کوره های کلسیناسیون

کلسیناسیون چیست؟

کلسیناسیون یک فرایند تصفیه حرارتی است که در آن مواد آمورف یا سایر مواد جامد در زیر نقطه ذوب تحت اتمسفر هوا و یا کنترل شده، حرارت داده می شوند. این فرایند برای ایجاد تجزیه گرمایی، حذف فازهای ناپایدار و یا انتقال فاز انجام می‌شود. به طور معمول، کوره‌های کلسیناسیون تا دمای فرایند ۸۰۰ سانتی گراد الی ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد گرم می‌شوندکه بستگی به کاربرد و نوع موادی که می خواهند کلسینه کنند دارد. سایر پارامترهای این فرایند می‌توانند شامل فشار بخر و اتمسفر محیط بر روی فرایند کلسیناسیون تاثیر گذار باشند.در واقع کلسیناسیون یک فرایند گرم کردن ماده تحت دمای کنترل شده و در یک محیط کنترل شده می باشد.

کلسیناسیون و یا احیا کردن، گام مهمی در تولید رنگدانه های کادمیوم برای دستیابی به ویژگی های خاص رنگدانه است. دمای پایه پایین تر باعث ایجاد سایه روشن تر در رنگدانه می شود اما این کار را با قدرت کمتری انجام می دهد. در حالی که درجه حرارت بالاتر باعث سایه پررنگ تر و عمیق تر در رنگدانه می شود. این فرایند نیز نقش مهمی در رنگدانه های دی اکسید تیتانیوم ایفا می کند.

گاهی از کلسیناسیون به عنوان حرارت دهنده ای با دمای بالا در هوا یا اکسیژن یاد می شود. همچنین از آن برای ایجاد یک فرایند تصفیه حرارتی و یا تامین محدود هوا یا اکسیژن برای سنگ معدن و سایر مواد جامد در جهت ایجاد یک تجزیه گرمایی استفاده می‌شود.

فرایندهای کلسیناسیون

فرایندها شامل موارد زیر می باشند:

تجزیه سنگ معدن مانند کربنات کلسیم که به عنوان کلسیناسیون از سنگ آهک برای دفع کربن دی‌اکسید را استفاده می شود.
تجزیه مواد معدنی هیدراته مانند کلسیناسیون فلز و گچ، برای حذف آب متبلور شده به عنوان بخار آب.
تجزیه و تحلیل ماده فراری که شامل پلیمرها می باشد.
اعمال حرارت برای تغییر فاز، همانند تبدیل آناتاز به روتایل یا جداسازی مواد شیشه‌ای
حذف یون‌های قلیایی و اسیدی

واکنش های کلسیناسیون

واکنش های کلسیناسیون معمولا در درجه حرارت تجزیه یا بالاتر برای تجزیه و انتقال فاز رخ می دهد. این درجه حرارت معمولا به عنوان دمایی تعریف شده است که در آن انرژی آزاد گیبس برای یک واکنش خاص برابر با صفر می باشد.

در علم کیمیاگری، کلسیناسیون یکی از ۱۲ فرایند حیاتی مورد نیاز برای تبدیل یک ماده می باشد.کیمیاگران دو نوع کلسیناسیون، واقعی و بالقوه را تشخیص دادند:

نوع واقعی با آتش واقعی از چوب، ذغال‌سنگ یا سوخت دیگری ایجاد می شود که با افزایش آنها تا دمای خاصی بالا می‌رود.
کلسیناسیون های بالقوه ناشی از آتش سوزی بالقوه مانند مواد شیمیایی خورنده است. به عنوان مثال در یک کوره بازتابی یا القایی، طلا با جیوه و سدیم آمونیاک ، نقرع با نمک معمولی و نمک قلیایی، مس با نمک و گوگرد، آها با نمک آمونیوم و سرکه، قلع با آنتیموان، سرب با گوگرد و جیوه با تیزاب کلسیناسیون شد.

