متداول ترین منبع برای تولید انرژی در آینده

مقدمه

این انتظار وجود دارد که احتراق زغال سنگ متداول ترین منبع برای تولید انرژی در آینده باشد. در نیروگاه های برق، احتراق سوخت در دمایی بین 1200 تا 1700 درجه ی سانتیگراد انجام می شود و فرایند موجب آزاد سازی مقادیر قابل توجهی اکسید گوگرد و دی اکسید کربن می شود. در کل جهان،، میلیون ها تن اکسیدهای گوگرد سالانه تولید می شود. بنابراین، این نیاز وجود دارد که میزان این انتشار کاهش یابد و بدین صورت گاز خروجی از اگزوز این نیروگاه ها، پاک تر شود.
در سال های اخیر، انواع مختلفی از تکنولوژی های تمیز برای احتراق زغال سنگ، توسعه یافته است. در بین این روش ها، تکنولوژی های بر پایه ی احتراق بستر متحرک مقبولیت خوبی پیدا کرده است. در این روش، زغال سنگ آسیاب شده و نرم، با سنگ آهک آسیاب شده، سوزانده می شود که در حقیقت این ماده نقش جاذب گوگرد دی اکسید را بازی می کند. این کار در یک بستر سیال و در دمایی در حدود 850 درجه ی سانتیگراد، انجام می شود. تحت این شرایط، دی اکسید گوگرد تولید شده در فرایند احتراق جذب خاکستر می شود و تمیزکاری اضافی برای گازهای خروجی در این حالت، ضروری نیست. این انتظار وجود دارد که کسر قابل توجهی از نیروگاه های برق جدید التاسیس، مخصوصاً آنهایی که در ظرفیت های کوچک و متوسط ساخته می شوند، بر پایه ی این تکنولوژی ساخته شوند. به جای سنگ آهک، دولومیت نیز ممکن است به عنوان جاذب، استفاده شود. به هر حال، این ماده میزان خاکستر بیشتری تولید می کند و از این رو، دفن آن با مشکل و مسائلی روبرو خواهد شد.
باقیمانده های جامد احتراق بستر سیال زغال سنگ قیری می تواند از لحاظ شیمیایی و همچنین ترکیب فازی از خاکسترهای تولید شده در نیروگاه های برق معمولی، متفاوت باشد و به دلیل خواص مطلوب تر، از این روش، برای مقیاس های بزرگ تر، استفاده می شود. در حقیقت، در یکی از سایت ها در هلند، باقیمانده های معدن کاری شده ی جامد در یک رآکتور بستر سیال فرآوری شده و یک بایندر غیر آلی با کیفیت خوب، تولید می شود. این مسئله در حالی است که برق نیز به صورت همزمان تولید می شود. این ماده ی بایندری، به عنوان محصول فرعی این فرایند می باشد.
یک فاکتور که از این رویه ی کلی حمایت می کند، استفاده از محصولات فرعی صنعتی است. این مسئله به دلیل خالی شدن منابع معدنی با کیفیت بالا در جهان اتفاق افتاده است. یکی دیگر از عوامل تمایل به استفاده از این محصولات فرعی صنعتی، افزایش حجم ضایعات صنایع مختلف است که یا باید به صورت محصول فرعی استفاده شوند و یا دفن شوند. این مسئله موجب شده است تا فرایندهایی توسعه یابد که در آنها، از این مواد در تولید و بازیافت محصولات دیگر، استفاده شود.
افزایش تعداد نیروگاه های برق که در آنها از بستر سیال استفاده می شود، منجر به افزایش تمایل به استفاده از خاکسترهای تشکیل شده، شده است. این خاکسترها معمولاً دارای ترکیب شیمیایی متفاوتی هستند و این ترکیب شیمیایی به ترکیب سوخت مورد استفاده، میزان جاذب مورد استفاده و همچنین تکنولوژی احتراق مورد استفاده، وابسته می باشد.
احتراق بستر سیال ممکن است تحت فشار اتمسفر (AFBC) و یا تحت فشار بالا (PFBC) انجام شود. روش آخر تنها در طی سال های اخیر مورد استفاده قرار گرفته است و تنها سه نیروگاه برق در دنیا از این تکنولوژی بهره می برند. از این رو، داده های انتشار یافته ی اندکی در مورد این تکنولوژی و خاکسترهای تولیدی از آنها، وجود دارد.
مواد جدید نیازمند روش های آزمون جدید می باشند تا بدین صورت کیفیت و استفاده های مختلف از این محصولات، ارزیابی شود. این مواد باید تحت فرایندهای ساده ای مورد ارزیابی قرار گیرند.
