بخشی از مقاله
چکیده
صنعت سیمان از جمله صنایع پرمصرف در حوزه انرژی است. بنابراین کاهش مصرف انرژی در این صنعت از جمله مسائل حائز اهمیت است. مطالعه حاضر، سوختهای جایگزین نظیر زیابلههای جامد شهری و تایرهای فرسوده در کورههای سیمان را مدنظر قرار داده است. موازنه جرم و انرژی و اگزرژی برای بخشهای مختلف کوره در حالتهای مختلف برای بهکارگیری این سوختها انجام شده است. علاوهبراین، درباره مقدار آلایندههای متصاعد شده از کوره نیز مطالعه و بررسی انجام گرفته است.
نتایج نشان میدهد که استفاده از سوختهای جایگزین رابطه معکوس با دمای گاز خروجی دارد؛ بدین معنا که هرچه درصد جایگزینی سوخت بالاتر میرود، دمای گاز خروجی کاهش بیشتری مییابد و به دمای محیط نزدیک میشود. به طور کلی، احتراق سوختهای جایگزین درون کوره سیمان، با تامین همان مقدار انرژی مورد نیاز در صورت استفاده از سوختهای فسیلی، آلاینده کمتری تولید میکند. بعلاوه پس از افزودن سوخت جایگزین به ترکیب سوخت فسیلی روند کاهش مجموع اتلاف و تخریب اگزرژی مشاهده میشود.
کلمات کلیدی: سوخت جایگزین- آلاینده- موازنه انرژی- موازنه اگزرژی-کوره سیمان.
.1مقدمه
معضل استفاده سرسام آور از سوختهای فسیلی در قرن اخیر و آلودگیهای زیست محیطی ناشی از به کارگیری این گونه منابع انرژی در صنایعی چون نفت و گاز ضروری است. توسعه صنعتی قرن اخیر از طرفی جهان را با خطر کاهش و حتی محدودیت استفاده از منابع سوخت فسیلی روبرو میکند و از طرف دیگر سبب افزایش گازهای گلخانه ای از جمله کربن دی اکسید و در نتیجه، افزایش دمای میانگین جهانی می گردد که میتواند منجر به تغییرات اقلیمی چون آب شدن یخهای قطبی و بالا آمدن سطح آب اقیانوسها شود. این مسائل سبب شده است که روش هایی جهت کاهش استفاده از سوخت های فسیلی و آلاینده های گلخانه ای ابداع شود.
از جمله این روش ها که به طور همزمان موجب کاهش گازهای گلخانهای، کاهش استفاده از منابع سوخت فسیلی و نیز منافع زیست محیطی میشود میتوان به استفاده از سوختهای جایگزین که در واقع سوختهای مشتق شده از ضایعات و زبالههای شهری هستند در صنایعی مانند صنعت سیمان اشاره داشت.طبق برآورد سازمان بینالمللی انرژی، با استفاده از ذخایر نفت و گاز خاورمیانه و شمال آفریقا نیاز به انرژی دنیا تا 25 سال آینده و در شرایط بهینه مصرف انرژی تا مدتی طولانیتر تامین خواهد شد. رشد سالانه مصرف انرژیهای فسیلی تا سال 2030 توسط سازمان بین المللی انرژی معادل 6,1 ٪ پیش بینی شده است. در نتیجه در سال 2030 دنیا نیاز به 3,16 میلیاردتن نفت خام دارد.
مصرف نفت از 84 میلیون بشکه در سال 2005 به 99 میلیون بشکه در سال 2015 و 116 میلیون بشکه در سال 2030 خواهد رسید. بیش از 67 ٪ رشد مصرف انرژی دنیا نیز در اثر رشد جمعیت کشورهای در حال توسعه خواهد بود.[1]کل تولید متعارف و نامتعارف نفت از 77 میلیون بشکه در روز در سال 2002 به 3,121 میلیون بشکه در روز در سال 2030 افزایش خواهد یافت. به بیان دیگر، در مدت 28 سال نزدیک به 3,44 میلیون بشکه در روز بر کل تولید نفت جهان افزوده خواهد شد که 2,38 میلیون بشکه در روز 69 - درصد کل افزایش تولید روزانه نفت - به منطقه خاورمیانه اختصاص خواهد داد.طبق محاسبات پیش بینی شده، رشد سالانه مصرف انرژی در خاورمیانه معادل %9,2 است که دو برابر شدن مصرف را تا سال 2030 به دنبال خواهد داشت.