انواع

آنها در انواع مختلفی ساخت و استفاده می شوند. از جمله انواع مختلف:

کوره باکسی
کوره های دوار یا پیوسته
کوره های معلق یا القایی

کوره‌های آن می‌توانند در پیکربندی خود تغییر کنند اما معمولا آن‌ها یا به صورت کوره های باکسی، دمشی، شعله ای و خلا هستند. زمانی که یک نمونه مواد در کوره ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، اغلب برای اطمینان از یکنواختی در محصول نهایی به حرکت در می‌آید.

کوره‌های شعله ای به گونه ای ساخته می‌شوند که منبع گرما با نمونه‌ای که در حال کلسیناسیون است، ارتباط برقرار نمی کند و به طور معمول از آهن، آجر یا خاک رس ساخته می‌شوند. در این نوع کوره ، منبع گرما به طور مستقیم با نمونه تماس پیدا می‌کند.

کوره‌های متناوب یا کوره‌های القایی، کوره پیوسته ای می باشد که در آن قبل از اینکه نمونه خارج شود، کوره‌ به طور دوره‌ای سرد می‌شود. در حالی که نمونه در یک کوره کلسیناسیون بازتابی بدون هیچ نوع عمل سرد کردنی، کلسینه می‌شود. کوره‌های پیوسته به دلیل صرفه‌جویی در مصرف انرژی و زمان، یک انتخاب مناسب می باشند.

انواع مختلف کوره کلسیناسیون

کلسیناسیون پروسه انتقال حرارت است که در آن مواد معدنی یا سایر مواد در دمایی کمتر از نقطه ذوب خود حرارت می بینند. اینکار در غیاب اتمسفر هوا انجام می شود. این پروسه به این دلیل انجام می شود تا از تجزیه حرارتی جلوگیری شود، مواد فرار موجود از داخل نمونه ها خارج شوند و از استحاله فازی جلوگیری شود. کلسیناسیون قدمت بسیار طولانی در تاریخ دارد و بخشی از شاخه کیمیاگری به حساب می آمده است. کوره های متنوعی برای کلسیناسیون وجود دارد. از این رو در این مقاله به بررسی انواع کوره کلسیناسیون می پردازیم.

به طور رایج کوره هایی برای کلسیناسیون استفاده می شوند که در بازه دمایی ۸۰۰ تا ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد قرار داشته باشند. این بازه دمایی برای کلسیناسیون مواد مختلف متغییر است. دیگر پارامتر های کلسیناسیون باعث ایجاد مقادیر مختلف پروفیل حرارتی برای نمونه می شوند. پیکر بندی کوره های کلسینه سازی متنوع است اما به صورت کلی آنها به صورت بی صدا یا مافل، تکرار کننده، شفتی یا کیلن موجود هستند. در این کوره ها برای اطمینان از کلسیناسیون کامل، نمونه ها چرخانده می شوند تا حرارت به طور یکسان به نمونه وارد شود.

مافل ها به گونه ای طراحی شده اند که منبع گرما تماس مستقیم با نمونه نداشته باشد. جنس این کوره ها اغلب از آهن، خاک و آجر نسوز است. در اجاق های کلسیناسیون تکرار کننده، برخلاف حالت قبل، نمونه با منبع گرما در تماس مستقیم است. کوره های شفتی یا کیلن ها هم به صورت دوره ای و هم به صورت پیوسته موجود هستند. کوره های کلسیناسیون دوره ای قبل از اینکه نمونه برداشته شود سرد می شوند. در حالی که نمونه در کیلن پیوسته بدون هیچ گونه برداشتی سرد می شود. با توجه به صرفه جویی در انرژی و هزینه کوره های شفتی پیوسته گزینه بسیار محبوبی هستند.

