فرن الجير

إن معرفة قيمته في الزراعة قديمة أيضاً، لكن استخدامه الزراعي لم ينتشر على نطاق واسع إلا عندما أصبح الفحم رخيصاً ^{[ 5 ]} في مناجم الفحم في أواخر القرن الثالث عشر، ووُثِّق استخدامه الزراعي عام 1523. ^{[ 6 ]} وتختلف أقدم أوصاف أفران الجير قليلاً عن تلك المستخدمة في الصناعات الصغيرة قبل قرن من الزمان. ولأن نقل المعادن، كالحجر الجيري والفحم، براً كان صعباً في عصر ما قبل الصناعة، فقد كان يُوزَّع بحراً، وكان الجير يُصنَّع غالباً في الموانئ الساحلية الصغيرة. ولا يزال بالإمكان رؤية العديد من الأفران المحفوظة على أرصفة الموانئ حول سواحل بريطانيا.

تنقسم أفران الجير الدائمة إلى فئتين رئيسيتين: "أفران اللهب" المعروفة أيضًا بالأفران "المتقطعة" أو "الدورية"؛ و"أفران السحب" المعروفة أيضًا بالأفران "الدائمة" أو "المستمرة". في فرن اللهب، تُبنى طبقة سفلية من الفحم، ويُملأ الفرن من الأعلى بالطباشير فقط. تُشعل النار لعدة أيام، ثم يُفرغ الفرن بالكامل من الجير.

في فرن السحب، وهو عادةً ما يكون بناءً حجريًا، تُرص طبقات من الطباشير أو الحجر الجيري مع الخشب أو الفحم أو فحم الكوك وتُشعل. ومع احتراقها، يُستخرج الجير من قاع الفرن عبر فتحة السحب. وتُضاف طبقات أخرى من الحجر والوقود إلى الأعلى. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

كانت السمة المشتركة للأفران القديمة هي غرفة احتراق على شكل كوب بيض، مع مدخل هواء في القاعدة (يُسمى "العين")، مبنية من الطوب. كان الحجر الجيري يُسحق (غالبًا يدويًا) إلى كتل متجانسة نسبيًا يتراوح حجمها بين 20 و60 ملم ( 1-2.5 بوصة ) - وكان الحجر الناعم يُرفض. تُبنى طبقات متتالية على شكل قبة من الحجر الجيري والخشب أو الفحم في الفرن على قضبان شبكية عبر العين. عند اكتمال التحميل، يُشعل الفرن من الأسفل، وتنتشر النار تدريجيًا إلى الأعلى عبر الشحنة. عند احتراق الجير بالكامل، يُبرد ويُكشط من القاعدة. يتساقط الرماد الناعم ويُرفض مع "النفايات".  

لم يكن يُستخدم سوى الحجر الكتلي، لأن الشحنة كانت تحتاج إلى "التنفس" أثناء الحرق. وقد حدّ هذا أيضًا من حجم الأفران، ويفسر سبب تقارب أحجامها. فعند تجاوز قطر معين، كانت الشحنة نصف المحترقة عرضةً للانهيار تحت وطأة وزنها، مما يؤدي إلى انطفاء النار. لذا، كانت الأفران تُنتج دائمًا ما بين 25 و30 طنًا من الجير في كل دفعة. عادةً ما كان الفرن يستغرق يومًا واحدًا للتحميل، وثلاثة أيام للحرق، ويومين للتبريد، ويومًا واحدًا للتفريغ، لذا كان أسبوع واحد هو المدة المعتادة. وكان يتم التحكم في درجة الاحتراق بالتجربة والخطأ من دفعة إلى أخرى عن طريق تغيير كمية الوقود المستخدم. ونظرًا لوجود فروق كبيرة في درجات الحرارة بين مركز الشحنة والمادة القريبة من الجدار، كان يُنتج عادةً مزيج من الجير غير المحترق (أي ذو فقد كبير عند الاشتعال )، والجير المحترق جيدًا، والجير المحترق تمامًا. وكانت كفاءة استهلاك الوقود منخفضة، حيث كان يُستخدم 0.5 طن أو أكثر من الفحم لكل طن من الجير المُصنّع (15 ميجا جول/كجم).

