایسه با کوره های دوار با ظرفیت مشابه کمی بالاتر میباشد ولی پائین بودن هزینه های جاری وتعمیر و نگهداری و نیز کاهش قابل ملاحظه مصرف سوخت که شاخص ترین سرفصل هزینه های جاری میباشد، سودآوری سرمایه گذاری را تضمین می نماید.

 

انواع کوره های شفت

کوره های شفت با تکنولوژی ابتدائی

کوره ها از نظر ظاهری شبیه به کوره های شفت فیوژن می باشند، ولی دارای تکنولوژی کاملا متفاوت و ابتدائی هستند.در این کوره ها سقفی بخش پیش گرمکن را از بخش منطقه پخت جدا مینماید.درقسمت جدایش فضای خالی وجود دارد که مشعل های کوره از نوع دمنده معمولی در تعداد  ۸الی ۱۲در محیط کوره نصب شده اند. مشعل ها به صورت نقطه ای هر یک بخشی از سنگ آهک داخل کوره را هدف قرار می دهند. در نقطه هدف مشعل،دما بیش از اندازه افزایش می یابد و در فضای بالا و پائین و بین مشعل ها اما به حد کافی نمی رسد درنتیجه کیفیت محصول کاملا غیریکنواخت می باشد.از سوی دیگر به دلیل مسیر ارتباطی ایجاد شده بین منطقه پخت کوره و فضای بیرون از طریق مجرای دمنده مشعل ها، امکان افزایش فشار منفی در داخل کوره میسر نمی باشد لذا فشار داخل کوره همان فشار اتمسفریک می باشد.با این فشارسایز سنگ مصرفی۷الی۱۴سانت می باشد چرا که با کاهش سایز سنگ و باریک شدن فضای بین سنگها میزان هوای ورودی کوره کاهش پیدا کرده و خروج گازهای حاصل از احتراق با مشکل مواجه می گردد.این ایراد درکوره های شفت فیوژن با سیستم تزریق پیشرفته که دارای فشار منفی داخلی می باشد مرتفع گردیده واین کوره ها را قادر می سازد ضمن پخت یکنواخت و تولید محصول مرغوب با مصرف انرژی بهینه،سنگ هائی با سایز ۲٫۵الی۳سانتیمتر را نیز به راحتی پخت نماید.بدین ترتیب ضایعات حاصل از فرآیند خردایش و تولید سنگ دانه بندی شده به شدت کاهش می یابد.

کوره های سینگل شفت فیوژن

کوره های شفت با تکنولوژی فیوژن آخرین تکنولوژی تولید آهک و دولومیت کلسینه می باشد که با مصرف بهینه انرژی، هزینه تعمیر و نگهداری بسیار پائین، استهلاک ناچیز، راهبری تمام اتوماتیک ، محصولی مرغوب وبا قیمت تمام شده کاملا اقتصادی تولید می نماید.

سازه اصلی این کوره ها به صورت ستونی ایستاده با ارتفاعی حدود ۳۶ متر از سطح زمین می باشد که شارژ سنگ آهک از قسمت بالائی کوره انجام می گیرد.

