بخشی از مقاله
چکیده _
تولید سیمان یکی از انرژی برترین صنایع در جهان بوده که به ازای هر تن سیمان 4GJ انرژی مصرف می شود، از لحاظ تئوری تولید یک تن کلینکر نیاز به حداقل 1.6GJ حرارت دارد، در حالی که در حقیقت متوسط مصرف انرژی ویژه حدود 2.95GJ به ازای هر تن سیمان تولید شده در کوره های پیشرفته می باشد، در حالی که در برخی کشورها مصرف انرژی به بیش از 5GJ/ton هم می رسد.
به منظور آماده سازی مواد اولیه و تولید کلینکر، کوره های دوار به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. هدف از این مطالعه، آنالیز انرژی آسیاب مواد - RM - و واحد آماده سازی مواد خام در کارخانه سیمان سیستان با استفاده از داده های عملیاتی واقعی می باشد. ظرفیت آسیاب مواد در این کارخانه 340t/h می باشد.
راندمان های انرژی به منظور تجزیه و تحلیل عملکرد کارخانه و بهبود آن بررسی شده است. روش حاضر به عنوان ابزاری مفید در تجزیه و تحلیل انرژی، بهبود سیاست های انرژی و ارائه اقداماتی برای صرفه جویی در انرژی، پیشنهاد می گردد.
.1 مقدمه
منابع شناخته شده انرژی امروزه به سرعت در حال مصرف بوده و از این رو کاربرد موثر و کارامد انرژی بعنوان امری ضروری مورد توجه قرار گرفته است. به همین دلیل جمع آوری و ارزیابی داده های دوره ای مربوط به صنعت و دیگر بخش های مصرف کننده انرژی، شرطی اولیه در تعیین هدف ها برای مطالعات بر روی صرفه جویی انرژی می باشد. موازنه انرژی روشی اساسی در تحلیل فرآیند بوده که آنالیز انرژی را امکان پذیر کرده و با ارائه نکاتی برای بهبود فرآیند، کلیدی برای بهینه سازی و مبنایی برای بهبود موازنه اکسرژی می باشد.
تجزیه و تحلیل نتایج موازنه انرژی، راندمان مصرف انرژی در بخش های ویژه ای از فرآیند را افشا کرده و مقایسه راندمان و پارامترهای فرآیند با مقادیر قابل حصول در اکثر تاسیسات مدرن را ممکن می سازد. آنها همچنین اولویت فرآیندهایی را که هم از لحاظ مصرف بیش از اندازه انرژی و هم به دلیل راندمان پایین ویژه شان باید در نظر گرفته شوند را مشخص می نمایند.
آنالیز اکسرژی یک روش ترمودینامیکی مدرن بوده که بعنوان ابزاری پیشرفته برای ارزیابی یک فرآیند مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد. در حالی که آنالیز انرژی بر اساس قانون اول ترمودینامیک است، آنالیز اکسرژی بر مبنای دو قانون اول و دوم ترمودینامیک می باشد. هر دو آنالیز همچنین موازنه مواد را برای سیستم مورد نظر به کار می گیرند. آنالیز و بهینه سازی هرگونه فرآیند فیزیکی یا شیمیایی با استفاده از مفاهیم انرژی و اکسرژی می تواند دو دیدگاه مختلف در مورد فرآیند مورد نظر را ارائه دهد.
هدف اصلی آنالیز اکسرژی ، کشف دلایل و نیز تخمین کمی اندازه نقص یک فرآیند شیمیایی و یا حرارتی می باشد. آنالیز اکسرژی منجر به درک بهتری از تاثیر پدیده های ترمودینامیکی بر ناکارایی فرآیند، مقایسه اهمیت فاکتورهای ترمودینامیکی مختلف و تعیین راههای موثرتر برای بهبود فرآیند مورد بررسی، می شود.
درک درستی از اکسرژی می تواند در ارائه راندمان، تاثیرات زیست محیطی و دوام سیستم های انرژی که لازمه کار دانشمندان و مهندسان در زمینه سیستم های انرژی و محیط زیست می باشد، مفید باشد.
دینسر1 ارتباط بین انرژی و اکسرژی، اکسرژی و محیط زیست، انرژی و توسعه پایدار و نیز سیاست گزاری انرژی و اکسرژی را گزارش داده است
به تازگی استفاده از تکنیک های مدل سازی آنالیز انرژی و اکسرژی برای ارزیابی مصرف انرژی و به منظور دستیابی به صرفه جویی انرژی و بنابراین صرفه جویی اقتصادی، توجه بسیاری را به خود معطوف کرده است. تا به حال کلیه مطالعات آنالیز انرژی و اکسرژی انجام شده بر روی کارخانجات، در مورد کوره های دوار بوده است. هنگام بررسی فرآیند بر اساس توزیع انرژی، مقدار بسیار زیادی از جریان جرم و انرژی در آسیاب مواد مشاهده می گردد.
منبع گرمایی مورد نیاز برای بدست آوردن پودر در آسیاب مواد، گاز خروجی از کوره دوار می باشد. تلفات حرارتی در RM کل سیستم را تحت تاثیر قرار می دهد. تلفات گرمایی که بخصوص در مرحله ابتدایی فرآیند اتفاق می افتد، نشان دهنده وجود مشکل در راندمان سیستم می باشد. با انجام اقدامات احتیاطی مناسب در RM ، تلفات حرارتی کاهش خواهد یافت که همجنین باعث صرفه جویی در مصرف سوخت کوره های دوار هم می گردد.