کاربرد های کوره کلسیناسیون

کاربرد های اصلی کوره کلسیناسیون عبارتند از:

حذف آب از نمونه، این آب در واقع همان رطوبتی است که از محیط جذب نمونه می شود
حذف مواد فرار مانند دی اکسید گوگرد و کربن
اکسید کردن بخشی از نمونه یا کل آن
کاربرد اصلی این ابزار آلات تولید صمت است. صمت از تجزیه کربنات کلسیم به اکسید کلسیم و کربن دی اکسید ایجاد می شود.
از کلسینه کردن در تولید زئولیت نیز استفاده می شود تا بتوان یون های آمونیم را حذف کرد.
کاربرد های دیگر کوره های کلسینه سازی در جداسازی شیشه و جداسازی مواد تأثیر گذار بر استحاله های فازی می باشد.

کلسیناسیون و تشویه مواد معدنی

فرآیند کلسیناسیون (تجزیه‌ی حرارتی) عموما به واکنش‌هایی گفته می‌شود که مواد معدنی کربناتی مانند دولومیت، سنگ‌آهک و … در دما و زمان مناسب در کوره‌ به مواد معدنی اکسیدی تبدیل می‌شوند. در صنایع مختلف مانند صنایع آهک و سیمان، صنعت تولید گچ، صنعت شیشه، صنایع آهن و فولاد، صنعت نسوز، صنایع قند و شکر، صنعت تولید منیزیم و … از فرآیندهای کلسیناسیون مواد معدنی استفاده می‌شود. کلسیناسیون و یا پخت مواد معدنی بسته به نوع فرآیند، در کوره‌هایی با قابلیت‌های مختلف انجام می‌شود. کوره‌های دوار و انواع کوره‌های عمودی از جمله کوره‌های مورد استفاده در فرآیندهای کلسیناسیون مواد معدنی هستند.

همچنین از فرآیندهای تشویه برای تبدیل مواد معدنی سولفیدی به مواد اکسیدی استفاده می‌شود. تشویه سنگ معدن سرب و روی، سنگ معدن سولفیدی مس و … از جمله رایج‌ترین فرآیندهای تشویه می‌باشد که عموما در کوره‌های دوار یا بسترسیال صورت می‌گیرد. استفاده از کوره‌های بسترسیال برای تشویه مواد معدنی از جمله روش‌های مدرن محسوب می‌شود که دارای راندمان بالا و میزان مصرف انرژی پایین‌تری نسبت به کوره‌های رایج است.

بررسی انواع کوره‌های کلسیناسیون و تشویه مواد معدنی

کوره‌های عمودی کلسیناسیون مواد معدنی

کوره‌های عمودی پخت مواد معدنی از لحاظ پروفیل گرمایی شامل ۳ منطقه مجزا می‌باشند که عبارتنداز:

منطقه پیش‌گرم: جایی که مواد معدنی در آن در اثر حرارت خشک شده و تا نزدیکی دمای تکلیس حرارت می‌بیند.
منطقه تکلیس: منطقه تجزیه ماده معدنی در اثر حرارت.
منطقه خنک‌کننده: منطقه خنک نمودن ماده معدنی پخته شده به کمک دمنده‌ها.

در بین مناطق فوق‌الذکر، شرایط کاری منطقه تکلیس بیشترین تاثیر را روی کیفیت ماده معدنی تولیدشده دارد. گرمای مورد نیاز این منطقه باید قدرت تامین درجه حرارتی بالاتر از درجه حرارت تکلیس ماده معدنی را داشته باشد. با توجه به نوع طراحی، کورههای عمودی به ۲ دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

کوره تک‌محفظه ای
کوره دومحفظه ای

وره‌های تک‌محفظه‌ای

کوره‌های تک‌محفظه‌ای به چند دسته مختلف تقسیم می‌شوند:

الف) کوره شارژ مخلوط (Mixed feed kilns)

در نوع ابتدایی کوره های عمودی که در آنها از شارژ چند لایه شامل مخلوطی از سنگ و سوخت جامد (ذغال) در قسمت بالایی کوره (منطقه پیش گرم) استفاده می شود، عبور جریان هوای گرم از پایین به بالا از میان شارژ سبب شعله ور شدن ذغال فرار و انجام عملیات تکلیس می‌شود و محصول نهایی از پایین کوره تخلیه میگردد.