برای حصول مقبولیت مواد جدید، این ضروری است که اطلاعاتی در مورد خواص و کاربردهای بالقوه ی آنها، انتشار یابد. در مورد خاکسترهای بسترهای سیالی که در بخش گوگرد گیری تولید می شود، افزایش هزینه های مربوط به دفن، موجب شده است تا کاربردهای جدیدی برای این مواد توسعه یابد.
بخش اصلی مقاله هایی که در زمینه ی احتراق بستر سیال مربوط به زغال سنگ، منتشر شده است، مربوط به بهینه سازی فرایند احتراق و ادوات مورد استفاده می باشد. چندین کنفرانس نیز در مورد این زمینه، برگزار شده است. این مقاله، اطلاعاتی در مورد ترکیب و خواص باقیمانده های جامد بدست آمده از احتراق بستر سیال در تکنولوژی تحت فشار اتمسفر (AFBC) و تحت فشار بالا (PFBC) ارائه کرده است. همچنین در این مقاله، استفاده های بالقوه از این مواد را نیز مورد بررسی قرار داده است. در حقیقت این مقاله تلاش دارد تا علاقه ها در زمینه ی این مواد جدید را افزایش دهد.
از آنجایی که احتراق بستر سیال موجب ایجاد خواص هیدرولیک و یا پزولانی می شود، استفاده از این مواد به عنوان بایندر احتمالا موجب کاهش در میزان مصرف سیمان پرتلند می شود. در حقیقت با کاهش میزان مصرف سیمان، میزان مصرف انرژی نیز به طور قابل توجهی، کاهش می یابد. در حقیقت، علاوه بر کاهش مصرف انرژی، میزان انتشار گاز دی اکسید کربن نیز بدین وسیله، کاهش قابل توجهی می یابد. برای حصول مقبولیت و همچنین استفاده از خاکسترهای یاد شده، این مسئله نیاز است تا یک همکاری میان اپراتورهای نیروگاه های برق، بوم شناس ها، متخصصین مواد، مهندسین عمران و همچنین قانون گذاران، انجام شود.
مواد اولیه و فرایند احتراق

سوخت جامد

زغال سنگ های قیری و بدون قیر، لیگنیت و حتی محصولات مختلف از معدن کاری زغال سنگ، ممکن است به عنوان سوخت در فرایند احتراق، مورد استفاده قرار گیرد. این واضح است که کیفیت سوخت به طور خاص، ترکیب شیمیایی کسر غیر آلی آن، تعیین کننده ی اصلی ترکیب شیمیایی و کیفیت خاکستر تولیدی می باشد. زغال سنگ قیری سوختی است که به طور متداول در صنایع استفاده می شود. میزان خاکستر ایجاد شده از این ماده به طور نمونه وار بین 8 تا 15% است. میزان گوگرد زغال سنگ های مختلف ممکن است همچنین به طور قابل توجهی متفاوت باشد از این رو، در بیشتر موارد، نیازمند فرایند گوگرد گیری است تا بدین صورت، میزان دی اکسید گوگرد موجود در گاز خروجی، به حداقل برسد. در برخی موارد، سوخت هایی حاوی مقادیر مواد غیر آلی تا 50 % نیز مورد استفاده قرار می گیرد که این مسئله موجب افزایش میزان خاکستر تولیدی می شود. به عبارت دیگر، یک میزان معین از مواد غیر آلی باید در سوخت موجود باشد تا بدین صورت اطمینان حاصل شود که یک بستر سیال تشکیل خواهد شد.
ترکیب شیمیایی خاکستر تولیدی، به تکنولوژی احتراق مورد استفاده وابسته نیست، در حالی که ترکیب فازی، ممکن است به طور قابل توجهی، تحت تأثیر تکنولوژی مورد استفاده، باشد. فاکتوری که به طور قابل توجهی ترکیب فازی یک خاکستر را تحت تأثیر قرار می دهد، دمای احتراق است که این دما در تکنولوژی بستر سیال، در حدود 850 درجه ی سانیتگراد است. فاکتور دیگری که بر روی ترکیب شیمیایی و فازی محصول نهایی مؤثر است، کیفیت و میزان جاذب مورد استفاده در سوخت می باشد.
زغال سنگ موجود در احتراق بستر سیال باید آسیاب شود تا میزان نرمی آن به زیر 4 میلی متر برسد و میزان ماده ی عبور کرده از سرند 0.5، به حدود 20 % برسد. سنگ آهک آسیاب شده و نرم نیز به طور متداول به عنوان جاذب دی اکسید گوگرد در این مورد استفاده می شود.
