كيفية استعادة الحرارة بفعالية من أفران الأنفاق؟ -1
بقلم جيمس يانغ ١١ ديسمبر ٢٠٢٣
1. الوضع الحالي
تستخدم جميع مصانع الطوب المُلبَّد تقريبًا الحرارة المُستردة من أفران الأنفاق كمصدر حرارة لغرفة التجفيف، وهي وسيلة مُثلى لإعادة تدوير الطاقة. ومع ذلك، نظرًا للعديد من العيوب في الطرق الحالية لاستعادة الحرارة من أفران الأنفاق، فإنها تُشكل تحديات عديدة فيما يتعلق بمراقبة جودة المنتج والبيئة الخارجية. لذلك، من الضروري إجراء بحث مُعمَّق حول نهج عقلاني لاستعادة الحرارة من أفران الأنفاق والاستفادة الفعالة من الحرارة المتبقية.
مع تزايد الطلب على كفاءة الطاقة وحماية البيئة في صناعة الطوب، يكتسب تطبيق تقنية الحرق الثانوي لإنتاج الكتل المجوفة والعازلة زخمًا متزايدًا. وهذا يؤكد على ضرورة معالجة القضايا المذكورة آنفًا.
من الطرق الشائعة لاستعادة حرارة فرن النفق استخراج الحرارة المتبقية من قسم الذيل، متوسطة إلى منخفضة الحرارة، كمصدر حرارة للتجفيف، وتكميلها بحرارة عالية الحرارة. إلا أن لهذه الطريقة عدة عيوب:
- إن التأثير المزدوج لسحب الحرارة المتبقية بعد منطقة التلبيد يؤثر على توزيع درجة الحرارة في منطقة التلبيد، مما يجعل من الصعب التحكم في تشغيل فرن النفق بشكل فعال.
يؤدي وجود بخار الماء في غازات الاحتراق إلى عدم جفاف وسط التجفيف، مما يؤدي إلى ارتفاع نسبة الرطوبة المتبقية في المنتج المجفف، والتي لا تحقق النسبة المثالية البالغة حوالي ٢٪. إضافةً إلى ذلك، تدخل الرطوبة من الجسم الأخضر إلى غازات الاحتراق في منطقة التسخين المسبق، مما يعيق التجفيف الكامل خلال المراحل اللاحقة، ويؤدي إلى دورة ضارة.
نظريًا، يُمكن استعادة فرق الحرارة بين درجة حرارة الحرق العالية ودرجة حرارة الخروج بعد منطقة التلبيد، باستثناء تبديد الحرارة من جسم الفرن وعربة الفرن والمنتج. ومع ذلك، تفشل الطرق الحالية لاستعادة الحرارة في فرن النفق في تحقيق أقصى استفادة منها، خاصةً في درجات الحرارة المرتفعة. درجة حرارة المنتج مرتفعة جدًا، حيث يبلغ متوسط فرق الحرارة بين داخل عربة الفرن وخارجها حوالي 150 درجة مئوية، بينما تكون درجة حرارة الخروج قريبة من درجة حرارة الغرفة، وهي ليست مثالية. وبالتالي، يتطلب الأمر حوالي 30% إضافية من غازات الاحتراق عالية الحرارة لتوفير حرارة كافية لحجرة التجفيف، ويحدث فقدان كبير للحرارة عند خروج عربة الفرن والمنتج من الفرن.
تُحدث طريقة استخلاص الحرارة هذه اضطرابًا في منحنى درجة حرارة منطقة التبريد، مما يُعرّض المنتج لخطر التشقق في نطاق درجة الحرارة المتوسطة. علاوة على ذلك، تُسبب كمية كبيرة من غازات الاحتراق الداخلة إلى نظام أنابيب الهواء الساخن وأثناء التجفيف تآكلًا شديدًا في عربة التجفيف والصواني، كما يُشكّل الغاز المتسرب من حجرة التجفيف، والذي يحتوي على دخان ورذاذ حمضي، تهديدًا خطيرًا لمصنع الهياكل الفولاذية والبيئة المحيطة.
2. منحنى درجة الحرارة المنطقي لمنطقة التبريد
استنادًا إلى مبدأ عمل فرن النفق، يُقسّم نظام تشغيله إلى منطقة التسخين المسبق والتلبيد (بما في ذلك منطقة العزل) ومنطقة التبريد. تعمل هاتان المنطقتان بشكل منفصل دون تداخل، مع عزل منطقة التسخين المسبق والتلبيد ومنطقة التبريد بشكل فعال. إحدى الطرق العملية لتحقيق ذلك هي استخدام حاجز تبريد سريع. تنقسم منطقة التبريد إلى ثلاث مراحل:
2.1 مرحلة التبريد السريع
لفصل منطقة التسخين المسبق عن منطقة التبريد، يجب تركيب حاجز تبريد سريع في بداية منطقة التبريد. أولًا، يمنع حاجز التبريد السريع بفعالية التدفق العكسي للهواء من منطقة العزل إلى منطقة التبريد، مما يُسهّل ضبط نظام العادم بسلاسة. ثانيًا، يُحسّن التبريد السريع الخصائص الميكانيكية للمنتج وملمسه الظاهري بشكل ملحوظ. ثالثًا، يُساعد الغاز عالي الحرارة الناتج عن التبريد السريع على استعادة الحرارة المتبقية.
من المهم ملاحظة أن وضعية مرحلة التبريد السريع يجب أن تكون عند حوالي 800 درجة مئوية، أي ما يعادل درجة حرارة الإنتاج العالية (يمكن خفض درجة حرارة بعض المواد الخام إلى 700 درجة مئوية). عند هذه النقطة، يتمتع المنتج بمرونة جيدة، ويكون تشوه الانكماش مرنًا وليس بلاستيكيًا، مما يُقلل من خطر تشقق المنتج.
لذلك، يُعدّ التحكم الآلي في حاجز التبريد السريع بناءً على درجة حرارة الفرن المُحددة أمرًا ضروريًا. في أفران الأنفاق كبيرة المقطع، تُرتّب حواجز التبريد السريع في عدة مجموعات أعلى الفرن.
2.2 منطقة التبريد البطيء
يتحول السيليكا (SiO₂) في المنتج من كوارتز ألفا إلى كوارتز بيتا عند درجة حرارة 573 درجة مئوية، بمعدل تغير حجمي قدره 0.82%. على الرغم من أن التغير الحجمي لهذا التحول منخفض الحرارة ليس ذا دلالة إحصائية، إلا أن معدل التحول سريع، ويحدث في ظروف عدم وجود عازل للطور السائل، مما يجعله شديد التدمير. لذلك، لا يُسمح بإجراءات التبريد بين 500 و800 درجة مئوية، ويجب أن يكون تبريد المنتج بطيئًا جدًا ضمن هذا النطاق الحراري. بمعنى آخر، يجب أن يكون هناك عدد كافٍ من عربات الفرن في هذا الجزء من فرن النفق.
2.3 منطقة التبريد المتسارع
من 500 درجة مئوية إلى درجة حرارة خروج المنتج (حوالي 50 درجة مئوية)، يمكن تبريد المنتج بسرعة، عادةً عن طريق إدخال هواء بارد إلى الفرن باستخدام مروحة ضغط خلفي في ذيل الفرن. ولأن عملية التبريد هذه تستغرق وقتًا طويلاً، يجب أن يكون طول فرن النفق كافيًا في هذا الجزء. كما أن زيادة حجم هواء التبريد طريقة فعالة، حيث يوفر المزيد من الهواء الساخن لحجرة التجفيف.