صرفه جويي در مصرف انرژي در صنايع سيمان (1)

[Sara12]

حفاظت از منابع انرژي يک امر ضروري است که همه ي ما بايد به سمت آن برويم.اين حرکت باعث مي شود تا بر مشکل بحران انرژي دنيا چيره شويم.به طور خاص ،کشورهاي در حال توسعه علاقه مند به افزايش اطلاعات خود در زمينه ي افزايش راندمان توليد انرژي و مصرف انرژي هستند.به هر حال،عمدتاً تنها راه کار در زمينه ي اين اطلاعات از استفاده ي خردمندانه از انرژي موجود سرچشمه مي گيرد .بنابراين،اطلاعات در زمينه ي تکنولوژي هاي حفاظت از منابع انرژي و روش هاي مدرن کاهش مصرف انرژي بايد در اختيار دولت و مراکز مديريت انرژي در کشورهاي در حال توسعه قرار گيرد .اين سهولت دسترسي به اين اطلاعات بايد به گونه اي باشد که مهندسين و اپراتورهاي کارخانه هاي سيمان موجود در اين کشورها بتوانند به راحتي به اين اطلاعات دسترسي داشته باشند و به طور خاص اين مساله مهم است.که آنها به اطلاعات کاربردي در زمينه ي تکنولوژي هاي محافظت از منابع سوخت دست پيدا کنند.
در دسامبر سال 1983،سازمان توسعه ي صنعتي ملل متحد (unido)جلسه هاي منطقه اي براي مصرف بهتر از منابع انرژي ترتيب داد.اين جلسه ها که با حضور يک گروه متخصص انجام مي شد.بر روي مصرف انرژي در صنايع کوچک و متوسط کشورهاي آسيايي بحث مي کردند .
در طي اين جلسات ،اين مسأله بيان شد که براي برخي از صنايع متمرکز ،صرفه جويي در مصرف انرژي مي تواند تا بيش از 10 درصد انجام شود .که اين کار با مديريت و بازرسي انرژي در زمينه ي فعاليت هاي خانگي انجام شود.همه ي اين تجربيات باعث شد تا سازمان توسعه ي صنعتي ملل متحد برنامه اي منطقه اي براي ترفيع و کاربردي تر کردن تکنولوژي هاي صرفه جويي در مصرف انرژي را تدوين کند.اين سازمان برنامه اي کامل براي صرفه جويي در مصرف انرژي در زير بخش ها و بخش هاي مختلف صنعتي دارد يکي از اين بخش هاي صنعتي که مصرف کننده ي عمده ي انرژي است صنعت سيمان است.و براي بهبود بازده کارهاي انجامي در اين صنعت ،روش هاي مدرن صرفه جويي در مصرف انرژي تدوين گشته است.
صنعت سيمان انرژي زيادي مصرف مي کند.اين صنعت همچنين به خاطر سهم بالاي انرژي در هزينه ي کلي توليد نيز مورد توجه است.(درصد بالايي از قيمت کلي يک تن سيمان مربوط به مصرف انرژي آن است.)
در صنعت سيمان،مقدار محسوسي انرژي را مي توان با جلوگيري از خروج انرژي از کوره ها ،اصلاح و تعديل وسايل در جهت بازيافت گرما در پروسه ي توليد،صرفه جويي کرد.(اصلاح و تعديل وسايل مي تواند بواسطه ي اضافه کردن بخش هاي پيش گرم و يا خنک کننده در توليد سيمان انجام داد.)همچنين استفاده از ضايعات صنعتي نيز مي تواند درصد مصرف انرژي را کاهش دهد.
اخيراً سازمان توسعه ي صنعتي ملل متحد(unido)اين برنامه را بوسيله ي ساپورت مالي توسط دولت ژاپن در کشورهاي آسيايي در حال توسعه اجرا کرده است.اين برنامه کمک مي کند تا تکنولوژي هاي ابداعي حفاظت از منابع انرژي که در کشور ژاپن توسعه يافته است،در کشورهاي در حال توسعه ي ممتاز نيز توسعه يابد.
