کاربرد سامانه‌های ترکیبی تولید گرما و برق برای گرمایش فرآیند‌های صنعتی نوشته‌يJason Richards, P.E. : برگرد‌ان :مهند‌س محمد ميرزايي
س�امانه‌های تولی�د همزم�ان ،از تولید ترکیبی ان�رژی گرمایی و برق د‌ر نقطه مصرف و یا نزد‌یک به آن اس�تفاد‌ه می‌کنند .آیا این س�امانه‌ها می‌توانند برای نیازهای مربوط به گرمایش فرآیند نیز مفید باشند؟ سامانه‌های ترکیبی گرما و برق ،که د‌ر بیشتر موارد به نام س�امانه‌های تولید همزمان یا CHPنیز شناخته می‌شوند، س�امانه‌هایی هستند که انرژی گرمایی و برق را د‌ر نقطه مصرف یا نزد‌یک به آن ،به طور همزمان تولید می‌نمایند .این س�امانه‌ها تقریبا همیشه د‌ر محل فرآیند نصب می‌گرد‌ند و معموال مستقیما د‌ر کنار تاسیس�ات یا س�اختمان مورد نظر قرار د‌اد‌ه می‌ش�وند. بس�ته ب�ه طبیعت هر پ�روژه و ویژگی‌های یکپارچه‌س�ازی ،این سامانه ممکن است تمام یا بخشی از کل نیازمند‌ی‌های گرمایی و برقی فرآیند را تامین نماید .تعد‌اد‌ی از معمول‌ترین س�امانه‌ها که برای کاربرد‌های صنعتی CHPد‌ر نظر گرفته می‌شوند ،شامل میکرو‌توربین‌ها با س�وخت گاز طبیعی ،توربین‌ها با س�وخت گاز احتراق�ی و همچنین موتور‌های رفت و برگش�تی می‌گرد‌ند .این موارد ،س�ه ن�وع از فن‌آوری‌ه�ای موجود با کارآیی اثبات ش�د‌ه می‌باش�ند که کاربرد وسیعی د‌ر صنعت د‌ارند .اگر این سامانه‌ها به‌خوبی مهند‌س�ی شوند ،بازد‌ه کل آن‌ها می‌تواند بین 80تا 90 د‌رصد باشد.
42
SMS
0912 448 0 416
سرویس پیام کوتاه
مهکوه تهویه
تولید کنند‌ه د‌ستگاه‌های تهویه مطبوع تلفن10( :خط) 66903533
مل تک
کاربر د تخلیه مستقیم ()Direct Vent Application یک��ی از میکرو‌توربین‌های موجود ،قاد‌ر به تولی��د بیش از 90کیلووات توان الکتریک��ی به موازات برق ش��بکه و همچنین تولید همزم��ان 500تا 600هزار Btu/hان��رژی گرمای��ی مفی��د د‌ر جریان تخلی��ه‌ی خود با د‌م��ای 450د‌رجه فارنهایت ( 232د‌رجه س��انتی‌گراد) به میزان 5760 lbm/hمی‌باشد .این جریان تخلیه ،کامال پاک اس��ت (د‌ارای انتش��ار NOxکمت��ر از 0.15 lbm/MWhو انتش��ار مونو‌اکسید‌کربن کمتر از )0.5 lbm/MWhو غنی از اکسیژن می‌باشد. بد‌ی��ن ترتیب ،محصوالت د‌اغ حاصل از احت��راق از یک میکرو‌توربین را می‌توان د‌ر یک فرآیند گرمایشی صنعتی با د‌مای پایین‌تر به کار گرفت و مصرف سوخت د‌ر فرآین��د ه��د‌ف را به میزان قابل توجهی کاه��ش د‌اد‌ه و یا حتا د‌ر بعضی موارد حذف نمود. جریان تخلیه می‌تواند به‌طور مستقیم به پلنوم برگشتی سامانه گرد‌ش مج دد هوای کوره تزریق ش��ود تا به‌عنوان یک منبع گرمای��ی مکمل عمل کند .یا این که اگر سامانه CHPبا یک مشعل مناسب به کار گرفته شود ،می‌تواند به عنوان یک جایگزین عملی برای مش��عل‌های سنتی د‌ر نظر گرفته شود .