Çimento Prosesi ve Ana Ekipmanlar Hakkında Genel Bilgiler

Çimento Prosesi ve Ana Ekipmanlar Hakkında Genel Bilgiler

Yıldıray YANIK

DS Makina Sanayi ve Ticaret Limited Şirketi

Genel Müdür

Çimento, esas olarak, doğal kalker taşları ve kil karışımının yüksek sıcaklıkta ısıtıldıktan sonra öğütülmesi ile elde edilen hidrolik bir bağlayıcı malzeme olarak tanımlanır. Hidrolik bağlayıcı maddeler, su ile reaksiyonu sonucu sert bir kütle oluşturduktan sonra su içersinde dağılmayan, sertliğini ve mukavemetini muhafaza eden veya artıran bağlayıcı maddelerdir.

Çimento üretiminin ilk aşaması uygun hammddelerin yer kabuğundan çıkarılması ve yüksek sıcaklıkta yapılacak tepkimelere hazırlanmasıdır. Çimento üretiminde kullanılan ana hammaddeler CaO (Kalsiyum oksit), SiO2 (Silisyum dioksit), Al2O3 (Alumina) ve FeO3 (demir oksit) olarak sayılır. Yer kabuğundan çıkarılan hammaddeler ısı ve kütle aktarım süreçlerine daha iyi girebilmeleri için mikron büyüklüğünde parçalara indirilirler. Fiziksel değişime uğrayan bu hammaddeler 1450 °C varan yüksek sıcaklıklarda bir dizi kimyasal tepkimelere girerek Klinker denen temel çimento bileşeni üretilir.

Üretilen klinkerin alçıtaşı (CaSO4.2H2O) ile karıştırılıp öğütülmesiyle çimento elde edilir. 

Normalde çimentonun bileşimi şu şekildedir:

CaO + SiO2 …………………………………………………….………………% 84

Al2O3 + MgO + Fe2O3 ………………………………………………….…….% 12

 SO3 + Na2O + K2O + NaO2 + TiO2 + P2O5 ……………………….…….. % 4

Toplam ………………………………………………………………………….. % 100

Ulaşımı en aza indirmek için tesisler genellikle en yakındaki kalker ocaklarına göre kurulur. Çimento üretiminde kullanılan bazı hidrolik bağlayıcı özelliğini taşıyan maddeler de karma çimento tiplerinin üretiminde faydalı olabilir. Örneğin uçucu kül ve cüruf gibi "alternatif" hammaddeler diğer sektörlerden getirilir.

  • Klinker ve dolayısıyla kireçtaşı yataklarının tasarrufu,
  • Diğer sanayideki "atık malzemeleri" kullanmakla çevre temizliğini sağlanabilir.

Karma çimentolar normal portland çimentonun gereksinimlerini karşılamaktadır ancak hidrasyon sırasında 'daha az ısı dışarı vermekle ek bir avantaja sahipler dolayısıyla baraj gibi "kitle yapılar" için uygundurlar.

Çimento üretiminin temel aşamalarını

  • Farin hazırlama
  • Klinker pişirme
  • Çimento öğütme olarak sıralayabiliriz

FARİN HAZIRLAMA

Kırıcı Ünitesi

Kırıcı tesisleri ocakta veya ocağa yakın yerlere kurulabilir. İlk kırmada genellikle çekiçli, bazen de çeneli kırıcılar kullanılmaktadır. Uygun sertlikteki ve nemdeki malzemeler için yerine göre valsli ve konik kırıcılarda tercih edilebilir. Sert ve aşındırıcı malzemeler için çekiçli ve çeneli kırıcılar tercih edilmektedir. Özellikle çekiçli kırıcılar oldukça iri parçaları 30 mm altına kadar kırabilmektedir. İlk kırıcı olarak genellikle çift rotorlu büyük çekiçli kırıcılar seçilmektedir. Çimento üretiminde kırıcı kapasitesi genellikle 8 işletme saatinde yani bir vardiya tesisin 24 saatlik hammadde ihtiyacını karşılayacak şekilde seçilir.  Ocaklardan istihraç edilecek olan kalker, marn veya kil kırıcı bunkerlerine beslenir. İstenilen kimyasal kompozisyon içeriğine uygun olarak kalker ve marn oranı çelik bantlar vasıtası ile ayarlanarak malzeme kırıcıya beslenir. Çift rotorlu kırıcıdan geçen malzeme nakil sistemleri ile ön-homojene (Preblending) ünitesine sevk edilir. Malzemenin kırılması esnasında ortaya çıkan tozlar ise torbalı filtre yardımı ile tutularak tozsuzlaştırma sağlanır.

