علیرغم وجود مقادیر قابل توجهی زغال سنگ حرارتی در ایران، استفاده مؤثری از آنها صورت نمیگیرد. ارزان بودن سوخت‌های مایع و گاز در کنار مشکلات کار با زغال سنگ از جمله مهمترین دلایل این موضوع می‌باشند. مهمترین این مشکلات تغذیه و تخلیه کوره سیستم زغال سنگ سوز بصورت دستی و سنتی، آلایندگی بالای زیست محیطی و راندمان حرارتی پایین می‌باشد که در واقع همه این موارد معلول طراحی نامناسب نحوه تغذیه و تخلیه کوره سیستم هستند.
مشعل زغال سنگ سوز اتومات
به منظور رفع مشکلات اشاره شده یک مکانیزم جدید تغذیه و تخلیه تدریجی تمام اتوماتیک سیستم‌های زغال سنگ سوز طراحی و ساخته شده است. در کنار تغذیه و تخلیه تدریجی تمام اتوماتیک، طراحی جدید محفظه احتراق برای شانس برخورد بیشتر هوای احتراق با زغال سنگ و بکارگیری سه سیستم کنترلی برای تنظیم میزان شارژ سوخت بر اساس مصرف، از دیگر مشخصه‌های بارز مجموعه طراحی شده می‌باشند. صادرات موفق نمونه‌هایی از دیگ‌های آب گرم که از این مکانیزم بهره می‌برند به کشور افغانستان، بر توانایی آن در کاربری آسان و مطمئن از زغال سنگ صحه می‌گذارد.
نقش زغال سنگ در صنایع مختلف
منابع انرژی نقش موتور محرکه اقتصاد و تولید ملی را دارند و تعیین کننده ی جایگاه کشورها در نظام سرمایه داری جهان هستند. زغال سنگ نیز به عنوان سوختی فسیلی و تجدید ناپذیر از سالیان دور تا به امروز همواره نقشی مؤثر در صنایع مختلف داشته است. زغال سنگ یکی از با ارزشترین مواد معدنی انرژی‌زا در جهان امروز می‌باشد که از نظر میزان ذخایر انرژی بیشترین حجم را در دنیا داراست [۱]. کشور ایران دارای منابع قابل توجهی از زغال سنگ هم از نوع کک شو و هم از نوع حرارتی آن می‌باشد [۲]. استفاده از ذخایر غنی زغال سنگ موجود در کشور می‌تواند صرفه‌جویی مهمی را در مصرف سوخت‌های فسیلی نفت و گاز به همراه داشته باشد. این امر به نوبهی خود باعث طولانی‌تر شدن عمر ذخایر نفت و گاز طبیعی شده و قابلیت تبدیل آنها به مواد با ارزش افزودهی بیشتر را در پی خواهد داشت.
زغال سنگ حرارتی
در دهه‌های پیشین، توجه کشور بیشتر در جهت مصرف زغال سنگ کک شو جهت تولید فولاد و مصرف در ذوب آهن و صنایع فروآلیاژ بوده است. با توجه به فراوانی و ارزان بودن زغال سنگ حرارتی در کشورمان، پتانسیل بالایی برای استفاده از آن در صنایع دیگر و واحدهای با مقیاس کوچک و متوسط وجود دارد. اما متاسفانه بخاطر وجود مشکلات متعددی در سیستم‌های زغال سنگ سوز مورد بهره‌برداری در کشور، تمایل چندانی نه از طرف صاحبان صنایع و مصرف‌کنندگان و نه از طرف نهادهای دولتی برای استفاده از آنها وجود ندارد.
مهمترین این مشکلات عبارتند از:
- تغذیه و تخلیهی کوره‌ی سیستم زغال سنگ سوز بصورت دستی و سنتی
- آلایندگی بالای زیست محیطی و راندمان حرارتی پایین که در واقع همه ی این موارد معلول طراحی نامناسب نحوه ی تغذیه و تخلیهی کوره‌ی سیستم هستند.
بمنظور رفع مشکلات اشاره شده، شرکت مخزن فولاد رافع (دابوصنعت) اقدام به طراحی و ساخت موفقیت آمیز نمونه‌ی اولیه‌ی «مکانیزم جدید تغذیه و تخلیهی تدریجی تمام اتوماتیک سیستم‌های زغال سنگ سوز» نموده است. این مکانیزم قابلیت نصب بر روی تمامی دستگاه‌های با سوخت جامد (زغال سنگ، تراشه‌های چوب و …) را دارا می‌باشد.
