فرصت ها و چالش های بازیافت حرارت از سرباره مذاب صنعت فولاد و آهن؛ با معرفی تکنولوژی های نوین فرآوری سرباره- فرزاد خسرویان همامی؛ حمید رضا عظیمی؛ سید مجید آیت – مرکز مهندسی عطران

0

سرباره مذاب تولید شده در صنایع تولید فولاد با دارا بودن دمای بین 1450 تا 1550 درجه سانتی گراد، منبع بالقوه و مهمی برای بازیابی انرژی محسوب می شود. روش مرسوم بازیابی حرارت از سرباره در حال حاضر خنک کاری با آب است که در آن، آب سرد برای خنک سازی سرباره مورد استفاده قرار می گیرد. این روش معایبی دارد که از آن میان می توان به مصرف زیاد آب و عدم توانایی بازیابی حرارت از سرباره مذاب اشاره نمود.

به منظور جلوگیری از اتلاف انرژی و کاهش مصرف آب، روش های جدیدی ابداع گردیده و به منصه ظهور رسیده است. یکی از مهم ترین این روشها، روش فیزیکی است که توسط محققین بسیاری مورد بررسی قرار گرفته اند. در مقاله حاضر، فن آوری های فیزیکی نوین بازیابی حرارت از سرباره مذاب و فرصت های و چالش های مربوطه معرفی شده و مزایا و معایب هر کدام مورد بررسی قرار گرفته است.

کلمات کلیدی: بازیابی حرارت سرباره مذاب صنایع فولاد و آهن فرآوری سرباره

مقدمه

صنعت آهن و فولاد، صنعت مادر و به نوعی یکی از پایه های اصلی اقتصاد جهانی محسوب می شود. در دهه های اخیر، پیشرفت های شگرفی در توسعه این صنعت روی داده است ]1[. ولی این صنعت از سویی یکی از پرمصرفترین صنایع در زمینه انرژی محسوب گردیده و حدود 4 تا 5 درصد کل انرژی تولیدی در دنیا صرف این صنعت می گردد. همچنین این صنعت تاثیر به سزایی بر محیط زیست داشته و به طور متوسط تولید هر تن فولاد، مسبب انتشار حدود 9/1 تن دی اکسید کربن بوده  و لذا نقش مهمی در گرمایش جهانی ایفا می نماید.

حرارت قابل بازیافت در این صنعت عموماً در 3 بخش محصول، سرباره مذاب و گازهای خروجی قابل استحصال است. سرباره مذاب که به نوعی محصول جانبی کوره های تولید فولاد محسوب می گردد با دمای بسیار بالا از کوره تخلیه شده و باعث هدر رفت حدود 10 درصد از انرژی کل مصرفی صنعت فولاد می باشد ]2[.

فرصت ها و چالش های بازیافت حرارت از سرباره مذاب صنعت فولاد و آهن؛ با معرفی تکنولوژی های نوین فرآوری سرباره- مرکز مهندسی عطران

شکل 1: تقسیم بندی درصد انرژی مصرف شده در صنایع فولاد و آهن ]2[

 

1- کاربرد سرباره

علاوه بر حرارت بسیار بالای سرباره که قابل بازیافت است، این ماده به نوعی ماده اولیه صنایع دیگر محسوب شده و در سرتاسر جهان در زمینه هایی مثل تولید سیمان پرتلند، سرامیک و شیشه، سیمان آسفالتی و بستر سازی جاده مورد استفاده قرار می گیرد. لازم بذکر است که نوع کاربری سرباره عموماً توسط شرایط و فرآیند سرد شدن تعیین می شود. بنابراین، انتخاب بهترین روش برای بازیابی حرارت از سرباره مذاب باید مستقیماً و همزمان با کیفیت سرباره تولیدی مورد ارزیابی قرار گیرد.

1-1- شرح روش بازیابی

در حال حاضر در اکثر صنایع تولید فولاد و آهن  از آب برای خنک کاری سرباره استفاده می کنند که دارای معایبی چند است که از آن میان می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1- این روش به مقدار زیادی آب نیاز دارد. بعنوان مثال در فرآیند INBA که یکی از روشهای گرانوله سازی سرباره کوره بلند به حساب می آید، به ازای تولید هر تن گرانوله حدود 1 تا 2/1 تن آب مصرف می شود]3[ که با وجود کاهش منابع آبی شیرین جهان، مسئله ای بحرانی است.

2- سرباره مذاب حاوی حجم عظیمی از حرارت محسوس است که کل این حرارت با ریختن آب به هدر می رود.

