دراسة حالة من خط إنتاج الكلنكر بسعة 5000 طن يوميًا في الصين

خلاصة

مع تزايد الضغوط التي تواجهها صناعة الإسمنت لخفض انبعاثات الكربون، يزداد استخدام الوقود البديل يستمر استخدام الوقود البديل في إنتاج الكلنكر في التوسع. ومع ذلك، فإن أنواع الوقود ذات المحتوى الرطوبي العالي والقيمة الحرارية المنخفضة والتركيب غير المستقر غالباً ما تتسبب في عدم الاستقرار الحراري والاحتراق غير الكامل وتكوين الرواسب عند حقنها مباشرة في أنظمة التكليس التقليدية.

تُقدّم هذه المقالة تطبيق نظام التسخين المسبق المتدرج (SSP) في شركة جينتشنغ شانشوي هيجو للأسمنت المحدودة في الصين. من خلال إضافة غرفة احتراق مخصصة قبل المُكلس، يُتيح النظام التجفيف والتحلل الحراري واحتراق أنواع الوقود البديلة على مراحل قبل دخولها إلى نظام الفرن. تُظهر نتائج التشغيل معدلات استبدال مستقرة تتراوح بين 20 و25%، إلى جانب تحسين استقرار الفرن، وزيادة كفاءة الاحتراق، وانخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وفوائد اقتصادية كبيرة.

1. مقدمة

مع استمرار تشديد أهداف إزالة الكربون على مستوى العالم، تتعرض صناعة الأسمنت لضغوط متزايدة لتقليل استهلاك الوقود الأحفوري وخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

في السنوات الأخيرة، ازداد الاهتمام باستخدام الكتلة الحيوية، والنفايات الصلبة الصناعية، والوقود المشتق من النفايات، وأنواع الوقود البديلة الأخرى في إنتاج الكلنكر. وبالمقارنة مع الفحم التقليدي، توفر هذه الأنواع من الوقود مزايا بيئية واضحة. ومع ذلك، فإن استخدامها على نطاق واسع يطرح تحديات تشغيلية كبيرة.

تحتوي العديد من أنواع الوقود البديلة على مستويات رطوبة عالية، وقيمة حرارية غير مستقرة، وتوزيع غير متجانس لحجم الجسيمات. عند حقن هذه المواد مباشرةً في المُكلِّس، قد يؤدي التبخر السريع للرطوبة إلى الإخلال بالتوازن الحراري للنظام، مما يُسبب تقلبات في درجة حرارة المُكلِّس.

في الوقت نفسه، غالباً ما لا تقضي جزيئات الوقود الكبيرة وقتاً كافياً في الفرن، مما يؤدي إلى احتراق غير كامل. وقد تؤدي المواد غير المحترقة التي تدخل مدخل الفرن إلى زيادة دوران الكبريت والقلويات، مما يزيد من خطر التراكمات وعدم استقرار الطلاء ومشاكل جودة الكلنكر.

لذلك أصبح توفير وقت ومساحة احتراق كافيين للوقود الصعب شرطًا أساسيًا لتحقيق معدلات استبدال أعلى دون المساس باستقرار الفرن.

ولمعالجة هذه التحديات، قامت شركة جينتشنغ شانشوي هيجو للأسمنت المحدودة بتطبيق نظام التكليس المسبق المتدرج على خط إنتاج الكلنكر الخاص بها الذي تبلغ طاقته 5000 طن يوميًا.

2. نظرة عامة على المشروع

2.1 خلفية المشروع

تم تنفيذ المشروع في خط إنتاج الكلنكر الواقع في مقاطعة شانشي، الصين.

تضمنت الأهداف الرئيسية ما يلي:

• خفض استهلاك الفحم
• زيادة استخدام أنواع الوقود البديلة
• خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون
• تحسين استقرار تشغيل الفرن

كانت سعة معالجة الوقود البديل المصممة 10-15 طن في الساعة، مع معدل استبدال مستهدف يبلغ 20-251 طن في الساعة وإمكانية تصميم قصوى تبلغ 281 طن في الساعة.