كان إنتاج الجير يُمارس أحيانًا على نطاق صناعي. ومن الأمثلة على ذلك مصنع في أنيري بشمال ديفون ، إنجلترا ، بالقرب من جريت تورينجتون ، والذي كان يتألف من ثلاثة أفران مُجمّعة على شكل حرف "L"، ويقع بجوار قناة تورينجتون ونهر توريدج لجلب الحجر الجيري والفحم، ونقل الجير المُكلس في الأيام التي سبقت وجود الطرق المعبدة بشكل صحيح. ^{[ 9 ]}

كانت مجموعات الأفران المكونة من سبعة أفران شائعة. وكان فريق التحميل وفريق التفريغ يعملان على الأفران بالتناوب طوال الأسبوع.

كان الفرن الذي نادراً ما يستخدم يُعرف باسم "الفرن الكسول". ^{[ 10 ]}

في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، كانت بلدة وارتاه في جيبسلاند ، فيكتوريا ، أستراليا ، تُنتج معظم الجير الحي المستخدم في مدينة ملبورن، بالإضافة إلى مناطق أخرى في جيبسلاند. كانت البلدة، التي تُعرف الآن باسم ووكرفيل ، تقع على جزء معزول من ساحل فيكتوريا، وكانت تُصدّر الجير عن طريق السفن. وعندما أصبح هذا الأمر غير مُربح في عام ١٩٢٦، أُغلقت أفران الجير. ورغم أن المنطقة الحالية تفتقر إلى مرافق المدينة، إلا أنها تُسوّق نفسها كوجهة سياحية. ولا تزال آثار أفران الجير قائمة حتى اليوم.

• أفران حرق الجير في أستراليا
• 
  أطلال فرن من الحجر الجيري في والكرڤيل، فيكتوريا، أستراليا
• 
  أطلال فرن من الحجر الجيري كما تُرى من مسار المشي في الأدغال، ووكرفيل، فيكتوريا، أستراليا

كما كان يوجد فرن جير في وول باي ، جنوب أستراليا ^{[ 11 ]} .

• فرن الجير، خليج وول
• 

• 
  أفران الجير القديمة في مانجكيف كوت، أوكرانيا
• 
  أفران الجير القديمة في مانجكيف كوت، أوكرانيا
• 
  أفران الجير القديمة في مانجكيف كوت، أوكرانيا
• 
  أفران الجير القديمة في مانجكيف كوت، أوكرانيا

كان الفرن الكبير في كريندليديكس بالقرب من جسر هايدون ، نورثمبريا، واحداً من أكثر من 300 فرن في المقاطعة. وكان فريداً من نوعه في المنطقة لاحتوائه على أربعة أقواس سحب لكل إناء. ومع انخفاض الإنتاج، تم إغلاق القوسين الجانبيين، ولكن أعيد ترميمهما عام 1989 من قبل هيئة التراث الإنجليزي .

أدى تطوير شبكة السكك الحديدية الوطنية إلى انخفاض ربحية الأفران المحلية الصغيرة تدريجيًا، ما أدى إلى اختفائها تدريجيًا خلال القرن التاسع عشر، وحلّت محلها مصانع صناعية أكبر. في الوقت نفسه، أدت الاستخدامات الجديدة للجير في الصناعات الكيميائية والصلب والسكر إلى ظهور مصانع ضخمة، وشهدت هذه المصانع أيضًا تطوير أفران أكثر كفاءة.

لا يزال فرن الجير الذي شُيّد في دادلي ، غرب ميدلاندز ( وورسيسترشاير سابقًا ) عام 1842 قائمًا كجزء من متحف بلاك كانتري ليفينغ الذي افتُتح عام 1976، على الرغم من أن آخر استخدام للأفران كان خلال عشرينيات القرن الماضي. وهو الآن من بين آخر الأفران المتبقية في منطقة هيمنت عليها تعدين الفحم والحجر الجيري لأجيال حتى ستينيات القرن الماضي. ^{[ 12 ]}

• أفران حرق الجير في بريطانيا العظمى
• 
  أفران الجير التي تعود إلى القرن التاسع عشر في فروغهال
• 
  فرن جير محفوظ في حديقة بورغيس ، لندن
• 
  فرن جير قديم، بوسكاسل، كورنوال
• 
  فرن جير كبير في برودستون، بيث، أيرشاير
• 
  فرن آنيري في ديفون، إنجلترا
• 
  فرن جير كبير من القرن التاسع عشر في كريندليدايكس بالقرب من هاوسستيدز نورثمبريا
• 
  قلعة دمبارتون عام 1800 وفرن الجير العامل مع الدخان في المقدمة ^{[ 13 ]}

