Cement plant description

توصیف کارخانه سیمان

فرآیندهای تولید سیمان

(I) شرح کلی

روند تولید سیمان (در شکل 2-2 نشان داده شده) نیاز به سه مرحله دارد:

آماده سازی مواد اولیه:

خورد کردن مخلوطی از مواد خام برای ایجاد یک ترکیب خام.

سوزاندن کلینکر (Pyro-processing):

حرارت دادن ترکیب خام به دمای تف جوشی > 1400 درجه سانتیگراد در یک کوره سیمان برای تولید کلینکر.

آماده سازی سیمان:

خورد کردن کلینکر تهیه شده با سنگ گچ و دیگر مواد افزودنی برای ساخت سیمان.

شکل 2-2: طرح ساده ی فرایند تولید سیمان

معمول ترین مواد اولیه مورد استفاده برای تولید سیمان عبارتند از سنگ آهک، مارل ها و رس (اگرچه دیگر مواد نیز می توانند استفاده شوند). مواد انتخاب شده خرد شده و مخلوط می شوند و برای تولید یک ترکیب خام مناسب، جهت استفاده در فرایندهای پیش رو آماده می شوند. برای تهیه 1 تن کلینکر به علت کلسینه شدن جزء سنگ آهک ترکیب خام، تقریبا 1.50-1.60 تن از مخلوط خشک (خام) لازم است.

مرحله دوم در این فرآیند شامل انتقال مخلوط خام به سیستم کوره ای است که در آن به تدریج گرم می شود. واکنش های شیمیایی متوالی با افزایش دمای ترکیبات خام صورت می گیرد. مراحل این واکنش در جدول 2-3 نشان داده شده است.

جدول 2-3: واکنش های شیمیایی کوره (CEMBUREAU، 1999)

به طور معمول، برای تکمیل واکنش ها و تولید آلیت (ساختار مشخصی از سیمان پرتلند)، دمایی در حدود 1400-1450 درجه سانتیگراد لازم است. ذوب جزئی باعث می شود که مواد به توده یا گره معروف به کلینکر اضافه شوند و سپس توسط هوا تا دمای 100 تا 200 درجه سانتیگراد خنک شوند. گرمای آزاد شده از سیستم کوره معمولا برای خشک کردن مواد خام در بخش آسیاب خام فرآیند تولید استفاده می شود. یک کلینکر معمولی از ترکیبات نشان داده شده در جدول 2-4 تشکیل شده است.

جدول 2-4: ترکیب کلی کلینکر سیمان (IEA GHG، 1999)

مرحله نهایی در فرایند تولید شامل خورد کردن کلینکر به همراه مواد افزودنی مانند گچ، سنگ آهک، سرباره کوره ذوب گرانول و خاکستر بادی، برای کنترل خواص سیمان است.

مسیرهای 4 گانه فرآیند در ‘کارخانه’

سه مرحله تولیدی که قبلا ذکر شد، در چهار راه اصلی فرآیندی “کارخانه” مشترک می باشند که سیمان می تواند تولید شود. این مسیرهای فرآیند بر اساس مقدار رطوبت خوراک وارد شده به کوره متمایز می شوند و به شرح زیر شناخته می شوند:

فرآیند مرطوب: مواد خام در آب ریخته می شوند، به منظور تشکیل دوغاب که به طور مستقیم به کوره و یا ابتدا به خشک کن تزریق می شوند.

فرایند نیمه مرطوب: دوغاب خام ابتدا در پرس های فیلتردار آب بندی می شود و قرص فیلتر شده به صورت گلوله های فشرده شده خارج می شود و به یک سیستم گرمایش کوره یا به طور مستقیم به یک خشک کن قرص فیلترشده برای تولید مخلوط خام تزریق می شود.

نیمه خشک: مخلوط خام خشک با آب مخلوط می شود و قبل از کوره یا یک کوره بلند مجهز به زنجیر و تقاطع به یک پیش گرم کن شبکه ای تزریق می گردد تا تبادل گرما بین خوراک کوره و گازهای احتراق تسهیل شود.

