خط إنتاج الطوب الطيني بتقنية التفريغ الهوائي VP75 مع فرن نفق

في عملية إنتاج الطوب المتلبد، تُعدّ مرحلة التجفيف من أهمّ المراحل لتحقيق الربحية. فبدون إنتاجية وجودة الطوب الأخضر الجاف، لا يُمكن تحقيق أيّ فائدة تجارية. يُؤثّر تحضير وتشكيل الخليط في بداية عملية التجفيف، وعملية الحرق في نهايتها، تأثيراً كبيراً على تحسين كفاءة الشركة، إلا أن عملية التجفيف أصبحت حالياً أهمّ المراحل.

سواءً أكانت مؤسسة صغيرة تستخدم فرن هوفمان للتجفيف الطبيعي، أو خط إنتاج فرن نفق يستخدم الحرق الثانوي، أو خط إنتاج فرن نفق حديث واسع النطاق يستخدم الحرق الأولي، فإن عملية تجفيف القوالب الرطبة لا تزال العامل الرئيسي الذي يحد من إنتاجية وجودة الطوب المتلبد. تلعب هذه العوامل دورًا حاسمًا في مستوى كفاءة المؤسسة. لذا، ينبغي أن تُنفذ الخطوة الأساسية لزيادة إنتاجية مؤسسات الطوب المتلبد في مرحلة التجفيف، وليس في مرحلة التحميص.

(1) مصدر وشكل الرطوبة

تُسمى عملية إزالة الرطوبة من الجسم الأخضر بالتجفيف.

يتكون الماء الموجود في الجسم الأخضر بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: الماء الحر، والماء الممتص، والماء المرتبط كيميائياً.

يُطلق على الماء الحر أيضًا اسم الماء الميكانيكي أو الماء الحر: فهو يتوزع بين الجزيئات وفي الشعيرات الدموية، وتكون الروابط فيه ضعيفة، مما يسهل إزالته. يُصرّف الماء الحر أثناء مرحلة التجفيف، فيتقلص حجمه.

الماء الممتص: يرتبط بسطح الجزيئات، وترتبط الكمية بدرجة الحرارة المحيطة والرطوبة، وله علاقة توازن معينة، أي أنه يتغير بشكل عكسي مع ظروف الوسط المحيط، ويبقى الحجم دون تغيير.

الماء المرتبط كيميائياً: يوجد هذا الماء في التركيب الجزيئي للمعادن، ويكون ارتباطه قوياً، ويتطلب إزالته كمية كبيرة من الطاقة. تكون نسبة الماء المرتبط كيميائياً منخفضة، وتتراوح درجة حرارة التفريغ في قسم التسخين المسبق لفرن التحميص عادةً بين 430 و750 درجة مئوية.

في ظل ظروف التجفيف الثابتة، يمكن تقسيم الرطوبة في الجسم الأخضر إلى رطوبة حرة ورطوبة متوازنة، ويجب إزالة الرطوبة الحرة إلى أقصى حد ممكن في مرحلة التجفيف.

من الناحية التقنية، تأتي الرطوبة في الطوب من المادة الخام نفسها التي تحتوي على الماء، ومن عملية التقليب الأولى والثانية، ومن إضافة الماء بواسطة آلة التشكيل. ويختلف محتوى الرطوبة في الطوب المُنتج بتقنيات التشكيل المختلفة اختلافًا كبيرًا. عمليًا، يميل الناس إلى المبالغة في الإنتاج، مما يقلل من ضغط التشكيل للطوب اللبن، وينتج عنه انخفاض في المتانة وزيادة في محتوى الرطوبة.

بعض أنواع الطوب المكشوف ذات سماكة عالية، مما يتجاوز قدرة تحمل الطوب السفلي بشكل كبير، وبالتالي تكون نسبة إنتاجية المنتجات المحروقة منخفضة للغاية. لذا، يُنصح، في حال وجود ظروف مناسبة، باستخدام عملية تشكيل ذات محتوى رطوبة منخفض، لضمان عدم تشوه الطوب أو تشققه بعد وضعه على عربة الفرن، وتمكين الطوب السفلي من تحمل ضغط الجزء العلوي.

