آشنایی با کاربری انواع مشعل ها در صنایع تولید فلزات،مواد معدنی،زباله سوز ها،بویلر های صنعتی و نیروگاهی و خشک کن ها
کاربردهای احتراق صنعتي:
مشعل ها کليدي ترين تجهيز در کاربردهاي مختلف احتراق صنعتي ميباشند و طراحي و انتخاب مشعل مناسب بسيار مرتبط و وابسته به درک عميق از فرآيند در دست انجام ميباشد .در اين مقاله سعي شده تا بيشتر در خصوص مشعلهاي معمول و مشترک در مصارف صنعتي بحث و بررسي انجام گردد و درخصوص فعاليتهاي خاص صنعتي نيز در بخشهاي مرتبط بصورت دقيق تر بحث خواهيم نمود. لازم بذکر است با توجه به تعدد بالاي مصارف خاص صنعتي، امکان بررسي کليه مصارف خاص در این مقاله حاضر ميسر نخواهد بود .
کاربرد مشعل در توليد فلزات:
امروزه فلزات در اکثر صور زندگي وارد شده و نقش بسيار مهمي را ايفا مينمايند و قدمت استفاده از فلزات به هزاران سال قبل، باز ميگردد. ميتوان فلزات را با يک ديدگاه رايج به دوسته تقسيم نمود : فلزات آهني ( ياتاقانهاي آهني ) و فلزات غير آهني( آلومينيوم – مس – سرب ).توليد فلزات آهني اغلب بدليل بالا بودن دماي ذوب، در مقايسه با فلزات غير آهني نيازمند دماهاي بالاتر ميباشد. پروسه توليد در اکثر صنايع توليد فولاد بصورت مرحله اي (بچ به بچ) ميباشند و اين درحالي است که در اکثر خطوط توليد صنعتي، پروسه توليد بصورت ممتد ميباشد .يکي ديگر از ويژگيهاي خاص صنايع فولاد، استفاده بسيار بالا از ضايعات فلزي در اين صنعت ميباشد و اين مسئله منجر گرديده تا توليد مرحله اي (بچ به بچ ) فولاد در راستاي جلوگيري از ورود آلاينده ها به پروسه توليد ( که بعضا بدليل استفاده از ضايعات احتمال وقوع آن بالا بوده و درصورتيکه بموقع از مذاب جدا نگردد ميتواند کيفيت محصول نهايي را تحت تاثير خود قرار دهد )توليد مرحله اي (بچ به بچ ) فولاد بيش از پيش مد نظر قرار گيرد. فلزات غالبا در داخل مخازن خاص ذوب ميشوند و براساس نمونه گيريهاي مداوم در راستاي رسيدن به مشخصات محصول نهايي، ممکن است ترکيبات شيميايي مختلفي به آن اضافه و يا کم گردد. يکي ديگر از ويژگيهاي خاص صنايع فولاد اين است که مخازن پيش از شارژ مواد مذاب جهت جلوگيري از وارد شدن شوک حرارتي به ظروف نسوز، پيشگرم ميشوند .در شکل 4-1 نمايي از پيشگرم نمودن پاتيلهاي متحرک قابل مشاهده ميباشد . بدليل بالا بودن دماي ذوب فلزات، غالبا جهت کوره هاي ذوب نياز به تامين مشعلهاي با توان و قدرت حرارتي بالا ميباشد. لذا سعي ميگردد تا با بکار گيري اکسيژن غني در پروسه احتراق و پيشگرم نمودن هواي احتراق، اين امر محقق گردد . افزايش قدرت و توان مشعلها ميتواند منجر به افزايش انتشار آلاينده ها گردد، لذا حتما ميبايست طراحي مشعلهاي داراي انتشار آلايندگي پائين، مد نظر قرار گيرد. يکي ديگر از شرايط خاص توليد فولاد، نياز به لحاظ نمودن حرارت اضافي جهت پيشگرم نمودن فولاد در پروسه هاي بعدي ميباشد .