سنگ آهک پس از خروج از هاپر و جداسازی خاک و زیر سایز، توسط سیستم بالابرنده به قسمت ورودی سنگ آهک منتقل می گردد.سیستم شارژ کوره به صورت  Air Lock طراحی گردیده که فشار منفی داخل کوره به صورت کامل حفظ گردد.سنگ آهک تمام فضای داخلی کوره را اشغال می نماید و پس از مدت حدود ۲۴ ساعت با عبور از منطقه پیش گرم با دمای ۸۰۰-۲۰۰ درجه سانتیگراد، سپس منطقه کلسینیشن با دمای ۱۰۵۰-۸۰۰درجه سانتیگراد و بعد از آن با عبور از منطقه خنک کننده تا دمای حدود ۵۰ درجه خنک گردیده و توسط سیستم تخلیه از محیط کوره خارج می گردد.در سر فصل هزینه های جاری یک واحد تولیدی آهک، هزینه سوخت و تعمیر و نگهداری اصلی ترین بخش ها می باشد. کاهش یا افزایش این سرفصل های هزینه، سودآوری یا غیراقتصادی بودن سرمایه گذاری را رقم میزند.در این کوره ها دمای گاز خروجی حدود ۲۰۰ درجه سانتیگراد و محصول خروجی حدود ۵۰ درجه سانتیگراد می باشد و با توجه به ضخامت لایه نسوز که حدود  ۶۰سانتیمتر است، دمای بدنه کوره حتی در منطقه پخت بیش از  ۵۰درجه سانتیگراد نخواهد بود.بدین صورت کاملا واضح است که تقریبا تمامی انرژی حرارتی حاصل از سوختن سوخت صرف واکنش کلسینیشن و تولید محصول گردیده و کوره دارای راندمان حرارتی بسیار مطلوبی می باشد.

در این کوره ها، به دلیل ثابت بودن بدنه کوره، اجزا متحرک بسیار کم و محدود می باشد و بنابراین استهلاک و هزینه تعمیر و نگهداری تجهیزات بسیار کم و غیر قابل مقایسه با کوره های دوار می باشد. از سوی دیگر این کوره ها با کنترل جریان هوای ورودی، نه تنها باعث انتشار حرارت به بیرون از کوره نمی شوند بلکه باعث ایجاد گاز دی اکسید کربن(CO2)با غلظت حدود  ۲۵درصد شده که مناسب برای فرآیند تولید کربنات کلسیم رسوبی (PCC) نیز میباشد.

کوره های دبل شفت

این نوع از کوره های شفت برای تولید آهک با ظرفیت ۳۰۰تا ۱۰۰۰تن در روز کاربرد دارد.

کوره های دبل شفت به دلیل استهلاک بالای تجهیزات تزریق هوا، آسیب دیدن لایه های نسوز به دلیل شوک حرارتی مداوم، مصرف برق زیاد و احتیاج مداوم به تعمیر و نگهداری، دارای هزینه بهره برداری بالاتری نسبت به کوره های سینگل شفت دارند. این هزینه ها پس از ۵ سال کارکرد افزایش بیشتری می یابد.مصرف گاز در کوره های دبل شفت نسبت به کوره های سینگل حدود ۳الی ۴ درصد کمتر می باشد ولی این کوره ها به دلیل نیاز به تزریق هوای تحت فشار،مصرف برق زیادی در به کارگیری کمپرسورهای هوای فشرده داشته و از طرف دیگر به دلیل روش پخت متناوب ایجاد شوک حرارتی می نماید که آسیب جدی به لایه نسوز وارد می نماید.در مجموع برای واحدهائی با ظرفیت ۳۰۰تن تا ۱۰۰۰تن در روز برای تولید آهک اکتیو با مصارف عمومی، کوره های دبل شفت با در نظر گرفتن مشکلات آن می تواند پیشنهاد می گردد.این در حالی است که به دلیل هزینه پایین تعمیر و نگهداری کوره های سینگل شفت بسیاری از سرمایه گذاران اقدام به نصب چند کوره سینگل ۱۰۰تنی برای تولید آهک با ظرفیت بیشتر می نمایند.در حال حاضر چندین کوره دبل شفت در ایران در حال کار می باشند که با بررسی های انجام شده، این شرکت ها با مشکلات و هزینه های عمده ای در بهره برداری مواجه می باشند.