در دمایی که در بستر سیال ایجاد می شود، آهک تجزیه می شود و به اکسید کلسیم با خلوص بالا تبدیل می شود. این ماده با اکسید گوگرد واکنش می دهد. این فرض شده است که اکسید گوگرد همچنین به صورت مستقیم با سنگ آهک آسیاب شده واکنش می دهد. جاذب به همراه سوخت آسیاب می شود تا به ذرات با اندازه ی معین برسد. برخی اوقات، آب نیز به مخلوط اضافه می شود تا بدین صورت یک دوغاب تشکیل شده و یکنواختی مخلوط حاصله، افزایش یابد.
علاوه بر این روش، دولومیت نیز ممکن است به عنوان جاذب دی اکسید گوگرد و به جای سنگ آهک، مورد استفاده قرار گیرد. انتخاب یک جاذب معمولاً با توجه به میزان در دسترس بودن آن در یک منقطه، انجام می شود. منیزیم کربنات موجود در دولومیت به همراه کلسیم کربنات در دماهای پایین تر تجزیه می شود. این دما در حدود 500 درجه ی سانتیگراد است. این در حالی است که کلسیم کربنات موجود در سنگ آهک، در دمایی بین 700 تا 800 درجه ی سانتیگراد، تجزیه می شود. در دماهایی که در بستر سیال وجود دارد (یعنی دمای 850 درجه ی سانتیگراد)، منیزیم اکسید واکنش پذیری خود را از دست می دهد و به صورت ناقص با اکسید گوگرد واکنش می دهد. یک بخش قابل توجه از این ماده به صورت ذرات کریستالی در باقیمانده، وجود دارد. بنابراین، میزان اکسید منیزیم آزاد در محصول احتراق، ممکن است اغلب بیشتر از 10 % باشد، اگر دولومیت به عنوان جاذب استفاده شود. برخلاف آن، میزان پریکلاژ خاکسترهایی که با افزوده شدن سنگ آهک به زغال سنگ ایجاد می شود، به ندرت به 2.5 % می رسد. پریکلاژ با سرعت آهسته ای با آب واکنش می دهد و موجب تشکیل هیدروکسید منیزیم (بروسیت) می شود. چون این واکنش با انبساط همراه است، احتمال شکسته شدن مواد ساختمانی تولید شده از خاکسترهای حاوی مقادیر بالایی از پریکلاژ، وجود دارد. بنابراین، میزان استفاده از این ماده، محدود می شود. یکی از زمینه های استفاده از خاکسترهای با اکسید منیزیم بالا، در کاربردهای کشاورزی می باشد.
دمای احتراق 850 درجه ی سانتیگراد که در بستر سیال استفاده می شود، به خاطر این استفاده شده است که در این دما، جذب دی اکسید گوگرد بازده قابل قبولی دارد. تحت این شرایط، دیگر یک گوگرد گیری مجزا از جریان گاز خروجی، ضرورتی ندارد. برای حصول یک اتصال مؤثر با گوگرد، جاذب به میزان بیشتری نسبت به ترکیب استوکیومتری افزوده می شود تا بدین صورت اثربخشی فرایند جذب، بیشتر شود. این واضح است که میزان واقعی سنگ آهکی که وارد می شود، با افزایش میزان گوگرد موجود در سوخت، افزایش می یابد. در صورتی که سوخت حاوی یک درصد گوگرد باشد، میزان 4 % سنگ آهک به مخلوط افزوده می شود.
میزان جاذب مورد استفاده در این فرایند به میزان خاکستر موجود در سوخت و همچنین میزان گوگرد موجود در سوخت، وابسته می باشند و بنابراین، میزان سنگ آهکی که باید به مخلوط افزوده شود، تحت تأثیر این عوامل است. به طور نمونه وار میزان اکسید کلسیم و اکسید منیزیم بدست آمده از جاذب 8 الی 15 % از میزان کل باقیمانده ی حاصل از فرایند گوگرد گیری را تشکیل می دهد، اگر زغال سنگی با میزان خاکستر 15 % مورد استفاده قرار گیرد. اگر سوختی مورد استفاده قرار گیرد که حاوی میزان قابل توجهی کلسیم کربنات باشد، میزان جاذب افزوده شده ممکن است با توجه به این مسئله، کاهش یابد. این مسئله ممکن است به طور نمونه وار در مورد زغال سنگ های قیری حاوی 10 % کلسیم کربنات، مشاهده شود.