د‌ر این آرایش، سامانه‌ی CHPبه عنوان منبع گرمایی اصلی عمل خواهد نمود .بایستی د‌ر مورد حفظ جریان مناس��ب هوا د‌ر ک��وره‌ای که س��امانه‌ی CHPد‌ر آن به کار گرفته ش��د‌ه اس��ت ،د‌قت کافی به عمل آید تا تعاد‌ل د‌قیق فش��ار بین نواحی د‌اخلی و خارجی کوره به هم نخورد .د‌ر سامانه‌هایی که با این روش بازیافت گرما یکپارچه گرد‌ید‌ه‌اند ،می‌توان به بازد‌ه بین 80تا 90د‌رص د د‌س��ت یافت .چنین س��امانه‌ای که د‌ر تاسیس��ات یک فرآیند صنعتی به کار گرفته ش��د‌ه است را د‌ر نظر بگیرید. (شکل )1 د‌ر این تاسیس��ات ،از د‌و میکرو‌توربین MT70برای جبران بخش��ی از برق مصرفی د‌ر ش��بکه برق محلی و همچنین تامین گرمای تکمیلی برای فرآیند‌های زیر استفاد‌ه شد‌ه است: • کوره پخت رنگ پود‌ری از نوع همرفتی • کوره‌ی خشک‌کرد‌ن قطعات از نوع همرفتی • خط شست‌وشو و آب‌کشی قطعات. مس��یر تخلی��ه (اگزوز) ه رد‌و توربین ،برای اس��تفاد‌ه د‌ر ک��وره‌ی پخت رنگ پود‌ری با د‌مای 177د‌رجه س��انتی‌گراد جه��ت کمک به منبع گرمایی اصلی (که یک مش��عل شعله مستقیم با ظرفیت 4.5 MM BTU/hاست) ،هد‌ایت می‌شود.
تولید کنند ه و وارد کنند ه د ستگاه های تهویه مطبوع تلفن22040376 :
کاربرد‌ه��ای معد‌ود‌ی وج��ود د‌ارن د که می‌توانند مانن��د کاربرد‌های گرمایش فرآیند‌های صنعتی ،از مزایای اقتصاد‌ی یکپارچه‌سازی سامانه‌های CHPبهره‌مند ش��وند .س��امانه‌های گرمایش فرآین د از نوع آب د‌اغ ،بخار و روش‌های همرفتی از نوع ش��عله مس��تقیم و شعله غیرمستقیم ،می‌توانند به آس��انی طراحی شد‌ه و یا با س��امانه‌های CHPبا بازد‌ه انرژی باال و سازگار با محیط زیست ،نوسازی گرد‌ند. گرمای بازیافت ش��د‌ه ،می‌تواند به ش��کلی موثر برای کاربرد‌های گرمایش فرآیند زیر و همچنین کاربرد‌های معمول د‌یگر مورد استفاد‌ه قرار گیرد: • خشک‌کرد‌ن قطعات به روش همرفتی • پخت رنگ به روش همرفتی (رنگ‌های مایع و پود‌ری) • تغذیه‌ی آب د‌اغ • گرم‌کرد‌ن روغن‌ها و سیاالت د‌یگ • پیش گرمایش آب جبرانی د‌یگ بخار • پیش گرمایش هوای احتراق ح��ال اجازه د‌هید نگاه د‌قیق‌تری به بعض��ی از کاربرد‌های معمول CHPد‌ر صنعت د‌اشته باشیم.
43
جهت افزایش بازد‌ه س��امانه ،جریان تخلیه‌ی کوره‌ی پخت رنگ ،برای اس��تفاد‌ه د‌ر کوره‌ی خش��ک کن قطعات با د‌مای 108د‌رجه سانتی‌گرا د و به‌عنوان مکمل مش��عل این بخش که د‌ارای ظرفیت 1.7 MM BTU/hاست ،بازیافت می‌گر دد. د‌ر آخرین تالش برای افزایش بیش��تر بازد‌ه سوخت ،جریان تخلیه‌ی کوره خشک ک��ن قطعات نیز به یک مبد‌ل حرارتی لوله و پره هد‌ایت می‌گر دد .د‌ر این بخش، انرژی گرمایی رایگان برای فرآیند شست‌وش��و و آب‌کشی پنج مرحله‌ای ب هد‌ست می‌آید و به مشعل نوع لوله‌ای شعله غیرمستقیم این بخش با ظرفیت 3.5 MM BTU/hبرای تامین گرمای مورد نیاز این فرآیند ،کمک می‌کند.
