نویسنده: لوری راپرچت
مترجم: حبیب الله علیخانی

در دنیا، برنامه های مختلفی به منظور کاهش مصرف انرژی و افزایش بهره وری، در حال انجام می باشد. یکی از این برنامه ها، برنامه ی فنی- صنعتی (ITP) است که در حقیقت بخشی از برنامه ی دفتر بهره وری انرژی و انرژی های تجدیدپذیر اداره ی انرژی آمریکا (DOE-EERE) می باشد. این برنامه به دنبال بهبود میزان رشد مصرف انرژی مربوط به بخش صنعتی آمریکا از طریق یک برنامه ی هماهنگ تحقیق و توسعه ای (R&D)، اعتبارسنجی و گسترش تکنولوژی های با بازده بالاتر و شیوه های عملیاتی منسجم تر، می باشد. برای حصول این مأموریت، ITP با صنایع، تولیدکنندگان ادوات و سایر افراد سهیم در این قضیه، مشارکت کرده است و بدین صورت تکنولوژی هایی توسعه یافته است که انرژی کمتری را در واحد خروجی معین، تولید می کنند. دیرگدازها یک گروه از مواد هستند که دارای اهمیت حیاتی در صنایع تولیدی و واحدهای دما بالا، می باشند. این مقاله، کاربردهای مواد دیرگداز و موانع موجود در سر راه کاهش مصرف انرژی را مورد بررسی قرار می دهد. این گزارش پیشنهادهایی برای توسعه ی مسیرهای R&D پیشنهاد کرده است که منجر به بهبود دیرگدازهای مورد استفاده در فرایندهای تولید، می شود.

حالت کنونی دیرگدازها

انواع مختلفی از کوره ها در صنایع مختلف دنیا مورد استفاده قرار می گیرد. هر یک از این دیرگدازها نیازها و چالش های منحصربفردی دارند. 15 گروه کوره ی مختلف وجود دارد. کاربردهای صنعتی نمونه وار برای این 15 نوع کوره، در جدول 1 آورده شده است. چالش ها و مشکلات مربوط به دیرگدازها در جدول 2 آورده شده است.
از این 15 نوع کوره ی گفته شده، 4 نوع بیشتر مورد بررسی قرار گرفته اند: این موارد عبارتند از: کوره ها یا سیستم های کلسیناسیون، کوره ها بازتابشی(reverberatory furnaces)، بویلرها و سیستم های واکنشی و کوره های گازگیری (gasifiers). این موارد انتخاب شده اند زیرا به صورت متداول در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند و بهینه سازی مصرف انرژی در آنها، اثر قابل توجهی بر روی میزان مصرف انرژی دارند. تمرکز بر روی کوره ی بلند، کوره های پایه ی اکسیژن (BOFs) و سایر انواع کوره هایی می باشد که در صنعت فولاد یافت می شوند و بر روی سایر کوره ها، تمرکز انجام نشده است زیرا طراحی آنها به گونه ای است که انرژی در آنها به صورت عمدی به خارج فرستاده می شود تا بدین صورت گرادیان انرژی در آستر نسوز، به حداقل برسد. علاوه بر این، دیرگدازهای BOFs بخش قابل توجهی از انرژی را تلف می کنند و بهبودهای اندکی در مورد آنها مورد انتظار می باشد.
تجزیه و تحلیل و مباحث مطرح شده نیز موجب آدرس دهی بهبودهایی در زمینه ی دیرگداز می شود که منجر به افزایش بازده انرژی و بهبود محصولات تولید شده در هر یک از این کوره ها می شودم. بحث ها نیز بر روی صنایع با مصرف انرژی بالا تمرکز یافته است مانند صنعت تولید آلومینیوم، سیمان و آهک، مواد شیمیایی و پتروشیمی، محصولات جنگلیف شیشه، عملیات حرارتی و آنیل، آهن و فولاد و ریخته گری فلزات.

