در حوزه نیروگاه‌های بازیافت انرژی حرارتیWHR، از انجا که کارخانجات سیمان یکی از صنایع با مصرف سوخت بالا محسوب میگردد، مورد توجه شرکت قرارگرفت. با تهیه طرح توجیهی فنی و اقتصادی اولیه بر اساس برآورد قیمت، سرمایه گذاری در این طرحها مطلوب و عوامل مهم در انتخاب ساختگاه که در جذابیت طرح موثر بوده شناسائی و مد نظر قرار گرفته شده است.

 

با توجه به ماهیت خطوط تولید سیمان و اتلاف قابل‌ملاحظه انرژی حرارتی از سیستم پخت این صنعت پتانسیل خوبی را درزمینه تولید انرژی الکتریکی از بازیافت حرارت دارا می‌باشد. تولید انرژی الکتریکی از اتلاف انرژی در صنعت سیمان با استفاده از سیستم چرخه رانکین می‌باشد که بر اساس تولید بخار و استفاده از آن در توربین و تولید الکتریسیته صورت می‌گیرد.

در خطوط سیمان گریت کولر مقدار زیادی از هوای تبادل حرارت شده با کلینکر را با دمای250°Cتا340°Cمستقیماٌ به اتمسفر وارد می‌کند و در سمت کوره نیز گاز با دمایی برابر300°Cالی400°Cاز پیش‌گرمکن خارج می‌شود که به‌طورمعمول مقداری از آن برایی خشک‌کردن مواد خام اولیه استفاده‌شده و سپس در فیلترهای الکتریکی یا کیسه‌ای غبارزدایی شده و درنهایت به اتمسفر تخلیه می‌شود. (درر حالت عادی مقداری از گاز خروجی پیش‌گرمکن جهت خشک‌کردن مواد اولیه استفاده‌شده و مابقی آن با استفاده از آب یا هوای تازه خنک مشود تا در واحد فیلتراسیون خاک زدایی گردد). لذا ازآنجایی‌که از حرارت گازهای حاصل از احتراق در ادامه فرآیند تولید استفاده نمی‌شود، می‌توان از این انرژی جهت تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد.

مقدار انرژی در دسترس و قابل بازیافت، ارتباط مستقیم به طراحی سیستم کوره و مقدار تولید آن، رطوبت مواد اولیه و مقدار هوای موردنیاز جهت خشک‌کردن آن، دارد.

تولید انرژی الکتریکی از بازیافت انرژی هدررفته در صنعت سیمان می‌تواند تا 40% برق موردنیاز در کارخانه را تامین کند.

استفاده از این تکنولوژی مزایای زیر را به همراه دارد:

  • کاهش دیماند خریداری‌شده
  • کاهش تأثیرات افزایش نرخ انرژی الکتریکی بر هزینه‌های تولید
  • بالا بردن قابلیت اطمینان در دسترس بودن انرژی الکتریکی
  • بالا بردن مزیت رقابتی کارخانه در بازار

بررسی فنی پروژه

سیستمهای تولید انرژی الکتریکی در کارخانه‌های سیمان، بر اساس چرخه رانکین کار می‌کنند. این چرخه ترمودینامیکی، اساس کار تولید انرژی الکتریکی در نیروگاه­های حرارتی می­باشد که با یک منبع گرمایی، مایع را به بخار فشار بالا تبدیل می‌کند. این بخار به یک توربو ژنراتور تولید برق منتقل‌شده و الکتریسیته تولید می­کند. بخار فشار پایین خروجی از توربو ژنراتور،با ورود به کندانسور مایع‌شده و به این چرخه بازمی‌گردد.

مقایسه دو تکنولوژی چرخه رانکین بخار و چرخه رانکین ارگانیک:

چرخه رانکین بخارSteam Rankine Cycle (SRC)

اغلب سیستم­های بازیافت حرارت و تولید انرژی الکتریکی نصب‌شده با استفاده از چرخه رانکین از آب به‌عنوان مایع اصلی استفاده می­کنند.

شما تیک نیروگاه تولید انرژی الکتریکی از بازیافت حرارت در کارخانه سیمان به شرح ذیل است:

 

 

در این تکنولوژی سیال مورداستفاده آب می‌باشد و با کندانسور هوا خنک دارای مصرف حداقلی 10 مترمکعب آب در ساعت می‌باشد. ذیلاً مزایا و معایب این سیستم به شرح ذیل است:

مزایا و معایب چرخه رانکین بخار :

مزایا:

  • با دمای منبع تغذیه بالای 300 درجه سلسیوس تطابق خوبی دارند.
  • تعداد زیادی نیروگاه با استفاده از این روش در دنیا وجود دارد.
  • تعداد تأمین‌کنندگان این تکنولوژی زیاد و فضای رقابتی مناسبی برای انتخاب تجهیز بهینه در دنیا وجود دارد.

