بخشی از مقاله
چکیده
تقریباً یک دهه از مطرح شدن مبحث بهینهسازی مصرف انرژی در ایران سپری میشود. این موضوع با شروع قانون هدفمندی یارانهها اهمیت بیشتری یافته است. با توجه به سهم عمده صنایع در مصرف انرژی و همچنین تصویب قوانین بالادستی مبنی بر لزوم رشد و توسعه همه جانبه صنایع کشور، بهینهسازی انرژی در این حوزه به یکی از اهداف اصلی صاحبان صنایع تبدیل شده است. به دلیل اینکه انرژی یکی از مهمترین عوامل موثر بر قیمت نهایی محصولات میباشد این امر به خصوص در صنایع غیرنفتی به صورت یک الزام مطرح میشود. از میان صنایع غیرنفتی، صنایع فولاد بدون شک بیشترین نقش را در توسعه پایدار کشور به عهده دارد. در این مقاله، یک راهکار اساسی جهت بهینهسازی مصرف انرژی در واحدهایی که بر اساس تکنولوژی کوره بلند عمل مینمایند، مطرح میگردد. این راهکار مبتنی بر استفاده از گازهای تولید شده در پروسههای فولادسازی جهت تولید برق میباشد. نتایج حاکی از آن است، انجام این امر علاوه بر اینکه موجب جلوگیری از هدررفت این گازها میشوند، مصرف انرژی کل مجتمع فولادی را نیز کاهش میدهند.
واژه های کلیدی:گازهای فرعی، نیروگاه، مدلسازی ترمودینامیک.
مقدمه
صنعت فولاد به عنوان صنعت مادر را میتوان یکی از پایههای مهم اقتصادی هر کشور دانست که نقش اساسی در اقتصاد ملی و رفاه جامعه را دارد، برخی محققان حتی مصرف سرانه فولاد را به عنوان شاخصی جهت ارزیابی صنعتی بودن یک کشور برشمرده اند که عاملی اثربخش بر توسعه سایر بخشهای اقتصادی، صنعتی و علمی و اجتماعی آن کشور دارد. جهت تولید فولاد از تکنولوژیهای گوناگونی استفاده میشود. امروزه سهم کوره بلند، کوره قوس الکتریکی و کوره روباز - زیمنس مارتین - در تولید فولاد جهان، به ترتیب 63/3 ،33/1، 3/6 درصد است .[1] با این حال با توجه به گاز طبیعی فراوان و ارزان و مشکلات ناشی از کمبود کک متالورژیکی، این نسبت در ایران تقریباً برعکس است.
به عبارت دیگر، 28/8 درصد از تولید فولاد خامدر ایران به روش تکنولوژی کوره بلند و 71/2 درصد به روش کوره قوس الکتریکی میباشد. بحران انرژی دهه 70 میلادی و همچنین افزایش قابل توجه رقابت بین تولیدکنندگان جهت کاهش قیمت محصولات، سبب گردید که بازبینی و افزایش راندمان حرارتی مجتمعهای تولید فولاد، در اولویت صاحبان صنایع قرار گیرد. صنعتفولاد یکی از مصرف کنندگان اصلی کک، برق، گاز طبیعی می باشد. فعالیتهایی که در زمینه بهینهسازی مصرف انرژی و توسعه تکنولوژیکی انجام شده، سبب شده است تا مصرف انرژی در صنایع فولاد به طور چشمگیری کاهش یابد. مطابق با گزارش AISI1 نیاز به انرژی جهت تولید یک تن فولاد در سال 2011 نسبت به سال 1990، 28 درصد کاهش یافته است .[1]
یکی از روشهای اصلی بهینهسازی مصرف سوخت در کارخانههای مبتنی بر کوره بلند، استفاده از گازهای تولید شده در فرآیندهای داخلی جهت تولید انرژی میباشد. استفاده از گاز کوره بلند در صنایع آهن و فولاد، به لحاظ تاریخی پیش از سایر گازها بوده است .[2] افزایش هزینه سایر سوختها و رقابت میان سازندگان فولاد، سبب توسعه استفاده از این گاز گردید به نحوی که در انتهای قرن بیستم، گاز کوره بلند به عنوان یکی از سوختهای اصلی کارخانجات فولاد به کار میرفت. در سال 1995، صنعت فولاد ایالات متحده آمریکا تقریباً 18 میلیارد مترمکعب گاز کوره بلند در زیر مجموعههای خود مصرف نمود .[3] این مقدار گاز کوره بلند از لحاظ حرارتی معادل با 1/6 میلیارد مترمکعب گاز طبیعی میباشد.