شکل 4-1 پيشگرم کننده پاتيل
براي مثال ممکن است شمشهاي فولاد در يک محل معين توليد شده و سپس جهت توليد نهايي و رسيدن به شکل مطلوب به محل ديگري منتقل گردد ( براي مثال چرخ هاي توليدي عمدتا از ذوب مجدد شمشهاي آلومينيوم توليد ميگردد). اين پروسه زماني داراي بازده اقتصادي مناسب خواهد بود که در کليه مراحل پروسه شاهد اتلاف انرژي چه بصورت دماهاي بالاي غير ضروري و چه بصورت انتشار آلاينده ها نباشيم. مشعلهايي که در مراحل اصلي ذوب فلزات به کار گرفته ميشوند، ميبايست به خوبي مشعلهاي مورد استفاده در پروسه هاي پيش گرمايش ميباشند .در واقع اين مسئله اي است که در سالهاي اخير مورد توجه خاص قرار گرفته است و بيانگر اين موضوع است که توجه ويژه به چرخه عمر محصول،بسيار پر اهميت تر از لحاظ نمودن انرژي مصرفي و هزينه هاي مرتبط جهت توليد محصول ميباشد .براي مثال آلومينيوم بدليل نسبت بازگشت بالا، داراي هزينه چرخه عمر محصول کمتري در مقايسه با ساير فلزات ميباشد. در واقع در شرايطي که جهت توليد آلومينيوم از سنگ معدن خام انرژي بالايي مورد نياز ميباشد، به راحتي ميتوان فقط با صرف بخشي از آن و از طريق ذوب کردن قراضه هاي آلومينيوم، و انتشار آلاينده هاي کمتر، به توليد مد نظر، دست يافت. مشعلهاي مورد استفاده در بخش صنايع فولاد عموما شامل مشعلهاي High – velocity Burners ، مشعلهاي Regenerative Burners ، مشعلهاي Radiant Tube Burners ، مشعلهاي Air-Oxy/Fuel Burners و مشعلهاي Oxy/Fuel Burners ميباشند.
کاربرد مشعل در توليد مواد معدني:
کارخانه هاي توليدي شيشه، آجر ، سيمان، مواد نسوز و سراميک را ميتوان به عنوان پروسه هاي اصلي صنايع معدني در نظر گرفت. در اين صنايع با توجه به دماي ذوب بالا، حرارت بالايي مورد نياز ميباشد که بالطبع مصرف انرژي بازاء سرانه توليد بالا رفته و در نتيجه انتشار بالاي آلاينده ها را در پي خواهد داشت .در اکثر صنايع معدني، توليد بصورت پيوسته ميباشد، ولي بازهم شاهد طرح هاي متنوعي از محفظه هاي احتراق در آنها ميباشيم .بطور نمونه کوره هاي بزرگ توليد شيشه بشکل مستطيل بوده و داراي مشعلهاي متعدد ميباشند.در بخشي ديگر کوره هاي سيمان را ميتوان ديد که بشکل استوانه اي بلند و گردان ميباشد و بدليل شيبدار بودن همواره مواد در آن بصورت تدريجي به سمت پائين دست کوره در حال جريان ميباشند( شکل 5-1). همچنين نمايي از يک کارخانه سيمان در شکل 6-1 قابل مشاهده ميباشد .
شکل 5-1 شماتيکي از کوره گردان سيمان با جريان معکوس
شکل 6-1 نمايي از يک کارخانه سيمان
دربسياري از صنايع معدني تلاش ميشود تا با بکارگيري تجهيزات بازيافت حرارتي ( عموما بشکل پيش گرمايش هواي احتراق ) بازده سيکل حرارتي افزايش داده شود، هرچند NOX منتشر شده از طريق محصولات احتراق نيز بشکل معني داري افزايش پيدا خواهد نمود.اگرچه بازيافت شيشه هاي مصرف شده در برخي از صنايع انجام ميشود، ليکن در صنايع معدني الزاما ميبايست بازيافت کمتري نسبت به صنايع فلزي انجام گردد . برخي از مشعلهايي که در صنايع معدني به کار ميروند عبارتند از : مشعلهاي Regenerative Burners ، مشعلهاي Air-Oxy/Fuel Burners و مشعلهاي Oxy/Fuel Burners .