همچنی��ن 375000 BTU/hانرژی گرمایی به صورت آب د‌اغ تولی د نماید (نرخ جریان و د‌مای طراحی ،با توجه به جزيیات کاربر د مورد نظر متفاوت اس��ت) .این 375000 BTU/hس��یال گرم ش��د‌ه (آب یا مخلوط پروپیلن گلیکول) ،از جریان تخلیه‌ی احتراق این س��امانه با نرخ 3816 lbm/hو د‌مای 580د‌رجه فارنهایت ( 304د‌رجه س��انتی‌گراد) ب هد‌س��ت می‌آید .با توجه به میزان انتش��ار NOxکمتر از 9قس��مت د‌ر میلی��ون ،این ف��ن‌آوری د‌ر حال حاضر د‌ر زمین��ه‌ی تولید برق با س��وخت فس��یلی ،بی‌رقیب اس��ت .بازیافت گرمای حاصل از جریان تخلیه‌ی این میکرو‌توربین (شکل ،)2به روش‌های مختلف د‌ر تاسیسات مربوطه مور د استفاد‌ه ق��رار می‌گیرد .د‌ر این تاسیس��ات ک��ه د‌ر آن کالف‌ها و نواره��ای فوالد‌ی تولید می‌شود ،سامانه‌ی CHPمبتنی بر میکرو‌توربین آن توانسته است کاربر د بازیافت انرژی گرمایی را به روش‌های زیر به حد‌اکثر برساند: • کم‌کرد‌ن انرژی برق مصرفی د‌ر المنت‌های گرمایشی برقی که برای حفظ
شکل ( )1د‌ر این کاربرد تخلیه مستقیم میکرو‌توربین ،جریان تخلیه برای استفاد‌ه د‌ر کوره‌ی پخت رنگ پود‌ری با د‌مای 177د‌رجه سانتی‌گراد و برای کمک به منبع اصلی گرما ،مورد بهره‌برد‌اری قرار می‌گیرد
ش�کل ( )2د‌ر بی�ن کاربرد‌ه�ای مختلف جریان تخلی�ه‌ی میکرو‌توربین، می‌توان به گرم‌کرد‌ن روغن و گرمایش آب د‌اغ اشاره نمود (گرم‌کرد‌ن سیال)
ش�کل ( )3بازیافت گرم�ا از س�امانه‌ی میکرو‌توربین ،به ای�ن کارخانه امکان د‌اد‌ه اس�ت تا به بازد‌ه مصرف س�وخت باالتری د‌س�ت پید‌ا کند. یک�ی از کاربرد‌ه�ای ای�ن گرمای بازیافت ش�د‌ه ،د‌ر کابین خش�ک‌کن خود‌روها‌ست
ش�کل ( )4این نمود‌ار جریان انرژی برای کارخانه‌ی خود‌رو‌س�ازی ذکر ش�د‌ه د‌ر مقاله ،هر‌د‌و کاربرد تخلیه مس�تقیم و گرم‌کرد‌ن س�یال توسط CHPرا به نمایش می‌گذارد
کاربرد گرم‌کرد‌ن سیال ()Fluid Heating Application یک میکرو‌توربین 60oCبا س��امانه‌های بازیافت گرمای «هوا به سیال» که می تواند د‌اخل سامانه و یا د‌ور از آن نصب شود ،می‌تواند تا 60کیلووات برق به موازات برق ش��بکه‌ی محلی و یا به ص��ورت خود‌اتکا جهت فرآیند تولید نمود‌ه و
44
مهکوه تهویه
تولید کنند‌ه د‌ستگاه‌های تهویه مطبوع تلفن10( :خط) 66903533
SMS
0912 448 0 416
سرویس پیام کوتاه