در اين برنامه ، بر اين مساله تاکيد مي کند که انتقال تکنولوژي هاي حفاظت از منابع انرژي بوسيله ي موارد زير ميسر مي گردد:
1)هدايت بررسي هاي انجامي بر روي مصرف انرژي و بازده در مراحل مختلف يک کارخانه.
2)تهيه ي کتاب هاي هندبوک در زمينه ي مديريت انرژي و تکنولوژي هاي حفاظت از منابع انرژي (که در اين هندبوک ها بوسيله ي بررسي هاي انجام شده در کارخانه ها تدوين مي شود.)
3)برگزاري سمينارهايي در زمينه ي بحث و ارائه ي مطالب کتاب هاي هند بوک تهيه شده (که اين سمينارها را مي توان در سطح مسئولان دولتي ،نمايندگان صنايع ،مديران کارخانه ها و مهندسين برگزار کرد.)
4)انتشار کتاب هاي هندبوک براي ديگر کشورهاي در حال توسعه (که اين کتاب ها مي تواند موجب استفاده و کاربرد بهتر بخش هاي صنعتي گردد).
تجربيات بدست آمده در هنگام اجراي اين برنامه راهنمايي مناسبي در جهت برنامه هاي آينده است.که بخش هاي ديگر صنعت را نيز درگير مي کند و نه تنها موجب پيشرفت در زمينه ي صنايع ديگر در يک مملکت مي شود بلکه موجب پيشرفت صنعت در ديگر کشورهاي در حال توسعه در ديگر مناطق مي شود.
Nido اين برنامه را همراه با پروژه ي us/ras/90/075(مصرف خردمندانه از منابع انرژي در صنعت پارچه و فولاد در مالزي واندونزي )و پروژه ي us/ras/92/035(مصرف خردمندانه از منابع انرژي در صنعت کاغذ و صنعت شيشه در فيليپين و تايلند )شروع کرد.اين پروژه ها به وسيله ي پروژه ي us/ras/93/039(مصرف خردمندانه از منابع انرژي در صنعت سراميک و صنعت سيمان در سريلانکا و بنگلادش )دنبال شد.
اين مقاله در مورد مصرف خردمندانه ي منابع انرژي در صنعت سيمان است که به وسيله ي unidoتهيه شده است.همچنين علاوه برunido،مرکز حفاظت از منابع انرژي ژاپن (ecc)نيز در اين مقاله همکاري کرده است.در اين مقاله اطلاعات خوبي در زمينه ي تکنولوژي هاي صرفه جويي در زمينه ي صنعت سيمان مهيا گشته است .که اصول بحث بر اساس برنامه ي unidoقرار گرفته است.همچنين در اين مقاله مشاهدات انجام شده در زمينه ي حفاظت از انرژي که در پروژه ي us/ras/93/039 انجام شده نيز آورده شده است.اين مقاله نه تنها براي دولت مردان يک کشور در حال توسعه مناسب است بلکه اين مقاله براي مهندسين و اپراتورهاي شاغل در کارخانجات سيمان کشورهاي در حال توسعه نيز مناسب مي باشد.و به وسيله ي آن اين افراد مي توانند بازده انرژي را در پروسه ي توليد سيمان بالا ببرند.
در پايان مقدمه ي اين مقاله از انستيتوهايي که در زمينه ي تهيه ي اين مقاله کمک کردند تشکر مي کنيم.اين انستيتو ها عبارتند از:
1)وزارت انرژي و منابع معدني بنگلادش
2)وزارت نيرو وانرژي سريلانکا
3)وزارت تجارت خارجي و صنعت ژاپن(miti)
4)مرکز حفاظت از انرژي ژاپن(ecc)

