مشعلها به عنوان تجهيز اصلي تأمين كننده احتراق در كورهها از اهميت بسزايي برخوردارند و بسته به محل استفاده و نوع كوره اعم از كوره پيشگرم يا كوره عمليات حرارتي و ... تيپهاي متنوع و مختلفي ميتوانند داشته باشند. طي دهههاي اخير همزمان با پيشرفت تكنولوژي در عرصههاي مختلف صنعتي، مشعلها نيز به سمت نسلهاي جديدتر با راندمان احتراق بالاتر، مصرف انرژي كمتر و تركيبات آلاينده كمتر توسعه داده شده اند. مجتمع فولاد گيلان به عنوان بزرگترين واحد نورد محصولات تخت فولادي در بخش خصوصي داراي دو خط نورد گرم و سرد است . مجتمع فولاد گیلان در خط نورد گرم خود، از دو كوره پيشگرم تختال يكي از نوع پوشري و ديگري از نوع واكينگ بيم(گامي) برخوردار است. با توجه به اهميت موضوع مشعلها در كيفيت احتراق و پيشگرم تختالها در صنعت نورد، برآن شديم تا گزارشي در خصوص تكنولوژي هاي مدرن مشعلها گردآوري و ارائه نماييم.
در مبحث مشعل، دو موضوع از اهميت بالايي برخوردار بوده و به عنوان معيار ارزيابي مشعل‌های نوين درنظر گرفته مي شود:
1. كيفيت احتراق: منظور از اين آيتم، وقوع احتراق كامل با حداقل ميزان آلاينده ها و هواي اضافي مي باشد. به عنوان مثال براي سوخت گازي، ميزان CO كه بيانگر ميزان كامل بودن احتراق است زير ppm100بايستي باشد. همچنين تركيبات NOX زير ppm90 و درصد هواي اضافي نيز زير 20درصد بايستي باشد. اخيراً با ظهور فناوريهاي روز دنيا در زمينه مشعل، ميزان CO و NOX به زير ppm 10 نيز رسيده است و اين درحاليست كه محدوده معمول تركيبات فوق در بازه ppm 400تا250 است.
2. بافت شعله: آيتم فوق اخيراً بيشتر مورد توجه قرار گرفته است و طراحي مشعلها به سمتي پيش مي رود كه بيشترين انتقال حرارت در محفظه احتراق حاصل گردد. از جمله راهكارهاي ارائه شده در اين زمينه شاخه اي كردن شعله جهت افزايش سطح انتقال حرارت مي باشد.
شكل1. نماي روبرو از يك شعله شاخه ای در مشعل گازسوز (کاتالوگ شرکت Pillard فرانسه).
بازده كم، مصرف زياد سوخت، توليد زياد گازهاي آلاينده و اتلاف بيش از اندازه گرماي كوره همگي از جمله ویژگی‌های كورههاي پیش گرم در قرن گذشته بودند. افزايش هزینه‌های انرژي طي چند ده سال اخير و محدود شدن روز افزون منابع انرژي همچنين گرم شدن تدريجي زمين سبب گرديد تا صنايع بيش از هرزمان ديگري به بهينه سازي کوره‌های خود از لحاظ مصرف انرژي، كيفيت احتراق، كاهش سطح آلاینده‌های توليدي و بازيابي حداكثري گرماي اتلافي بيانديشند. در طي ساليان گذشته کوره‌های پیش گرم هم از لحاظ كيفيت گرمايشي و هم از نظر مصرف انرژي ارتقاء یافته‌اند.
در زمينه كيفيت احتراق، اقداماتي همچون 1. تغيير روش انتقال از روش پوشري به گامي(واكينگ بيمي) و 2. ارائه مدل كنترل گرمايش جديد جهت بهبود عيوب سطحي و اسكيدماركها و تضمين يكنواختي دما در تختال صورت گرفته است.