3- واکنش بین آب و سرباره موجب تولید گاز SO2، H2S و دیگر گازهای آلاینده حاوی گوگرد شده و موجبات آلودگی هوا و مشکلات بهداشتی را فراهم می نماید.

4- خشک کردن ذرات سرباره ای که توسط آب به گرانوله تبدیل شده اند مستلزم صرف انرژی دوباره است.

لذا برای صیانت از منابع آب شیرین، کاهش آلودگی هوا و کاهش مصرف انرژی، مفهوم گرانوله سازی خشک برای بازیابی حرارت از سرباره توسط محققین در سرتاسر جهان بسط داده شده است.

 2– روش های فیزیکی برای خشک کردن گرانوله و بازیابی حرارت

در کلیه تکنولوژی هایی که تا حال حاضر جهت بازیابی حرارت سرباره مورد استفاده قرار گرفته اند، مرحله خردایش سرباره همیشه یک مرحله الزامی بوده است. بر اساس مکانیسم خردایش، 3 روش فیزیکی توسعه داده شده است: روش خردایش مکانیکی، روش دمش هوا و روش گرانوله سازی سانتریفیوژی.

 2-1- روش خردایش مکانیکی

از میان روش های خردایش مکانیکی و روش درام در حال چرخش مهم ترین شیوه محسوب می شود.

2-1-1- فرآیند اصابت سرباره با ذرات جامد

این روش به نوعی خردایش جریان سرباره مایع بواسطه اصابت جت ذرات جامد محسوب می شود. این فرآیند توسط گروه سوئدی Merotec معرفی شد ]4[. در این فرآیند می توان بخار اشباع با فشار 40 بار و دمای 250 درجه سانتی گراد تولید نمود. بازیابی حرارت در این پروسه حدود 65 درصد است]5[.

2-1-2- فرآیند اختلاط مکانیکی

در این فرآیند، سرباره مذاب مقدمتاً بواسطه دسته پروانه هایی  که درون مخزن تعبیه شده اند هم زده می شود. شرکت کاوازاکی ژاپن روشی برای فن آوری بهم زنی مکانیکی توسعه داده است]6[. در فرآیند بهم زنی دیگری که توسط شرکت سومیتومو متال طراحی شده است]7 [سرباره مذاب توسط پره های چرخنده بهم زده شده، خردایش گردیده و به گرانول تبدیل می شود.

 2-1-3- فرآیند درام در حال چرخش

در این فرآیند از تکنولوژی گرانوله خشک و تاثیر مکانیکی یا نورد فیلم سرباره بواسطه درام در حال چرخش استفاده می شود. در اوایل دهه 1980 ، شرکت های ژاپنی اولین فرآیند درام چرخان را معرفی کردند ]7[.

2-1-4- وضعیت روش خردایش مکانیکی

در سال های اخیر، تحقیق و بکارگیری خردایش مکانیکی بدین علت که کیفیت ذرات سرباره سرد شده به سختی برای استفاده نهایی مناسب بوده و نرخ بازده حرارت پایین است عملاً حذف گردیده است.

2-2- روش جت هوا

2-2-1- بررسی وضعیت فنی فرآیند جت هوا

در این فرآیند، خردایش سرباره مذاب با استفاده از هوای با دما و فشار بالا انجام شده و این امر  موجب می شود که سرباره به ذرات ریز تبدیل و به سرعت سرد شود ]8 [.

2-2- 3- بررسی فرآیند جت هوا

روش جت هوا نسبت به روش های مکانیکی مناسب تر است. ولی اکثر خطوط پاشش جت هوا بخاطر پیچیدگی تجهیزات و مصرف بالای انرژی از کار افتاده اند:

 3-3-روش گرانوله سازی سانتریفیوژی

3-3-1- فرآیند اتمیزه نمودن با فنجان چرخان

وجود یک فنجان در حال چرخش سریع مهم ترین بخش در این تکنیک است. محصولات این فرآیند ذرات ریز سرباره و هوای داغ هستند. این پروسه اولین بار در کشور انگلستان و توسط آقای Pickering و همکاران بسط و توسعه داده شد]9[ .

 3-3-2- فرآیند اتمیزه کردن با دیسک چرخان

در این فرآیند سرباره روی یک دیسک چرخان اتمیزه کننده به گرانول تبدیل می شود. اختلاف بین این روش با روش فنجان در حال چرخش به ساختار گرانول ساز برمی گردد. مشابه با روش RCA، دیسک چرخان، سرباره را بر اساس نیروی گریز از مرکز به گرانول تبدیل می کند. محققین زیادی بر روی این فرآیند تحقیق انجام داده اند.]9[.