زارگات[1] 2 ، کتاس[4] 3 و وال[5] 4 مطالعات گسترده ای را در زمینه اکسرژی انجام دادند. زارگات نخستین دانشمندی بود که مصرف اکسرژی تجمعی و درجه تجمعی کمال برای فرآیندهای صنعتی را تعریف و نیز بین راندمان قانون دوم - راندمان اکسرژی یا راندمان منطقی - و درجه تجمعی کمال تمایز قائل شد. با این حال کتاس رویکرد مشابهی برای فرآیندهای صنعتی مختلف مانند کارخانجات سولفوریک اسید، تبرید و توربین های گازی ارائه می دهد.
وال [5] جریان های اکسرژی برای یک کارخانه کاغذسازی و نیز یک کارخانه فولاد را از طریق ایجاد جریان های انرژی در فرآیند و طراحی تلفات اکسرژی، ارائه می دهد. صنعت سیمان یکی از مصرف کننده های اصلی انرژی در بخش صنعت است که مقادیر قابل توجهی از مطالعات هم در این زمینه منتشر شده است، در میان آنها مقالات بسیار ارزنده ای وجود دارند که نه تنها رویکرد انرژی به صنعت سیمان بلکه پتانسیل ها و ابزار بهبود مصرف انرژی در صنعت سیمان را هم نشان می دهد.
شوئر و همکاران میزان مصرف انرژی را محاسبه و روش های صرفه جویی انرژی و پتانسیل هایی برای صنعت سیمان آلمان را نعرفی نمودند.، این مطالعه شامل دو بخش می باشد که عبارتند از روش های صرفه جویی انرژی الکتریکی و نیز روش های صرفه جویی انرژی حرارتی، نتایج در قالب فلودیاگرام های انرژی نمایش داده شده اند که آنها را به آسانی قابل درک می سازند. مطالعات قبلی صورت گرفته غالبا بر آنالیز انرژی و اکسرژی پیش گرمکن و کوره دوار متمرکز بوده در صورتی که مطالعه کنونی به آنالیز انرژی و اکسرژی آسیاب سیمان و واحد آماده سازی مواد خام در کارخانه سیمان سیستان به منظور ارزیابی عملکرد کارخانه با استفاده از داده های عملیاتی واقعی کارخانه، می پردازد.
.2 آنالیز نظری
برای یک حالت پایای عمومی و نیز فرایند جریان پایا، معادلات موازنه زیر برای یافتن کار، برهمکنش های حرارتی، سرعت کاهش اکسرژی، سرعت برگشت ناپذیری، راندمان های انرژی و اکسرژی [4, 6 -9] مورد استفاده قرار می گیرند.
که m سرعت جریان جرم می باشد، زیر نویس های in و out به کار رفته در عبارات، مقادیر ورودی و خروجی هر پارامتر را مشخص می نماید. همچنین موازنه انرژی کلی به صورت زیر بیان می گردد به طوری که Q سرعت انتقال حرارت، W مقدار کار، m سرعت انتقال جرم و h هم آنتالپی ویژه می باشد.
فرض می شود که هیچ تغییری در انرژی های جنبشی و پتانسیل با انتقال کار یا گرما حاصل نمی شود. موازنه انرژی داده شده در معادله - 3 - را می توان تنها برحسب آنتالپی های جریان به صورت زیر ساده سازی نمود که Qk سرعت انتقال حرارت از طریق مرز در دمای Tk در موقعیت k، سرعت کار، اکسرژی جریان و s آنتروپی ویژه می باشد.
اکسرژی تلف شده و یا برگشت ناپذیری به صورت زیر بیان می شود که gen هم سرعت آنتروپی می باشد.
مقدار انتقال اکسرژی حرارتی مربوط به انتقال حرارت Qr از میان مرز r در دمای ثابت Tr عبارت است از :
اکسرژی یک جسم تراکم ناپذیر هم به صورت زیر نوشته می شود که C گرمای ویژه می باشد.
راندمان اکسرژی، اکسرژی ورودی کل را بعنوان اکسرژی مصرف شده و اکسرژی خروجی کل را بعنوان اکسرژی مصرف کننده بیان می کند. بنابراین راندمان اکسرژی 1 عبارت است ازاغلب، بخشی از اکسرژی خروجی غیر قابل استفاده می باشد که همان اکسرژی تلف شده، [west ، به محیط می باشد. در این مورد راندمان اکسرژی به صورت زیر تعریف خواهد شد:
راندمان منطقی که اولین بار توسط کتاس و کرنلیسن تعریفگردید[4,10] به صورت نسبت اکسرژی خروجی مطلوب به اکسرژی مصرف شده می باشد یعنی به گونه ای که [desired,output عبارت است از سرعت انتقال اکسرژی کل از سیستم که باید به عنوان تشکیل دهنده خروجی مطلوب که مانع از تشکیل هرگونه محصول جانبی توسط سیستم می گردد، در نظر گرفته شود، در حالی که [used سرعت اکسرژی ورودی مورد نیاز برای انجام فرآیند می باشد. راندمان اکسرژی داده شده در معادله - 12 - همچنین می تواند به صورت زیر نیز بیان گردد :
برای تعریف راندمان اکسرژی، هم محصول و هم سوخت سیستم مورد بررسی باید شناخته شده باشند. محصول نتیجه مطلوب سیستم را نشان میدهد در نتیجه در تعریف محصول باید هدف از خرید و استفاده سیستم را هم در نظر گرفت. سوخت نشاندهنده منابع صرف شده برای تولید محصول بوده و لزوما نباید به یک سوخت واقعی همچون گاز طبیعی، نفت یا ذغال سنگ محدود گردد. سوخت و محصول هر دو در قالب هایی از اکسرژی بیان شده اند
ون گل همچنین متذکر می شود که ماکزیمم بهبود در راندمان اکسرژی برای یک سیستم یا فرایند هنگامی بدست می آید که تلفات اکسرژی یا برگشت ناپذیری - [ in - [out - به کمترین مقدار خود برسد.