کاربرد احتراق در توليد مواد شيميايي:
گستره بسيار وسيعي از کارخانجات و صنايع با پروسه هاي توليد متنوع و محصولات گوناگون زيرمجموعه بخش صنايع شيميايي ( آلي و معدني ) و صنايع پتروشيمي ميباشند. در شکل 7-1 نمايي از يک پالايشگاه قابل مشاهده ميباشد .
شکل 7-1 نمايي از پالايشگاه
در اين بخش همپوشاني و اشتراکات زيادي بين تجهيزات،در طول يک فرآيند حرارتي وجود دارد . براي مثال در بسياري از موارد، مواد بصورت مايع (نفت خام ) وارد بويلرها(که متشکل از تعداد زيادي لوله ميباشند) شده و پروسه مذکور را طي مينمايند .در اين بخش کمترين دما 1300 درجه سانتي گراد ميباشد که بعضا سعي ميگردد در راستاي بازيافت حرارت، بخشي از آن نيز براي پيشگرم نمودن سيال ورودي به بويلر استفاده شود .تقريبا در کليه فعاليتهاي حرارتي شيميايي از چندين مشعل استفاده ميشود، ليکن شکل و نحوه استفاده از آنها نسبت به ساير صنايع متفاوت است .مشعلها بسته به نوع کاربردهاي خاص و متفاوتي که در اين صنعت دارند ميتوانند بشکل افقي، عمودي رو به بالا، عمودي رو به پائين و يا حتي تحت زواياي خاص نصب گردند و به همين دليل شکلهاي بيشمار و متعددي از بويلرها در اين صنعت موجود ميباشد.( شکل 8-1)
شکل 8-1 شماتيکي از يک بويلر مورد استفاده در پالايشگاه
برخي از ويژگيهاي صنايع شيميايي آنها را از ساير صنايع متمايز و منحصر بفرد ميسازد. اولين و مهمترين ويژگي، استفاده از گستره وسيعي از سوختها در بويلرها ميباشد .اين سوختها، اغلب سوختهاي گازي شکل هستند که ماحصل فرآيندهاي شيميايي، در همان محل ميباشند .اين سوختها بعضا داراي مقادير قابل توجهي از هيدروژن، متان و پروپان و مقادير قابل توجهي از گازهاي ناکارآمد همچون نيتروژن و دي کسيد کربن ميباشند.لذا بويلرهاي موجود در اين صنعت ميبايست قابليت کارکرد با سوختهاي مختلف که تحت شرايط متفاوت پروسه، ترکيبات خود را تغيير ميدهند، داشته باشند . دومين ويژگي منحصر بفرد صنايع شيميايي کاربرد زياد مشعلهاي اتمسفريک در اين صنعت ميباشد،که بدون استفاده از الکتروفن، هواي مورد نياز احتراق مشعل در آن تامين ميگردد .طراحي مشعلهاي اتمسفريک نسبت به مشعلهاي داراي الکتروفن ( مشعلهاي نيرو ) بسيار متفاوت بوده و اين مشعلها نسبت به تغييرات شرايط کارکرد استاندارد، منجمله دما و طوبت هوا و سرعت وزش باد بسيارحساس ميباشند . يکي از شکلهاي خاص مشعل که در صنايع شيميايي و پتروشيمي کاربرد دارند مشعل Radiant Wall Burner ميباشد.