3-3-3- فرآیند اتمیزه نمودن با استوانه چرخان

در سال 2010 و بر اساس مکانیسم اتمیزه با دیسک چرخان، آقای کاشیوایا و همکاران تاثیر اندازه نازل ها بر قطر ذرات را مورد بررسی قرار دادند]11و10[.

3-3-4- وضعیت فرآیند گرانوله سازی سانتریفیوژی

در مقایسه با روش های خردایش مکانیکی و جت هوا، روش گرانوله سازی سانتریفیوژی بخاطر مصرف انرژی پایین تر و سادگی و جمع و جور بودن تجهیزات و کنترل کیفیت و اندازه ذرات سرباره روش ارجح می باشد. افزون بر این، روش گرانوله سازی سانتریفیوژی انعطاف پذیری لازم برای ادغام شدن با دیگر روش های بازیابی حرارت از سرباره را داراست. بنابراین، روش گرانوله سازی سانتریفیوژی در آینده نزدیک، نقش به سزایی در این زمینه ایفا خواهد نمود.

 4-  تحلیل و تشریح فن آوری های بازیابی حرارت از سرباره مذاب

در جدول 1 خلاصه ای از اکثر فرآیندهای گرانوله سازی و بازیابی حرارت که در بالا بدانها اشاره شد گرد آوری شده است. در این جدول نکات ذیل قابل دریافت است:

جدول1- فرآیندهای گرانوله سازی و روش های بازیابی حرارت

گروه تحقیقاتی

(کمپانی)

نوع گرانوله سازی   نوع سرباره اندازه ذرات

(mm)

مبدل حرارتی نرخ بازیابی حرارتی (%) مرجع
مروتک (سوئد) اصابت با ذرات جام سرباره کوره بلند حدود 3 بستر سیالی 65 4
سومیتومو متال (ژاپن) همزن مکانیکی سرباره کوره بلند 20 تیغه ای حدود 50 4
میتسوبیشی و NKK (ژآپن) جت هوا سرباره کوره قوس حدود 3 تیغه ای 41 5
6 کمپانی برتر فولادی ژاپن جت هوا سرباره کوره بلند بستر سیالی 48 6
Pickering (انگلستان) فنجان چرخان سرباره کوره بلند 2 بستر سیالی 59 7
Mizouchi (ژاپن) فنجان چرخان سرباره کوره بلند 4-2 8
CSIRO (استرالیا) دیسک چرخان سرباره کوره بلند 2-1 بستر آکنه 9
پوروانتو (ژاپن) دیسک چرخان سرباره کوره بلند حدود 0.8 فرآیند شیمیایی 10
کاشیوایا – ژاپن استوانه چرخان سرباره کوره بلند حدود 1 11

 

1-  اکثر روشهای بازیابی حرارت برای سرباره کوره بلند توسعه داده شده اند که بخاطر تناژ تولیدی بیشتر این سرباره نسبت به سرباره کوره قوس در مقیاس جهانی است

2-  با پیشرفت و توسعه روشهای گرانوله سازی (از روشهای اولیه مثل خردایش مکانیکی تا گرانوله سازی سانتریفیوژی) از اندازه ذرات گرانوله کاسته شده است. با کوچک شدن ذرات، بازیابی حرارت با بازده بیشتری انجام گرفته و کیفیت سرباره سرد تولید شده نیز بهبود می یابد.

3-  در سالهای ابتدایی معرفی و توسعه روش های بازیابی حرارت از سرباره، در اکثر فرآیندها از مبدل های حرارتی از نوع دیواری – تیغه ای استفاده می شد اما بازده بازیابی حرارت در حد انتظار نبود. از دهه 1990، این مبدل ها در مقیاس جهانی با مبدل های حرارتی بستر سیالی جایگزین شدند چرا که دارای نرخ بالاتر بازیابی حرارت بودند. از سوی دیگر، در فن آوری بستر سیالی ذرات باید کوچک و یکنواخت باشند که این موضوع باعث رشد تکنولوژی های گرانوله سازی شد.

4-  نرخ بازیابی حرارت از روش های مختلف بین 40 تا 65 درصد است.

خلاصه فرآیندهای گرانوله سازی و روش های بازیابی حرارتی که در بالا بدانها اشاره شد.