ب) کوره وست (West kilns)

اساس این کوره بر تعبیه کاربراتورهای نفتی در بدنه منطقه تکلیس استوار است. در این قسمت بخار نفت در برخورد با گازهای داغی که از منطقه خنک کننده می‌آید، شعله‌ور شده و سبب تامین انرژی پخت مواد معدنی می‌شود.

ج) کوره وستوفن(Westofen kiln)

تنها تفاوت این نوع کوره با کوره وست در تعداد مشعل ها و سوخت آن می باشد. در این نوع کوره با توجه به استفاده از گاز طبیعی به جای نفت، علاوه بر بازده بیشتر و آلودگی کمتر، به انرژی اضافی جهت تبخیر نفت نیز نیازی نمی باشد.

کوره‌های دو محفظه‌ای

از سال ۱۹۶۰ میلادی، مدل جدیدی از کوره های عمودی به نام کوره های دو محفظه ای با تکیه بر صرفه جویی و بهینه کردن مصرف انرژی ارائه گردید. .خصوصیت مشترک این کوره ها استفاده از ۲ یا چند محفظه مجزا، مرتبط و کنار هم می باشد که در آنها با ابداع تکنیک جریان گاز احیا کننده (Regenerative Flow) تحول بزرگی در کاهش مصرف انرژی و استفاده بیشتر از حرارت گاز خروجی ایجاد شده است. در یک چرخه متوالی، گاز داغ خروجی از محفظه ای که در آن فرآیند به کمک حرارت گاز طبیعی در جریان است به محفظه کناری که خاموش است، منتقل شده وباعث بازیابی انرژی حرارتی محفظه اول میشود. در این کوره‌ها، جریان گاز داغ حاصل از اشتعال سوخت در منطقه اشتعال، از میان شارژ مواد معدنی عبور کرده و سپس توسط داکت‌های واسط به محفظه دوم وارد می‌شود و به شکل غیر هم جهت از میان شارژی که به سمت پایین کوره میرود، حرکت می‌کند. بدین ترتیب محفظه دوم نقش رکوپراتور را برای محفظه اول بازی می‌کند و پس از گذشت زمان مشخص پخت، عملکرد مذکور برای دو محفظه برعکس می‌شود. مشکل نقطه داغ و کانال‌های سرد در این کوره به حداقل می رسد.

کوره‌های دوار کلسیناسیون مواد معدنی

کوره دوار تجهیزی برای تولید یک محیط با دمای بالا در فرآیندهای پیوسته است. کاربرد این نوع کوره بیشتر در صنایع سیمان، آهک و استخراج فلزات است. ساختمان کوره دوار یک استوانه توخالی فلزى است که با شیب کمی نسبت به افق به دور محور خود دوران میکند. با توجه به ظرفیت درخواستی از کوره دوار و زمان ماند مواد در کوره ابعاد، سرعت دوران و شیب کوره تعیین می شود. کوره توسط یک سیستم محرک دوران می کند و مشعلی که در انتهای آن قرار دارد، درجه حرارت لازم برای تغییرات شیمیایی مواد را فراهم می‌کند. کوره های دوار از لحاظ جریان حرارت نسبت به جریان مواد، هندسه و ابعاد کوره، نوع سیستم محرک، تعداد پایه ها، موقعیت قرارگیری مشعل و … دارای انواع مختلفی هستند.

