Alkali-Sülfür Dengesi: Klinker Üretiminde Gizli Verimsizlik

Alkali-sülfür döngüsü nedir?

Çimento döner fırınında alkali (K₂O, Na₂O) ve kükürt (SO₃) hammadde ve yakıttan girerek iç döngü oluşturur. Bu döngü fırında volatilize → preheater'de yoğuşma → beslemeyle tekrar fırına giriş şeklinde çalışır. Döngü zararsız görünür; ama bozulduğunda ciddi sorunlar ortaya çıkar.

Döngünün boyutu alkali input + sülfür input ile belirlenir. 4000 t/g bir fırında yıllık alkali döngüsü 3.000-8.000 ton K₂SO₄ eşdeğerine çıkabilir.

Denge koşulu ve bozulma işaretleri

İdeal oran

Alkali-sülfür dengesinin temel göstergesi:

α = SO₃ / (K₂O + 0.9 × Na₂O) [molar)

• α ≈ 1.0: denge — alkali ve sülfür tam birbirini bağlar, döngü stabil
• α < 0.7: alkali fazlası → serbest alkali, yapışkan siklonlar, siklona birikim
• α > 1.3: sülfür fazlası → K₄CaSO₄ oluşumu, fırın coating problemleri, fCaO artışı

Denge bozulduğunda ne olur?

Alkali fazlası (α < 0.7): Serbest K₂O ve Na₂O preheater siklonlarında yapışkan toz oluşturur. Siklonlar tıkanır; tıkanma fırın kapasitesini %10-30 düşürür. Acil temizlik = 4-8 saatlik duruş.

Sülfür fazlası (α > 1.3): Sülfatlı bileşikler (K₄CaSO₄, CaSO₄) fırın pişirme bölgesinde çöker; klinker mineral fazlarını bozar. fCaO artışına yol açar (bakınız: fCaO Kontrolü rehberi). Aynı zamanda SO₂ emisyonu artar; baca gazı limit aşımı riski.

Alkali ve sülfür kaynakları

Hammaddeler

• Kalker: genellikle düşük alkali (%0.2-0.5 K₂O). Ancak bazı kalker damarları yüksek K içerebilir.
• Kil/tüf: alkali açısından en değişken kaynak. K₂O %0.8-3.5 arasında geniş bant.
• Pirit/jips: doğal sülfür kaynağı. Hammadde karışımında SO₃ girdisini doğrudan etkiler.

Yakıtlar

• Petkok: çok düşük alkali ama SO₃ %3-6 yüksek — sülfür fazlasına katkı.
• Kömür: alkali ve sülfür orta seviye.
• RDF/TDF: değişken; içerik analizine göre SO₃ %0.5-4.5.
• Doğalgaz: neredeyse sıfır alkali ve sülfür — en temiz yakıt.

Döngü hesabı: adım adım

Adım 1 — Günlük giriş hesabı

K₂O girişi (ton/gün) = [Kalker K₂O% × kalker t] + [kil K₂O% × kil t] + [yakıt K₂O% × yakıt t] SO₃ girişi (ton/gün) = benzer şekilde hammadde + yakıt SO₃ toplamı

Adım 2 — α hesabı Yukarıdaki molar oranı formülüyle günlük α değeri.

Adım 3 — Döngü katsayısı Preheater sıcaklık profilini (400-950°C arası) ile volatilization ve kondenzasyon eğrisini kesiştirerek döngü çarpanı hesaplanır. Tipik: α × döngü çarpanı = effective internal load.

Cement Cortex CRM-1 modülü bu hesabı otomatik yapar: her hammadde partisi girişiyle α değeri ve döngü yükü güncellenir.

Kontrol stratejileri

1. Hammadde reçetesiyle α kontrolü

En ucuz müdahale: kil oranını alkali içeriğine göre dengelemek. Yüksek alkali kil partisi geldiğinde düşük alkali kil veya kalsit ile blend. CRM-1 LP optimizer'da α < 0.7 ve α > 1.3 hard constraint olarak tanımlanabilir.

2. Yakıt mix optimizasyonu

Petkok (yüksek SO₃) → doğalgaz veya RDF (düşük SO₃) geçişi α'yı yükseltir. Tersine, kil değişimiyle alkali yükseldiyse SO₃'ü artırmak α'yı 1.0'e çekebilir. Bu optimizasyon CRM-2 modülü tarafından yakıt mix LP içinde çözülür.

3. Bypass sistemi

α < 0.5'in altında sürekli kalan fabrikalarda bypass zorunludur. Gazların %5-15'i preheater downstream'den çekilerek alkali yükü düşürülür. Bypass tozu alkali-sülfür ağırlıklı olduğundan bertaraf veya ikincil kullanım (düşük-alkali çimento katkısı) gerekir.

4. Sülfatize etme (sulphation)

Alkali fazlası varsa kasıtlı SO₃ girişiyle α 1.0'e çekilir. Örn.: yüksek alkali kil döneminde petkok oranı artırma. Kontrollü yapılırsa etkin; dengesiz uygulanırsa sülfür fazlasına düşebilirsin.

5. Siklonlar için temizleme protokolü

α bozulması geç fark edildiğinde ve siklonlarda birikim başlamışsa: hava tabancası + manuel temizleme döngüleri planlanır. Kritik siklon (genellikle 4. kademe) için haftalık kontrol zorunlu.

Pratik örnek: kil partisi değişimi

Türkiye'de bir çimento fabrikasında (anonym, 3200 t/g) Temmuz 2025'te kil ocağında damar değişimi oldu: K₂O %1.2'den %2.6'ya çıktı.

α değişimi: 1.05 → 0.61 (alkali fazlasına geçiş)

Etki: 72 saat içinde 4. kademe siklonunda birikim başladı. Kapasitesi %22 düşürüldü (baskı dengesi bozuldu).

Müdahale (CRM-1 alarm): petkok oranı %12 artırıldı, düşük alkali kalker (kireç taşı reserve) devreye alındı. α 48 saatte 0.88'e çıktı, siklon baskısı normale döndü.

Sonuç: tam tıkanma önlendi, duruş olmadı. Potansiyel kayıp tahmininden kaçınılan: ₺18M (4 günlük duruş + temizlik).

Sık sorulan sorular (SSS)

Her çimento fabrikasında bypass gerekli mi? Hayır. Ham maddesi ve yakıtı doğal düşük alkali olan fabrikalarda α 0.8-1.2 bandında tutunur; bypass gerekmez. Bypass kararı için en az 3 aylık α takibi şarttır.

Alkali bypass tozu ne yapılır? Cement Cortex CBAM modülünde de görüleceği gibi bypass tozu alkali-sülfür konsantrasyonu yüksek yan üründür. Kullanım alanları: düşük alkali çimentoya %0.5-1.5 karıştırma, yol inşaatı katkısı, bölgesel bertaraf.

SO₂ ve SO₃ emisyonu α ile nasıl ilişkili? Sülfür fazlası durumunda (α > 1.3) bağlanamayan SO₃ baca gazında SO₂ olarak çıkar. Türkiye'de sanayi tesisleri için SO₂ limiti 200 mg/Nm³ (yeni tesisler) dir. α > 1.3 olan fırınlarda bu limit risk altındadır.

Cement Cortex hangi verilere ihtiyaç duyar? CRM-1 için: hammadde XRF (K₂O, SO₃), yakıt analizi (S içeriği), klinker XRF (alkali, SO₃ yükleme). Bu veriler saatlik veya shift bazlı girilebilir ya da lab LIMS entegrasyonuyla otomatik alınabilir.