Kırıcı Ünitesinde bulunan genel ekipmanlar:

- Kalker veya marn besleme bunkerleri

- Bunker altı kırıcı besleme çelik bantlar

- Çift rotorlu çekiçli kırıcı

- Lastik bant nakil sistemleri

- Tozsuzlaştırma filtrelerinden oluşmaktadır.

Homojene Stokholü

İstenilen kimyasal kompozisyonda ve  kırıcıda boyutları ufaltılmış olan malzeme , yığıcı (stacker) vasıtasıyla dairesel  homojene tesisinde yığın yapılır.

Tırmık vasıtasıyla yığının kesit yüzeyinin her noktasından alınacak olan homojen malzeme, kazıyıcı (Reclaimer) vasıtasıyla Farin değirmeni besleme bunkerine lastik bantlar ile alınır.

Homojene Ünitesinde bulunan genel ekipmanlar:

- Yığıcı ( Stacker )

- Kazıyıcı ( Reclaimer )   

- Lastik Bantlı Nakil Sistemleri

- Tozsuzlaştırma Filtrelerinden oluşmaktadır.

Farin Öğütme ve Stoklama

Ham madde karışımı etkin bir şekilde ısıtılıp kalsine edilmesi için önce öğütülür. Öğütme sonucu oluşan ve ana bileşeni kireç ve silis olan ince malzemeye farin denir. Kireç daha ziyade kalker ya da marn gibi kalsiyum karbonat içeren kayaçlardan ortama girer. Silis için ise başlıca kaynak kildir. Bunları alumin ve demir oksit izler. Daha az miktarlarda magnezyum ve alkali oksitler gibi diğer maddeler de bulunur.

Öğütme işlemi düşey (Bilyalı) veya dik değirmenlerde gerçekleştirilir. Homojen malzemeler öğütülmek amacıyla bunkerlerden hammadde değirmenine aktarılır ve ince bir toz haline gelene kadar birlikte öğütülür. Çimentoda yüksek kaliteyi sağlamak için, hammadde ve farin kimyası önem arz etmektedir. Daha verimli öğütmeyi sağlamak için de fırın egzoz gazları farin değirmenine aktarılır ve ham madde kurutulur, fakat fırın çalışmadığı zamanlarda ise bu işi sıcak gaz üreten bir generatörün yapması gerekmektedir. Farin değirmeninde çıkan ürün farin silolarına sevk edilir ve stoklanır. Farinin akışkan özelliğinden yararlanmak için akışkan silo sistemleri kullanılır. Silo, süratli bir karıştırma sağlamaya yeterli basınçta hava verilerek homojenize edilir. Üretilen hammaddenin kimyasal ve fiziksel özelliklerinin değişmeden sürekli bir akış göstererek yapılan karıştırma ve yüzdelik oranlarını ayarlama sistemine homojenizasyon sistemi denilmektedir. Silo içindeki partiküllerin birim alanlarının ağırlığı, silo derinliğindeki basınç düşmesine eşit olduğunda akışkanlık başlar. Böyle bir sistem çok etkili bir karıştırma sağladığı gibi belli limitler içinde değişik büyüklükteki, biçin ve yoğunluktaki partiküller birbirine karışır. Farin silosundan alınan farin elevatörlerle kantar bunkerine oradan da kantar bandına dökülür. Bantlarda otomatik olarak tartılan farin, ön ısıtıcılara sevk edilir.

Farin değirmeni ve stoklama ünitesinde bulunan genel ekipmanlar:

- Besleme Bunkerleri; Premix, Kalker ve demir cevheri

- Dozaj Bantlar

- Lastik Bantlı Nakil Sistemleri

- Tozsuzlaştırma Filtreleri

- Değirmen besleme sistemi

- Farin değirmeni

- Farin Siklonları

- Sistem Filtresi ve Fanı

- Gaz boruları

- Farin sevk havalı bantları

- Farin silosu

KLİNKER PİŞİRME

Önısıtıcı-Döner Fırın-Klinker Soğutma

Çimento üretiminin en önemli aşaması farinin pişirilmesidir. Öğütülmüş hammadde depolandığı yüksek sıcaklıkta pişirilmesi için silolardan önısıtıcı sistemine doğru aktarılır.  Modern çimento fabrikalarında enerji tasarrufu amacı ile farin fırına girmeden önce ön ısıtmaya girer. Önısıtıtma pişirme sisteminin ilk parçasıdır.  Bir ön-ısıtıcı sırayla dizilmiş olan dikey siklonlardan oluşmaktadır. Farin bu siklonlardan aşağı doğru geçerken fırından çıkan ve ters yönde hareket eden türbülanslı sıcak gazları ile temasa geçer ve bunun sonucunda ısı gazdan malzemelere aktarılır.