• 
  أفران الجير القديمة، أنتون ، بلجيكا
• 
  أفران الجير، أويراس، البرتغال
• 
  فرن الجير Untermarchtal، بادن فورتمبيرغ
• 
  فرن جير يعود تاريخه إلى عام 1906 في سيمبلون، ناميبيا
• 
  أفران الجير في كلادنو، التشيك، ظلت تعمل حتى عام 1975.

تبلغ الحرارة النظرية ( المحتوى الحراري القياسي ) اللازمة لإنتاج الجير عالي الكالسيوم حوالي 3.15 ميغا جول لكل كيلوغرام من الجير، لذا لم تتجاوز كفاءة أفران الدفعات 20%. وكان مفتاح تطوير الكفاءة هو اختراع الأفران المستمرة، التي تتجنب دورات التسخين والتبريد المُهدرة للطاقة في أفران الدفعات. وكانت الأفران الأولى عبارة عن أفران عمودية بسيطة، تشبه في تصميمها أفران الصهر . وهي أفران عمودية ذات تيار معاكس. وتشمل الأنواع الحديثة منها الأفران التجديدية والحلقية. ويتراوح الإنتاج عادةً بين 100 و500 طن يوميًا.

أفران عمودية ذات تيار معاكس

يُحقن الوقود جزئيًا في الجزء العلوي من الفرن، مما يُنتج أعلى درجة حرارة عند هذه النقطة. تُجفف المادة الخام الطازجة المُدخلة من الأعلى أولًا، ثم تُسخن إلى 800  درجة مئوية، حيث تبدأ عملية إزالة الكربونات، وتزداد سرعتها تدريجيًا مع ارتفاع درجة الحرارة. أسفل الموقد، ينقل الجير الساخن الحرارة إلى هواء الاحتراق، ويُبرد بواسطته. تسحب شبكة ميكانيكية الجير من الأسفل. تسحب مروحة الغازات عبر الفرن، ويُحافظ على مستوى الجير ثابتًا بإضافة المادة الخام عبر صمام تهوية. كما هو الحال في أفران الدفعات، لا يُمكن استخدام سوى الأحجار الكبيرة المُصنفة لضمان تدفق الغازات بشكل منتظم عبر الشحنة. يُمكن ضبط درجة الاحتراق بتغيير معدل سحب الجير. يُمكن أن يصل استهلاك الحرارة إلى 4 ميجا جول/كجم، ولكن 4.5 إلى 5 ميجا جول/كجم هو الأكثر شيوعًا. نظرًا لذروة درجة الحرارة عند المواقد التي تصل إلى 1200  درجة مئوية في فرن العمود، تُعد الظروف مثالية لإنتاج الجير متوسط ​​الاحتراق والجير شديد الاحتراق.

أفران التجديد

تتكون هذه الأفران عادةً من عمودين يعملان بالتناوب. في البداية، عندما يكون العمود "أ" هو العمود "الرئيسي" والعمود "ب" هو العمود "الثانوي"، يُضاف هواء الاحتراق من أعلى العمود "أ"، بينما يُضاف الوقود من أسفله عبر أنابيب الاحتراق. يكون اللهب من الأعلى إلى الأسفل. تمر الغازات الساخنة إلى الأسفل، وتعبر إلى العمود "ب" عبر ما يُسمى "القناة"، ثم تصعد إلى مخرج العمود "ب". في الوقت نفسه، يُضاف هواء التبريد من الأسفل إلى كلا العمودين لتبريد الجير ومنع خروج الغازات من أسفل الفرن عن طريق الحفاظ على ضغط موجب. يخرج هواء الاحتراق وهواء التبريد من الفرن معًا عبر مخرج أعلى العمود "ب"، مما يؤدي إلى تسخين الحجر مسبقًا. ينعكس اتجاه التدفق دوريًا (عادةً من 5 إلى 10 مرات في الساعة)، حيث يتبادل العمودان "أ" و"ب" دور العمود "الرئيسي" و"الثانوي" على التوالي. يحتوي الفرن على ثلاث مناطق: منطقة التسخين المسبق في الأعلى، ومنطقة الاحتراق في المنتصف، ومنطقة التبريد بالقرب من الأسفل. تُنتج عملية التدوير منطقة احتراق طويلة ذات درجة حرارة ثابتة ومنخفضة نسبيًا (حوالي 950  درجة مئوية)، وهي مثالية لإنتاج الجير التفاعلي عالي الجودة. مع انخفاض درجة حرارة غازات العادم إلى 120  درجة مئوية، ودرجة حرارة الجير عند مخرج الفرن في  حدود 80 درجة مئوية، يكون فقد الحرارة في الفرن التجديدي ضئيلاً، واستهلاك الوقود منخفضًا جدًا، حيث يصل إلى 3.6 ميجا جول/كجم. وبفضل هذه الميزات، أصبحت الأفران التجديدية اليوم تقنية شائعة الاستخدام في ظل ارتفاع تكاليف الوقود. تُبنى الأفران التجديدية بطاقة إنتاجية تتراوح بين 150 و800 طن/يوم، وتتراوح الطاقة الإنتاجية النموذجية بين 300 و450 طن/يوم.

