مقاله علمی پژوهشیطراحی و ارزیابی فنی-اقتصادی تولید انرژی برق از طریق باز یافت حرارت گازهای خروجی دود کش واحد احیای مستقیم در کارخانجات تولید فولاد ( آهن اسفنجی )

سلیمان تقی زاده

مدیر ارشد مجتمع پارس فولاد سبزوار

از آن جایی که صنعت فولاد ایران با چالشهای جدی در زمینه تأمین انرژی و نوسانات قیمت برق مواجه است. این پژوهش به طراحی و محاسبات دقیق سیستم باز یافت حرارت از گازهای خروجی دود کش واحد احیای مستقیم (DRI) با ظرفیت تولید ۸۰۰,۰۰۰ تن در سال میپردازد. با استفاده از داده‌های عملیاتی شامل دبی گاز خروجی دودکش ۴۴۱,۴۱۷ تا ۴۴۷,۳۱۰ نرمال متر مکعب بر ساعت و دمای خروجی گازهای مذکور،  ۲۰۰ تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد، پتانسیل تولید برق از طریق چرخه رانکین آلی (ORC) بررسی شد. نتایج نشان میدهد که این سیستم قادر به تولید میانگین ۱.۵ تا ۲.۴ مگاوات انرژی برق خالص است که میتواند بخش قابل توجهی از نیازهای داخلی کارخانه را تأمین کرده و با کاهش مصرف برق شبکه سراسری، نقش مهمی در پایداری انرژی ایفا کند.

کلیدواژه‌ها: بازیافت حرارت، احیای مستقیم فولاد، چرخه رانکین آلی (Organic Rankine Cycle : ORC)، بهینه‌سازی انرژی، صنعت فولاد ایران ، واحد احیای مستقیم (DRI)

۱. مقدمه

صنعت فولاد به عنوان یکی از ستونهای اصلی اقتصاد ایران، مصرف کننده عمده‌ای از انرژی ‌های فسیلی و برق است. با توجه به کمبود شدید برق در فصلهای گرم سال و افزایش تعرفه‌ های انرژی، باز یافت انرژی های هدر رفته     (Waste Heat Recovery)   ، نه تنها یک انتخاب زیست محیطی، بلکه یک ضرورت اقتصادی برای بقای صنایع فولادی است.

فرآیند احیای مستقیم (Direct Reduction Iron – DRI) یکی از زنجیره های  کلیدی در تولید فولاد است که در آن سنگ آهن گندله شده  بدون ذوب شدن، به آهن اسفنجی تبدیل میشود. گازهای خروجی از برج های احیا، حاوی انرژی حرارتی قابل توجهی هستند که معمولاً از طریق دودکش به اتمسفر دفع میشوند.

هدف این مقاله، محاسبات این انرژی هدر رفته به انرژی الکتریسیته با استفاده از داده‌های واقعی یک کارخانه فولاد با ظرفیت ۸۰۰ هزار تن در سال در استان خراسان رضوی (مجتمع  پارس فولاد سبزوار ) می باشد.

۲. مشخصات فنی و فرضیات طراحی

برای انجام محاسبات ترمودینامیکی دقیق، پارامترهای ورودی بر اساس داده‌های عملیاتی کارخانه تعریف شده‌اند:

۲-۱. مشخصات گازهای خروجی

ظرفیت : ۸۰۰,۰۰۰ تن در سال بروش احیای مستقیم DRI

ساعت کارکرد سالانه : ۸,۰۰۰  ساعت (با در نظر گرفتن توقفات تعمیراتی).

دبی حجمی گاز (حالت عادی)  : ۴۴۱,۴۱۷ Nm³/h

دبی حجمی گاز (حالت ماکزیمم) : ۴۴۷,۳۱۰  Nm³/h.

دمای گاز وردی به مبدل / دمای گاز خروجی از دود کش : (Tin ​) ۲۰۰  درجه سانتیگراد (حالت عادی) تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد (حالت ماکزیمم).

فشار گاز : ۰.۰۰۱۰  بار گیج

ترکیب گاز: مخلوطی از N₂، CO₂، CO، H₂ و بخار آب.

