بخشی از مقاله
چکیده
احیاء مستقیم به روش میدرکس یکی از توسعه یافته ترین روشهای احیاء کانیهای اکسید آهن در جهان می باشد. حدود 65 درصد آهن اسفنجی تولید شده در جهان به روش میدرکس می باشد. در این روش گندله های اکسید آهن درون یک کوره عمودی بوسیله گاز احیاکننده که در یک ریفرمر تولید می شود به آهن اسفنجی تبدیل می شوند. ریفرمر محفظه ای عایق بندی شده و آببند است که در آن گاز طبیعی در مجاورت کاتالیست نیکلی درون لوله هایی توسط واکنشهای ریفرمینگ به گاز احیایی شامل H2 و CO با ترکیب مشخص تبدیل می شود. از آنجا که واکنشهای ریفرمینگ گرماگیر هستند حرارت مورد نیاز توسط مشعلهایی که در کف ریفرمر قرار دارند تامین می شود. پایش و کنترل احتراق درون ریفرمر هم از جهت راندمان فرایند و مصرف انرژی و هم از جهت سلامت ریفرمر حائز اهمیت می باشد . در این مقاله با استفاده از داده های موجود شامل فلو و آنالیز هوا و گازهای ورودی به مشعلهای ریفرمر و با روش موازنه جرمی ورودیها و خروجیها ، اقدام به تحلیل وضعیت احتراق ریفرمر میدرکس نموده ایم. این محاسبات می توانند بصورت یک فایل اکسل نیز تهیه شده و برای تحلیل روزانه ریفرمرهای میدرکس توسط متخصصان فرایند مورد استفاده قرار گیرند. نتایج شامل تحلیل احتراق ریفرمر و همچنین محاسبه فلو و آنالیز گاز حاصل از احتراق می باشد. در واحدهای میدرکس فلو و آنالیز گاز حاصل از احتراق بطور مستقیم قابل اندازه گیری نمی باشد و تنها از روشهای محاسباتی بدست می آید.
مقدمه
توسعه فرایند احیاء مستقیم میدرکس شامل توسعه در زمینه ساخت کوره های احیاء گندله اکسید آهن و توسعه در زمینه تولید ریفرمر می باشد. درون کوره احیایی گندله های اکسید آهن بطور پیوسته از بالا به پایین در حرکت هستند و در تماس دائم با گاز احیایی که جریان آن در جهت مخالف است فرایند احیاء گندله های اکسید آهن انجام می شود. گاز احیایی مورد استفاده برای احیاء اکسیدهای آهن شامل حدود 90 تا 92 درصد H2 و CO است که درون ریفرمر و طی واکنشهای گرماگیر ریفرمینگ و در حضور اجزاء اکسید کننده - بخار آب و دی اکسید کربن - تولید می شود - شکل :[1 ] - 1 CH4 + H2O = CO + 3H2 CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2
شکل .1 شماتیک یک واحد احیاء مستقیم میدرکس
ریفرمر یک محفظه فلزی با استراکچر فولادی است که درون آن نسوز کاری شده است و مشعلهایی در کف آن برای تامین حرارت واکنشهای ریفرمینگ وجود دارد و شامل تعدادی تیوب پر از کاتالیست نیکلی است. گاز طبیعی درون این تیوبها و در مجاورت کاتالیست نیکلی ریفرم شده و گاز احیا کننده شامل هیدروژن و منواکسید کربن تولید می شود. طراحی ریفرمر برای جریان رو به بالای گاز ورودی و نیز داشتن مشعلهایی که در کف ریفرمر می سوزند، باعث می شودکه کلیه اوریفیس ها، ولوهای دستی و مشعلها در زیر ریفرمر قرار گیرند بطوریکه نسبتاً برای کارهای نگهداری و تعمیراتی مناسب باشد - شکل . - 2 بدنه آببندی شده ریفرمر مانع از ورود هوا به درون آن جهت داشتن بهترین راندمان احتراق می باشد .[2]
مشعل اصلی
مشعل فرعی
شکل .2 تصویری از درون ریفرمر که یک ردیف از مشعلهای کف و دو ردیف تیوبهای مجاور را نشان می دهد. همچنین مشعلهای اصلی - تیره - و مشعلهای فرعی ما بین آنها - روشن - نیز نشان داده شده است. از آنجا که یک فشار منفی اضافی درون ریفرمر توسط دمنده هوای دودکش ایجاد می شود و محصولات ناشی از احتراق را از ریفرمر خارج می کند نشتی جریان هوا به درون ریفرمر تقویت می شود و راندمان انرژی را کاهش می دهد. البته فشار منفی جزئی برای بهینه کردن کارایی ریفرمر مناسب تر است . ریفرمر توسط دو سیستم مجزای احتراق گرم می شود که هر کدام جداگانه دارای دمنده هوا، سیستم