حرارت در کوره به واسطه مشعل با سوختن گاز یا دیگر مواد سوختی تولید می شود. جریان سیال با دمای زیاد از درون استوانه عبور کرده و دمای مواد را به تدریج از ابتدا استوانه تا انتهای آن افزایش میدهد، در طی عبور مواد از ابتدا تا انتهای کوره همراه با افزایش دما فرآیندهای شیمیایی مورد نظر نیز به صورت پیوسته انجام میشود. جهت حرکت مواد در داخل کوره نسبت به جهت حرکت سیال داغ با توجه به طراحی کوره میتواند هم جهت یا متقابل باشد. با توجه به نوع فرآیند، از تجهیزاتی مانند پیش‌گرم‌کن و یا کولرهای استاتیک یا دوار در کنار کوره دوار استفاده می‌شود.

کوره بسترسیال تشویه مواد معدنی

جهت انجام فرآیند تشویه عمدتا از کوره بسترسیال که شیوه‌ای مدرن به حساب می‌آید، استفاده می‌گردد. عموما در این فرآیند مواد معدنی سولفیدی به اکسیدی و یا مقداری مواد سولفاتی تبدیل می‌شود. کوره بسترسیال که از تجهیزات کلیدی واحد تشویه است با یک هود قارچی شکل و بدنه کوره واگرا (به منظور افزایش سرعت خطی هوا) طراحی می‌شود. این کوره به صورت پیوسته می‌باشد و کلسین خروجی به صورت سرریز از خروجی پایینی در خود کوره خالی می‌شود و بخش دیگر آن به صورت غبار از بالای کوره جمع‌آوری می‌شود.

محتوای تغلیظ یافته در لایه سیالی کوره به طور کامل با هوا و اکسید مخلوط می‌شود و به طور همزمان انتقال حرارت، انتقال جرم و انتقال مومنتم نیز صورت می‌گیرد. ماده معدنی تولید شده برای یک مدت زمان مشخص در کوره باقی می‌ماند و سپس از مجرای سرریز تخلیه می‌شود. گردوغبار جمع‌آوری شده توسط سیستمِ جمع‌آوری گردوغبار که از بویلر بازیافت حرارتی و سیکلون و نیز فیلتر الکترواستاتیکی حاصل می‌شود، خنک می‌شود و در صورت نیاز با محصول کوره مخلوط می‌گردد.

در کوره بسترسیال تشویه سولفید، سولفیدهای آهن، روی، مس و سایر فلزات در دماهای بین ۶۰۰ الی ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد با هوا اکسید شده و به اکسیدهای فلز و گاز دی‌اکسید گوگرد تبدیل می‌شوند. بعد از پاک‌سازی و خنک‌سازی، دی‌اکسید گوگرد موجود در گاز حاصل از تشویه، می‌تواند به عنوان خوراک واحد تولید سولفوریک اسید فرآوری شود.

انواع کوره هاى آهک پزى

١ کوره ى تنوره اى: این کوره قدیمى ترین کوره ى آهک پزى در کشور، پس از کوره هاى چاهى محسوب مى شود. در این نوع کوره ها بوته (هیزم) و سنگ آهک به صورت لایه لایه و مخروطى روى هم قرار مى گیرند و پس از گل مالى شدن، کوره را روشن مى کنند. از این کوره براى آهک پزى کم تر استفاده مى شود.
٢ کوره ى حلقه اى: این کوره بیش تر براى آهک پزى به کار مى رود و مانند کوره هاى آجرپزى هوفمان است.
٣ کوره ایستاده: این کوره بیش تر براى تهیه آهک معمولى یا آهک مورد نیاز کارخانه هایى مانند قند به کار مى رود. خرده ى سنگ آهک را از بالا در این کوره مى ریزند تا ضمن حرکت به سوى پایین کوره و پخته شدن، از ته کوره تخلیه شوند.

۴ کوره دوار: کار این کوره مانند کوره سیمان پزى است. سنگ آهک کلوخه به درون کوره هدایت مى شود و کلوخه آهک زنده از آن بیرون مى رود.