فرآیند خشک: مواد خام خشک می شوند تا یک ترکیب خام را به شکل یک پودر ایجاد کنند. مخلوط خام خشک به داخل کوره پیش گرم کننده یا پیش کلسینه کننده و یا به ندرت به یک کوره خشک بلند تغذیه می شود.

هر فرایند نیاز به یک روش اصلاح شده و استفاده از تجهیزات در دو مرحله اول از سه مرحله تولید دارد، به عنوان مثال مراحل خرد کردن و پردازش گرمایی. این موارد در بخش های زیر بررسی شده است.

از لحاظ تاریخی، فرایند تولید کلینکر شامل استفاده از سیستم های “مرطوب” تا “خشک” و مراحل واسطه ​​نیمه مرطوب و “نیمه خشک” می باشد. اولین کوره دوار، که حدود سال 1895 معرفی شد، کوره های مرطوب بلند بود (CEMBUREAU، 1999). کوره های “مرطوب” باعث ترکیب و همگن سازی آسان تر مواد خام می شوند. با این حال، با توسعه فن آوری، امکان تولید مخلوط خام همگن با استفاده از فرایند خشک ایجاد شد. فرایند تولید “خشک” نیاز به انرژی کمتری دارد و بنابراین هزینه های سوخت پایین تر از روند مرطوب است و بنابراین به طور کلی ترجیح داده می شود که در مواردی که امکان پذیر باشد مورد استفاده قرار گیرد.

فرآیند مرطوب

در فرایند مرطوب، تهیه مخلوط خام به وسیله خورد کردن مواد خام خشک با آب در آسیاب شستسشو یا آسیاب گلوله ای با پوشش لاستیکی به دست می آید. دوغاب حاصل در مخازن دوغاب که در آن هوای فشرده نگهداری می شود مخلوط شده و مخلوط دوغاب به طور مداوم برای تولید دوغابی با ترکیب ثابت هم زده می شود.

در فرآیند مرطوب متعارف، این دوغاب مایع غلیظ، که ممکن است 30-40٪ محتوی آب باشد، به طور مستقیم به کوره که در آن آب در منطقه خشک شدن در ورودی کوره تبخیر می شود تزریق می شود. این منطقه خشک شدن با مانع های زنجیره ای پر می شود که باعث تبادل حرارت بین دوغاب و گازهای خروجی حاصل از احتراق سوخت در کوره می شود، جریان معکوس عبوری به همراه دوغاب، کوره را تغذیه می کنند. پس از گذر از منطقه خشک شدن، ماده خام از طریق منطقه پیش گرم شدن به کوره منتقل می شود تا کلسینه شود و در ناحیه متخلخل کوره به کلینکر تبدیل شود. تکنولوژی کوره مرطوب متعارف دارای مصرف گرمای زیادی است و حجم زیادی از گازهای خروجی تولید می کند. در سیستم های کوره مرطوب تر، آب قبل از ورود به کوره در یک خشک کن خمیر، از خمیر خام خارج می شود. مواد شیمیایی “رقیق کننده”  دوغاب ممکن است افزوده شوند تا دوغاب بتواند با کمترین میزان آب به کوره منتقل شود. این سیستم های مدرن کوره مرطوب دارای مصرف حرارت پایین تر نسبت به کوره های مرطوب متعارف هستند.

در این فرآیند مصرف سوخت بالاتر است (در حدود 5000 تا 7000 کیلوژول بر کیلوگرم کلینکر) اما مصرف انرژی معمولا 110 تا 115 کیلووات ساعت در هر تن سیمان (کمپانی شیمی، 2007) پایین تر است.

فرایند نیمه مرطوب

همانطور که در فرایند مرطوب، ترکیب خام مورد استفاده در فرایند نیمه مرطوب به عنوان یک دوغاب آماده می شود. برخلاف فرایند مرطوب، دوغاب قبل از ورود به پیش گرم کن برای پیش گرم شدن، کلسینه شدن و تشکیل کلینکر، در خشك كننده فشاری، خشك می شود.