2.2 أنواع الوقود

يعتمد المشروع بشكل أساسي على:

• بقايا فورفورال
• نفايات الكتلة الحيوية
• نفايات المنسوجات
• حبيبات وقود RDF
• النفايات الصلبة الصناعية

يمثل مخلفات الفورفورال وقودًا صعبًا بشكل خاص نظرًا لمحتواه العالي من الرطوبة الذي يتراوح بين 40-50% وقيمته الحرارية المنخفضة نسبيًا التي تبلغ حوالي 2000 كيلو كالوري/كجم.

3- محددات الحقن المباشر للسائل الرجفان الأذيني

تُسبب عملية الحقن المباشر التقليدية في التكليس العديد من التحديات التشغيلية عند التعامل مع أنواع الوقود البديلة منخفضة الجودة.

3.1 عدم الاستقرار الحراري

يؤدي التبخر السريع للرطوبة داخل الكلسين إلى امتصاص كميات كبيرة من الحرارة ويخلق انخفاضات موضعية في درجة الحرارة، مما يخل باستقرار الكلسين.

3.2 الاحتراق غير الكامل

غالباً ما تفشل جزيئات الوقود الكبيرة في الاحتراق بالكامل بسبب عدم كفاية وقت الإقامة داخل المكلس.

3.3 زيادة دوران الكبريت والقلويات

قد تؤدي المواد المحترقة جزئياً إلى خلق ظروف اختزالية تكثف دورات الكبريت والقلويات، مما يزيد من خطر التراكمات وتكوين الحلقات.

3.4 تقلبات جودة الكلنكر

قد تساهم الجزيئات غير المحترقة التي تدخل نظام الفرن في تكوين الكلنكر ذي النواة الصفراء وعدم استقرار جودة الكلنكر.

تُظهر الخبرة التشغيلية أن القيد الرئيسي لا يقتصر فقط على جودة الوقود نفسها، ولكن أيضًا على عدم وجود مساحة احتراق كافية داخل تكوين الكلسين الحالي.

4. محلول التكليس المسبق المتدرج

4.1 مفهوم النظام

يقدم نظام SSP غرفة احتراق مخصصة في الجزء العلوي من المكلس، مما يسمح للوقود البديل بإكمال التجفيف والتحلل الحراري ومعظم عملية الاحتراق قبل دخول نظام الفرن الرئيسي.

بالمقارنة مع الحقن المباشر، فإن هذا التكوين يقلل بشكل كبير من الاضطراب الحراري لعملية الفرن.

4.2 مكونات النظام الرئيسية

يتكون نظام SSP بشكل أساسي من:

• نظام تخزين ونقل الوقود
• نظام تغذية مزدوج اللولب
• غرفة احتراق متدرجة
• نظام احتراق الهواء الثلاثي
• نظام تحريك مدفع الهواء
• نظام مراقبة درجة الحرارة عبر الإنترنت
• نظام مراقبة بالكاميرات ذات درجة حرارة عالية
• نظام التحكم الآلي PLC

يتضمن النظام 17 مرحلة إجمالاً:

• منصة واحدة للتجفيف والإشعال
• 15 خطوة احتراق
• قسم تصريف واحد

5. وصف العملية

يتم نقل أنواع الوقود البديلة إلى صومعة تخزين مؤقتة قبل دخولها إلى محطة معالجة المياه عبر مغذيات لولبية مزدوجة.

5.1 مرحلة التجفيف

يدخل الوقود أولاً إلى منصة التجفيف العلوية.

يوفر الهواء الثالثي ذو درجة الحرارة العالية من مبرد الكلنكر، عند حوالي 880 درجة مئوية، كلاً من الحرارة وهواء الاحتراق.

يحدث تبخر الرطوبة تدريجياً داخل الحجرة المخصصة، مما يمنع حدوث تقلبات شديدة في درجة الحرارة داخل المكلس.

5.2 مرحلة التحلل الحراري والاحتراق

بعد التجفيف، تتحرك المواد القابلة للاشتعال إلى أسفل عبر مراحل الاحتراق.

تعمل فوهات مدافع الهواء بشكل دوري على تحريك طبقة الوقود، مما يحسن الاضطراب ويزيد من ملامسة الأكسجين.