دو کشور عربستان و ایران همانند امروز در سال 2030 نیز تقریبا %45 از مصرف انرژی منطقه را به خود اختصاص خواهند داد.سهم مصرف انرژی حرارتی در صنعت سیمان ایران 14 درصد سهم مصرف در کل صنایع و 3 درصد مصرف در کل کشور است. همچنین سهم مصرف انرژی الکتریکی در صنعت سیمان 10 درصد سهم مصرف در کل صنایع و 3,5 درصد مصرف در کل کشور است.[2]از لحاظ مصرف انرژی حرارتی، مقدار متوسط کشور 800 کیلوکالری در هر کیلوگرم کلینکر و متوسط جهانی نیز 760 کیلوگرم در هر کیلوگرم کلینکر است. همچنین مصرف برق نیز 100 کیلووات ساعت بر هر تن برای کشور و 90 کیلووات ساعت بر هر تن برای مقدار متوسط جهانی است.[2]
لذا صنعت سیمان یکی از صنایع انرژیبر محسوب می¬شود. با توجه به برنامه توسعه برای افزایش تولید در این بخش در ایران و جهان بررسی راههای کاهش مصرف انرژی در این صنعت بسیار حائز اهمیت است.در مقاله ماسوتراکوس و همکاران در سال 1999 تشکیل کلینکر در کوره سیمان گردان زغال سوز تحت شرایط عملکردی واقعی و با کد دینامیک سیالات محاسباتی تجاری متقارن برای فاز گازی مورد مطالعه قرار گرفت.[3]در این مقاله از روش مونت کارلو برای تابش، یک کد حجم محدود برای معادله انرژی در دیواره کوره، یک کد جدید برای اجزا و معادلات بقای انرژی شامل واکنشهای شیمیایی برای کلینکر استفاده شده است.
همچنین بین پیش بینیهای دمای فاز گازی، شار گرمایی تابشی و دمای کوره و کلینکر از یک روش تکراری استفاده شده است تا توزیع دمای دیواره داخلی، شامل محاسبه جریان گرما به کلینکر پیش بینی شود. در نهایت نیز نتیجه گرفته شده است که حالت غالب انتقال حرارت بین گاز و دیواره کوره به روش تابش است و نیز اتلاف حرارتی از طریق نسوزها به محیط حدود %10 گرمای ورودی است و بیش از %40 حرارت نیز صرف تولید کلینکر میشود.
FCCI-2018-1029
در مقاله موژومدار و راناده در سال 2006 یک مدل یک بعدی جهت شبیه سازی فرآیندهای اصلی در بستر جامد کوره سیمان بررسی شده است[4]در مطالعات آنها واکنش جامد-جامد با تقریب شبه همگن مدل شده و نیزتغییرات ارتفاع بستر و تشکیل مذاب در ناحیه مشعل در درون کوره نیز دراین مطالعه لحاظ شده است. معادلات تعادل انرژی شامل جابجایی، هدایت وتابش براساس حالت شبه تعادلی حل شده است. همچنین مدل آنها جهت بررسی امکان تغییر منحنی دما جهت کاهش مصرف انرژی کوره نیز استفاده شده است. این مدل میتواند به عنوان مبنایی برای مدلسازی سه بعدی نیزاستفاده شود.
در مقاله گاکو و همکاران در سال 2015 به منظور شبیه سازی ساختار موادریزدانه در یک کوره گردان در حالت تعادل، مدلی ارائه شده است.[5]همچنین جهت پیش بینی ارتفاع بستر، سرعت محوری و زمان ماند متوسط مواد ریزدانه دادههای تجربی استفاده شده است. برای ارزیابی زمان ماند نیز از فرمول گیرلی و لکنر در این مقاله استفاده شده است. مقایسه های انجام گرفته در مطالعات آنها نشان میدهد که گرچه فرمول فوق الذکر زمان ماندرا پایین میآورد، اما شکل رضایت بخشی ارائه میدهد. در این مطالعه برای ارتفاع بستر و سرعت محوری از مدل مکانیکی سیمن و برای پیش بینی
زمان ماند متوسط نیز از رابطه بر مبنای پدیدهها استفاده شده است که تطابق خوبی با دادههای تجربی یافت شده دارد.