شرح فرآیند پخت آهک در کوره های دبل شفت

این کوره ها در واقع دو ستون ایستاده می باشند که از میانه به یکدیگر متصل شده اند و به تناوب هر یک عملیات پخت را انجام می دهند.در سیکل تناوبی اول جریان هوا از بالا تحت فشار کمپرسورها وارد کوره شده و به سمت پائین جریان می یابد تا به منطقه پخت برسد.در این ناحیه با احتراق سوخت دمای حدود ۱۰۰۰درجه تولید و واکنش کلسینیشن انجام می گیرد. در ادامه گازهای حاصل از احتراق به سمت پائین ادامه مسیر داده و از کانال ارتباطی به شفت دوم کوره راه پیدا کرده و از مسیر آن به سمت بالا حرکت کرده و خارج می گردد.این عمل پس از اتمام سیکل کاری متوقف شده و با معکوس شدن جهت جریان هوا عملیات پخت در ستون کوره دوم تکرار میگردد .با توجه به شرح فرآیند پریودیک این کوره ها تغییرات دمای مداوم در لایه نسوز اتفاق می افتد که به شدت عمر مفید آنها را کاهش میدهد و از سوی دیگر با توجه به جهت جریان هوای گرم در یک ستون کوره از بالا به پائین نیازمند مصرف انرژی زیادی برای تهیه هوای تحت فشاربرای مقابله با افت فشار زیاد ناشی از گذر جریان گاز از مسیر طولانی دو ستون کوره و نیز مقابله با اصول ترمو دینامیکی انتقال هوای گرم از بالا به پائین می باشد.

اجزای کوره های عمودی 

کوره دارای سه قسمت منطقه پیش گرمکن،منطقه پخت و منطقه خنک کننده می باشد مشعل های کوره دراطراف آن و در منطقه پخت تعبیه میشوند. کوره شفت از قسمت های زیر تشکیل شده است:

–اسکلت فلزی

 اسکلت فلزی شامل بدنه کوره،سیستم ایرلاک شارژ سنگ آهک،سیستم تخلیه آهک پخته راهروها وطبقات مختلف و همچنین دودکش ها و لوله های هوا رسانی و سیلیکون غبارگیر می باشد.

–لایه نسوز

در این بخش ازچندلایه مختلف از مواد نسوز (انواع آجرهای نسوز) و سایر مواد و مصالح جهت جلوگیری از اتلاف حرارت وصرفه جویی در انرژی استفاده شده است . با توجه به شرایط موجود در کوره،لایه نسوز تحت تاثیر شوک حرارتی بالا، سایش مکانیکی، تنش شیمیایی و ساختاری قرار می گیرد و لازم است این بخش از مواد نسوز با مقاومت خوب در مقابل خوردگی شیمیایی، سایش مکانیکی و پایداری در مقابل حرارت بالا و تغییرات ناگهانی دما تهیه گردد.

–تاسیسات

شامل اتصالات و شیرهای تنظیم،فن هاو سایر ملزومات سوخت رسانی و تزریق هواکه جهت رساندن به مشعل ها به کار می رود، می باشد همچنین تجهیزات تامین هوای خنک و فشار هیدرولیک را نیز شامل می شود.

 

تجهیزات برقی و ابزار دقیق: (اتوماسیون و کنترل های کامپیوتری)

لوازم برقی و ابزار دقیق شامل تابلوهای برق،اتاق کنترل،ترموکوپل و پیزومتر،لیمیت سوئیچ،شیرآلات برقی و سایر تجهیزاتی می شوند که برای کنترل درجه حرارت،حرکت های مکانیکی و هیدرولیکی توسط سیستم کنترلر کامپیوتری پیشرفته زیمنس۱۳مانیتور شده و مورد کنترل قرارمی گیرد. با توجه به این موارد کاملاً واضح است که اتلاف انرژی در این کوره ها بسیار کم و تولید با صرفه اقتصادی زیادی همراه است.جهت تولید پودر آهک هیدارته، محصول خروجی از کوره شفت که وزن شده است توسط نوار نقاله به سمت دستگاه هیدراتور انتقال داده می شود.ظرفیت مناسب تولید برای این کوره ها بین  ۵۰الی ۱۵۰تن در ۲۴ساعت است.مصرف سوخت این کوره هاحدود ۱۷۰متر مکعب گاز طبیعی و kWh40برق به ازای هر تن محصول می باشد.