کوره ها بازتابشی (reverberatory furnaces)

آنالیزهای انجام شده بر روی کوره های بازتابشی برای ارزیابی کوره های تولید آلومینیوم، مس و کوره های ذوب شیشه، اجرا شد. در این مورد دماهای شعله ی مختلف، دمای گاز خروجی مختلف و اتلاف های مختلف در دیواره ی کوره، در نظر گرفته شد. برای تمام حرارت تولید شده بوسیله ی احتراق، میزان خالص حرارت در دسترس مقداری کمتر از حرارت موجود در گازهای خروجی است. علاوه بر این، بخشی از حرارت موجود از دیواره ها خارج می شود و بقیه نیز صرف ذوب شدن ماده ی موجود در کوره می شود. ذوب شدن در حقیقت کار اصلی کوره می باشد.
کاربردهای صنعتی مربوط به تکنولوژی فرآوری
تکنولوژی کنونی

آنالیزهای انجام شده بر روی کوره های بازتابشی بر اساس یک کوره ی اسمی با ظرفیت ذوب 20000 پوند ماده در ساعت، انجام شده است. این کوره یک کوره ی نمونه وار است که در صنعت ذوب آلومینیوم مورد استفاده قرار می گیرد و همچنین می تواند در سایر صنایع نیز مورد استفاده قرار گیرد. برای ظرفیت ذوب ثابت 20000 پوند بر ساعت، اتلاف های دیواره و سقف از صفر تا 10 million Btu/h در نظر گرفته شد. این فرض شد که مقدار صفر تا 500 Btu/Ib نیز صرف ذوب مواد شود. این گستره از موارد فرض شده، تمام عملیات های صنعتی را پوشش می دهد. میزان حرارت خالص برای انجام این کار، تفاوت میان حرارت شعله و حرارت گازهای خروجی است. این فرض شده است که سوخت گاز طبیعی به همراه شعله ی آدیاباتیک 3600 فارنهایتی، به عنوان یک پایه، مورد استفاده قرار گرفته است. در واقع افزایش شعله در این بخش از طریق ژنراتور یا احیای مجدد و یا افزودن اکسیژن به مخلوط واکنشی، انجام می شود. بویلرها و سیستم های راکتوری در بیشتر صنایع مورد استفاده قرار می گیرند و یکی از علایق کلیدی در واحدهای تولید متقاطع می باشد. برای آنالیز زیر، بویلر برای تولید بخار آب مورد استفاده در تولید آلومینیوم، سیمان و آهک، مواد شیمیایی و پتروشیمی، محصولات جنگلی و صنایع عملیات حرارتی، استفاده شده است. در واقع نواحی دیگری برای افزایش صرفه جویی در انرژی نیز وجود دارد که در واقع استفاده از کاتالیست ها و سایر واکنش ها، می باشد. دماهای مربوط به گازهای خروجی فرض شده است که بین 1400 تا 2000 فارنهایت است. افزایش در دمای گاز خروجی در دماهای ثابت شعله، منجر به مصرف حرارت کل از 777 Btu/Ib به 2261 Btu/Ib می شود. کوره ها در صنعت آلومینیوم عموماً در این گستره کار می کنند، همانگونه که در زیر آورده شده است:

بازده مشابهی برای دو صنعت دیگر مورد بررسی، مورد انتظار می باشد.