در مقاله چن در سال 2014 مدل ریاضی فرآیند ترمودینامیکی تولیدکلینکر با سوختن فشرده کربن تشریح شده است.[6] جزئیات مهم فرآیندمانند ویژگیها و طول ناحیه انجام فرآیند، زمان ماند ماده و حالت سوختن کربن در هر ناحیه، مسیر واکنش تولید کلینکر و دمای سوخت ماکزیمم تعیین شده است. مشخص میشود که حالت سوختن فشرده کربن، احتراق سوخت و انتقال حرارت گاز-جامد را به همراه پیش گرمایش، کلسینهسازی، تولید کلینکر و سرمایش ریزدانه ها ترکیب میکند.
نتیجه گرفته شده است که شبیه سازیهای عددی میتوانند ابزاری مفید برای فهم ایده های فرآیندی جدید باشند و نیز موجب توسعه فنی و بهبود طراحی فرآیندباشد.در مقاله کاداتز و همکاران در سال 2013 به استفاده از سوخت جایگزین واثرات آن در تولید سیمان پورتلند پرداخته شده است.[7] ویژگیهای ذاتی سیمان ذوب شده این امکان را فراهم میسازد که انواع زیادی از سوختهادر کوره سوزانده شود. جهت آزمایش مناسب بودن سوخت، مدلسازی فرآیند و شبیه سازی جهت تعیین اثر نهایی سوخت روی عملکرد کوره وانتشار گاز گلخانهای انجام گرفته است. با یک مدل دقیق و اطلاعات کافی،امکان شبیه سازی برای بازه وسیعی از سوختهای جایگزین وجود دارد.
درمقاله آنها، شبیه سازی برای سه نوع سوخت جایگزین، یعنی لایی کربنی فرسوده، روانسازهای صنعتی استفاده شده و تایرهای فرسوده انجام شده است و موثرترین و بهترین مورد انتخاب شده است. از بین این سه مورد، ازنظر انتشار کربن دی اکسید، روانسازها به عنوان بهترین مورد و لایی کربن به عنوان بدترین مورد انتخاب شده است. برعکس، با استفاده از لایی کربن،
خوراک مورد نیاز به میزان %15 کاهش یافته است.در مقاله ازاد رحمان و ام.جی.رسول ، و دیگر همکاران در سال 2015 برروی کاهش مصرف انرژی و هزینههای زیست محیطی صنعت سیمان با
استفاده از سوخت جایگزین و مواد خام مطالعه شده است.[8]
محیط آلکالی، دمای بالا و زمان ماند طولانی، به کوره گردان اجازه میدهد که طیف وسیعی از مواد زائد و خطرناک در آن سوزانده شود. پیشرفتهای اخیر درحوزه سوخت جایگزین در صنعت سیمان و مطالعات و تحقیقات گذشته درمقاله آنها آمده است. همچنین مطالعات مربوط به اثرات سوخت جایگزین برروی محیط زیست نیز در این مقاله گنجانده شده است. در مورد مطالعه موردی که در مقاله آنها در مورد استرالیا انجام گرفته است، ضایعات گوشت و استخوان با نرخ جایگزینی %40 می تواند بهترین سوخت جایگزین باشد.در مقاله بهاره رضاو همکاران در سال 2013 مطالعات بر روی بررسی امکان تولید این نوع از سوخت از ضایعات جامد شهری در مترو ونکوور به منظور تولید همزمان در دو کوره سیمان در این منطقه متمرکز شده است.[9]
مقاله آنها اثرات زیست محیطی، هزینهها و سودهای اقتصادی تولید سوخت مشتق از ضایعات را بررسی کرده است. بعلاوه، استفاده ازسوخت مشتق از ضایعات به عنوان سوخت جایگزین در کورههای سیمان نیزبررسی شده است. تولید سیمان به عنوان یکی از فرآیندهای مخرب محیط زیست شناخته شده است و بنابراین کارخانه سیمان میتواند یکی ازمقصدهای این سوخت جهت جایگزینی سوختهای فسیلی مرسوم باشد. دراین مطالعه یک شناسایی زیست محیطی جامع با استفاده از یک فرآیندچرخه حیات انجام گرفته است. بعلاوه، یک تحلیل هزینه-سودجهت مطالعه فاکتورهای اقتصادی انجام شده است. در پایان نیز نتیجه گرفته شده است که تولید و استفاده از سوخت مشتق از ضایعات میتواند یک راه حل اقتصادی و زیست محیطی مناسب برای مترو ونکوور باشد.
