بخشی از مقاله
چکیده
سالانه مقدار زیادی لجن نفتی حین بهره برداری و فعالیتهای فرآیندی بر روی نفت خام تولید میشود. سوزاندن لجن نفتی در راستای بازیافت انرژی موجود در آن و همچنین به عنوان راهکاری جهت مدیریت این پسماند خطرناک میتواند مورد توجه قرار گیرد. در تحقیق حاضر شبیهسازی عددی احتراق سوخت جامد مشتق شده از لجن نفتی پالایشگاهی در یک کورهی دوبعدی دارای تقارن محوری بهمنظور بررسی ویژگیهای احتراقی این نوع سوخت انجام شده است. از دیدگاه اویلری جهت شبیهسازی میدان جریان گازی و از دیدگاه لاگرانژی جهت شبیهسازی ذرات سوخت استفاده شده است.
در فاز گازی بهمنظور مدلسازی جریان احتراقی آشفته مدل اغتشاشی k-ɛ استاندارد و مدل احتراقی اضمحلال گردابهها - EDM - به کار گرفته شده است. بررسی تاثیر قطر ذرات سوخت بر فرآیند احتراق نشان داد با افزایش قطر ذرات از 5× 10-5 m تا 6× 10-4 m، مقدار بیشینهی دما حدود 14 درصد کاهش یافته و مکان بیشینه ی دما نیز 40 cm از ورودی کوره دورتر میشود. به منظور بررسی اثر میزان آبگیری از لجن پالایشگاهی بر خواص احتراقی سوخت، مطالعهای بر روی اثر میزان محتوای رطوبت سوخت انجام گرفت. نتایج حاضر نشان داد افزایش 30 درصدی جرم رطوبت در آنالیز تقریبی سوخت، مقدار بیشینهی دما را در حدود 11 درصد کاهش میدهد.
1 مقدمه
ایران دارای 10 درصد از منابع کشف شده نفت جهان می باشد و از این لحاظ در رتبه سوم جهان قرار دارد. این در حالی است که همواره در حین مراحل مختلف تولید، پالایش و بهره برداری، حجم زیادی ضایعات نفتی که از آن به عنوان لجن نفتی1 یاد میشود در کشور تولید میشود. بهطور کلی لجنهای نفتی شامل سه جزء آب، روغن - شامل نفتالینها، پارافینها وآسفالتها - و مواد جامد می باشند که خطری بالقوه برای محیط زیست به شمار میآیند و باید به نحوی مناسب امحاء شوند .[1] سوزاندن از گذشته یکی از راهکارهای امحاء انواع پسماند به شمار میرود .[4-2]
با توجه به وجود حجم زیادی مواد قابل اشتعال در لجن نفتی، سوزاندن آنها نه تنها باعث کم شدن حجمشان میشود، بلکه بازیافت انرژی را نیز موجب می شود. احتراق سوختهای جامد با ارزش حرارتی پائین - مانند سوخت مشتق شده از لجن نفتی - چالشهایی را از لحاظ حجم کوره، طراحی کوره و نحوهی هوا دهی به همراه دارند که باید مورد بررسی و تحقیق قرار گیرد. این در حالی است که اکثر تحقیقات انجام شده در حوزهی احتراق سوختهای جامد، بر روی احتراق زغالسنگ یا احتراق همزمان زغالسنگ با سایر سوختهای جامد متمرکز بوده است.
در بیشتر موارد، احتراق همزمان به کاهش آلایندهها در خروجی کوره منجر شده است .[7-5] مطالعات زیادی نیز بر روی تاثیر قطر ذرات انجام شده است [13-8] که نشان میدهد با افزایش قطر بیشهی دمای احتراق کاهش مییابد و در فاصلهی دورتری از ورودی کوره احتراق تشکیل میشود. همچنین درصد مواد نسوخته با افزایش قطر، افزایش مییابد که ثابت میکند ذرات بزرگتر به زمان ماند2 - زمان اقامت - بیشتری نیاز دارند.
از سوی دیگر برای ذرات با قطر چند صدم میکرون، انتقال حرارت درون ذرات، تاثیر چندانی بر فرآیند احتراق ندارد 14] و .[15 در خصوص تاثیر شکل ذرات نیز کارهای زیادی انجام شده است 9]، 14 و [16 که نشان میدهد با افزایش نسبت منظری ذرات میزان انتقال جرم و حرارت در مرزها افزایش مییابد و نرخ تبدیل بیشتر میشود، به همین دلیل زمان ماند برای ذرات غیرکروی کمتر از ذرات کروی است، در واقع فرض کروی بودن فرآیندهای احتراقی را به تاخیر میاندازد. همچنین مدلهایی که ذرات را به صورت غیر کروی در نظر میگیرند غلظت مونواکسید کربن و مونواکسید نیتروژن در گازهای خروجی را بهتر پیشبینی میکنند .[17]
در خصوص بررسی خواص شعله لجن نفتی کارهای انجام شده بسیار محدود بوده و تنها به مطالعات تجربی محدود میباشند. زو و همکاران [18] احتراق لجن نفتی را در یک کوره بستر سیالی چرخان3 به صورت تجربی مطالعه کردند. ایشان دریافتند که دمای بستر اثر زیادی بر روی میزان آزادسازی مواد فرار لجن نفتی دارد. همچنین به نظر میرسد احتراق لجن نفتی بعد از تجزیه آن صورت میگیرد.
