כיצד משפיעה כמותית פיזור גודל החלקיקים של קוק גולמי על חדירות שכבת החומר ועל אחידות הקלצינציה בכבשן הסיבובי?

ניתן לנתח את ההשפעות הכמותיות של התפלגות גודל החלקיקים של קוק גולמי על חדירות שכבת החומר ואחידות הקלצינציה בכבשן סיבובי באמצעות המתאם בין פרמטרי גודל החלקיקים למדדי התהליך כדלקמן:

א. השפעה כמותית של התפלגות גודל החלקיקים על חדירות שכבת החומר

אחידות גודל החלקיקים (ערך PDI)

• הגדרה: מדד פיזור והתפלגות גודל החלקיקים (PDI = D90/D10, כאשר D90 הוא גודל המסננת שדרכה עוברים 90% מהחלקיקים, ו-D10 הוא גודל המסננת שדרכה עוברים 10% מהחלקיקים).
• דפוס פגיעה:
  ערך PDI קטן יותר (המצביע על גודל חלקיקים אחיד יותר) מוביל לנקבוביות גבוהה יותר של שכבת החומר, כאשר מדד החדירות (ערך K) עולה בכ-15% עד 20%.
• נתונים ניסיוניים:
  כאשר ה-PDI יורד מ-2.0 ל-1.3, ירידת הלחץ בתוך הכבשן יורדת ב-22%, וקצב זרימת הגז עולה ב-18%, דבר המצביע על שיפור משמעותי בחדירות.
• מַנגָנוֹן:
  גודל חלקיקים אחיד מפחית את התופעה של חלקיקים קטנים הממלאים את הפערים בין חלקיקים גדולים, נמנע מאפקט "גישור החלקיקים" ובכך מוריד את התנגדות זרימת האוויר.

תכולת חלקיקים דקים (<0.5 מ"מ)

• סף קריטי:
  כאשר שיעור החלקיקים העדינים עולה על 10%, החדירות מתדרדרת בחדות.
• קשר כמותי:
  עבור כל עלייה של 5% בחלקיקים העדינים, ירידת הלחץ בתוך הכבשן עולה בכ-30%, וקצב זרימת הגז יורד ב-25%.
• מקרה בוחן:
  בכבשן לקלינצציה של קוק נפט, כאשר תכולת החלקיקים העדינים עולה מ-8% ל-15%, הלחץ השלילי בראש הכבשן עולה מ-200- פסקל ל-350- פסקל, מה שמחייב עלייה בעוצמת מאוורר הרוח המושרה כדי לשמור על פעולה, וכתוצאה מכך עלייה של 12% בצריכת האנרגיה.

גודל חלקיקים ממוצע (D50)

• טווח אופטימלי:
  החדירות הטובה ביותר מושגת כאשר D50 הוא בין 8 ל-15 מ"מ.
• השפעת סטייה:
  כאשר D50 קטן מ-5 מ"מ, נקבוביות שכבת החומר יורדת מתחת ל-35%, ומדד החדירות יורד ב-40%;
  כאשר D50 עולה על 20 מ"מ, למרות שהנקבוביות גבוהה, שטח המגע בין החלקיקים פוחת, מה שמפחית את יעילות העברת החום ב-15% ומשפיע בעקיפין על אחידות הקלצינציה.

II. השפעה כמותית של התפלגות גודל החלקיקים על אחידות הקלצינציה

סטיית תקן של התפלגות טמפרטורה (σT)

• הַגדָרָה:
  אינדיקטור סטטיסטי של משרעת התנודות של הטמפרטורה הצירית בתוך הכבשן, כאשר σT קטן יותר מצביע על שרידה אחידה יותר.
• השפעת גודל החלקיקים:
  כאשר גודל החלקיקים אחיד (PDI <1.5), ניתן לשלוט על σT בטווח של ±15℃;
  כאשר גודל החלקיקים אינו אחיד (PDI > 2.5), σT מתרחב ל-±40℃, מה שמוביל לשריפה יתר או תת-שריפה מקומית.
• מקרה בוחן:
  בכבשן סיבובי אלומיניום-פחמן, על ידי אופטימיזציה של פיזור גודל החלקיקים כדי להפחית את ה-PDI מ-2.8 ל-1.4, סטיית התקן של תכולת החומרים הנדיפים במוצר יורדת מ-0.8% ל-0.3%, מה שמשפר משמעותית את אחידות הקלצינציה.

מהירות תנועה חזיתית תגובה (Vr)

• הַגדָרָה:
  מהירות ההנעה של ממשק תגובת הקלצינציה בשכבת החומר, המשקפת את יעילות הקלצינציה.
• מתאם עם גודל החלקיקים:
  עבור כל עלייה של 10% בשיעור החלקיקים העדינים (<3 מ"מ), Vr עולה בכ-25%, אך הוא נוטה לגרום לתגובות מהירות מדי ולחימום יתר מקומי;
  עבור כל עלייה של 10% בשיעור החלקיקים הגסים (>20 מ"מ), Vr יורד ב-15% עקב עלייה בהתנגדות להעברת חום.
• נקודת שיווי משקל:
  כאשר התפלגות גודל החלקיקים היא בימודלית (למשל, תערובת של חלקיקים של 3-8 מ"מ ו-15-20 מ"מ), ניתן לשמור על Vr בטווח האופטימלי (0.5-1.0 מ"מ/דקה) תוך הבטחת אחידות.

שיעור הסמכת מוצר (Q)

• קשר כמותי:
  עבור כל עלייה של 0.5 יחידות באחידות גודל החלקיקים (כלומר, ירידה בערך ה-PDI), שיעור הסמכת המוצר עולה בכ-8%;
  עבור כל ירידה של 5% בתכולת החלקיקים העדינים, שיעור הפסולת עקב שריפה נמוכה או שריפה יתרה פוחת ב-12%.
• נתונים תעשייתיים:
  בכבשן סיבובי טיטניום דיאוקסיד, על ידי שליטה בגודל החלקיקים של קוקה קולה גולמית (D50 = 12 מ"מ, PDI = 1.6), סטיית התקן של לובן המוצר יורדת מ-1.2 ל-0.5, ושיעור המוצר בדרגה ראשונה עולה מ-75% ל-92%.

ג. המלצות אופטימיזציה מקיפות

מטרות בקרת גודל החלקיקים:

• D50: 8-15 מ"מ (ניתן להתאמה בהתאם למאפייני החומר);
• PDI: <1.5;
• תכולת חלקיקים דקים (<0.5 מ"מ): <8%.

אסטרטגיות התאמת תהליכים:

• אימוץ תהליכי ריסוק וסינון רב-שלביים כדי להבטיח פיזור גודל חלקיקים מרוכז;
• בצעו טיפול מקדים לעיצוב (למשל, יצירת בריקטים) על חלקיקים עדינים כדי להפחית הפסדים של חומרים מתעופפים;
• אופטימיזציה של גודל החלקיקים בהתאם לסוג הכבשן (יחס אורך לקוטר, מהירות סיבוב), לדוגמה, שימוש בחלקיקים גסים כמרכיב העיקרי עבור כבשנים ארוכים ותוספת של חלקיקים עדינים עבור כבשנים קצרים.

ניטור ומשוב:

• התקנת מנתחי גודל חלקיקים מקוונים כדי לנטר את התפלגות גודל החלקיקים של החומר הנכנס לכבשן בזמן אמת;
• שלב עם מידול דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) של שדה הטמפרטורה בתוך הכבשן כדי להתאים באופן דינמי את פרמטרי גודל החלקיקים ואת משטר הקלצינציה.