به کارگیری گاز کک در صنعت فولاد اولین بار در کارخانه فولاد کامبریا روی داد .[4] در حین جنگ جهانی اول به دلایل گوناگونی چون کمبود امکانات حمل و نقل و افزیش قیمت زغال سنگ و گاز طبیعی، کاربرد این گاز در صنعت فولاد شدت یافت. در سال 1995، کارخانجات فولاد آمریکا تقریباً 11794 میلیون مترمکعب گاز کک مصرف کردند .[3] استفاده از گاز کنورتور در صنایع فولاد کاربرد کمتری دارد زیرا هزینه تجهیزات مورد نیاز جهت جمعآوری و تصفیه گاز در مقابل هزینه سایر سوختها بیشتر است. با این حال، به دلیل هزینه بالای سوختهای فسیلی در بسیاری از کشورها توجیه اقتصادی لازم را دارا میباشد.
مطالعه حاضر اختصاص به یکی از کارخانجات بزرگ فولادی کشور که بر اساس تکنولوژی کوره بلند عمل مینماید، دارد. جهت افزایش حداکثری بهره وری در این مجموعه، از روش های گوناگونی استفاده می شود. یکی از این روشها استفاده از مازاد گازهای تولید شده در پروسه ساخت فولاد - گاز کوره بلند، گاز کنورتور و گاز کک - جهت تولید برق است. این گازها دمای چندان بالایی ندارند اما ارزش شیمیایی نسبتاً مناسبی دارند. بنابراین می توان آنها را به همراه سوخت اصلی نیروگاه مذکور - گاز طبیعی - محترق نمود. در این مقاله نشان داده میشود که به کارگیری مازاد گازهای فوق، تا چه اندازه میتواند بر عملکرد نیروگاه و در نتیجه کل مجتمع تاثیرگذار باشد.
ویژگیهای گازهای فرعی
گاز کوره بلند گاز کوره بلند محصول فرعی پروسه تولید آهن در کوره بلند است.نیتروژن، کربن، منوکسید کربن و هیدروژن، عناصر اصلی تشکیل دهنده گاز میباشند. بنابراین ارزش حرارتی بسیار پایین - حدوداً 2946 تا 3535 کیلوژول بر مترمکعب - ، دمای شعله پایین و بالا بودن چگالی مخصوص از ویژگیهای اصلی این گاز است. حجم تولید سالیانه گاز کوره بلند بیشتر از سایر سوختهای گازی است. به ازای تولید یک تن چدن معمولاً 2/5 تا 3/5 تن گاز کوره بلند از بالای کوره متصاعد میشود.گاز کک گاز کک در طی فرآیند کربنیزاسیون زغال سنگ و در عدم حضور هوا تولید میشود.
در واحدهای کک سازی که براساس پروسههای مرسوم طراحی شدهاند، به ایاز تولید هر تن کک، حدوداً 310 مترمکب گاز کک با ارزش حرارتی 19640 کیلوژول بر مترمکعب حاصل میشود. وجود سولفید هیدروژن - H2S - ، چگالی پایین و دمای شعله از دیگر مشخصههای این گاز است.گاز کنورتور یکی دیگر از گازهای فرعی مورد استفاده در صنعت فولاد، گازکنورتور است. به دلیل ناپیوسته بودن فرآیند تولید گاز کنورتور، بازیافت آن نیاز به تجهیزات مخصوص جمع آوری و تصفیه دارد. کاربرد اصلی گاز کنورتور در مجموعه بویلر، یا به صورت مستقیم و یا مخلوط آن با گاز کوره بلند میباشد. در سالیان اخیر، در برخی از کارخانههای تولید فولاد، از مخلوط گاز کنورتور و گاز کوره بلند در واحدهای سیکل ترکیبی مبتنی بر توربین گاز استفاده شده است.
کاربرد گازهای فرعی در صنایع نیروگاهی
گازهای فرعی تولید شده در فرآیندهای مبتنی بر کوره بلند در زمینههای گوناگونی از قبیل توربین گاز، بویلر، کوره بازگرمایش، کوره ریختهگری و غیره استفاده میشوند .[ 5] در مطالعه حاضر، کاربرد این سوختها جهت تولید برق بررسی میشود. لذا در این بخش، دو نمونه عینی استفاده از گازهای کوره بلند، کنورتور و کک ارائه میگردد.توسعه قابلیت تولید برق در کارخانه فولاد ارگلی [6] شرکت آهن و فولاد سازی ارگلی یک مجتمع یکپارچه تولید ورقهایتخت فولادی است. این مجتمع شامل دو کوره بلند، کورههای کک سازی و واحدهای نورد گرم و سرد میباشد. در سال 1989 مالکان کارخانه، پروژه مدرنیزه کردن و افزایش ظرفیت واحدها را جهت توسعه ظرفیت سالانه مجتمع از 2 میلیون تن به 3 میلیون تن، آغاز کردند. در کارخانه ارگلی، چه در بویلرهایی قدیمی و چه در بویلرهای جدید از گازهای فرعی کارخانه استفاده میشود. استفاده بهینه از این گازها، یکی از فاکتورهای اساسی در بهبود راندمان کل مجموعه میباشد.