يتم نقل الجزيئات الدقيقة والخفيفة الوزن إلى الكلسين مع تيار الغاز الساخن، بينما تبقى الجزيئات الأكبر حجماً على الدرجات السفلية لمزيد من الاحتراق.

تعمل آلية الاحتراق المرحلي هذه على تحسين كفاءة الاحتراق بشكل كبير.

5.3 التحكم في وقت الإقامة

يمكن تعديل وقت الإقامة عن طريق تغيير تردد مدفع الهواء، وحجم الهواء الثالثي، ومعدل التغذية.

اعتمادًا على خصائص الوقود، قد تبقى المواد داخل نظام SSP لمدة تصل إلى 20 دقيقة.

6. الأداء التشغيلي

6.1 معدلات استبدال أعلى

حقق النظام معدلات استبدال مستقرة تتراوح بين 20 و25%، مع إمكانية تصميم قصوى تبلغ 28%.

6.2 تحسين استقرار الفرن

نظراً لحدوث تبخر الرطوبة والاحتراق الأولي داخل نظام SSP، فقد انخفضت تقلبات درجة حرارة المكلس بشكل كبير.

أظهرت نتائج التشغيل ما يلي:

• تشغيل أكثر استقرارًا للفرن
• انخفاض الاضطراب الحراري
• انخفاض خطر التراكم
• تحسين استمرارية النظام

6.3 تحسين جودة الكلنكر

أدى انخفاض نسبة المواد غير المحترقة المتبقية إلى تقليل مشاكل الكلنكر ذي النواة الصفراء وزيادة استقرار جودة الكلنكر.

6.4 الفوائد البيئية

من المتوقع أن يساهم المشروع في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بحوالي 20000 طن/سنة.

لا يُنشئ التصميم المتكامل عبر الإنترنت أي نقاط انبعاث إضافية، في حين أن ظروف درجات الحرارة العالية داخل نظام الفرن تدعم تدمير المركبات العضوية المتطايرة والملوثات العضوية الأخرى.

تساهم ظروف الاختزال المحلية داخل النظام أيضًا في انخفاض انبعاثات أكاسيد النيتروجين وتقليل استهلاك الأمونيا.

6.5 الفوائد الاقتصادية

باستخدام بقايا الفورفورال كمثال:

• الوفورات السنوية من الفحم: حوالي 11300 طن
• وفورات سنوية في تكاليف الوقود: حوالي 7.9 مليون يوان صيني
• التوفير السنوي في الكهرباء: حوالي 170,000 يوان صيني
• قيمة خفض الكربون السنوية: حوالي 2 مليون يوان صيني

إجمالي الفائدة الاقتصادية السنوية يتجاوز 3.6 مليون يوان صيني.

7 توصيات تشغيلية

7.1 إدارة جودة الوقود

يوصى بخلط أنواع الوقود ذات القيم الحرارية المختلفة ومحتوى الرطوبة لتقليل التقلبات الحرارية.

7.2 التحكم في درجة الحرارة

تم تضمين مدخل للوجبات النيئة لامتصاص الحرارة الزائدة ومنع ارتفاع درجة الحرارة الموضعية.

7.3 الأتمتة المتقدمة

تساهم عملية التحكم الآلي في معدل التغذية وتدفق الهواء الثانوي وتشغيل مدفع الهواء في تحسين استقرار النظام وكفاءة الاحتراق.

8. الخاتمة

مع استمرار زيادة استخدام الوقود البديل في صناعة الأسمنت، أصبحت طرق الحقن المباشر التقليدية غير كافية بشكل متزايد للتعامل مع أنواع الوقود الصعبة منخفضة الجودة.

يوضح مشروع جينتشنغ أن جهاز التسخين المسبق ذو الدرج يوفر بيئة احتراق مستقرة وفعالة للوقود عالي الرطوبة ومنخفض السعرات الحرارية، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة الاحتراق ومعدلات الاستبدال مع تقليل الاضطراب الحراري لنظام الفرن.

بالإضافة إلى تحقيق وفورات كبيرة في الفحم وخفض انبعاثات الكربون، تعمل هذه التقنية أيضًا على تحسين استقرار الفرن وجودة الكلنكر، مما يوفر مسارًا عمليًا لانتقال صناعة الأسمنت إلى صناعة منخفضة الكربون.