یکی از روشهای اصلی برای استفاده از ضایعات، به کارگیری آنها به عنوان منبع انرژی است. اگر این ضایعات دارای محتوای انرژی شیمیایی باشد، تنهابرای استفاده به عنوان سوخت مناسب است. این محتوای انرژی اغلب به اندازه کسر قابل احتراق و محتوای رطوبت بستگی دارد. جهت به کارگیری بهتر انرژی شیمیایی موجود در ضایعات، سوختهای جایگزین که ترکیبی ازضایعات مختلف است توسعه داده شده است.در مقاله موکرزیکی و همکارن در سال 2003 برخی از این نوع سوخت ها از جمله: RDF مورد بررسی قرار گرفتهاند.[10] چندین سال مطالعه برروی کارخانههای سیمان سراسر جهان به وضوح مزایای استفاده از ضایعات را در فرایندهای تولید کلینکر و تولید سیمان نشان میدهد.
آنها همچنین فاکتورهایی که باعث تسریع استفاده از کورههای سیمان برای به کارگیری ضایعات میشود را بدین صورت بیان کردهاند: دمای احتراق بالا، مساحت سطح زیاد کوره، طول زیاد کوره و طبیعت آلکالی درون کوره.استفاده مناسب از سوختهای جایگرین در صنعت سیمان جهت به کارگیری و ارتقای شیوههای مختلف کاهش اثرات زیست محیطی، کاهش مصرف انرژی و مواد و کاهش هزینههای اقتصادی این صنعت بسیار مهم وضروری است. به دلیل پتانسیل بالای صنعت سیمان در صرفه جویی انرژی وکاهش نشر گازهای گلخانه ای، مطالعات بسیاری در ارتباط با به کارگیری مواد زائد به عنوان سوخت جایگزین یا مواد خام در فرآیند تولید سیمان درسالهای اخیر انجام شده است.
در مقاله آلفونسو اراندا و همکاران در سال 2013 ، مروری بر این مطالعات انجام گرفته است.[11] تحلیل این مقاله بر روی اثرات زیست محیطی،اقتصادی و فنی استفاده از 5 نوع از ضایعات جامد است که عبارتند از:
ضایعات جامد شهری، ضایعات گوشت و استخوان حیوانات ، لجنهای فاضلاب ، زیست توده و تایرهای با عمر باقی مانده کم .در مقاله ای.ای. بری و ال.پی. مک دونالد در سال 1975 احتراق روغن میل لنگ خودرو در کوره سیمان خشک مورد بررسی قرار گرفته است.[12]در مقاله زورک در سال 2012 ویژگی های سوختهایی که با استفاده ازلجن فاضلاب و دیگر مواد زائد حاصل میشود ارائه شده است.[13] امکان کاربرد این سوختها در فرآیندهای احتراق همزمان زغال و به ویژه در
FCCI-2018-1029
فرآیند تولید کلینکر سیمان نیز تحلیل شده است.جهت تحلیل مقایسهای سه نوع از سوختهای مشتق از فاضلاب بررسی شده است: سوختی که با استفاده از لجن فاضلاب و دوغاب زغال به دست میآید، سوختی که شامل لجن فاضلاب و ضایعات گوشت و استخوان است و سوختی که در آن لجن فاضلاب با خاک اره ترکیب شده است.خواص فیزیکی و شیمیایی این سوختها و به ویژه ارزش حرارتی آنها بررسی شده است.نتایج نشان میدهد که سوختهایی که با استفاده از مواد زائد تولید شدهاند مقادیر انرژی لازم برای صنعت سیمان را تامین میکند. آزمایشات بر روی خواص فیزیکی این نکته را آشکار میسازد که چنین سوختهایی میتوانند در فرآیندهای انتقال و ذخیره سازی در معرض عملیات کنترل مکانیکی نیز قرار گیرند.در این پژوهش با ارائه مدل تفکیکی تحلیل انرژی و اگزرژی بکارگیری این سوختها در کوره صنعت سیمان بررسی شده است. مهمترنی نوآوری مقاله حاضر بدست آوردن نحوه بکارگیری بهینه سوختهای جایگزین در کوره سیمان با استفاده از مدل مرحله ای کوره سیمان است.
