بخشی از مقاله
خلاصه
در دنیای امروز انرژی، یکی از حوزههای مهم مورد مطالعه در صنایع مختلف میباشد. با توجه به اینکه صنایع سیمان، یکی از بخشهای پرمصرف انرژی در جهان و همچنین یکی از واحدهای تولید کننده گازهای گلخانهای شناخته میشود، مطالعه در این زمینه و بهینه کردن واحدهای تولیدکننده سیمان یکی از ضروریترین کارها به نظر میرسد. به همین دلیل برای کمتر کردن هزینههای بهینه سازی، از روشهایی مانند CFD بهره گرفته میشود.
در این مقاله، پیش گرمکن سیمان داراب مورد مطالعه قرار گرفته و کلساینر آن به کمک نرم افزار فلوئنت شبیه سازی شده است. هدف از این مطالعه حذف مصرف مازوت و همچنین کاهش سوخت گاز مصرفی در کلساینر بود که در نهایت با توجه به راهکارهای ارائه شده، این امر میسر شد. در راهکارهای ارائه شده، سرمایه بازگشتی پس از انجام تغییرات نیز بررسی شد که با این تفاسیر، کارخانه مذکور، راهکار دوم را انتخاب کرده و به مدت دو ماه مورد ارزیابی میدانی قرار گرفت. در طول این دو ماه، تمام شرایط رضایت بخش و بیانگر معتبر بودن شبیهسازیهای انجام گرفته است.
.1 مقدمه
صنعت سیمان یکی از بخشهای پرمصرف در حوزه انرژی در جهان میباشد. این صنعت یکی از منابع اصلی تولید کننده CO2 است که این گاز حاصل از احتراق سوخت و یا فرآیند کلسیناسیون میباشد. گاز دی اکسید کربن که یکی از مهمترین گازهای گلخانهای است ، امروزه یکی از معضلات اصلی محیط زیست محسوب میشود. به طوری که کشورهای مختلف برنامههای گوناگونی برای کاهش تولید این گاز در صنایع مختلف انجام دادهاند. در کشور ایران نیز، با توجه به نگرانیهای جهانی کاهش دی اکسید کربن و گازهای گلخانهای تولیدی، سعی در کاهش ایجاد این گاز شده است.
با توجه به اینکه در جهان در حدود %5 گاز دی اکسید کربن در صنعت سیمان تولید میشود [1]، در نتیجه بررسی این صنعت برای کاهش تولید این گاز مضر بیش از پیش مشاهده میشود. همچنین به دلیل اینکه برخی از سوختهای استفاده شده در ایران - از جمله مازوت - هزینههای تولید بالایی دارند و همچنین آلودگیهای زیست محیطی مختلفی را ایجاد مینمایند، در دو سال اخیر سعی شده است که در صنایع مختلف مصرف این سوخت کاهش یابد. به همین دلیل در راستای برنامه های دولتی - از جمله کاهش CO2 و کاهش استفاده از سوختهایی همچون مازوت - صنایع مختلف سعی در کاهش استفاده از این سوخت و همچنین کاهش تولید CO2 با افزایش راندمان دستگاههای خود نمودهاند.
کلساینر کوره سیمان تجهیزی است که برای کلسینه کردن مواد پیش گرم شده قبل از ورود به کوره جهت پخت نهایی استفاده میشود. این تجهیز در کارخانه های دارای طراحی پیشرفته و مدرن تولید سیمان یافت میشود. داخل این راکتور، یک فرآیند شیمیایی که به فرآیند کلسیناسیون معروف است، انجام میشود. فرآیندکلسیناسیون و عملکرد کلساینر دارای اهمیت ویژهای است، زیرا تاثیر مستقیم روی مصرف انرژی حرارتی واحد تولید کننده سیمان دارد.
در سالهای اخیر، افراد زیادی بر روی کلساینرها مطالعه کردهاند. از جمله آنها میتوان به کارهای میکولیچ2 و همکارانش اشاره کرد .[2] ایشان پتانسیل CFD3 برای طراحی و بهینه سازی عملکرد کلساینر را بررسی کردند . در این مطالعه، فرآیند کلسیناسیون به صورت مدل ریاضی ایجاد شد و از این مدل در ایجادکدهای تجاری بهره برداری گردید تا بتوان هندسه کلساینر را بهینه کرد. ازجمله افراد دیگری که در این زمینه کارکردهاند، میتوان به دشموخ 4 و همکارانش اشاره کرد .[3] آنها با استفاده از CFD، جریان هوا و همچنین سوخت زغال سنگ را به همراه تولید آلایندههایی از قبیل SOx و NOx در داخل کلساینر شبیه سازی کردند.