معایب:

  • کمترین دماهای کارکرد آن­ها جهت کار نرمال و بهینه، 260درجه سانتی گراد می­باشد و بازدهی آن‌ها با کاهش دمای ورودی به‌طور قابل‌توجهی افت می­کند.
  • در این نوع نیروگاه، به‌منظور کارکرد مطلوب، به بهره‌بردار تمام‌وقت نیاز است.
  • زیر 40% توان نامی قابلیت کارکرد ندارد.
  • این نوع نیروگاه، عموماً به یک سیستم خنک‌کن نیاز دارد، این سیستم خنک‌کن می­تواند آبی یا هوا خنک باشد. در سیستم هوا خنک، به دلیل ایجاد افت فشار بالا، بازدهی سیستم کاهش می‌یابد لذا سیستم آب‌خنک متداول‌تر است.
  • در صورت استفاده از سیستم خنک‌کن (آبی)، مصرف آب افزایش قابل‌ملاحظه‌ای پیدا می‌کند.
  • درمجموع این سیستم با کوره­های بزرگ و کوره‌هایی که دارای رطوبت مواد اولیه کم می­باشند، سازگار است.
چرخه رانکین ارگانیک(ORC)(Organic Rankine Cycle)

نوع دیگری از مایع در حال کار در این‌گونه نیروگاه­ها که بازدهی بالاتری در دماهای پایین­تر دارند، میعانات ارگانیک مانند سیکلو پنتان می‌باشد که دارای نقطه‌جوش پایین­تر، فشار بخار بالاتر، جرم اتمی بالاتر و فلوی جرمی بالاتری در مقابل آب می­باشند و این فلوی جرمی باعث افزایش بازدهی توربین در مقایسه با سیال آب می­شود.

شماتیک تولید انرژی الکتریکی از بازیافت حرارت در این‌گونه نیروگاه ها به شرح ذیل است:

همان‌گونه که مشاهده می‌شود اساس کار این سیستم نیز بر مبنای نصب بویلر در مسیر گاز داغ خروجی از سیستم پخت استوار است و تفاوت آن با چرخه رانکین بخار نوع سیال مورداستفاده در تکنولوژی می‌باشد ، این سیال نسبت به آب دارای انرژی نهان تبخیر کمتری می‌باشد فلذا انرژی کمتری برای تغییر فاز نیاز دارد که این مطلب باعث می‌شود سیال آلی نسبت به آب سریع‌تر تبخیر شده و در کندانسور نیز سریع‌تر به مایع تبدیل می‌شود که درنتیجه آن این تکنولوژی نیازی به کندانسور آب‌خنک نداشته و آب مصرفی سیستم تولید انرژی الکتریکی در آن صفر است.

همچنین در سیستمORCدر خروجی‌های گاز داغ برای انتقال حرارت از روغن داغ استفاده می‌شود که به دلیل فشار پایین‌تر روغن نسبت به بخار در بویلر و ماهیت روغن امکان نشت سیال به سیستم بسیار پایین‌تر است و کارکرد طولانی‌مدت تر برای این‌گونه سیستم‌ها قابل پیش‌بینی می‌باشد.

لازم به توضیح است که این سیستم نیاز به اجرای ساختمان برای توربین و ژنراتور و تجهیزات اصلی نداشته و تجهیزات آن به‌صورت پیش مونتاژ حمل و در کارخانه نصب می‌شوند که این مطلب باعث می‌شود زمان ساخت و نصب کاهش‌یافته و حجم ساختمانی نیز کاهش یابدوبه دنبال آن فضای کمتری نیز برای نصب نیاز دارد .

 

 

درنتیجه مزایا و معایب سیستمORCبه نسبتSRCبه شرح ذیل است:

مزایا:

  • این طرح می­تواند با دماهای بازیافتی پایین­تری کار کند و با رنج کارکرد خروجی گریت کولرهای مختلف سازگاری دارد.
  • به جهت کار کندانسور اتمسفریک، ریسک ورود هوای کاذب در سیستم وجود ندارد.
  • قابلیت کارکردتمام خودکار سیستم وجود دارد.
  • به دلیل ماهیت مایع ارگانیک، بلیدهای توربین از خوردگی محافظت می­شوند.
  • درORCمی­توان بدون کاهش کارایی از سیستم‌های هوا خنک استفاده کرد.
  • تجهیزاتORCبه نسبت کوچک هستند و فضای کمتری را برای نصب اشغال می­کنند و توربین آن نیز دارای استیج­های کمترینسبت به نیروگاه­های بخار است.
  • ORCبه نسبت نیروگاه­های مشابه بخار، دارای بازدهی بالاتر است.

معایب:

  • بر اساس برآوردهای اولیه هزینه­های سرمایه­گذاری اولیهORCنسبت به نیروگاه­های بخاری بالاتر است.
  • به دلیل دومرحله‌ای بودن سیستم­هایORC(استفاده از سیال واسط-روغن حرارتی) در برخی مواقع امکان افت راندمان در ریکوپراتور وجود دارد.
  • به دلیل این‌که مایع استفاده‌شده در این سیستم امکان احتراق دارد نصب سیستم­های تشخیص و اطفاء حریق الزامی بوده و جهت جلوگیری از ریسک، می­بایست بعضی از تجهیزات بازمان بندی مشخص تعویض گردند.

به‌طورکلی این سیستم­ها جهت کارخانه‌های سیمان باراندمان بالا و مواد اولیه رطوبت بالا مناسب می­ باشند.