اثر انرژی

مزیت های انرژی که می تواند از دیرگدازهای بهبود یافته و در کوره های بازتابشی حاصل شوند، عبارتند از:
یک افزایش در دمای شعله ی آدیاباتیک به میزان 200 فارنهایت (مثلا یک شعله ی اکسی- سوخت با 20 % اکسیژن) منجر به صرفه جویی قابل توجه در سوخت می شود که علت این مسئله، بازده گرمایی می باشد.
یک کاهش در دمای گاز خروجی به میزان 200 فارنهایت، همچنین منجر به صرفه جویی در مصرف سوخت می شود.
یک کاهش در اتلاف های ناشی از دیواره ها و سقف به میزان 2.5 میلیون Btu/h همچنین منجر به صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی می شود.
برای انجام محاسبه ها، این فرض شده است که در ایالات متحده ی آمریکا، 9.3 میلیارد پوند آلومینیوم در کوره های بازتابشی ذوب می شود. میزان مس ذوب شده در ایالات متحده برابر 0.36 میلیون تن می باشد که بیشتر این میزان از مواد ضایعات مسی و از طریق کوره ی بازتابشی ذوب می شوند. در ایالات متحده، حدود 40 میلیون پوند شیشه نیز با استفاده از کوره های بازتابشی ذوب می شود. علاوه بر این، 20 % از اکسیژن تولیدی نیز برای ذوب فلزات مصرف می شود در حالی که بیشتر این اکسیژن در ذوب شیشه استفاده می شود. نتایج آنالیزها در جدول 1 اورده شده است. موانع مربوط به مواد دیرگداز برای کوره های بازتابشی
نتایج محوری مربوط به این آنالیز این است که افزایش دمای شعله و رسیدن دمای گازهای خروجی به دمای فرایند، منجر به افزایش بازده می شود. اثر کاهش اتلاف های ناشی از دیواره ها که در حدود 2.5 میلیون Btu/ h بوده است، منجر به صرفه جویی قابل توجه به میزان 4.5 میلیون Btu/h برای آلومینیوم، 7.5 میلیون Btu/h برای مس و 11.9 Btu/h برای شیشه می شود. از این رو، بهبودهای انجام شده در کاهش رسانایی گرمایی مربوط به دیرگدازها، و بهبود خواص شیمیایی وفیزیکی مربوط به دیرگدازها، منجر به افزایش قابل توجه بازده و کاهش میزان مصرف سوخت می شود. آدرس دهی موانع زیر که مرتبط با کارایی مربوط به مواد دیرگداز می باشد، می تواند موجب بهبود بهره وری انرژی در کوره های بازتابشی شود.
عدم دسترسی دیرگدازهایی با استحکام دمایی بالا، مقاوم به خوردگی و ایروژن، مقاومت به خزش، مقاومت در برابر گرادیان های دمایی بالا و پایداری در دماهای بالاتر برای استفاده در کوره های با دمای شعله ی بالاتر.
فقدان دوام دما بالای کافی و مقاومت در برابر خوردگی و ایروژن در دیرگدازهای کنونی و موادی که برای بهبود انتقال حرارت (از طریق افزایش سطح هم زدن و تهییج مواد مورد فراوری) استفاده می شوند.
عدم دسترسی به دیرگدازهای با رسانایی گرمایی پایین و پایداری گرمایی بالا.
فقدان دانش در مورد ارتباط میان دیرگدازها و عملیات های فرایندی و محیطی که منجر به کاهش عمر مفید دیرگدازها، محصولات چسبنده و بدون برنامه ریزی، کاهشش بازده تولید و عمر مفید کوره ها، می شود.

بویلرها و سیستم های رآکتوری

بویلرها و سیستم های راکتوری در بیشتر صنایع مورد استفاده قرار می گیرند و یکی از علایق کلیدی در واحدهای تولید متقاطع می باشد. برای آنالیز زیر، بویلر برای تولید بخار آب مورد استفاده در تولید آلومینیوم، سیمان و آهک، مواد شیمیایی و پتروشیمی، محصولات جنگلی و صنایع عملیات حرارتی، استفاده شده است. در واقع نواحی دیگری برای افزایش صرفه جویی در انرژی نیز وجود دارد که در واقع استفاده از کاتالیست ها و سایر واکنش ها، می باشد.
تکنولوژی کنونی
به منظور آنالیز کارایی بویلرها، یک واحد استاندارد با استفاده از یک سیستم بویلر منفرد مورد استفاده قرار گرفته است.
اثر انرژی
اقدامات مورد استفاده در بویلرها به منظور کاهش مصرف انرژی از نقطه نظر مواد دیرگداز، منجر به افزایش منفعت و بهبود بازده بویلر از طریق بهبود عایق کاری جداره و یا کاهش اتلاف حرارتی در طی انتقال جریان از میان لوله های انتقال، مقدور می شود.
ابزار ارزیابی سیستم بخار DOE یک ابزار مناسب است که برای آنالیز اثرات مربوط به بازده بهبود یافته ی بویلر از 85 تا 87 % استفاده می شود. این کار از طریق استفاده از موارد زیر انجام می شود:
بهبود عایق کاری برای بهبود بازده بویلر
بهبود عایق کاری لوله ها برای بهبود سیستم انتقال بخار
اثرات افزایش بازده بویلر به میزان 2 % و کاهش اتلاف حرارتی در طی انتقال بخار به میزان 10 % در جدول 2 و 3 آورده شده است. همانگونه که در جدول 2 مشاهده می شود، یک بهبود 2 % در بازده بویلر، منجر به بهبود 2.3 % در میزان هزینه های سوخت و مصرف سوخت می شود؛ در حالی که بهبود 10 % در بازده از طریق عایق کاری لوله های انتقال بخار، منجر به بهبود 1.9 % در مصرف سوخت و هزینه های آن می شود. همانگونه که در جدول ها مشاهده می شود، یک کاهش در انتشار گازهای آلاینده در زمان بهبود بازده بویلر و عایق کاری لوله ها، مشاهده می شود. اگر این صرفه جویی ها در سوخت سپس به صنایعی همچون صنعت پالایش نفت، کاغذ و مقوا اعمال شود، تخمین ها نشاندهنده ی بهبود مناسبی در هر یک از این صنایع می باشد. جدول 4 نشاندهنده ی نتایج مربوط به یک چنین آنالیزی است. با توجه به DOE-EERE، بهترین اقدام گزارش شده در زمینه ی استفاده از بویلرها در صنایع شیمیایی، کاغذ و مقوا و صنایع پتروشیمی، به ترتیب، منجر به صرفه جویی 1540، 2596 و 1675 TBtu سوخت می شود. این میزان برابر کل بخار مورد نیاز برای هر صنعت می باشد (جدول 4). همانگونه که می توان مشاهده کرد، بر اساس یک پایه ی 40 % (یعنی 40 % از کل کارخانه های موجود، از دیرگداز برای بهبود بویلرهایشان استفاده کنند، میزان صرفه جویی در سوخت به ترتیب برای صنایع شیمیایی، کاغذ و مقوا و صنعت پالایش نفت، برابر 26، 44 و 28 TBtu است. این نتایج در کل، موجب صرفه جویی 98 TBtu در این سه صنعت می شود.