[Sara12]

-فرايند توليد سيمان
در دوره ي مصريان و يونانيان ،آهک يا گچ پخته شده و آسياب شده براي توليد سيمان بنايي استفاده مي شده است.در قرن 19ام،سيمان پرتلند در انگلستان توليد شد.اين مقاله حفاظت از انرژي در توليد سيمان پرتلند را بررسي و پوشش مي دهد.
يک کارخانه ي توليد سيمان شامل فرآيندهاي زير است:
1)فرآيند مواد خام
2)فرايند پخت کلينکر
3)فرايند آسياب پاياني
فرايند مواد خام و فرايند پخت کلينکر هر کدام به دو فرايند خشک و فرايند تر طبقه بندي مي شوند.
در فرايند تر،مواد خام بجز گچ(Plaster)خردايش پيدا مي کنند.و به ابعاد با قطر 20 ميلي متر مي رسند. اين خردايش بوسيله ي يک آسياب انجام مي شود و مواد اوليه با سرعت مناسبي که بوسيله يک توزين کننده معين مي گردد ،مخلوط مي شوند .(همانگونه که در شکل 1نشان داده شده است.)

http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/Aban/00/0003669%20%281%29.jpg
سپس آب به مواد خردايش يافته افزوده مي شوند. سپس مخلوط حاصله به وسيله ي يک آسياب نرم تر مي شوند .اين آسياب معمولاً 2تا 3/5متر قطر و 10تا 14 متر طول دارد.که دوغابي با 35تا 40 درصد آب در داخل آن آسياب مي شود.دوغاب حاصله سپس بداخل يک تانکر ذخيره سازي فرستاده مي شود.و در داخل اين تانکر که گنجايش آن چند صد تن است،به صورت يک دوغاب يکنواخت در مي آيد و از آنجا به داخل کوره ي پخت کلينکر هدايت مي شود.در فرايند تر،دوغاب به آساني مخلوط مي گردد اما مقدار زيادي انرژي براي بخار شدن آب همراه دوغاب صرف مي شود.
در فرايند خشک ،مواد خام خردايش يافته در داخل يک خشک کن استوانه اي دوار خشک مي شود .اين خشک کن استوانه اي دوار تقريباً 2مترقطر و 20متر طول دارد.و به وسيله ي يک وزن کن اتوماتيک،مواد اوليه به تانکر ذخيره سازي هدايت مي شوند.مخلوط بدست آمده سپس دوباره مخلوط گشته تا حالتي يکنواخت پيدا کند و به کوره ي دوار براي پخت کلينکر فرستاده مي شود.اين فرايند ها با توجه به خواص مواد اوليه،قيمت سوخت،موقعيت مکاني و...انتخاب مي شوند .براي فرايند تر،قيمت ساختمان کارخانه نسبتاً کمتر است . ومحصول با کيفيت به آساني توليد مي شود.به هرحال مساله ي کيفيت محصولات از يک سو و مساله ي صرفه جويي در مصرف انرژي از سوي ديگر وجود دارد .ولي مساله ي صرفه جويي در مصرف انرژي مساله ي مهمي است که مي تواند با پيشرفت تکنولوژي حل گردد.از اين رو استفاده از فرايند تر در آينده مفيد نمي باشد.

[Sara12]

2.خصوصيات مصرف انرژي در توليد سيمان

2.1مصرف انرژي

صنعت سيمان به همراه صنعت فولاد،کاغذ و پتروشيمي از جمله صنايع پر مصرف انرژي هستند.درصد قيمت سوخت در توليد سيمان پرتلند 20تا 30درصد است.اگر قيمت انرژي کاهش يابد،قيمت توليد کاهش يافته ،که نتيجه ي آن افزايش سود کارخانه مي باشد.