استفاده ها در صنایع

اگر چه دیرگدازها در بیشتر صنایع استفاده می شوند، صنعت آهن و فولاد تقریباً 70 % از کل دیرگدازهای تولیدی در جهان را مصرف می کنند، در حالی که صنعت سیمان و آهک، حدود 7 %، صنعت سرامیک حدود 6 %، صنعت شیشه حدود 3 تا 4 % و صنعت نفت، در حدود 4 % از این میزان را به مصرف می رساند. در سال 1998، یک بررسی بوسیله ی انجمن سرامیک پیشرفته ی آمریکیا و آزمایشگاه ملی Oak Ridge (ORNL) انجام شد که بر طبق آن، فرصت ها برای برطرف کردن نیازهای صنایع تولیدی با استفاده از سرامیک های پیشرفته، تعیین شد. این صنایع شامل صنعت آلومینیوم، مواد شیمیایی و پتروشیمی، محصولات جنگلی، شیشه، ریخته گری فلز و فولاد می باشد. علاوه بر این، صنایع حمایت کننده مانند صنایعی که عملیات حرارتی و یا آنیل انجام می شوند، نیز در نظر گرفته شده اند. از این بررسی، یک تعداد بخش های حساس تشخیص داده شد که توجه به آنها موجب بهبود قابل توجه در میزان مصرف انرژی می شوند.
علاوه بر این، اقدامات عمومی در بیشتر صنایع، انتخاب سوخت و منابع مناسب بر اساس هزینه ها و میزان در دسترس بودن، می باشد. در بسیاری از موارد، این مسئله منجر به تغییرات قابل توجه در کیفیت سوخت و خلوص می شود. این مسئله در نهایت بر روی کارایی مواد دیرگداز مورد استفاده در کوره ها، اثرگذار است. این مسئله باید در زمانی در نظر گرفته شود که مورد مورد استفاده در ساخت کوره انتخاب می شود. همچنین این مسئله در مورد ارزیابی میزان اثربخشی مصرف سوخت در این بخش ها نیز مهم می باشد.