مصرف سوخت فرایند نیمه خشک و نیمه مرطوب حدود 3500-5000 کیلوژول بر کیلوگرم کلینکر است. مصرف انرژی به طور معمول در محدوده 115-120 کیلووات ساعت در هر تن سیمان است (World Chemical، 2007).

فرآیند نیمه خشک

در فرایند نیمه خشک، مخلوط خام پودر خشک در یک تابه گره سازی با افزودن 10-13٪ آب به گلوله هایی تبدیل می شود. گلوله ها بر روی یک پیش گرم کن شبکه ای بارگذاری شده، خشک و پیش گرم می شوند و مخلوط خام را به طور جزئی کلسینه می کنند. سپس گلوله ها را برای تکمیل کلسینه شدن و ترکیب با کلینکر به کوره می فرستند.

در صورت استفاده از فرآیند نیمه خشک، گازهای خروجی کوره در روند خشك كردن و خورد کردن مخلوط خام به دلیل دمای پایین آنها مورد استفاده قرار نمی گیرند. این مشکل و نیز وجود هزینه های بالای نگه داری از شبکه گرمایش سیستم باعث شده که فرایند نیمه خشک دیگر در کارخانه های سیمان مدرن استفاده نشود.

مصرف سوخت روند نیمه خشک و نیمه مرطوب حدود 3500-5000 کیلوژول در کیلوگرم کلینکر است. مصرف انرژی به طور معمول در محدوده 115-120 کیلووات ساعت در هر تن سیمان است (World Chemical، 2007).

فرایند خشک

در فرایند خشک، مواد خام در یک دستگاه ترکیبی خشک و خورد سازی خشک می شوند تا رطوبت به کمتر از 1٪ کاهش یابد. مواد در آسیاب گلوله ای یا یک آسیاب غلتکی خورد می شوند و خشک شدن مواد توسط دستگاه با گازهای خروجی از کوره حاصل می شود. ظرفیت خشک کردن سیستم آسیاب خام ممکن است توسط کوره های تولید هوای کمکی تکمیل شود. سپس پودر ترکیب مواد خام خشک شده، مخلوط و با ترکیبی که با هوای فشرده تهيه شده است همگن سازی می شود.

سپس ترکیب خام مخلوط شده و همگن شده به طور معمول به یک پیش گرم کن تعلیق گازی قبل از یک کوره دوار کوچک منتقل می شود. این پیش گرمکنها شامل مبدل حرارتی پیوسته و طبقه های سیکلونی جمع آوری هستند که در بالای یکدیگر به صورت یک سری در برج قرار می گیرند. کلسیناسیون جزئی مخلوط خام، قبل از ورود مخلوط به بخش روتاری کوره، صورت می گیرد.

علاوه بر این، یک پیش کلسینه کننده می تواند بین کوره و پیش گرم کن تعبیه شده باشد، که کلسیناسیون ترکیب خام را قبل از اینکه وارد کوره شود، کامل کند. پیش کلسینه کننده ظرفیت کوره را افزایش می دهد و مصرف انرژی را کاهش می دهد.

مصرف سوخت در این فرایند کم است و در محدوده 2750-4000 کیلوژول در کیلوگرم کلینکر قرار دارد. مصرف انرژی در محدوده 120-125 کیلووات ساعت در هر تن سیمان (World Chemical ، 2007) است. با این وجود، مدرن ترین کارخانه سیمان فرایند خشک می تواند مصرف برق در محدوده 80-100 کیلووات ساعت در هر تن سیمان، با استفاده از تجهیزات آسیاب فشرده سازی برای آسیاب ترکیب خام به جای آسیاب های گلوله ای، داشته باشد. تولید سیمان مخلوط نیز به طور گسترده ای برای کاهش مصرف انرژی برق واحد مورد استفاده قرار می گیرد.