 نتیجه گیری

مطالعه روش های بازیابی انرژی می تواند راهگشایی برای برنامه ریزی و کاهش مصرف انرژی و انتشار دی اکسید کربن از یک سو و مصرف آب از سوی دیگر باشد. همانگونه که در بالا اشاره شد، تحقیقات در مورد خردایش مکانیکی سرباره متوقف شده و روش جت هوا در تعدادی از صنایع بصورت آزمایشی نصب شده است. بعلاوه، تحقیقات در خصوص گرانوله سازی با نیروی سانتریفیوژ کم کم مهم ترین تحقیقات را به خود اختصاص می دهد چرا که دورنمای این روش بسیار روشن است. با کلیه مطالبی که در بالا بدان ها اشاره شد می توان چنین نتیجه گیری نمود:

سرباره مذاب دارای ویسکوزیته بالا و هدایت حرارتی پایین است و این موضوع باعث سخت شدن فرآیند بازیابی حرارتی از آن می شود

تخلیه سرباره از کوره فرآیندی ناپیوسته است لذا تطبیق دادن این دو پروسه چالشی بحرانی است که کاربردهای تجاری این فن آوری ها را محدود می نماید.

بکارگیری فن آوری های بازیابی حرارت و فرآوری سرباره، نکته کلیدی در توسعه پایدار صنایع فولاد است. در حال حاضر برخی از این موانع رفع شده است و روش گرانوله سانتریفیوژی در استرالیا به صورت نیمه صنعتی درآمده است. در صورتی که نمونه آزمایشی آن نتیجه مناسب بدهد، می توان امید داشت که این تکنیک بصورت گسترده و در تمام کشورها تجاری شود.

در حال حاضر در سطح جهان و در کشور چین (که حدود نیمی از فولاد دنیا را تولید می کند) رویکرد تولید فولاد با روش احیا مستقیم بخاطر مزایایی از قبیل کاهش آلودگی هوا و مصرف انرژی؛ کم کم جایگزین روش های مرسوم قدیمی مثل کوره بلند می شود. محتوای اصلی سرباره کوره قوس عموماً اکسید منیزیم، کلسیم و سیلیسم می باشد ولی ساختار آن کمی پیچیده تر از سرباره کوره بلند بوده و ارزش این سرباره معمولاً کمتر از سرباره کوره بلند است و همین موضوع،  چالشی در فراروی تحقیقات و توسعه در این فن آوری می باشد.

تا کنون در کشور ایران هیچ گونه فرآیند بازیابی حرارتی از سرباره انجام نمی گیرد و سرباره صرفا توسط آب یا هوا خنک می شود. لذا بررسی و امکان سنجی نصب فن آوری های نوین بازیابی حرارت از سرباره در کشور با وجود تعهد ایران به کاهش گازهای گلخانه ای و نرخ روز افزون انرژی از یک سو و بحران های آبی پیش روی صنایع از سوی دیگر ، چالش مهمی برای این صنعت محسوب می شود.

منابع و مراجع

[1]<http://www.worldsteel.org/media-centre/press-releases/2012/2011-worldcrude-steel- production.html>.

[2]. Zhang Xipeng, Zhou Shouhang. The prospect of sensible heat recovery of blast furnace slag. The 7th China Iron and steel annual meeting proceedings, 2009.

[3] Guo Hao, Zhou Shouhang. Discussion about heat recovery technology of blast furnace slag. The proceeding of ironmaking technology conference and ironmaking academic annual meeting, 2010

[4]Tiberg N. Heat recovery from molten slag. A new Swedish granulation technique. In: Millhone J, Wills E, editors. Conference heat recovery from molten slag. A new Swedish granulation technique, vol. 2. Berlin (Germany) Springer Verlag; 2010. p. 1837–42.

[5] Barati M, Esfahani S, Utigard TA. Energy recovery from high temperature slags. Energy 2011;36:5440–9.

[6] Fujii et al. Apparatus for heat recovery from molten slag. United States patent, 4,350,326 [21.09.1982].

[7] Shun Li. Heat Recovery from B.F. Slag at home and abroad. Ind Heating 2009;38(5):23–5.

[8] Rodd L, Koehler T, Walker C, Voermann N. Economics of slag heat recovery from ferronickel slags. Sustainability for profit, conference of metallurgists (COM2010). Vancouver, Canada; 2010. p. 3–17.

[9] Hadi Purwanto, Tomohiro Akiyama. Mathematical modeling of molten slag granulation using a spinning disk atomizer (SDA). International conference of Scandinavian simulation society; 2005.

[10] Yoshiaki Kashiwaya, Yutaro In-Nami, Tomohiro Akiyama. Development of a rotary cylinder atomizing method of slag for the production of amorphous slag particles. ISIJ Int 2010;50(9):1245–51.

[11] Yoshiaki Kashiwaya, Yutaro In-Nami, Tomohiro Akiyama. Mechanism of the Formation of Slag Particles by the Rotary Cylinder Atomization. ISIJ Int 2010;50(9):1252–8.

 

اشتراک:

درباره نویسنده

نظرات بسته اند