حالت تحقیق و توسعه ی کنونی

تغییرات اساسی که در تکنولوژی مواد دیرگداز و در طی 25 سال گذشته رخ داده است، منجر به ایجاد اثرات متقابل بر روی تعداد صنایع تولیدی می شود مانند استفاده از عایق های فیبری و یا با استحکام بالا به منظور کاهش در میزان مصرف انرژی در کوره های حرارتی. در صنعت فولاد، استفاده از عایق های MgO-C با پیوند رزینی در کوره های پایه اکسیژنی، به طور قابل توجهی موجب افزایش در میزان بهره وری می شود. در واقع دیرگدازهای پایه SiC نیز منجر به افزایش عمر مفید کوره ی بلند فولاد می شود. در صنعت شیشه، ابداع مشعل های ذوب سوخت- اکسیژن منجر به افزایش علاقه به منظور افزایش مقاومت خوردگی دیرگدازها نسبت به عوامل قلیایی و محیط های غنی از آب، شده است. علاوه بر این، بسیاری از ترکیبات سرامیکی اخیر ارزیابی های اندکی را دریافت کرده اند اما هنوز به حالت تولید و تکامل نرسیده اند. تمام این رویدادها در فرایندهای صنعتی و بهبود مباحث مربوطه، مهم می باشند. البته هنوز هم بهبودهای اضافی می تواند منجر به صرفه جویی قابل توجه در میزان مصرف انرژی در صنایع مختلف می شود.
انتخاب مواد دیرگداز برای یک کاربرد خاص اغلب بوسیله ی سبک و سنگین کردن میان هزینه ها و کارایی، انجام می شود. در گذشته، ملاحظات اقتصادی منجر به انتخاب دیرگدازهای با کارایی پایین و ارزان قیمت می شد. امروزه، با افزایش در هزینه های انرژی، مقررات محیط زیستی و اقتصاد مقیاسی، مواد دیرگداز گران قیمت تر مورد توجه قرار گرفته اند و این فهمیده شده است که با توجه به شرایط کنونی، احتمالا این نوع از مواد دیرگداز جدید، از لحاظ استفاده، اقتصادی می شوند.
استانداردهای تخمین زده شده برای فرصت های صرفه جویی در مصرف انرژی
استفاده ها از انرژی در چندین صنعت و همچنین تخمین میزان صرفه جویی بالقوه در این بخش ها، در جدول 3 آورده شده است. مقادیر نشان داده شده در این جدول بر اساس داده های بدست آمده بوسیله ی MECS تدوین شده اند. تخمین میزان استفاده از انرژی بوسیله ی دیرگدازهایی تحت تأثیر قرار می گیرد که بر اساس ارزیابی اسناد نقشه ی راه صنایع و گفتگو با مدیران صنعتی، بدست آمده است. اهداف صرفه جویی در انرژی بر اساس نیازهای صنایع و تخمین 4 نوع کوره ی پیشنهاد شده، تدوین می شوند. این آنالیزها در واقع بر اساس مطالعات تعادل حرارتی انجام شده است که در آنها انرژی وارد شده از طریق احتراق، برابر است با مجموع 1) حرارت نهان در گازهای خروجی از کوره و 2) اتلاف حرارتی حاصله از میان دیواره ها و کف کوره و 3) حرارت مورد نیاز برای انجام واکنش ها در دمای فرایند و انجام استحاله ها در آن دما. حصول بازده تئوری نیازمند این است که موارد 1 و 2 برابر صفر باشد. از نقطه نظر عملی، بازده کامل قابل حصول نیست اما بهبود در دیرگدازهای کوره می تواند کمک به تسهیل بهبود بازده کوره گردد. فرصت های صرفه جویی در واقع در گستره ی 166 تا 830 TBtu/ Yr می باشد. این میزان به ترتیب برابر میزان انرژی الکتریکی مصرفی سالانه ی بخش مسکونی در ایالت نیویورک و انرژی مورد استفاده برای خنک سازی در کل ایالت های آمریکا.
با توجه به این مسئله، باید این مورد را مد نظر قرار دهیم که افت در برخی از ویژگی های خاص ممکن است اثر مستقیم بر روی سایر خواص مربوطه داشته باشد. برای مثال، این مشهود است که در یک دیوره ی کوره که مقاومت به خوردگی پایین است، ممکن است کاهش در بازده گرمایی با کاهش در ضخامت دیواره، مشاهده شود. علت این مسئله خوردگی است که منجر به کاهش در قابلیت عایق کاری دیواره می شود. بازده کوره هم اکنون نه تنها تحت تأثیر قرار می گیرد بلکه همچنین کاهش در ضخامت دیواره ممکن است این مسئله را ایجاد کند که خط تولید از حرکت باز ایستد تا بدین صورت بخش آسیب دیده، ترمیم شود. ملاحظات مربوط به انرژی از این بخش ها، در جدول 3 آورده شده است.
شکل 1 نشاندهنده ی فرصت های بالقوه در زمینه ی بهبود انرژی است که در 4 نوع کوره ی یاد شده، مورد بررسی قرار گرفته است.
تکنولوژی فرایند و موانع مربوط به کارایی

کوره ها و ادوات کلسیناسیون

کوره و ادوات کلسیناسیون یا محصولاتی که بوسیله ی آنها تولید می شوند، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرند (از جمله صنعت آلومینیوم، سیمان، مواد شیمیایی، محصولات جنگلی، شیشه، آهن و فولاد و معدن کاری)؛ بنابراین، بسیار مورد توجه می باشند. آنالیزها برای ارزیابی این بخش ها هم در مورد تولید آلومینا و هم در تولید آهک، مورد بررسی قرار گرفته است. این فرایندها در کوره های چرخنده و در دماهای مختلف انجام می شود. برای تمام حرارتی که بوسیله ی احتراق ایجاد می شود، میزان حرارت خالص صرف افزایش دمای شعله و گازهای خروجی از کوره می شود. بخشی از حرارت نیز از دیواره ها خارج می شود، در حالی که بقیه برای کار کلسیناسیون بار ورودی به کوره، استفاده می شود.
کاربردهای صنعتی تکنولوژی فرایندی