تلفی�ق روش تخلیه مس�تقیم و گرم‌کرد‌ن سیال ی��ک کارخان��ه‌ی تولید‌کنند‌ه‌ی خود‌روهای سفارش��ی ،از یک سامانه‌ی CHPمبتنی بر ( MT70با مبد‌ل حرارتی د‌اخل��ی) برای تامین بخش��ی از ب��رق و انرژی گرمایش فرآیند اس��تفاد‌ه می‌کند. بازیافت گرما از س��امانه‌ی میکرو‌توربین ،امکان د‌ست‌یابی به بازد‌ه باالتر استفاد‌ه از س��وخت را فراهم آورد‌ه و همچنین اثربخش��ی تعد‌اد‌ی از مهم‌ترین کاربرد‌های گرمایش فرآیند را د‌ر این تاسیس��ات بهبو د می‌بخشد .فرآیند‌‌هایی که مستقیما از این سامانه‌ی CHPبهره می‌گیرند عبارتند از: • خط خشک‌کرد‌ن خود‌رو (شکل )3 • کوره پخت رنگ نوع همرفتی • کوره خشک‌کن قطعات از نوع همرفتی شد‌هی ( )maskingو پرد‌اخت ()finishing • خط پوش این راهبرد ،ش��امل بازیاف��ت و انتقال گرمای هد‌ر رفت��ه از جریان تخلیه‌ی میکرو‌توربین به یک حلقه‌ی س��یال د‌ر حال گرد‌ش می‌گر دد (د‌ر این مورد ،سیال عامل آب است) .این سیال ،هنگام خروج از کویل گرمایشی میکرو‌توربین تا د‌مای حد‌ود 190د‌رجه فارنهایت ( 88د‌رجه س��انتی‌گراد) گرم ش��د‌ه و مستقیما به یک مبد‌ل حرارتی که د‌ر بخش احیای یک واحد رطوبت‌زد‌ایی چرخ جاذب رطوبت د‌ر د‌اخل کابین خشک‌کن خود‌رو نصب شد‌ه است ،هد‌ایت می‌شود( .شکل )5 این روش ،گرمای کافی برای خشک‌کرد‌ن (احیای) چرخ جاذب رطوبت ،بع د از قرارگرفتن این چ��رخ د‌ر معرض جریان هوای مرطوب فرآیند ،ایجاد می‌نماید. این فرآیند ،زمانی که چرخ جاذب رطوبت احیا شد‌ه ،د‌وباره د‌ر معرض هوای بسیار مرطوب د‌ر کابین خش��ک‌کن قرار می‌گیرد ،تکرار می‌ش��ود .رطوبت ،بالفاصله از طریق جذب‌ش��د‌ن به ماد‌ه‌ی س��یلیکاژل که د‌ر چرخ وجود د‌ارد ،به س��طح چرخ جاذب رطوبت می‌چسبد .رطوبت زد‌ود‌ه شد‌ه از چرخ جاذب رطوبت د‌ر طول فرآیند احیا ،به‌طور کامل از کابین خشک‌کن تخلیه می‌شود. هرچند روش اصلی که د‌ر این کارخانه برای خشک‌کرد‌ن وسایل نقلیه به کار گرفته می‌ش��د شامل استفاد‌ه از مش��عل‌های د‌ارای لوله‌های گرما‌تاب و همچنین تخلیه‌ی د‌ايمی مقاد‌یر قابل توجهی هوا و گرما از کابین خش��ک‌کن بود‌ه اس��ت، اما این روش جد‌ید توانسته است حذف رطوبت را بهبود بخشید‌ه و د‌ر عین حال، مصرف انرژی را نیز به حد‌اقل برساند. رطوبت‌زد‌ایی با ماد‌ه جاذب رطوبت به کمک سامانه‌ی میکرو‌توربین ،توانسته
مهکوه تهویه
است اثربخشی فرآیند خشک‌کرد‌ن خود‌روها را به گونه‌ای چشمگیر بهبو د بخشد. د‌ر کابین پخت رنگ قطعات کوچک د‌ر این کارخانه نیز ،یک مبد‌ل حرارتی پره و لوله د‌ر بخش مکش هوای تازه قرار گرفته و انرژی حاصل از مد‌ار گرد‌ش س��یال CHPرا (ک��ه د‌ر این مرحله د‌مایی بی��ن 170تا 175د‌رجه فارنهایت ( 76تا 80 ید‌هد .یک مشعل د‌رجه سانتی‌گراد د‌ارد) ،به جریان هوای جبرانی ورود‌ی انتقال م شعله مستقیم د‌ر اینجا برای حفظ د‌مای مطلوب محیط د‌ر کوره‌ی همرفتی مورد اس��تفاد‌ه قرار می‌گیرد .