استفاده از مشعل در سوزاندن زباله ها :
کاربرد زباله سوزها در صنعت عمدتا بمنظور کاهش و يا حذف آلايندها و پسماندها از طريق سوزاندن آنها در داخل محفظه هاي احتراق ميباشد . در زباله سوزها ( شکل 9-1 ) مسئوليت احتراق بعهده مشعل اصلي ميباشد وليکن خود زباله ها نيز بعنوان سوخت فرعي نقش ايفا نموده و بخشي از انرژي حرارتي را توليد مينمايند . يادآور ميگردد که ارزش حرارتي زباله ها پائين بوده و به همين دليل نياز به تزريق سوخت مجزا ميباشد .در مقايسه با ساير پروسه هاي احتراق صنعتي، زباله سوزها بدليل تغيير مواد ترکيبي زباله ها بسياز پيچيده تر بوده و پروسه‌اي کاملا متغير دارند. شکل 10-1 يک زباله سوز شهري را بصورت شماتيک نمايش ميدهد .
شکل 9-1 تصويري از يک زباله سوز شهري
شکل 10-1 شماتيکي از زباله سوز شهري مواد جامد
ممکن است زباله‌ها بدليل بارش باران بسيار مرطوب شده باشند و اين مسئله ميتواند منجر به تحميل بار اضافي به زباله سوز گردد( مصرف سوخت بيشتر ). در برخي از مناطق که زباله ها درراستاي بازيافت، تفکيک ميگردند، زباله هاي ارسالي به زباله سوز نسبت به مناطقي که در آنها تفکيک زباله ها صورت نميگيرد، داراي ارزش حرارتي بالاتري ميباشند.بغرنج‌ترين پارامتر در زباله سوزها، تعيين تکليف پسماند باقيمانده از فرآيند سوختن ميباشد که عمدتا نيز شامل مواد غير قابل احتراق هستند و به همين خاطر يکي از مهمترين نگراني هاي استفاده کنندگان از زباله سوزها، کاهش ميزان پسماندها تا حدامکان، در پايان پروسه احتراق ميباشد.
بدليل متنوع بودن زباله ها، تنوع آلاينده هاي منتشر شده در طول فرآيند احتراق در زباله سوزها، بيش از ساير پروسه هاي احتراق صنعتي است و براي مثال در زمان سوختن مواد پلاستيکي، انتشار آلاينده هاي Dioxin و Furan غير قابل اجتناب مينمايد.
زباله سوزها با توجه به تنوع بالاي پارامترهاي کاري و فرآيندي داراي گستره وسيعي از طرحها و شکلهاي مختلف ميباشند.براي مثال در برخي از موارد (زباله هاي هيدروکربني مايع) نياز است تا زباله هاي مخرب از ميان مشعل جهت ورود به فضاي احتراق عبور نمايند.برخي از مشعلهايي که در زباله سوزها مورد استفاده قرار ميگيرند عبارتند از مشعلهاي air-oxy/fuel و مشعلهاي oxy/fuel که در بخشهاي آتي مورد بررسي قرار خواهند گرفت .
مشعل ها در بويلرهاي صنعتي و نيروگاهها:
بويلرها در بخشهاي متنوع صنعتي و در گستره وسيعي از فرآيندهامورد استفاده قرار ميگيرند . از معمول ترين اين کاربردها ميتوان به توليد آب گرم و بخار در سيستمهاي گرمايش، توليد بخار براي پودر نمودن گازوئيل يا مازوت در مشعلهاي سوخت مايع و يا توليد بخار جهت توليد برق در نيروگاه هاي بزرگ اشاره نمود .دامنه‌کاربرد بويلرها نيز از بويلرهاي کوچک تک مشعله در بيمارستانها، مدارس و ساختمانهاي تجاري کوچک شروع شده و تا بويلرهاي بزرگ چند مشعله در نيروگاهها قابل توسعه ميباشد.مشعلهاي مورد استفاده در بويلرها بدليل گستردگي و شيوع مصرف داراي مشخصات معين و چهارچوب کارکردي مشخصي ميباشند.اين مشعلها غالبا در راستاي تامين احتراق ايمن، نيازمند مکانيزم‌هاي ايمني بسيار کامل و دقيقي ميباشند و در بيشتر مراکز بصورت بسيار دقيقي جهت کاهش آلاينده هاي خروجي از دودکشها ( بالاخص نيروگاهها ) تنظيم ميگردند.