Ön ısıtıcı farin malzemesini fırına girmeden önce ısıtır, böylece gerekli kimyasal reaksiyonlar daha hızlı ve verimli bir şekilde ortaya çıkar. Egzoz gazlarından enerjiyi elde tutarak, enerji tasarrufu sağlanır. Hammadde nemine bağlı olarak, bir fırın için 3-6 aşamalı siklonlar gerekebilir. Kalsinatör (ön kalsinasyon sistemi) ön ısıtıcının en alt kısmında fırın ucu üzerinde yer alan bir yanma odasıdır. Fırın sisteminin toplam enerji ihtiyacının % 65’e kadarı kalsinatör için tedarik edilebilir. Kalsinatörleri kullanmakla kısa döner fırınların ve düşük dereceli alternatif yakıtların kullanımı mümkün olmaktadır. Kalsinasyon CaCO3' ten CaO’nun ayrışması ve CO2’nin bırakılmasıdır. Başka ifade ile, kalsinatör fırın dışında ham maddedeki karbonatların CO2 kalsinasyonunu veya ayrışmasıdır. Kısmen ön kalsinasyon sisteminde ve sonra fırın içinde Kaslsinasyon işleminin tamamlanması için ısının aşağıdaki kimyasal reaksiyon göre temin edilmesi gerekmektedir:

CaC03 = CaO + CO2 - 420 kcals

Ön ısıtmanın son siklon aşamasından ön kalsinasyon ünitesine sıcak hava ve yakıtla birlikte giren farinin kalsinasyon işleminin oranı tüketilen yakıtın oranına bağlıdır. Genellikle, % 60 yakıt kalsinatörde ateşlendiğinde, elde edilen kalsinasyon oranı 90-95% 'dir. Yanma için gereken sıcak hava fırından veya üçüncül kanal (Tertiary Duct) vasıtasıyla soğutma ünitesinde alınır. Kalsinasyon boyunca üretilen maddeler ve ayrıştırılmış olan CO2 ön ısıtma fanı vasıtasıyla bacaya doğru çekilir ve kısmen kalsine edilmiş farin gazlardan ayrılır ve fırına beslenir. Farin, daha doğrusu bu aşamada "sıcak farin" olarak adlandırılan ham madde, ön ısıtmadan sonra döner fırına girer. Döner fırın dünyada endüstri tesislerinde bulunan en büyük proses elemanı olarak kabul edilir. Çapı 3-7 m, uzunluğu 50-75 m kadar olup 40-80 mm kalınlığında çelik sacdan yapılmış, refrakter tuğla astarlı bir ekipmandır. (genel olarak yanma bölgesinde %70 oranında alümina veya manyezit tuğla kullanılır ve fırının kalan bölgeleri ise  ~%35  miktarda alümina tuğla ile kaplı olur). Yaklaşık %3-4 eğimli olarak monte edilen fırın dakikada 1.5-4 devir yaparak döner. Ön ısıtmadan gelen kısmen (% 90 civarında) kalsine edilmiş malzeme fırına yukarı uçtan girer ve fırınla beraber dönerek, yuvarlanarak ve kayarak daha sıcak bölgelere alt uçtaki bürülörün olduğu yere doğru ilerler. Bu arada geri kalan CO2 ‘ de malzemeden alınmış olup kalsinasyon tamamlanmış olmaktadır.  Yakıt döner fırın içine doğrudan püskürtülür ve kül kalsinatörde olduğu gibi malzemenin içine emilir. Kömür, petrokok, doğalgaz ve benzeri, plastik, solvent, atık yağ gibi alternatif yakıtlar 2000°C’ye kadar yüksek sıcaklığa ulaşabilir alevi beslemek için yakılır. Bu yüksek derecedeki ısı, kimyasal ve fiziksel değişikliklere neden olarak fırın içindeki malzemelerin, kısmen erimiş olmasını sağlar ve farini klinker adlanan maddeye dönüştürür. En basit ifade ile, bir sürü kimyasal reaksiyonlar, kalsiyum ve silikon oksitlerini çimentonun birincil bileşeni olan kalsiyum silikatlara, dönüştürür. Fırının alt ucunda, hammaddeler klinker ile adlanan kızgın parçacıklar olarak ortaya çıkar. Farinde küçük oranda olan alkali ve klorür gibi bileşenler fırının yanma bölgesinde buharlaşmaya başlarlar fakat fırın girişinde ve fırın giriş kanalında tekrardan soğutulup yoğunlaştırılırlar. Denge sağlanmadıkça buharlaşma ve yoğunlaşmanın tekrar döngüleri nedeniyle iç sirkülasyon artar. Esas olarak bileşikler Potasyum, Sodyum, klorür ve Sülfür gibi maddelerdir ve prosesten kaldırılmazlarsa, klinker özelliklerini etkilerler. Alkaliler yoğunlaşmaya devam ederse ön ısıtıcı siklon duvarlarında, iki alt siklonun arasındaki kanalda ve fırın giriş kanalı içinde ciddi çökeltilere ve böylece sistem üzerinden gazların geçişini tıkayarak engel oluşmasına neden olabilir. Bu sorunu aşmak için bir yol fırın girişinde fırın gazlarının bir kısmını bypass etmektir (fırın çıkış gazı bir miktarı sistemden çıkarılır), ancak bypass yakıt tüketimini arttırır. Burada bypass edilmesi gereken gazların sıcaklığı 1000 C civarında olur ve toz tutucuya girmeden önce hava ile ya da soğutma kulesinde soğutulması gerekir. Ön kalsine ünitesine donatılan sistemde sadece % 40 oranda gazların fırından geçtiği için problem çok azalır, bu nedenle yüksek oranda alkali ve klorürleri içeren malzemeleri kullanmakta sakıncası olmamaktadır.