تکنولوژی کنونی

دو نوع نمونه وار از کوره هایی که در صنایع مورد استفاده قرار می گیرند، برای بررسی انتخاب شد. در مورد کلسیناسیون آلومینا، ما یک کوره ی با قطر 3.5 متر و طول 80 متر را در نظر گرفته ایم که میزان خروجی آن تقریباً 250000 تن در سال است. برای کلسیناسیون آهک، ما یک کوره را در نظر گرفتیم که 5 متر قطر و 50 متر طول داشته است و خروجی آن در حدود 365000 تن در سال است. در فرایند کلسیناسیون آهک، محصول اغلب گرد و خاکی ایجاد می کند که به همراه گازهای خروجی، خارج می شود. بنابراین، در آنالیز آهک، باید این مسئله و خروج بخشی از محصول به صورت گرد و غبار، در نظر گرفته شود. حرارت محاسبه شده برای و واکنش ها (در 77 فارنهایت) به ترتیب برای کلسیناسیون آلومینا و آهک، برابر 634 و 1364 Btu/ Ib می باشد.
اثر انرژی
مزیت های انرژی ایجاد شده از طریق استفاده از مواد دیرگداز در کوره ها، عبارتند از:
1. یک افزایش در دمای شعله ی آدیاباتیک به میزان 200 فارنهایت می تواند منجر به صرفه جویی در مصرف سوخت شود. این مسئله به دلیل بهبود بازده گرمایی انجام می شود.
2. یک کاهش در دمای گازهای خروجی از اگزوز به میزان 200 فارنهایت، همچنین منجر به صرفه جویی قابل توجه در مصرف سوخت می شود.
3. یک کاهش در اتلاف های ایجاد شده در دیواره ها و سقف کوره به میزان 200000 Btu/ton از محصول تولیدی می تواند منجر به صرفه جویی قابل توجه در انرژی شود.
4. بهبودهای انجام شده در بازده فرایند منجر به مزیت های انرژی قابل توجه می شود.
برای این آنالیزهای انرژی، این فرض شده بود که اندکی بیش از نیمی از آلومینای کلسینه ی تولید شده در ایالات متحده (4.4 میلیون تن در سال 2001)، با استفاده یک یک کوره ی چرخنده تولید می شود. به طور مشابه، این فرض شده است که از 20 میلیون تن آهک تولید شده در ایالات متحده در سال 2002، حدود 80 % با استفاده از کوره ی چرخنده تولید می شود. این فرض شده است که 80 % از 103 میلیون تن سیمان تولید شده در ایالات متحده در سال 2002، با استفاده از کوره های چرخنده ای تولید می شوند که در دمایی در گستره ی 2600 تا 3000 فارنهایت، کار می کنند. نتایج مربوط به این تجزیه و تحلیل در جدول 4 آورده شده است.
موانع مربوط به مواد دیرگداز مورد استفاده در کوره ها و ادوات کلسیناسیون
نتایج محوری بدست آمده از تجزیه و تحلیل کوره ها و ادوات کلسیناسیون مورد بررسی، این است که همانگونه که دمای شعله افزایش می یابد و دمای گازهای خروجی از کوره به دمای فرایند نزدیک می شود، بازده گرمایی بالاتر می رود. از این رو، بهبودهای مربوط به کاهش رسانایی گرمایی مربوط به دیرگدازها و بهبود خواص شیمیایی و فیزیکی مربوط به دیرگدازها، اثر قابل توجهی بر روی کل میزان مصرف سوخت دارد. آدرس دهی موانع زیر که در واقع مرتبط با مواد دیرگداز مورد استفاده در کوره ها و ادوات کلسیناسیون می باشند، موجب بهبود بازده انرژی خواهند شد.
1. عدم دسترسی به دیرگدازهای با استحکام دمایی بالا و مناسب، مقاوم در برابر خوردگی و ایروژن، مقاوم در برابر خستگی، مقاوم در برابر گرادیان های دمایی بالا و پایداریی در برابر دماهای بالا برای استفاده در دماهای شعله ی بالا.
2. فقدان دوام دما بالا و مقاومت در برابر خوردگی و ایروژن در دیرگدازهای کنونی برای بهبود انتقال حرارت از طریق افزایش میزان هم زدگی و تهییج مواد در حال فرآوری
3. عدم دسترسی به دیرگدازهای دارای رسانایی گرمایی پایین تر و پایدار در برابر دماهای بالا به منظور کاهش اتلاف ضخامت دیواره ی دیرگداز
4. فقدان دانش در مورد عملیات های کنونی مورد نیاز برای افزایش عمر مفید دیرگداز، کاهش در قابلیت چسبندگی محصول و افزایش در میزان بازیابی محصول به منظور کاهش در خروجی برنامه ریزی نشده، بهبود بازده تولید و افزایش در عمر کوره.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Refractories for industrial processing: opportunities for improved energy efficiency/ prepared by DOE- EERE industrial technologies program