لیو و همکاران [19] نیز احتراق همزمان لجن نفتی با زغالسنگ را در یک کوره بستر سیالی چرخان بهصورت تجربی مطالعه کردند. نتایج نشان داد که احتراق همزمان لجن نفتی با زغالسنگ خواص عملکردی خوبی دارد. انتشار آلایندهها در محدودهی مقررات زیست محیطی چین قرار داشت و آنالیز فلزات سنگین در خاکستر ته نشین شده، نشان داد که خاکسترهای احتراقی میتوانند به عنوان خاک زراعی استفاده شوند. هو و همکاران [20] نیز خواص احتراقی چهار نوع سوخت مشتقشده از لجن نفتی با ترکیبات مختلف را آزمایش کردند. نتایج نشان داد ارزش حرارتی لجن نفتی برای استفاده به عنوان یک سوخت مشتق شده از ضایعات - RDF4 - مناسب است و هرچه میزان لجن نفتی بیشتر میشود، RDF سختتر میسوزد.
همانطور که ملاحظه میشود تاکنون کار عددی در خصوص احتراق سوخت جامد مشتق شده از لجن نفتی انجام نشده است. در حال حاضر کورههای آجرپزی، کورههای زبالهسوز، کورههای آسفالت و صنایع سیمان از این مواد به عنوان خوراک خود استفاده می نمایند؛ ولی با این حال، مطالعه و بررسی بر روی احتراق لجن نفتی موضوعی بسیار نوپا به حساب میآید در صورتی که برای طراحی مشعلها و کورههایی که با سوخت جامد مشتق شده از لجن نفتی - SODF1 - کار میکنند، مطالعه دقیق پارامترهای احتراقی و عوامل موثر بر آنها ضروری است. بنابراین در این تحقیق سعی میشود خواص شعله و پارامترهای احتراقی سوخت جامد مشتق شده از لجن نفتی توسط شبیهسازی عددی مطالعه گردد.
-2 معادلات حاکم و روش حل عددی
از آنجایی که در احتراق سوختهای جامد از جمله SODF جریان دو فازی حاکم است؛ جهت مدلسازی فاز پیوسته یا جریان سیال از روش اویلری و جهت مدلسازی فاز گسسته یا ذرات از روش لاگرانژی استفاده میشود. معادلات حاکم بر جریان سیال آشفته واکنشی داخل محفظه احتراق، عبارتند از: معادله بقای جرم، معادله ممنتوم، معادله بقای انرژی و معادله گونهها؛ که با استفاده از رویکرد معادلات متوسطگیری شدهی زمانی ناویر استوکس یا RANS بهدست میآیند. مدلسازی آشفتگی توسط روش k-ɛ انجام میشود.
همچنین از آنجایی که اهمیت در نظر گرفتن انتقال حرارت تشعشعی در مدل سازی احتراق سوخت جامد توسط محققان مختلفی 11] و [21 نشان داده شده است در کار حاضر جهت مدلسازی تشعشع روش جهات مجزا - DO - به کار برده میشود. برای محاسبه ضریب جذب گازهای احتراقی از مدل توزیع وزنی مجموع گازهای خاکستری - WSGGM - استفاده شده است.
مدلسازی ذرات سوخت نیز در چهارچوب لاگرانژی انجام میشود. مسیر حرکت ذره توسط معادله ممنتوم بهدست میآید که شامل نیروهای حجمی، پسا و ثقل است و برای محاسبه ضریب پسا، ذرات بهصورت کروی فرض میشوند. جهت بررسی اثر جریان آشفته بر حرکت ذرات نیز از مدل حرکت تصادفی مجزا - DRW - 2 استفاده میشود. از آن جا که تاکنون سازوکاری جهت تحلیل احتراق لجن نفتی ارائه نشده است، در این تحقیق از سازوکار پیشنهاد شده برای احتراق زغال سنگ استفاده میشود. در این حالت معادلات انتقال حرارت و جرم برای ذره شامل شش مرحله میشوند :[10] -1 گرمشدن، -2 تبخیر رطوبت، -3 جوشش رطوبت، -4 آزاد شدن و احتراق مواد فرار، -5 سوختن مواد نیمسوز و -6 سرد شدن ذره؛ که در ادامه توضیح داده میشوند.
-1-2 گرم شدن و سرد شدن ذره با ورود ذره به کوره دمای آن شروع به افزایش میکند و تا زمان رسیدن آن به دمای جوش ادامه مییابد. سرد شدن ذره هم پس از احتراق کلیه مواد قابل احتراق موجود در ذره و باقی ماندن خاکستر اتفاق میافتد. در این دو مرحله هیچگونه انتقال جرمی صورت نمیگیرد و ذره با مکانیزمهای انتقال حرارت هدایت، جابجایی و تشعشع با محیط پیرامونش تبادل حرارت دارد. به دلیل کوچک بودن قطر ذرات و با فرض سیستم فشرده3 - از آنجاییکه عدد بیو4 کمتر از 0,1 است - از انتقال حرارت درون ذرات صرفنظر میشود.