نیروگاه سیکل ترکیبی [7] NINL
نیروگاه NINL یک نیروگاه سیکل ترکیبی مبتنی بر تولید همزمان برق و حرارت می باشد. ظرفیت نصب شده این نیروگاه 62/5 مگاوات و دارای دو توربین بخار 19/25 مگاواتی و یک توربین گاز 24 مگاواتی است. زمانی که این دو سیکل با همدیگر کار میکنند و حرارت خروجی از توربین گاز بویلر بازیاب جهت تولید بخار و همچنین این بخار در توربین بخار جهت تولید برق مورد استفاده قرار گیرد، به این سیستم ، "واحد سیکل ترکیبی" گفته میشود. در صورتی که بخشی از بخار تولید شده جهت استفاده در یک پروسه خاص به کار گرفته شود، این سیستم "نیروگاه سیکل ترکیبی مبتنی بر تولید همزمان برق و حرارت" نامیده میشود. در این نیروگاه گازهای کوره بلند، کنورتور، کک و گازوئیل - جهت پایداری نمودن شعله - به عنوان سوخت مورد استفاده قرار میگیرد.
فرضیات طراحی نیروگاه مورد مطالعه
به منظور بررسی پتانسیل تولید برق از گازهای فرعی تولید شده در فرآیندهای فولادسازی، یکی از کارخانههای بزرگ داخل کشور انتخاب گردید. پس از انجام یک پروژه مفصل مطالعاتی، مشخصههای اصلی نیروگاه به صورت زیر تعیین شد:
الف - ظرفیت نیروگاه به صورت دو واحد 65 مگاواتی تعیین گردید.
ب - مشخصههای گازهای فرعی مشخصات فنی سوختهای فرعی به نیروگاه در جدول 1 ارائه میشود. همانگونه که ملاحظه میشود پیش از طراحی نیروگاه، دبی گاز طبیعی مشخص نمیباشد. در حین انجام موازنه جرم و انرژی، این مقدار به نحوی تعیین میگردد تا بتوان به ظرفیت تعیین شده در بند - الف - دست یافت.
ج - سیستم تصفیه گاز از نوع خشک میباشد. د - نیروگاه از نوع بخار است.
ه - شرایط محیطی سایت بر اساس مطالعات پایه هواشناسی که در فصل اول انجام گرفت،شرایط محیط به صورت زیر است:
دمای طراحی: 38 درجه سانتیگراد
رطوبت نسبی طراحی: 20 درصد
ارتفاع از سطح دریا: 1740 متر
فشار محیط: 820/8 میلیبار
و - سیستم خنککن نیروگاه از نوع خشک میباشد.
ت - جهت استفاده از گاز کنورتور، احداث مخرن ذخیره کننده گاز اجتنابناپذیر است.
نتایج طراحی نرم افزاری نیروگاه
از آنجا که در حال حاضر بهترین نرمافزار موجود برای مدلسازی سیکلهای نیروگاهی، نرمافزار ترموفلو 2 همراه با ماژولهای آن میباشد. این نرمافزار از نرمافزارهای پایه ای طراحی و شبیهسازی نیروگاههای حرارتی میباشد و طی گذشت 14 سال و صرف 000ر130 نفر ساعت توسط تیمی از مهندسین مجرب تکمیل شده است. در این مقاله از ویرایش 19 این نرمافزار استفاده شده است.[8]شماتیک خلاصه طراحی یک واحد 65 مگاواتی در شکل 1 به نمایش درآمده است. در جدول 2 نتایج اصلی مدلسازی و در شکل 2 نمودار موازنه جرم و انرژی یک واحد 65 مگاواتی ذکر میگردد.
در رابطه با این نتایج موارد زیر قابل طرح است:
الف - گازهای فرعی تولید شده در پروسه فولادسازی به تنهایی قادر به تولید توان نامی واحد نبوده و میبایست گاز طبیعی با فلوی 16017 مترمکعب بر ساعت به هر یک از بویلرها تزریق گردد.
ب - به دلیل ظرفیت پایین واحدها، راندمان تولید برق چندان بالا نیست.
ج - مصرف آب جبرانی واحدها بسیار پایین است. این موضوع کاملاً با شرایط اقلیمی بسیاری از مناطق ایران مطابقت دارد.
نتیجهگیری
در واحدهای فولادسازی که بر اساس تکنولوژی کوره بلند عمل مینمایند، چندین گاز در حین فرآیندهای داخلی تشکیل میشوند. با توجه به اینکه این گازها از لحاظ شیمیایی ارزشمند هستند، به کارگیری آنها میتواند برای مجموعه بسیار مفید باشند. در این مقاله، امکان استفاده از گازهای کوره بلند، کک و کنورتور در یک نیروگاه بخار شبیهسازی گردید. به دلیل پچیدگیهای انجام این امر، شبیهسازی توسط نرمافزار ترموفلو انجام شد. نتایج نشان میدهند در صورت احتراق همزمان گازهای یاد شده با گاز طبیعی، امکان تولید 130 مگاوات برق وجود دارد. این انرژی را میتوان یا در مجموعه فولادسازی مصرف نمود و یا به شبکه برق کشور تزریق کرد و از منافع اقتصادی آن سود جست.