فرایند احتراق

تکنولوژی متداول مورد استفاده در روش احتراق بستر سیال سوخت های جامد، فرایند AFBC می باشد. روش دیگر که در حقیقت PFBC نامیده می شود، بوسیله ی شرکت ABB سوئد توسعه یافته است. تکنولوژی بیان شده تنها در سه مکان در دنیا، مورد استفاده قرار می گیرد. در روش کنونی، احتراق در فشار 1.2 MPa انجام می شود. این مسئله موجب می شود تا ارتفاع بستر رآکتور سیال، کاهش یابد.
در هر دو فرایند ذکر شده در بالا، احتراق در یک بستر سیال مدور انجام می شود که در حقیقت سوخت به صورت مکرر در داخل رآکتور می چرخد. تحت این شرایط، زمان کلی که در آن، احتراق رخ می دهد، ممکن است به چندین ساعت نیز ادامه داشته باشد. در حین احتراق، دی اکسید گوگرد اولیه ی تولیدی، به انیدرید کلسیم سولفات تبدیل می شود. اکسیداسیون یون گوگرد با بار مثبت 4 به بار مثبت 6، با استفاده از فلزات سنگین موجود در خاکستر، کاتالیست می شود.
به دلیل دمای سوخت پایین رآکتور و سیکلون های مورد استفاده در فرایندهای AFBC و PFBC، نیاز به استفاده از هیچگونه آستر دیرگدازی نیست. یک دیواره ی دو لایه ی آب گرد در این مورد کافی است. اکسیدهای نیتروژن تنها از نیتروژنی تشکیل می شوند که در داخل اجزای آلی سوخت، موجود می باشد. بنابراین، میزان اکسید گوگرد و اکسیدهای نیتروژن موجود در گاز خروجی، که در طی این دو فرایند تولید می شود، بسیار پایین است. این میزان بسیار کمتر از میزان مجاز بر اساس قوانین می باشد. اجزای بسیار ریز جامد موجود در گاز خروجی، بوسیله ی فیلترهای گاز مناسب، خارج می شوند و این ضایعات باید به شیوه ای مناسب، مورد استفاده قرار گیرند.
سوخت در یک بستر سیار مدور، معمولاً منجر به اکسیداسیون اجزای آلی سوخت می شود به نحوی که میزان کربن باقیمانده، ممکن است به خوبی زیر یک نگه داشته شود. بخش اعظمی از کربن باقیمانده در خاکستر، به شکل آمورف است و مساحت سطح بالایی دارد. بنابراین، در صورتی که در تولید ملات یا بتن، از مقادیر قابل توجهی خاکستر پر کربن استفاده شود، میزان آب مورد نیاز برای تولید این ملات یا بتن ها، افزایش می یابد.
توزیع اندازه ی ذره مربوط به مواد باقیمانده ای که در احتراق بستر سیال تولید می شود، به طور قابل توجهی تغییر می کند. کسر درشت تر خاکسترهای بستری هستند که معمولاً 30 تا 40 % کل مقدار جامد را تشکیل می دهند. در حدود 60 % از مواد جامد در سیکلون ها جداسازی می شوندف در حالی که کسر ریزتر در جداسازهای الکترواستاتیکی بخش آخر و یا فیلترها، جداسازی می شوند. این میزان معمولاً از 5 % بیشتر نمی شود. شکل 1 تا 3 نشاندهنده ی توزیع اندازه ی ذره ی مربوط به انواع مختلف از خاکسترهای تولیدی به روش PFBC می باشد. این بد نیست مورد اشاره قرار گیرد که کسرهای مختلف از ذرات، نه تنها از لحاظ نرمی متفاوت نیستند، بلکه همچنین از لحاظ ترکیب شیمیایی و مینرالی نیز تفاوت آنچنانی ندارند. بنابراین، از آنها می توان در کاربردهای مختلف، استفاده کرد. ترکیب خاکسترهای مختلف و کسر اندازه ی ذرات آنها در جدول های 1 تا 3 آورده شده است.
کسرهای خاکستر مختلف همچنین ازلحاظ دانسیته و مساحت سطح ویژه، متفاوت می باشد. از یک مقایسه بر روی اندازه ی ذرات و مساحت ویژه ی این نمونه ها، این فهمیده می شود که کسرهای خاکستر مختلف، همچنین از لحاظ دانسیته نیز تفاوت قابل توجه دارند. در حقیقت، مقادیر واقعی به کیفیت سوخت مورد استفاده و میزان و کیفیت جاذب مورد استفاده، وابسته می باشد.
منبع مقاله :
Waste materials used in concrete manufacturing/ Satish Chandra