انواع مشعلهايي که در بويلرها و در کابردهاي کوچک و بزرگ مورد استفاده قرار ميگريند در بخشهاي آتي بتفصيل مورد بررسي قرار خواهند گرفت .دسته خاصي از مشعلها که اغلب در نيروگاههاي بزرگ و توربينهاي گازي به کار ميروند با نام Duct burners مورد استفاده قرار ميگيرند ( شکل 11-1 )
شکل 11-1 نمايي از شکل شعله مشعل Duct Burner
همچنين در شکل 12-1 شماتيکي از محل نصب مشعل Duct Burner در پائين دست توربين نشان داده شده است.
شکل 12-1 شماتيکي از پروسه‌اي با مشعل Duct Burner
اين مشعلها بدليل استفاده از محصولات خروجي ار توربينها بعنوان هواي احتراق، مشعلهايي ويژه و خاص ميباشند. گازهاي خروجي از اگزاست توربينها( Gas Turbine Exhaust ) داراي دماي بالايي بوده و شامل مقدار قابل توجهي دي اکسيد کربن و آب ميباشند که ماحصل پروسه احتراق ميباشند. گازهاي خروجي از اگزاست توربينها (TEG) غالبا داراي مقدار ناچيزي اکسيژن ميباشد و تنها مشعلهاي duct burners قادر به کار تحت چنين شرايطي ميباشند.مشخصات و نحوه عملکرد اين مشعلها در فصول آتي به تفصيل مورد بررسي قرار خواهد گرفت .
کاربری مشعل در خشک کن ها:
در بسياري از پروسه هاي توليدي و بمنظور کاهش ميزان رطوبت ( خشک نمودن) در محصولات، از مشعلهاي بسيار متنوعي در محدوده هاي دمايي پائين استفاده ميشود. بعنوان نمونه ميتوان به کارخانه هاي توليد کاغذ، انتشارات، نساجي ها و صنايع غذايي اشاره نمود. فرآيند خشک کردن را ميتوان اينگونه تعريف نمود : (( فرآيندي که طي آن مواد مرطوب گرم شده و يا در تماس با جريان گازهاي گرم قرار ميگيرند و بدين ترتيب بخشي و يا تمام رطوبت موجود در آنها تبخير ميگردد . )) پروسه توليد کاغذ از مواد بسيار مرطوب را ميتوان بعنوان نمونه‌اي از فرآيند خشک کردن ذکر نمود که فرآيند آن نيز بصورت مختصر در شکل زير قابل رويت ميباشد .
شکل 13-1 نمايي از يک کارخانه کاغذ(بخار آب خروجي از دودکشها قابل توجه ميباشد )
در بسياري از پروسه هاي خشک کردن، منسوجات با سرعت بالا درحال عبور بوده و ميبايست رطوبت آن گرفته شود. در برخي موارد سعي ميگردد تا علاوه بر استفاده از سيلندرهاي گردان داغ ( که با استفاده از جريان داخلي بخار دماي آنها افزايش پيدا نموده است) و جريانهاي هواي گرم با سرعت بالا، از هيترهاي تشعشعي اضافي نيز استفاده شود .
مشعلهاي تشعشعي که در بسياري از تجهيزات مشابه مورد استفاده قرار گرفته است در بخش های بعدی به تفصيل مورد بررسي قرار خواهد گرفت .
ترجمه – گردآوری و تدوین : مهندس حسن خلخالی (کپی برداری از مطالب فوق در صورت ذکر منبع بلامانع است )
بدون دیدگاه