http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/Aban/00/0003669%20%282%29.jpg
در شکل2 نسبت جزئي مصرف سوخت و مصرف برق در کل صنايع سيمان ژاپن است.
95درصد و يا بيش از 90درصد از مصرف سوخت در زمينه ي پخت کلينکر است.تقريباً 40درصد از نيروي برق نيز براي آسياب کردن پاياني مصرف مي شود.و کمتر از 30درصد از هر کدام از اين منابع انرژي (سوخت و نيروي برق)در زمينه ي فرآيندهي انجامي بر روي مواد اوليه و فرايند پخت کلينکر مصرف مي گردد.فرآيند آسياب کردن پاياني عمدتاً با استفاده از نيروي برق انجام مي شود که اين نيروي برق براي گردش آسياب ها استفاده مي شود .در فرآيند پخت کلينکر نيز برق مصرفي براي فن هاي خنک کننده مصرف مي شوند. فرآيند خردايش مواد اوليه حجم زيادي از انرژي را براي آسياب ها و دمنده ها مصرف مي کند.
فرايند توليد سيمان در ژاپن عمدتاً به وسيله ي کوره هاي SP،NSPانجام مي شود.و زغال سنگ نيز به عنوان سوخت مصرف مي شود.بنابراين نسبت مصرف برق به وسيله ي فرايند پخت کلينکر بالاست.در کارخانه هايي که عمدتاً از کوره ي فرآيند تر استفاده مي شود،فرآيند آسياب کردن پاياني نيروي زيادي مصرف مي کند که علت آن را در بالا ذکر کرديم.در چنين مواردي ،حفاظت از انرژي را بايد با تمرکز بر روي مصرف سوخت در فرايند پخت کلينکر و فرايند آسياب کردن پاياني (مصرف الکتريسيته)انجام داد.
2.2فرآيند خردايش مواد خام

2.2.1فرايند تر

ازآنجايي که مواد خام توسط اين روش به خوبي هموژن مي شوند ،نسبت اختلاط مواد اوليه حتي پس از خردايش نيز مي تواند تصحيح شود.اين فرايند نسبتاً ساده است.در شکل 3يک مثال آورده شده است.

http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/Aban/00/0003669%20%283%29.jpg

[Sara12]

فرآيند خشک
شکل4 نشان دهنده ي سه فرايند cوbوaاست.مواد اوليه ي رسيده به کارخانه داراي درصد کمي رطوبت هستند .سنگ آهک تقريباً 2تا5درصد آب و خاک رس تقريباً 5تا 10 درصد آب دارد.در فرآيند خشک اين نياز وجود دارد که در هنگام خردايش آب آن تبخير شود.در شکل 4فرايند aبه وسيله ي يک خشک کن مجزا انجام مي شود که در اين فرآيند آب موجود در مواد اوليه به وسيله ي يک رپيد دراير (rapid dryer)يا ايمپکت دراير(Impact dryer)تبخير مي شود.عملکرد خشک شدن در کنار عمل خردايش صورت مي گيرد .يعني به جاي اينکه از يک خشک کن دوار استفاده شود،در حين خردايش ،مواد خشک مي شوند.

http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/Aban/00/0003669%20%284%29.jpg
در شکل 4فرايند c مثالي از يک آسياب غلطکي عمودي است.براي خشک کردن ،از گازهاي احتراق خروجي از کوره و گازهاي پيش گرم شده بهره مي گيرند ،اما در بعضي اوقات که درصد رطوبت مواد اوليه در بخشي از سال بيش تر مي شود،از مبدل هاي گاز داغ نيز بهره برده مي شود.
2.3فرايند پخت کلينکر

2.3.1فرايند تر

يک مثال خاص از فرايند شامل يک کوره ي استوانه اي مي شود که داراي طولي 40برابر قطر داخلي استوانه است.اين کوره معمولاً با نام long economical kilnمعروف است و با شيبي تقريباًٌ 2/5تا 4درصد و به آهستگي با سرعت بين 0/5تا 1/5دور بر دقيقه (rpm)در حال چرخش است.مواد اوليه که به صورت يک دوغاب با 38تا 40 درصد آب است از انتهاي بالاتر کوره به داخل آن تزريق مي شود در حالي که سوخت از سمت پايين تر کوره در حال سوختن است.در محل ورودي مواد خام،يک منطقه ي داراي پرده هاي زنجير مانند وجود دارد .که اين بخش زنجير وار کمک مي کند تا دوغاب خشک شود.کلينکرهاي داغ که در کوره زنيتر شده اند به سرد کننده فرستاده مي شوند .و دماي آن ها به 100تا 80 درجه ي سانتي گراد مي رسد.هواي خروجي از سرد کننده بطور مؤثر به عنوان هواي ثانويه براي احتراق در کوزه استفاده مي شود.