۲-۲. فرضیات طراحی سیستم بازیافت

دمای خروجی از مبدل حرارتی   :  (Tout​) ۱۳۰  درجه سانتیگراد (برای جلوگیری از خوردگی اسیدی ناشی از نقطه شبنم).

ظرفیت گرمایی ویژه گاز  : Cp ۱.۱۵  کیلو ژول بر کیلوگرم کلوین  kJ/kg.K

چگالی گاز در شرایط استاندارد: ۱.۲۹ کیلوگرم بر مترمکعب.

بازده مبدل حرارتی:  (ηheat​)  ۸۵٪

بازده چرخه تولید برق  :  (ηcycle​)  ۱۳٪( برای چرخه ORC در دماهای پایین).

۳. محاسبات ترمودینامیکی

۳-۱. محاسبه دبی جرمی گاز (m˙)

برای محاسبات ، دبی حجمی به دبی جرمی تبدیل می‌شود. از آنجا که فشار گاز نزدیک به اتمسفر است، از چگالی استاندارد استفاده می‌کنیم.

الف) دبی جرمی در حالت عادی:

m˙normal=(۴۴۱,۴۱۷ Nm3/h×۱.۲۹ kg/Nm) / 33600 s/h≈۱۵۸.۲ kg/s

ب) دبی جرمی در حالت ماکزیمم:

m˙max=(۴۴۷,۳۱۰ Nm3/h×۱.۲۹ kg/Nm) / 33600 s/h≈۱۶۰.۳ kg/s

برای طراحی ایمن و پوشش پیک بار، از دبی جرمی ماکزیمم (m˙=۱۶۰.۳ kg/s) استفاده می‌کنیم.

۳-۲. محاسبه توان حرارتی قابل بازیافت   (Q available​)

توان حرارتی آزاد شده از گازهای داغ با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود. در این فرمول، اختلاف دما (ΔT) باید بر حسب کلوین (K) باشد.

توجه: از آنجا که اندازه اختلاف دما در یک درجه سانتی‌گراد با یک کلوین برابر است، اختلاف دما در هر دو مقیاس یکسان است ΔTK=ΔT∘C ​). )

Q=m˙×Cp×ΔT

که در آن:

ΔT=Tin−Tout

الف) سناریوی حالت عادی (دمای ورودی ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد) :

دمای ورودی Tin​=۲۰۰∘C :

دمای خروجی Tout=۱۳۰∘C :

اختلاف دما ΔT=200−۱۳۰=۷۰ K  :

Qnormal=۱۵۸.۲ kg/s×۱.۱۵ kJ/kg.K×۷۰ K

Qnormal≈۱۲,۷۳۴ kW(حدود ۱۲.۷۳ مگاوات حرارتی)

ب) سناریوی حالت ماکزیمم (دمای ورودی ۲۵۰ درجه سانتیگراد) :

دمای ورودی: Tin=۲۵۰∘C

دمای خروجی: Tout=۱۳۰∘C

اختلاف دما: ΔT=250−۱۳۰=۱۲۰ K

Qmax=۱۶۰.۳ kg/s×۱.۱۵ kJ/kg.K×۱۲۰ K

) Qmax​≈۲۲,۱۲۱ kWحدود ۲۲.۱۲ مگاوات حرارتی(

۳-۳. محاسبه توان الکتریکی تولیدی (Pelec​)

با توجه به دمای متوسط گازها (زیر ۲۵۰ درجه)، استفاده از توربین بخار سنتی بازدهی پایینی دارد. بنابراین، چرخه رانکین آلی (ORC) پیشنهاد می‌شود. توان الکتریکی خالص با در نظر گرفتن بازده مبدل و بازده چرخه محاسبه می‌شود:

Pelec=Q×ηheat×ηcycle

الف) تولید برق در حالت عادی:

Pnormal=۱۲,۷۳۴ kW×۰.۸۵×۰.۱۳

Pnormal≈۱,۴۰۷ kW(≈۱.۴۱ MW)

ب) تولید برق در حالت ماکزیمم:

Pmax=۲۲,۱۲۱ kW×۰.۸۵×۰.۱۳

Pmax≈۲,۴۴۳ kW(≈۲.۴۴ MW)

۴. جدول خلاصه نتایج محاسبات

 