کنترل، لوله کشی و مشعل می باشد. سیستم احتراق اصلی حرارت لازم برای واکنشهای ریفرمینگ را تامین می کند و اندازه آن نیز بزرگ تر از سیستم احتراق فرعی می باشد. وظیفه مشعلهای فرعی تامین حرارت برای ثابت نگهداشتن دمای ریفرمر در مواقع توقف می باشد. هم مشعلهای اصلی و هم مشعلهای فرعی نزدیک به شرایط استوکیومتری احتراق با حدود 1 تا 2 درصد اکسیژن خشک اضافی در می سوزند. این امر نه تنها باعث بالا رفتن راندمان احتراق می شود بلکه این امکان را میدهد که گاز حاصل از احتراق به عنوان گاز آببندی در جاهای مختلف سیستم استفاده شود. مشعلها در کف ریفرمر قرار دارند و گاز خوراک ورودی به تیوبها را در حین بالا رفتن از میان کاتالیستهای درون تیوبهای ریفرمر گرم می کند و گاز ریفرم شده با غلظت مناسب منواکسید کربن و هیدروژن تولید می شود. گازهای ناشی از احتراق درون مشعلها از طریق کانالهایی وارد دو داکت در طرفین محفظه ریفرمر می شود و توسط مکش فن دودکش به سمت دوکش هدایت می شوند - شکل . - 3 این داکتها از درون نسوزکاری شده اند و دارای اتصالات انبساطی برای دفع اثرات افزایش دما می باشد .[2]
شکل .3 نمای بیرونی ریفرمر میدرکس که داکت خروج گازهای حاصل از احتراق در یک سمت آن نشان داده شده است.
مشعلهای اصلی از نوع نفوذی هستند و شعله های بلند و باریک را برای گرم کردن تیوبها ایجاد می کند. گاز قابل احتراق از میان یک نازل کوچک در مرکز مشعل وارد می شود و دمنده اصلی هوا، هوای مورد نیاز برای احتراق را تولید می کند. مشعلهای اصلی در دو اندازه وجود دارد. مشعلهای کوچکتر در ردیفهای کنار دیوار ریفرمر مورد استفاده قرار می گیرند. مشعلهای فرعی برای گرم کردن ریفرمر و نیز ثابت نگهداشتن دمای ریفرمر در زمان توقف بکار می روند . مشعلهای فرعی در میان تعدادی از مشعلهای اصلی قرار دارند - شکل . - 2 دمندهISME2011, 10-12 May, 2011 فرعی هوا، هوای مورد نیاز مشعل های فرعی را تامین می کند. هوا و گاز طبیعی وارد مشعلهای فرعی شده و می سوزند.
تجزیه و تحلیل
برای تحلیل احتراق در ریفرمر میدرکس باید آنالیز و فلوی هوا و سوخت را در مشعلهای اصلی و فرعی در اختیار داشته باشیم. درون مشعلهای فرعی گاز طبیعی با ترکیب مشخص و هوا مخلوط شده و می سوزد . در فرایند احیاء مستقیم میدرکس که فرایندی پیوسته است گاز خروجی از کوره پس از انجام فرایند احیاء همچنان دارای اجزاء قابل احتراقی مانند هیدروژن و منو اکسید کربن و اندکی متان می باشد که ارزش حرارتی دارد و می تواند به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به افزایش حجم ذاتی که درون تیوبهای ریفرمر و طی واکنشهای ریفرمینگ برای گاز احیایی رخ می دهد، حدود یک سوم این گاز پس از انجام واکنشهای احیاء درون کوره و پس از خروج از کوره مازاد بوده و می تواند به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد . این گاز به عنوان گاز فیول شناخته می شود که ترکیب خشک آن با دو سوم دیگر گاز برگشتی از کوره که وارد چرخه احیاء می شود یکسان است اما به دلیل تفاوت در فشار و دما دارای مقدار بخار آب متفاوت و در نتیجه ترکیب تر متفاوت می باشد. لذا درون مشعلهای اصلی گاز طبیعی با گاز فیول برگشتی از کوره مجموعاً به عنوان سوخت با هوای مورد نیاز ترکیب شده و می سوزند .[2] برای تحلیل احتراق ریفرمر ابتدا باید آنالیز هوای خشک را به آنالیز تر تبدیل کرد . آنالیز هوای خشک شامل 79 درصد نیتروژن و 21 درصد اکسیژن است. با داشتن دما و رطوبت نسبی هوا و بوسیله فرمولهای تجربی می توان مقدار بخار آب موجود در هوا را محاسبه کرد و سپس آنالیز خشک را به آنالیز تر تبدیل نمود. تبدیل آنالیز خشک به تر یک گاز به این صورت است که پس از مشخص شدن درصد بخار آب موجود در آن، باید تک تک اجزاء گاز در آنالیز خشک را در مقدار { - 100-H2O% - /100} ضرب نمود. به عنوان نمونه برای یک روز مشخص در شهر اهواز داده ها بصورت زیر بوده است :