در زمينه صرفه جويي در انرژي نيز اقداماتي در قالب بهبودهاي سخت افزاري و عملياتي همچون موارد زير انجام شده است:
- تغيير مبدل‌های حرارتي از مُد تشعشعي به همرفت
- تقويت عايقكاري و درزبندي كوره و استفاده از فيبرهاي سراميكي در ديواره كوره
- بهينهسازي كنترل فشار كوره و نسبت هوا به سوخت
- جلوگيري از گرمايش بيش از حد
علاوه بر راهكارهاي اشاره شده، يكي از راهكارهاي اصلي جهت كاهش مصرف سوخت و همچنين تركيبات آلاينده در كوره هاي صنعتي، استفاده از سيستم مشعل هاي ركوپراتور سرخود و رِجنريتيو مي باشد. اساس كار مشعل‌های فوق بر پايه بازيابي گرماي گاز خروجي در داخل خود مشعل مي باشد كه ضمن رفع نياز به يك سيستم ركوپراتور مركزي حجيم، هواي احتراق را به ميزان بسيار زيادي پیش گرم نموده و ضمن كاهش چشمگير اتلاف گاز خروجي، به كاهش سطح آلاینده‌های NOX انجاميده و همچنين باعث كاهش مصرف سوخت ميگردند.
مشعل ركوپراتور سرخود:
مشعل‌های رکوپراتور سرخود به مشعل‌هایی گفته می‌شود که در داخل خود مشعل مسیری برای خروجی محصولات احتراق نيز در نظر گرفته شده است. در اين مشعلها مسيرهاي جريان گاز و هواي احتراق در داخل مشعل بوده و در جريان احتراق، گاز خروجي توليدي به داخل مشعل مكش می‌شود و ضمن عبور از مسير خود، باعث پیشگرم شدن هواي احتراقي كه در مجراي مجاور در جريان است، می‌شود. به نوعي می‌توان گفت كه مكانيزم بازيابي در مشعل‌های فوق مشابه سیستم‌های ركوپراتور مركزي بوده با اين تفاوت كه مجموعه فوق به داخل خود مشعل منتقل شده و بسيار کوچک‌تر شده است. كاربرد اين مشعلها در کوره‌های ذوب بوته‌ای ، کوره‌های عملیات حرارتی ، کوره‌های پیشگرم فولاد و کوره‌های نگه‌دارنده (مذاب ) آلومینیم است. در شكل 2 مكانيسم عملكرد اين مشعل به همراه مسيرهاي جريان هوا، گاز و محصولات احتراق نمايش داده شده است.
شكل 2. سيكل عملكرد مشعل ركوپراتور سرخود به همراه مسيرهاي جريان هوا و گاز(كاتالوگ شركت LBE).
شكل 3. دو نمونه از مشعل‌های ركوپراتور سرخود الف) ساخت شركت Eclipse ب) مشعل سري RECUMAT ساخت شركت WS آلمان.
مشعل‌های رِجِنريتيو:
مكانيسم عملكرد مشعل‌های فوق به صورت جفت مشعل مي باشد كه در بازه هاي زماني متناوب، به نوبت يكي نقش مشعل و ديگري نقش دودكش را ايفا مي نمايند و سپس معكوس مي گردند. اين مشعلها از دو جزء اصلي تشكيل شده‌اند: 1. مشعل با پتانسيل پیش گرم هوا تا دماهاي بالا كه قابليت ايفاي دو نقش مشعل و دودكش را نيز داراست 2. بستر سراميكي ذخيره ساز گرما(رجنراتور) كه به اشكالي همچون گلوله ، ديسك مشبك و يا لانه زنبوري بوده و از مواد سراميكي همچون آلومينا، سيليكون كاربايد و ديگر مواد سراميكي ساخته مي شود. اين مشعلها نيز در كوره هايي همچون كوره هاي ذوب شیشه (کوچک)، پیشگرم فولاد، ذوب آلومینیم، صنایع نفت، عملیات حرارتی و کوره‌های ذوب كاربرد دارند.
.
شكل 4. برشي از كوره جهت نمايش نحوه عملكرد جفت مشعل رجنريتيو: بالا) نيم سيكل اول پايين) نيم سيكل دوم (كاتالوگ شركت North American).