.2توصیف مدل
کوره گردان سیمان، محفظهای استوانهای با پوسته فولادی است که سرعت گردش آن معمولا بین 1 تا 2 دور بر دقیقه - rpm - است و شیبی بین 3 تا 4 درجه دارد. طول آن نیز بستگی به نوع فرآیند دارد و برای فرآیندهای خشک که امروزه متداولتر است طولی بین 90 تا 120 متر دارد.معادلات شیمیایی درون کوره بسیار زیاد است؛ اما در این پژوهش تعدادی از مهمترین معادلات شیمیایی درون کوره را مورد استفاده قرار گرفته است .[14]شماتیک کوره گردان سیمان در شکل 1 نشان داده شده است. خاک رس، سنگ آهک و دیگر مواد افزودنی از انتهای بالای کوره وارد میشود؛ در حالی که سوخت و هوا از انتهای پایین وارد میشود. اما بخشهای داخلی کوره به صورت زیر است:
.1 خشک کن: در این ناحیه تمامی رطوبت سطحی موجود در خاکها و سنگ آهک تبخیر میشود و در انتهای ناحیه، خاکها کاملا خشک هستند. دمای این ناحیه تا 200 cاست.
.2 کلسینه سازی: در این ناحیه تمامی خاکها به همراه سنگ آهک، به عناصر سازنده خود تجزیه میشود و علاوه بر مواد جامد، گاز دیاکسیدکربن نیز آزاد میسازند. دمای این ناحیه حدودا بین 200 تا 900 c است.
.3 واکنش: در این ناحیه واکنشهای اصلی تولید فازهای سیمان انجام میشود و ترکیباتی مانند بلیت - C2S - و آلیت - C3A - تشکیل میشود. دمای این ناحیه حدودا بین 900 تا 1300 c است.
.4 ذوب: در این ناحیه که در انتهای پایین کوره قرار دارد، دمای فازها به شدت افزایش می یابد و فازها تثبیت میشوند. دمای این ناحیه بین 1300 تا1500 c است.
همچنین در محفظههای احتراق نیز دو معادله زیر را داریم:
که واکنش اول مربوط به سوختن سوخت جایگزین و واکنش دوم مربوط به احتراق زغال است.
1-2 سوخت
سوختهای متداول مورد استفاده در کوره سیمان، زغالسنگ، مازوت و گاهی گاز طبیعی است. اما در سالهای اخیر استفاده از سوخت جایگزین در بسیاری صنایع از جمله کارخانههای سیمان مورد مناسبی تشخیص داده شده است.سوخت جایگزین، نوعی از سوخت است که از ضایعاتی مانند زبالههای شهری، لجن فاضلاب، تایرهای فرسوده و ... حاصل میشود. دو مورد سوخت جایگزین متداول برای صنعت سیمان عبارت است از RDF و .TDF سوخت RDF سوخت حاصل از زبالههای شهری است که ارزش حرارتی بالایی دارد. اما TDF سوخت حاصل از تایرهای فرسوده است.
2-2 موازنه جرم
معادله مورد استفاده جهت موازنه جرم در هر حجم کنترل به صورت زیراست: - 11 - که در آن m& نرخ جریان جرمی کوره و زیرنویس های in و out در تمامی موارد به ترتیب بیانگر مقادیر ورودی و خروجی هر متغیر است. همچنین زیرنویس i بیانگر ناحیه مورد نظر است. - خشک کن، کلسینه سازی و..... - در شکل 2، شماتیکی از بقای جرم برای کوره سیمان نشان داده شده است.