http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/Aban/00/0003669%20%285%29.jpg
شکل 5 توزيع دما در کوره را نشان مي دهد.
همانگونه که از شکل بالا مشخص شده است کوره ي فرايند تر داراي خصوصيات ممتازي است که اجازه مي دهد که 4 فرايند خشک شدن دوغاب ،پيش گرم شدن،کلسينه شدن و زنيترينگ مواد اوليه مجموعاً در داخل آن اتفاق بيفتد.
از آنجايي که سيستم ساده است و به آساني کار مي کند .فقط يک بار نياز است تا شرايط عملياتي بهينه گردد. که اين وضعيت را مي توان به آساني پايدار کرد.از سوي ديگر،تبخير تقريباً 40 درصد آب از دوغاب نياز به يک حجم بزرگ از حرارت به مقدار تقريبي 400kcal براي هر کيلو گرم از کلينکر دارد.به عنوان يک نتيجه ي کلي،مصرف زياد سوخت در کوره هاي مورد استفاده در فرايند تر،يک عيب بزرگ است که در همه ي انواع کوره هاي موجود در فرايند تر نيز وجود دارد.به عنوان يک اقدام متقابل براي کاهش مصرف سوخت استفاده از يک فيلتر که مواد اوليه را با 18تا 20درصد آب و به صورت فيزيکي دي هيدراته مي کند ممکن است انجام شود.در اين مورد،به هر حال ،از آن جايي که کاهش دماي کوره به مقدار 500 درجه سانتي گراد مشکل است ،اقدام متقابل ديگر براي صرفه جويي در مصرف انرژي استفاده از گازهاي خروجي براي توليد انرژي برق مورد نيار است بنابراين به ناچار مجبوريم که سيستم را پيچيده تر کنيم.

[Sara12]

2.3.2فرايند نيمه خشک

فرايند نيمه خشک يک مثال خاص از فرايند خشک است که دراين فرآيند از يک کوره ي ليپول (lepol kiln)يا يک کوره ي شافت (shaft kiln)استفاده مي شود.در هر دو نوع کوره،مواد اوليه در فرايندي خشک، آسياب مي شوند و به شکل گلوله با قطر 10 تا 15ميلي متر در مي آيند که علت اين گلوله اي شدن اضافه نمودن 13 درصد آب است.در مورد کوره ي ليپول ،گلوله هاي توليدي خشک شده و به وسيله ي يک پيش گرم کننده ي متحرک (movable grate preheater)،پيش گرم مي شوند .شکل اين پيش گرم کننده ي متحرک در شکل 6آمده است .

http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/Aban/00/0003669%20%286%29.jpg
پس از اين مرحله گلوله ها به کوره تزريق مي شوند .اين سيستم اولين بار به عنوان راه کاري براي مجزا نمودن فرايند پيش گرم مواد اوليه در کارخانجات سيمان مورد استفاده قرار گرفت .که دراين روش فرايند پيش گرم و فرايند پخت به صورت مجزا و با وسايل با بازده گرمايي بالا انجام مي شود.ولي هنگامي که کوره هاي با پيش گرم متعلق (sp kiln)ابداع شد، اين نوع کوره موقعيت خود را از دست داد ولي به خاطر آنکه اين نوع کوره مصرف انرژي را کاهش مي دهد مورد اشاره قرار گرفت.
در کوره ي شافت،سوخت (کک،کک نفتي يا آنتراسيت (زغال سنگ خشک و خالص))در فرايند گلوله اي شدن مواد اوليه اضافه مي شود .تمام فرايندهاي خشک شدن،زنيتر شدن و سرد شدن در يک بستر متحرک عمودي انجام مي شود.اين روش قبل از بوجود آمدن کوره ي دوار (rotary kiln)مورد استفاده قرار مي گرفت .اخيراً (همانگونه که در شکل 7ديده مي شود)،کوره ي شافت با سيستم خروج مواد مداوم به طور عمده در چين و هند مورد استفاده قرار مي گيرد (اين سيستم خروج مواد در انتهاي کوره تعبيه مي شود).اين پيشرفت ها در تکنولوژي کوره از لحاظ صرفه جويي در مصرف سوخت مناسب است ولي اين جايگزيني کوره ها ضررهايي نيز دارد زيرا در حالت پايدار احتراق و يکنواختي کيفيت خلل وارد مي کند .لازم به ذکر است که اين اختلالات قابل جلوگيري نيز هستند.