-1فشار اتمسفر معادل 1 bar
-2دمای هوا 40 درجه سانتیگراد
-3رطوبت نسبی 71 درصد در نتیجه مقدار بخار آب موجود در هوا در آن روز معادل 4/9 درصد می شود. همچنین آنالیز خشک و تر هوای مورد استفاده برای احتراق که توسط دمنده های اصلی و فرعی تامین شده است در جدول شماره - 1 - آورده شده :
در مرحله بعد باید آنالیز کامل گازهای مورد استفاده به عنوان سوخت را نیز تهیه کرد که شامل آنالیز تر گاز طبیعی و آنالیز تر گاز فیول برگشتی از کوره است . آنالیز تر گاز طبیعی رامستقیماً آزمایشگاه تهیه می کند و آنالیز تر گاز برگشتی از کوره را نیز باید از آنالیز خشک گاز که توسط آزمایشگاه تهیه می شود و با استفاده از دما و فشار گاز فیول بدست آورد. همانطور که می دانیم درون سیستم گاز احیایی یک واحد احیاء مستقیم میدرکس برخی گازها در حالت اشباع قرار دارند که گاز خروجی از قسمت دو سوم - پروسس - اسکرابر تاپ گس و همچنین گاز خروجی از قسمت یک سوم - فیول - اسکرابر تاپ گس از جمله آنها می باشد. برای محاسبه مقدار بخار آب گازهای اشباع نیز میدرکس از یک فرمول نیمه تجربی استفاده می کند. ورودیهای این فرمول فشار و دمای گاز اشباع می باشد: [3 ]
به عنوان نمونه آنالیزهای گاز طبیعی و گاز فیول برای همان روز در جدول شماره 2 آورده شده است. در این جدول با استفاده از دما و فشار گاز فیول، مقدار بخار آب آن محاسبه شده است و سپس آنالیز تر گاز بدست آمده است برای شروع محاسبات اکنون آنالیز تر هوا و سوخت آماده است. فلوی هوای مشعلهای اصلی و فرعی و سوخت مشعلهای اصلی و فرعی شامل گاز طبیعی و گاز فیول برگشتی از کوره نیز جزء معلومات هر واحد میدرکس است که توسط فلومترهای موجود در کارخانه بصورت آنلاین مشاهده و خوانده می شود. در روزی که محاسبات برای آن انجام گردیده است این فلوها عبارت بودند از : فلوی گاز طبیعی به مشعلهای اصلی : 1650 Nm3/h ISME2011, 10-12 May, 2011 فلوی گاز طبیعی به مشعلهای فرعی : 880 Nm3/h فلوی گاز فیول به مشعهای اصلی : 48000 Nm3/h فلوی هوای مشعلهای اصلی : 138000 Nm3/h فلوی هوای مشعلهای فرعی : 16000 Nm3/h همچنین واکنشهای سوختن استوکیومتری اجزاء قابل احتراق موجود در سوخت مشعلها بصورت زیر می باشد :[4] بر اساس واکنشهای بالا مشخص می شود که برای سوختن هر مول از اجزاء موجود در سوخت، چند مول اکسیژن مورد نیاز است و چند مول از اجزاء حاصل از احتراق تولید می شود.
حال داده های لازم برای شروع محاسبات کامل است. در اولین قدم می توان با توجه به آنالیز گاز طبیعی و گاز فیول مورد استفاده در مشعلهای اصلی و فرعی و با توجه به واکنشهای سوختن استوکیومتری، مقدار اکسیژن و سپس هوای خشک و تر استوکیومتری مورد نیاز برای احتراق را محاسبه نمود. به این صورت که مثلاً درصد متان درون گاز طبیعی را در تعداد مول اکسیژن مورد نیاز بر اساس واکنش - 1 - ضرب می کنیم که به این ترتیب تعداد مول اکسیژن استوکیومتری مورد استفاده برای سوختن این جزء از گاز طبیعی مورد استفاده بدست می آید. سپس با در نظر گرفتن نسبت اکسیژن موجود در هوا، مقدار هوای خشک و سپس تر مورد نیاز برای احتراق این جزء در گاز طبیعی را بدست آورد. نتیجه بصورت جدول شماره 3 بدست می آید. در آخر نیز هوای تر مورد نیاز برای احتراق استوکیومتری تک تک اجزاء موجود در گاز طبیعی با یکدیگر جمع می شود و یک عدد نهایی بدست می آید که عبارت خواهد بود از یک ضریب که نسبت هوای تر استوکیومتری مورد نیاز برای سوختن یک مول گاز طبیعی با آنالیز داده شده را تعیین میکند که در اینجا معادل 10/0334 می باشد :