(2) آلية تجفيف الجسم الأخضر

في حجرة التجفيف، ينقل وسط التجفيف (الحرارة المهدرة وغازات الاحتراق الساخنة) الحرارة إلى سطح الجسم الخام عبر التبادل الحراري. بعد تسخين سطح الجسم الخام، تنتقل الحرارة إلى داخله بالتوصيل، وهي عملية نقل حراري. بعد تسخين سطح الجسم الخام، يتبخر الماء الموجود على السطح، وينتقل الماء الموجود داخل الجسم الخام إلى السطح نتيجةً لاختلاف رطوبة المادة، ثم يتبخر من السطح حتى يجف الجسم الخام، وهي عملية نقل كتلة.

يتضح أن عملية التجفيف برمتها هي عملية نقل حرارة ونقل كتلة في آن واحد. ويمكن تقسيم عملية نقل الكتلة إلى عمليتين: الأولى هي تبخر الماء السطحي وانتقاله إلى الهواء، وتُسمى الانتشار الخارجي، والثانية هي انتقال الماء الداخلي إلى السطح، وتُسمى الانتشار الداخلي. وفي عملية التجفيف، تتداخل عمليات نقل الحرارة والانتشار الخارجي والانتشار الداخلي وتتم في وقت واحد.

عندما يكون وسط التجفيف مستقرًا ولا يخضع الجسم الأخضر لتغيرات كيميائية، يمكن تقسيم عملية تجفيف الجسم الأخضر إلى أربع مراحل:

① مرحلة التسارع

تدخل السيارات الجديدة باستمرار إلى غرفة التجفيف. في هذه المرحلة، يُسخّن سطح السيارة الخام إلى درجة حرارة تُعادل درجة حرارة البصيلة الرطبة لوسط التجفيف، مما يؤدي إلى زيادة سريعة في معدل تبخر الماء. هذه المرحلة قصيرة، وكمية الماء المُزالة ليست كبيرة. يتميز وسط التجفيف بأدنى درجة حرارة وأعلى رطوبة.

② مرحلة التجفيف متساوي الحركة

يُعاد ملء سطح الجسم الأخضر بالماء المتبخر باستمرار من الداخل، مما يحافظ على رطوبته. في هذه المرحلة، تبقى سرعة التجفيف ودرجة حرارة سطح الجسم الأخضر ثابتة، ويتبخر الماء بحرية، بينما تزداد رطوبة وسط التجفيف تدريجيًا.

③ إبطاء مرحلة التجفيف

يتوقف السطح عن الانكماش، ويؤدي استمرار التجفيف إلى زيادة المسام داخل الجسم الأخضر. تنخفض سرعة التجفيف، ويقل استهلاك الطاقة الحرارية، وترتفع درجة حرارة سطح الجسم الأخضر.

④ مرحلة التوازن

عندما تصل رطوبة سطح المادة الخام إلى حالة التوازن، تتوقف سرعة التجفيف. وتعتمد الرطوبة النهائية بعد التجفيف على درجة حرارة ورطوبة وسط التجفيف. مراحل التجفيف غير ثابتة، وتُعدَّل تبعًا لدرجة حرارة ورطوبة وسط التجفيف. عمليًا، من الضروري تحديد منحنى التجفيف المناسب لخصائص المواد الخام وفقًا للظروف الخاصة بكل حالة.

من خلال دراسة آلية التجفيف ومعدله، يتضح أن العوامل المؤثرة على معدل التجفيف هي نفسها العوامل المؤثرة على معدل انتقال الحرارة ومعدل الانتشار. وتشمل هذه العوامل درجة الحرارة والرطوبة ومعدل تدفق وسط التجفيف. وبشكل عام، تُقاس كمية الحرارة المنقولة إلى حجرة التجفيف بوحدة الزمن.

في الواقع، تتكرر هذه الظاهرة. ففي بعض خطوط الإنتاج، يُضخ هواء ساخن بدرجة حرارة عالية إلى غرفة التجفيف، لكن سرعة التجفيف بطيئة للغاية وفعاليته ضعيفة. ويعود ذلك إلى صغر حجم الهواء المسحوب بواسطة المروحة، وعدم كفاية الحرارة في غرفة التجفيف. في المقابل، في خطوط إنتاج أخرى، تكون درجة حرارة الهواء المُضخ منخفضة، لكن فعالية التجفيف ممتازة. ويعود ذلك إلى كبر حجم الهواء، ما يُتيح لغرفة التجفيف الحصول على كمية كافية من الحرارة.