همانطور كه در شكل4. نيز قابل مشاهده است، اين سيستم به صورت جفت مشعل بوده كه در نيم سيكل اول(شكل بالا) مشعل سمت چپ نقش مشعل را داشته و عمل احتراق در آن رخ مي دهد(مسير هوا باز) و مشعل سمت راست نقش دودكش را دارد(مسير محصولات احتراق باز) بطوريكه محصولات احتراق حاصل از مشعل سمت چپ در آن جريان يافته و ضمن عبور از آن، گرماي خود را به بستر سراميكي(رِجنراتور) درون آن منتقل مي دهد. در نيم سيكل بعدي(شكل پايين) نقش مشعل ها معكوس شده و مشعل سمت راست نقش مشعل را دارد. در نتيجه هواي احتراق با عبور از اين مشعل، گرماي رجنراتور را جذب نموده و پیش گرم مي شود و اين سيكل به طور متناوب تكرار مي گردد. سيستم جفت مشعل رِجنريتيو در كوره هاي ظرفيت بالا همچون كوره هاي پیش گرم فولادي كاربرد دارد. در شكل 5. تصويري از يك كوره پیشگرم اسلب با سيستم مشعل‌های رجنريتيو مشاهده مي شود
شكل 5. تصوير كوره پیشگرم اسلب با سيستم مشعل‌های رجنريتيو(كاتالوگ شركت NKK).
طرح رِجنراتور(بستر سراميكي) لانه زنبوري در مقايسه با ساير طرح‌های هندسي همچون رجنراتور گلوله‌ای و ديسكي از مساحت سطح مخصوص بيشتري برخوردار بوده و كارايي بي نظيري از لحاظ ميزان افت فشار و دماي هواي پیش گرم دارد ضمن اينكه سبک‌تر نيز بوده و باعث فشرده و كوچك نمودن حجم رجنراتور نيز می‌گردد.
در سيستم مشعل‌های جفتي كه در کوره‌های ظرفيت بالا استفاده مي شود، ساختمان مشعل يك تكه نبوده بلكه مشعل از طريق كانالي به رِجنراتور متصل ميباشد و مسير جريان محصولات احتراق در داخل رجنراتور نيز به طور عمودي است درحاليكه در كوره هاي ظرفيت پايين از مشعل‌های رِجنراتور سرخود استفاده مي شود كه در آن مشعل و رِجنراتور به صورت يكپارچه بوده و مسير جريان محصولات احتراق در رجنراتور افقي ميباشد. به اين مشعلها به دلیل اينكه عمل احتراق و بازيابي حرارت گاز خروجي در يك مشعل صورت می‌گیرد، رِجنراتور سرخود گفته می‌شود. در ظرفیت‌های پايين، مشعل‌های رِجنراتور سرخود همان كارايي جفت مشعلها را فراهم می‌کنند با اين مزيت كه از تك مشعل به جاي جفت مشعل استفاده شده و ديگر نيازي به سوئيچ كردن از يك مشعل به مشعل ديگر در بازه‌های زماني متناوب نمی‌باشد. بنابراين تمامي شيرهاي سوئيچينگ و بسترهاي سراميكي در يك مشعل تعبيه می‌گردند.
شكل6. برشي از سطح مقطع مشعل گازي رِجنراتور سرخود شركت Tokyo gas Co. Ltd.
در حال حاضر پروژه‌هایی نيز در زمينه سوق دادن تكنولوژي مشعل‌های رِجنريتيو به سمت احتراق بدون شعله در جهان در حال انجام میباشد. منظور از احتراق بدون شعله، واكنش احتراق در كل محفظه كوره مي باشد. شكل 7. نشانگر تصوير گويايي از اين تكنولوژي را نشان ميدهد.
شكل7. مقايسه اي از شعله مشعل معمولي و مشعل بدون شعله.