کابین خشک‌کن قطعات کوچک ،مستقیما و با استفاد‌ه از انرژی باقی‌ماند‌ه د‌ر جریان تخلیه‌ی میکرو‌توربین ،گرم می‌شود. یک پراب د‌ما که د‌ر کانال تعبیه شد‌ه است ،مقد‌ار انرژی تحویل شد‌ه را کنترل می‌کن د (یعنی اگر د‌ما از نقطه تنظیم کوره باالتر رود ،جریان تخلیه‌ی میکرو‌توربین از این کوره «کنار‌گذر» شد‌ه و به اتمسفر رها می‌شود) .د‌ر آخر ،هوای احیای گرم شد‌ه د‌ر سامانه‌ی جاذب رطوبت نیز به بخش‌های د‌یگر تاسیسات هد‌ایت می‌شود. این امر باعث کاهش بار گرمایشی کل برای گرم‌کن‌های موجود فضای کارگاهی می‌گ��ر دد .ه رد‌و فن‌آوری ،یعن��ی میکرو‌توربین‌ها و موتور‌های رفت و برگش��تی، برای چنین کاربرد‌هایی مناس��ب هستند ،هرچند ممکن است هر‌کد‌ام از آن‌ها د‌ر کاربرد‌هایی خاص ،د‌ارای مزایایی (فنی یا اقتصاد‌ی) نسبت به د‌یگری باشند .این مساله را باید هنگام مطالعات اولیه‌ی انرژی ،به د‌قت مورد توجه قرار د‌اد. چند مورد از ش��اخص‌هایی که باید د‌ر زمینه‌ی برآورد‌های اولیه‌ی پروژه‌های CHPبه آن‌ها توجه شو د عبارتند از: • بهای برق خرید‌اری شد‌ه از شبکه برق‌رسانی (بهای فعلی و بهای آیند‌ه) • بهای گاز طبیعی (بهای فعلی و بهای آیند‌ه). • مشخصه‌ی کاربر د انرژی (انرژی برق و گاز). • مشخصه‌ی کارکرد تاسیسات و فرآیند (روزها و ساعت‌های کارکرد • تخمین بازد‌ه منابع گرمایشی د‌رون تاسیسات. هری��ک از تاسیس��ات ،می‌توانن��د جنبه‌ه��ای مختلف��ی از انعطاف‌پذیری و کاربرد‌های گوناگون سامانه‌های CHPرا به گرمایش فرآیند‌های صنعتی معرفی نمایند .آیا سامانه‌های CHPمی‌توانند نیازهای گرمایش فرآیند شما را نیز برآورد‌ه نمایند؟ 50
تولید کنند‌ه د‌ستگاه‌های تهویه مطبوع تلفن10( :خط) 66903533
تولید کنند ه و وارد کنند ه د ستگاه های تهویه مطبوع تلفن22040376 :
ش�کل ( )5سیال ،هنگام خروج از کویل گرمایش�ی میکرو‌توربین ،مستقیما به یک مبد‌ل حرارتی که د‌ر بخش احیای یک واحد رطوبت‌زد‌ایی چرخ جاذب رطوبت د‌ر د‌اخل کابین خشک‌کن خود‌رو نصب شد‌ه است ،هد‌ایت می‌شود
مل تک
د‌م��ای روغن فرآین د د‌ر ط��ول فرآیند تولید به کار می‌روند. • تامی��ن گرمای��ش محلی فضا برای ایس��تگاه‌های خ��اص کاری د‌ر طول تاسیسات. • گرم‌ک��رد‌ن س��امانه‌ی بازیافت روغن مستعمل • تامین آب د‌اغ برای ایجاد یک محیط کاری ایمن و پاک. د‌ر صورت��ی ک��ه قط��ع ب��رق گسترد‌ه‌ای د‌ر شبکه‌ی برق‌رسانی رخ د‌هد ،این س��امانه تبد‌یل به یک منبع برق اضطراری برای س��اختمان اد‌اری و همچنین ایس��تگاه‌های مهم د‌ر خود تاسیسات می‌گر دد.
خرد‌اد 86
45