http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/Aban/00/0003669%20%287%29.jpg
2.3.3فرايند خشک

در فرايند خشک يک کوره با طول زياد و يک کوره با ديگ (boiler)وجود دارد.کوره هاي مورد استفاده در اين فرايند SP kilen،NSP kilenهستند.
کوره هاي با طول زياد (که به صورت خشک کار مي کنند )عمدتاً در کشورهاي آسياي ميانه و آسياي نزديک مورد استفاده قرار مي گيرد.در اين کشورها ،باران کمتر مي بارد.بنابراين درصد عناصر قليايي در مواد اوليه بيشتر مي باشد.خصوصيات اين کوره شبيه به کوره ي با طول زياد در فرايند تر است.در آسياي جنوب شرقي ،آمريکاي مرکزي و جنوبي و آمريکاي شمالي ،عمدتاً از کوره هاي با طول زياد مورد استفاده در فرايند تر بهره برده مي شود.

http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/Aban/00/0003669%20%288%29.jpg
در شکل 8گذر سيستم هاي توليد ژاپن ديده مي شود .اين به نظر مي رسد که فرايند تر در حال جايگزيني بسيار سريع با فرايند خشک مي باشد.اين مساله انعکاسي از نياز به حفاظت از منابع انرژي است.و اين مطلب را پيشنهاد مي کند که کارخانجات سيمان در آينده بايد به صورت خشک عمل کنند.
سرعت مصرف انرژي در فرايند NSPتقريباً 750 کيلو کالري بر کيلوگرم کلينکر است.دراين رابطه ،کوره ي با طول زياد فرايند تر ممکن است مصرفي بين 1500تا 1700کيلو کالري بر کيلوگرم کلينکر داشته باشد.به استثناي موارد خاص سرعت مصرف انرژي در کوره ي فرايند نيمه خشک ممکن است بين 1000تا 1200کيلو کالري بر کيلو گرم کلينکر باشد.
شکل 9يک کوره ي SPبا يک چرخه ي 4مرحله اي (کوره ي فرايند خشک کردن با پيش گرم 4مرحله اي)نشان داده شده است.با اضافه کردن يک سيستم کلسينه کننده به شکل يک کوره ي NSPنتيجه مي شود .عموماً ،گازهاي خروجي از کوره هاي NSPوSPکه دمايي بين 350 تا 380درجه سانتي گراد دارد.براي خشک کردن مواد اوليه و توليد الکتريسيته استفاده مي شود.(همانگونه که در شکل 10مي بينيد).
2.4فرايند آسياب کردن پاياني

بطور کلي فرايند آسياب کردن پاياني به صورت زير تقسيم بندي مي شود:
1)سيستم آسياب کردن مدار باز
2)سيستم آسياب کردن مداربسته
آسياب استفاده شده در شکل 11 که مي تواند يک تيوپ ميل و يا يک بال ميل باشد(a)يک چرخه ي بسته و (b)يک چرخه مدار باز مي باشد.
در آسياب مدار باز ،پوسته ي آسياب طولي 4يا 5 برابر قطر آن دارد .که اين مساله موجب ايجاد نرمي مورد نظر ما در مواد اوليه مي شود.و ديواره هاي بيروني آسياب نيز با آب خنک سازي مي شود .که علت آن جلوگيري از بالا رفتن دماي محصولات داخل آسياب است.اين امر نيز امکان پذير است که آب به داخل آسياب پاشيده شود.اما اين کار مي تواند موجب کاهش کيفيت محصول توليدي شود.
در آسياب مدار بسته ،آسياب طولي 3برابر قطر دارد که اين مساله باعث تسريع در حرکت محصول توليدي مي شود.در اين روش کارهاي جداگانه اي مانند سرد کردن محصول و دانه بندي آنها نيز انجام مي شود.