چینیاما 5 و همکارانش [4] در کار خود نشان دادند که کلساینر و واکنشهای انجام شده داخل آن میتواند به وسیله مدلهای ساده شبیه سازی شود. آنها مدلهای مختلف واکنش تجزیه کلسیم کربنات را در مطالعه خود بررسی کردند. فیداروس6 و همکارانش [5] نیز به صورت عددی و پارامتری فرآیند انتقالی انجام شده در یک کلساینر صنعتی را بررسی کردند. آنها در مدل عددی خود با حل معادلات نویراستوکس برای جریان گاز و دینامیک لاگرانژی برای ذرات جامد، شبیه سازی کلساینر را انجام داده و با بررسی پارامتری، شرایط بهینه سازی کلساینر موجود را فراهم کردند .
هو 7 و همکارانش [6] شبیه سازی را به کمک معادله K- برای جریان گاز در مختصات اویلری و مدل مسیر تصادفی برای فاز جامد در مختصات لاگرانژی انجام دادند. الیوتا8 و همکارانش [7] نیز با استفاده از یک مدل غیرهمگن در یک کلساینر خطی احتراق و فرآیند کلسینه شدن را مدل کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که مونوکسید کربن نقش کلیدی را در کاهش NO و پیش بینی میزان انتشارآن ایفا میکند. همچنین مساحت سطح ذرات تأثیر مهمی در نرخ کلسینه شدن، احتراق و در نتیجه میزان آلاینده NO دارد.
.2 تعریف مسئله
کارخانه سیمان داراب دارای یک پیش گرمکن 5 سیکلونی و مجهز به کلساینر نوعILC طراحی شده توسط شرکت FLS میباشددر. این شرکت، کلساینر تقریباً با % 91 سوخت گاز طبیعی و %9 سوخت مازوت کار میکند. براساس اطلاعات بدست آمده از بررسی میدانی، مقدار هیدروکربن نسوخته و آلاینده CO در گازهای خروجی کلساینر بسیار زیاد میباشد. هدف این مطالعه، کم کردن یا به صورت کلی حذف کردن مصرف مازوت ، کاهش هیدروکربن نسوخته و آلاینده ها در خروجی و همچنین بهبود فرآیند احتراق در کلساینر میباشد. این کلساینر مجهز به 4 مشعل دوگانه سوز و 2 مشعل تک سوز گاز میباشد. از 6 مشعل قرار گرفته در کلساینر،چهار مشعل با توان حدود 17 مگاوات و یک مشعل با توان 22 مگاوات سوخت گاز و مشعل دیگر نیز با توان حدود 10 مگاوات سوخت مازوت مصرف مینماید. آرایش مشعلها و ورودی خوراک در شکل زیر قابل مشاهده میباشد.
شکل -1 آرایش مشعلها و ورودی خوراک در حالت پایه
در طرح مطالعاتی انجام شده روی کلساینر کوره سیمان داراب، با مطالعه واکنش های میدانی جریانات موجود در مخزن کلساینر از طریق روش های عددی، محدودیت های موجود در جایگزینی سوخت گاز طبیعی با مازوت در کلساینر، شناسایی و راهکار مناسب جهت برطرف کردن این محدودیتها ارائه گردید که در فاز اجرائی نیز با موفقیت همراه بوده است. در این راه ابتدا با شبیه سازی شرایط حال حاضر فرایند احتراق در کلساینر با استفاده از ترکیب سوخت مایع - مازوت - و گاز طبیعی و شبیه سازی شرایط مشابه فرایندی با استفاده از سوخت گاز - به تنهایی - مشخص گردید مشکل اصلی در زمان احتراق سوخت گاز طبیعی در کلساینر احتراق ناقص گاز در کلساینر میباشد.
این موضوع با افزایش CO و گازهای نسوخته در گازهای خروجی و تغییر پروفایل حرارتی پیش گرمکن منجر به کاهش راندمان پیش گرمکن و کلساینر می شود و این عامل خود باعث کاهش تولید ساعتی کوره، افزایش سوخت مصرفی، مصرف حرات ویژه و کاهش پایداری فرایند پخت درمقابل نوسانات فرایندی میگردد. بر این اساس و با توجه به نتایج بدست آمده از شبیه سازی نرم افزاری، راه کارهای مختلف جهت فائق امدن بر مشکل فوق مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت که از میان آنها چهار راهکار اصلاحی جهت بهبود راندمان کلساینر از نقطه نظر احتراق با سوخت گاز طبیعی و همچنین میزان کلسیناسیون مورد انتخاب نهایی قرار گرفت.