پارامتر حالت عادی (۲۰۰ درجه سانتی‌گراد) حالت ماکزیمم (۲۵۰ درجه سانتی‌گراد)

دبی حجمی گاز ۴۴۱,۴۱۷ Nm³/h ۴۴۷,۳۱۰ Nm³/h

دبی جرمی گاز ۱۵۸.۲ kg/s ۱۶۰.۳ kg/s

اختلاف دما (ΔT) ۷۰ K ۱۲۰ K

توان حرارتی ورودی ۱۲.۷۳ MW ۲۲.۱۲ MW

توان حرارتی مفید (پس از مبدل) ۱۰.۸۲ MW ۱۸.۸۰ MW

توان الکتریکی تولیدی (تخمینی) ۱.۴۱ MW ۲.۴۴ MW

تولید سالانه برق (۸۰۰۰ ساعت) ۱۱,۲۸۰,۰۰۰ kWh ۱۹,۵۲۰,۰۰۰ kWh

۵. تحلیل اقتصادی و اهمیت ساخت و اجرای پروژه

۵-۱. صرفه ‌جویی در هزینه ‌های انرژی

با توجه به قیمت بالای برق در صنایع فولاد در ایران (فرضاً میانگین ۱۰,۰۰۰ تومان به ازای هر کیلووات‌ساعت) میتوان صرفه جویی ایجاد شده از این فرصت تولید برق را به شرح ذیل عنوان کرد.

تولید سالانه میانگین:

فرض می‌کنیم کارخانه ۵۰٪ زمان در حالت عادی و ۵۰٪ در حالت ماکزیمم یا بالاتر کار می‌کند. میانگین تولید سالانه حدود ۱۵ میلیون کیلووات‌ساعت برآورد می‌شود.

صرفه‌جویی سالانه:

۱۵,۰۰۰,۰۰۰ kWh×۱۰,۰۰۰ Toman/kWh=150,000,000,000 Toman

یعنی حدود ۱۵۰ میلیارد تومان صرفه‌جویی سالانه.

این مبلغ میتواند هزینه‌های  سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX) برای نصب سیستم ORC و مبدل‌های حرارتی را در کمتر از ۳ تا ۴ سال جبران کند.

۵-۲. نقش در پایداری شبکه برق ایران

ایران با چالش کمبود برق در تابستان ها مواجه است.

تولید ۱.۵ تا ۲.۴ مگاوات برق در محل (On-site Generation) توسط کارخانه تولید آهن اسفنجی می تواند باعث بهبود شرایط ذیل گردد:

کاهش بار شبکه:  فشارمصرف برق را از روی شبکه سراسری در ساعات اوج مصرف برمیدارد.

امنیت تولید : کارخانه در زمانهای خاموشی های برنامه‌ریزی شده یا کاهش اضطراری مصرف برق که از طرف وزارت نیرو تحمیل می گردد، می‌تواند با برق تولیدی خود تا حدودی جبران کمبود برق تحویلی توانیر را جبران نماید و به تولید ادامه دهد.

کاهش ردپای کربن : استفاده از انرژی باز یافتی به جای سوخت فسیلی جدید، به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند.

۶. نتیجه‌گیری

بررسیهای فنی و محاسباتی بر اساس داده‌های واقعی کارخانه پارس فولاد سبزوار با ظرفیت تولید ۸۰۰ هزار تن آهن اسفنجی در سال  نشان می‌دهد که بازیافت حرارت از گازهای خروجی دودکش واحد احیای مستقیم، با دبی تقریبی گازهای خروجی به مقدار ۴۴۱,۴۱۷ تا ۴۴۷,۳۱۰  نرمال متر مکعب و دمای ۲۰۰ تا ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد، پتانسیل تولید ۱.۴ تا ۲.۴ مگاوات برق خالص را دارد.

استفاده از چرخه رانکین آلی (ORC) به دلیل دمای متوسط گازها، بهترین گزینه فنی است. این طرح نه تنها از نظر اقتصادی با بازگشت سرمایه سریع توجیه‌پذیر است، بلکه از نظر استراتژیک به کاهش وابستگی به شبکه برق سراسری و کمک به مدیریت بحران انرژی در ایران کمک شایانی می‌کند.