در کوره‌های متداول، عمل بازيابي گرماي گاز خروجي توسط يك سيستم مبدل حرارتي مركزي(ركوپراتور) صورت ميگيرد كه البته به دلیل محدودیت‌هایی همچون طرح و اندازه ركوپراتور همچنين ماكزيمم دماي لوله‌ها و شيرهاي كنترل هواي گرم، قابليت بازيابي گرماي اتلافي تا دماهاي بالا در آن‌ها وجود ندارد. دماهاي هواي پیشگرم معمول در سیستم‌های ركوپراتور، 300 تا 500 درجه سانتی‌گراد میباشد كه در برخي موارد تا 600 درجه نيز می‌رسد. محدوديت مذكور براي پیشگرم نمودن هواي احتراق، با ظهور مشعل‌های ركوپراتور سرخود و رِجنريتيو رفع گرديده است. چنين سيستمي علاوه بر بازده بازيابي بيشتر، منجر به كنترل دقیق‌تر دماي كوره نيز می‌گردد چرا که هیچ‌گونه عكس العملي بين زونهاي كوره وجود ندارد.
شكل 8. مقايسه راندمان بازيابي مشعل‌های ركوپراتور سرخود، رِجنريتيو و سيستم متداول ركوپراتور مركزي.
بازده مشعل‌های رِجنريتيو به مراتب از مشعل‌های ركوپراتور سرخود بيشتر بوده و حتی در مواردی ممكن است هواي احتراق تا 1300درجه سانتی‌گراد (در كوره هاي ذوب شيشه) نيز گرم شود. همانطور كه در نمودار نيز قابل مشاهده است، راندمان پیشگرم براي سيستم ركوپراتور مركزي 25 تا 50درصد بوده كه كمترين مقدار مي باشد. مشعل‌های ركوپراتور سرخود در رتبه بعدي قرار داشته و راندماني معادل 55 تا 70درصد دارند. مشعل‌های رِجنريتيو بيشترين راندمان پیشگرم را به خود اختصاص داده اند و به كمك اين مشعلها امكان پیشگرم هواي احتراق تا 75 الي 90درصد (بسته به نوع سوخت مصرفي) فراهم ميشود.
تركيبات آلاينده NOX:
تكنولوژي جديد مشعل هاي رِجنريتيو باعث كاهش آلاینده‌های NOX به ميزان 50% نسبت به مشعل‌های معمولي می‌گردد. جدول زير مقايسه اي از عملكرد كوره هاي پیش گرم شركتNKK ژاپن را از اين لحاظ نشان مي دهد.
مجتمع فولاد گيلان همواره به دنبال بهره گيري از مدرنترين تكنولوژيها در بخشهاي مختلف خطوط توليد خود بوده و در كورههاي موجود نيز سعي نموده است از تكنولوژي روز دنيا از جمله مشعلها استفاده نمايد. در كوره واكينگ بيم(گامي) مجتمع فولاد گیلان چندين تيپ از مشعلها اعم از مشعلهاي شعله بلند، مشعلهاي سقفي شعله مسطح و همچنين مشعلهاي سقفي سپر حرارتي استفاده شده كه با افتخار و طي همكاري با شركت شعله صنعت به طور كامل در داخل كشور بوميسازي شده است. در صورت تصميم به اجراي طرح توسعه در خط نورد گرم و يا ارتقاء سيستم احتراق كورههاي موجود، تلاش خواهد شد تا در صورت امكان، از مشعلهاي مدرن معرفي شده در گزارش بهره گيري شده و ساخت آن در داخل كشور بوميسازي شود.
منابع:
Russ Lang, Bruce B. Abe, Clive Lucas and John Newby, "Regenerative Burners", CRC press LLC, 2003.
Sh. Fukushima, "Eco-friendly Regenerative Burner Heating System Technology Application and Its Future Prospects", NKK Technical review No.87,2002.
. Joachim G. Wünning, "Energy Saving Potentials for Gas Fired Industrial Furnaces", WS GmbH Renningen, THERMPROCESS Symposium, Germany, 2007.
. كاتالوگ شرکت‌های LBE، WS، Hotwork، North American، Tokyo gas ، NKK و Eclipse و Flox .
تهيه كننده : سياوش غلامي
تحقيق و توسعه مجتمع فولاد گيلان
کلیه حقوق این محتوا متعلق به مجتمع فولاد گیلان میباشد