الأفران الحلقية

تحتوي هذه الأفران على أسطوانة داخلية متحدة المركز. تجمع هذه الأسطوانة الهواء المسخن مسبقًا من منطقة التبريد، والذي يُستخدم بعد ذلك لضغط المنطقة الحلقية الوسطى للفرن. يتسبب انتشار الهواء من المنطقة المضغوطة في تدفق معاكس لأعلى، وتدفق متوافق لأسفل. ينتج عن ذلك منطقة تكليس طويلة وباردة نسبيًا. يتراوح استهلاك الوقود بين 4 و 4.5 ميجا جول/كجم، ويتم حرق الجير عادةً بشكل متوسط.

بدأ استخدام الأفران الدوارة في صناعة الجير في مطلع القرن العشرين، وهي تشكل الآن نسبة كبيرة من المنشآت الجديدة إذا لم تكن تكاليف الطاقة ذات أهمية كبيرة. تميز الاستخدام المبكر للأفران الدوارة البسيطة بإمكانية استخدام نطاق أوسع بكثير من أحجام الحجر الجيري، بدءًا من الحبيبات الدقيقة وصولًا إلى الحبيبات الخشنة، بالإضافة إلى إمكانية إزالة العناصر غير المرغوب فيها مثل الكبريت . من ناحية أخرى، كان استهلاك الوقود مرتفعًا نسبيًا بسبب ضعف التبادل الحراري مقارنةً بالأفران العمودية، مما أدى إلى فقدان مفرط للحرارة في غازات العادم. تعمل الأفران الدوارة "الطويلة" التقليدية باستهلاك يتراوح بين 7 و10 ميجا جول/كجم. تتغلب المنشآت الحديثة جزئيًا على هذا العيب بإضافة مسخن مسبق، والذي يوفر نفس مستوى التلامس الجيد بين المواد الصلبة والغاز كما في الفرن العمودي، ولكن استهلاك الوقود لا يزال أعلى نوعًا ما، ويتراوح عادةً بين 4.5 و6 ميجا جول/كجم. في التصميم الموضح، تُرتّب دائرة من الأعمدة (عادةً من 8 إلى 15 عمودًا) حول قناة الفرن الصاعدة. يُفرغ الحجر الجيري الساخن من الأعمدة بالتتابع، بفعل "لوحة دفع" هيدروليكية. وتُعدّ الأفران التي تبلغ طاقتها الإنتاجية 1000 طن يوميًا نموذجية. ويُعتبر الفرن الدوار الأكثر مرونة بين أفران الجير، إذ يُمكنه إنتاج الجير المُحترق جزئيًا أو كليًا، بالإضافة إلى الجير المُحترق كليًا أو الدولوميت.

تُنتج جميع تصاميم الأفران المذكورة أعلاه غازات عادم تحمل كمية كبيرة من الغبار. ويُعدّ غبار الجير شديد التآكل. لذا ، تُركّب معدات لحجز هذا الغبار، عادةً على شكل مرسبات كهروستاتيكية أو مرشحات كيسية. ويحتوي الغبار عادةً على تركيز عالٍ من عناصر مثل الفلزات القلوية والهالوجينات والكبريت.