بیشتر بخوانید: دیرگدازها (1)

موانع مربوط به مواد دیرگداز و عایق در بویلرها و رآکتورها
نتایج محوری مربوط به این آنالیز این است که کاهش در میزان مصرف سوخت و بهبود بازده بویلرها می تواند از طریق انجام عایق کاری، مقدور شود. همانگونه که نشان داده شده است، اثر افزایش بازده بویلر به میزان 2 % و کاهش اتلاف های حرارتی در طی انتقال بخار به میزان 10 %، منجر به صرفه جویی کلی 98 TBtu در صنایع مورد بررسی، می شود. آدرس دهی موانع مربوط به کارایی دیرگدازها و مواد عایق کاری مورد استفاده در بویلرها و رآکتورها، موجب کاهش در الزامات انرژی می شود:
عدم دسترسی مربوط به دیرگدازهای عایق کاری با رسانایی گرمایی پایین که منجر به افزایش در میزان بازده انرژی برای عملیات های بویلری می شود.
عدم دسترسی به مواد عایق کاری بهبود یافته برای لوله های انتقال که موجب می شود تا اتلاف حرارتی در طی عملیات های انتقال بخار، کاهش یابد.

بخش های گازگیری

بخش های گازگیری در صنعت شیمیایی و پتروشیمی به منظور گازگیری زغال سنگ و بیوتوده ها، و در صنعت تولید محصولات جنگلی برای تولید محصولات مختلف، استفاده می شود. این تکنولوژی دارای پتانسیل خوبی برای تبدیل سوخت های جامد بیوتوده به گازهای سوختی مناسبی را دارد که عمدتاً از هیدروژن و کربن مونوکسید تشیکل شده اند. این گاز می تواند سپس سوخته شود و موجب تولید الکتریسیته و یا سنتز سوخت های تمیز و یا مواد شیمیایی شود.
گازگیری هم اکنون در صنعت شیمیایی به عنوان یک روش برای تولید محصولات پتروشیمی مختلف از زغال سنگ، مورد استفاده قرار می گیرد. بخش های گازگیری تجربی در کارخانه های مواد شیمیایی و کاغذ و مقوا استفاده می شوند تا بدین صورت بتوانند بر روی زغال سنگ و سایر مواد عملیات انجام دهند. البته گازگیری به عنوان یک روش برای تولید بیوگاز نیز استفاده می شود. در آینده، محصولات جنگلی ممکن است از این گازگیرها برای جایگزینی با بویلرهای Tomlinson استفاده کنند.
یک محدودیت استفاده از این گازگیرهای صنعتی، فقدان دیرگداز مناسب برای برخی از بخش های آن، می باشد. اگر الزامات مربوط به دیرگدازها برطرف شود، گازگیری از زغال سنگ، تفاله ی سیاه کاغذسازی و بیوتوده موجب کاهش قابل توجه در انرژی خریداری شده می شود. بخش های گازگیری باعث تولید بیش از 175 % برق الکتریکی نسبت به تکنولوژی کنونی می شود اما تکنولوژی گازی سازی هم اکنون نیازمند عایق های دیرگداز مناسب برای محفظه می باشد. علاوه بر این، اگر چه تأسیسات تولید کاغذ و پالپ و یا مواد شیمیایی از سیستم هایی برای تولیدی بیوگاز استفاده نمی کنند، در آینده استفاده از تکنولوژی های گازگیری در این بخش ها، می تواند ارزشمند باشد. تصفیه کن های مورد استفاده نیز ممکن است موجب تولید انواع سوخت های تجدید پذیر، الکتریسیته و انواع مواد شیمیایی دیگر از این ضایعات شوند.