Çimento üretim proseslerin iki temel tipi ve farklı fırın tipleri vardır. Çimento üretimi hammadenin, su içeriğine bağlı olarak, "ıslak" veya "kuru" olabilir. Kalsinasyon işleminin gerçekleşebilmesinden önce buharlaştırılması gereken bulamaç suyun miktarı nedeniyle ıslak prosesin çok daha yüksek enerji gereksinimleri vardır. Sonuç olarak, kuru proseste daha az enerjiye ihtiyaç bulunur. Fırından çıkan klinker soğutma ünitesine taşınır. Klinker döner fırından yaklaşık 1300 C de çıkar. Bu aşamada klinkerin soğutulması ve ortamdaki ısının kazanılması işlemleri ele alınır. Burada en sık kullanılan yöntem ızgara plakalar üzerinde yavaşça ilerleyen klinker tanelerine basınçlı dış hava verilmesidir. Klinker içyapısını etkileyeceği için soğutma hızının kontrollü olması büyük önem taşır. Soğutulduktan sonra, klinker Portland çimentosu olarak bilinen gri toza dönüşmek için öğütülebilir hale gelir. Üretilen klinker, klinker stokhöllerinde saklanılır.

Klinker Pişirme Ünitesinde bulunan genel ekipmanlar;

- Önısıtıcı grubu;

- Döner Fırın

- Klinker Soğutma

- Yakma Sistemi

- Tozsuzlaştırma Sistemi

- Kömür Değirmeni

ÇİMENTO ÖĞÜTME

Geleneksel olarak, bilyalı değirmenler çimento öğütme için kullanılmaktadır. Son yıllarda değirmenlerin daha iyi enerji verimliliği ile teknolojileri geliştirilmiştir. Dik değirmen adıyla tanınan bileşik değirmen sistemleri, elektrik tüketimini azaltmak için kullanılan ayrı bir öğütme ekipmanıdır. Modern bilyalı çimento değirmenleri iki ya da üç kamaralı olarak imal edilmektedir. İki kamaralı değirmende birinci kamara yeterli incelikte mal öğütmek, ikinci kamara da nihai öğütme işi için kullanılmaktadır. Bunu yapabilmek için değirmen plakalarının dizaynı ile bilya boyutlarının çok dikkatli seçilmesi gerekmektedir.

Klinker stokholünden alınan klinkerler lastik bantlar ile çimento değirmeni besleme bunkerlerine sevk edilir. Besleme bunkerleri klinker, alçı ve katkı bunkerlerinden oluşur. Bunker altından alınan malzemeler dozajlanarak çimento değirmenine sevk edilir. Değirmende öğünen malzemeler çimento olarak çIkar ve çimento silosuna sevk edilir.

Çimento değirmenlerinden istenilen boyuta getirilmiş çimentonun satışa hazır olarak stoklandığı yer çimento silolarıdır.Burada satışa hazır olan çimentolar paketleme ünitesine sevk edilir. Üretilen çimento piyasaya dökme veya torbalı olarak gönderilmektedir.

Dökme çimentolar temiz, kapalı ve rutubetsiz ortamda stoklanmalıdır. Dökme çimento, çimento silolarının altındaki klepe açılarak araçlara direkt olarak yüklenmektedir. Torbalı çimento ise; çimento silolarından havalı bantlarla veya elevatörlerle bunkerlere verilmektedir. Bunkerlerden çimento kantar haznesine dökülmekte, dökülen çimento dolum memesi vasıtasıyla otomatik olarak torbalara dolmakta ve torbaların ağırlığı 50 kg. olacak şekilde ayarlanmaktadır.

Çimento öğütme ünitesinde bulunan genel ekipmanlar:

-Besleme Bunkerleri

-Dozajlama Ekipmanları

-Çimento Değirmeni

-Seperasyon ve filtre sistemi

-Çimento Stok siloları

-Dökme ve Paketleme sistemi

Kaynak: Desteklerinden dolayı ESA-GRUP’ tan Bülent Tuncer’e teşekkürler.