کلسیناسیون و تشویه مواد معدنی
مقدمه
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.
شرکت دانش‌بنیان آرامیکو ضمن طراحی انواع مختلف کورههای صنعتی کلسیناسیون و تشویه مواد معدنی توانسته است تا به دانش فنی طراحی مهندسی، ساخت و راه‌اندازی کوره‌ها دست یابد و تیم متخصص این شرکت ضمن انجام تحقیقات و پژوهش‌های متعدد و بهینه‌سازی پارامترهای فرآیندی در مقیاس‌های آزمایشگاهی و نیمه صنعتی، طراحی و ساخت انواع کورههای کلسیناسیون و تشویه مواد معدنی را در مقیاس صنعتی در کارنامه حرفه‌ای خود ثبت کرده است.
بررسی انواع کورههای کلسیناسیون و تشویه مواد معدنی
کورههای عمودی کلسیناسیون مواد معدنی
کورههای عمودی پخت مواد معدنی از لحاظ پروفیل گرمایی شامل 3 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 2 دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
- کوره تکمحفظهای
- کوره دومحفظهای
کورههای تکمحفظهای
کورههای تکمحفظهای به چند دسته مختلف تقسیم می‌شوند:
الف) کوره شارژ مخلوط (Mixed feed kilns)
در نوع ابتدایی کورههای عمودی که در آنها از شارژ چند لایه شامل مخلوطی از سنگ و سوخت جامد (ذغال) در قسمت بالایی کوره (منطقه پیشگرم) استفاده میشود، عبور جریان هوای گرم از پایین به بالا از میان شارژ سبب شعلهور 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 مشعلها و سوخت آن میباشد. 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 نمیباشد.
کورههای دو محفظهای
از سال 1960 میلادی، مدل جدیدی از کورههای عمودی به نام کورههای دو محفظهای با تکیه بر صرفهجویی و بهینهکردن مصرف انرژی ارائه گردید. .خصوصیت مشترک این کوره ها استفاده از 2 یا چند محفظه مجزا، مرتبط و کنار هم میباشد 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 محفظهای 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 همجهت 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 میرسد.
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 يک 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 میشود. کوره توسط یک سیستم محرک دوران میکند و مشعلی که در انتهای آن قرار دارد، درجه حرارت لازم برای تغییرات شیمیایی مواد را فراهم میکند. کورههای دوار از لحاظ جریان حرارت نسبت به جریان مواد، هندسه و ابعاد کوره، نوع سیستم محرک، تعداد پایهها، موقعیت قرارگیری مشعل و … دارای انواع مختلفی هستند.
حرارت در کوره به واسطه مشعل با سوختن گاز یا دیگر مواد سوختی تولید میشود. 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 600 الی 1000 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.