تکنولوژی کنونی

یک بخش گارگیری زغال سنگ شامل یک محفظه ی فلزی است که بوسیله ی آستر عایق محافظت می شوند. این لایه ی عایق شامل دو تا شش لایه ی محوری است که بواسطه ی استفاده از مواد دیرگداز، از بخش داخلی محفظه، محافظت می کنند. این انتظار وجود دارد که بخش های گازگیری زغال سنگ در دماهای بالا و فشارهای متوسط کار کنند و از این رو، جریانی از گازها حاوی گاز هیدروژن، مونوکسید کربن، کربن، دی هیدروژن سولفید، هیدروکلریک اسید، هیدروکربن ها و ناخالصی های فلزی و نمک های دیگر، از این بخش ها خارج می شوند. عایق کاری مورد استفاده در این بخش ها، دارای عمر مفید متوسط 7000 ساعت کاری می باشد و عموماً به خاطر سایش مکانیکی قابل توجه، نفوذ مواد شیمیایی و عوامل دیگر، می شکنند. سایش ایروژنی به عنوان یک عامل خورنده در سطح این مواد موحب نفوذ عوامل خورنده می وشد و بنابراین، بواسطه ی تشکیل فازهای محلول جامد در سطح، این دیرگدازها سریعاً ضعیف و شکننده می شوند.
میزان متوسط مربوط به پالپ و یا کاغذ آسیاب شده، در حدود 6 میلیون پوند در روز، نیازمند 1.5 Btu/ h انرژی و یا 438 MW سوخت می باشد. آسیاب پالپ بیش از 6 میلیون پوند پیش ماده ی کاغذ را در طی روز فراوری می کند. البته این میزان یک سوم از ظرفیت تولید روزانه ی آمریکاست و این کسر در طی زمان نیز افزایش خواهد داشت. یک بخش گازگیریی با اندازه ی استاندارد برای این آسیاب، در نظر گرفته شد.

اثر انرژی

برای آنالیز زیر، ما یک بخش گازگیری با سیکل ترکیبی انتخاب کردیم مشابه چیزی که در بخش های گازگیری زغال سنگ مورد استفاده قرار می گیرد. بخش های گازگیری دارای پتانسیل تولید دو برابری در خروجی جریان الکتریسیته در تن می باشد. در بسیاری از موارد، انرژی برق را می توان در این بخش های تولید و انتقال داد. علاوه بر این، اگر بتوان گاز خروجی از این بخش ها را به سوخت بهینه ای تبدیل کرد، مزیت های اقتصادی و انرژی قابل توجهی ایجاد می گردد. فرایندهای تبدیل مورد استفاده برای این گازها، در واقع می تواند شامل تبدیل این گازها به گازهای مورد استفاده در پیل های سوختی و یا سوخت های مایع، می باشد.
با توجه به تجزیه و تحلیل اقتصادی و انرژی که بوسیله ی Larson و همکارانش انجام شده است، اجرای کامل طرح گازگیرها می تواند منجر به منفعت های انرژی زیر در سال 2020 شود:
تولید بیشتر از 8 Gw الکتریسیته از مواد اولیه ی تجدیدپذیر در سال 2020 از طریق گازگیری از شیرابه ی تولید کاغذ
تولید 16 GW و یا بیشتر انرژی الکتریکی برای استفاده از بخش های گاززدایی در شیرابه ی تولید کاغذ و ضایعات باقیمانده ی چوب در سال 2020.
به عنوان یک روش دیگر، جایگزینی بیش از 282 میلیون بشکه نفت در سال اگر این تکنولوژی ها به صورت مناسب برای تولید سوخت مایع استفاده شوند.
کل این منابع انرژی بیوگازی که در آسیاب های پالپ کاغذ و در سال 2002 مصرف می شوند، در حدود 1.6 کوارد (هر کوارد برابر 〖10〗^15 Btu) می باشد. پتانسیل تولید انرژی تجدیدپذیر از مواد مورد استفاده در تولید کاغذ در بخش های جنوب شرق ایالات متحده ی آمریکا، در جدول 5 آورده شده است. دیرگدازها و مواد عایق کاری نقش مهمی در بسیاری از واحدهای عملیاتی ایفا می کنند. این تخمین زده شده است که فرایندهایی که تحت تأثیر دیرگدازهاست، تقریباً 40 % از مصرف انرژی مستقیم صنایع را در بر می گیرد. براساس تجزیه و تحلیل انجام شده بر روی کوره ها و واحدهای تولیدی، این فهمیده شده است که بهبود در سیستم های دیرگداز برای این دو صنعت منجر به صرفه جویی تا 129 TBtu در سال می شود.
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