معرفی بخش‌ها و نحوه‌ی عمل مکانیزم سیستم‌های زغال سنگ سوز
در سیستم سنتی تغذیه‌ی زغال سنگ یک فن هوای تولید شده را به داخل کوره‌ی دیگ و قسمت آتش‌زا (که بصورت یک شومینه است) منتقل می‌کند. همزمان سیستم تغذیه‌ی زغال سنگ بصورت دستی یا نیمه اتوماتیک، زغال سنگ را به داخل کوره می‌فرستد. این سیستم نیمه اتوماتیک عمدتاً تنها از یک تسمه نقاله برای ورود زغال سنگ و خروج محصولات احتراق استفاده می‌کند. برای اشتعال زغال سنگ از سوخت‌های مایع ازقبیل گازوئیل و یا نفت بصورت دستی استفاده می‌شود.
مشعل زغال سنگ سوز اتومات
سیستم زغال سنگ سوز سنتی
از آنجائیکه در سیستم سنتی هیچ کنترلی بر میزان زغال سنگ ورودی به کوره وجود ندارد، عملاً نمی‌توان به فرایند احتراق کامل دست پیدا کرد. راندمان پایین و آلایندگی زیست محیطی بالا دو نتیجه ی اصلی احتراق ناقص می‌باشند. در مورد سیستم تخلیه نیز پس از مدتی کارکرد نیاز به سرکشی و تخلیهی خاکسترهای حاصل از سوختن زغال سنگ وجود دارد. ضمن اینکه در صورت انجام نشدن عملیات تخلیهی خاکستر در زمان مناسب، در مدت زمان کوتاهی داخل کوره، لوله‌ها و حتی خروجی دودکش، شاهد رسوب ذرات جامد و دوده بر روی سطوح خواهیم بود. این عمل باعث جلوگیری از انتقال حرارت مناسب و هدر رفت انرژی شده و نیاز به سرویس‌های متعدد و زودهنگام را نیز در پی خواهد داشت.
مکانیزم جدید تغذیه و تخلیهی تدریجی تمام اتوماتیک سیستم زغال سنگ سوز
مکانیزم جدید تغذیه و تخلیهی تدریجی تمام اتوماتیک سیستم‌های زغال سنگ سوز در شرکت مخزن فولاد رافع طراحی و نمونه‌ی اولیه‌ی آن با موفقیت ساخته و به بهره‌برداری رسیده است. هدف از طراحی این مکانیزم برطرف نمودن مشکلات کار با سیستم‌های زغال سنگ سوز و تشویق صنایع مختلف به استفاده گسترده از آنها می‌باشد تا کمک شایان توجهی به ذخیره‌سازی منابع نفت و گاز و تبدیل آنها به محصولات با ارزش افزودهی بیشتر صورت گیرد.
جزئیات این مکانیزم در ترکیب با یک مشعل زغال سنگ سوز در شکل ۱ آورده شده است. اجزای این مکانیزم عبارتند از:
- مخزن ذخیره‌ی اولیه‌ی زغال سنگ (در شکل نمایش داده نشده است).
- مخزن ثانویه‌ی زغال سنگ (قطعه‌ی شماره ی ۱)
- قطعه‌ی مارپیچی جهت خرد کردن تکه‌های زغال سنگ و انتقال آنها به سمت مشعل (قطعه‌ی شماره ی ۲)
- مجموعه‌ی موتور و جعبه دنده برای به حرکت درآوردن قطعه‌ی مارپیچی (قطعه‌ی شماره ی ۳)
- حسگر اکسیژن در مسیر خروجی گازهای حاصل از احتراق (در شکل نمایش داده نشده است).
- رله‌ها و زمان سنج‌های تنظیم نحوه‌ی عملکرد مشعل (در شکل نمایش داده نشده است).
- محل جمع‌آوری خاکسترهای حاصل از احتراق (قطعه‌ی شماره ی ۴)
- قطعه‌ی متحرک برای خروج خاکسترهای حاصل از احتراق (قطعه‌ی شماره ی ۵)
- مجموعه‌ی موتور و جعبه دنده برای به حرکت درآوردن بخش تخلیهی مکانیزم (قطعه‌ی شماره ی ۶)
برای سهولت کاربری، مخزن ثانویه (با توجه به مدل و ظرفیت دستگاه) طوری طراحی شده است که با یک بار پر شدن، مقدار زغال سنگ لازم برای ۲۴ ساعت فراهم می‌شود. ارتباط مابین مخزن‌های اولیه و ثانویه نیز به گونه‌ای است که هر ۲۴ ساعت مخزن ثانویه پر می‌شود و درنتیجه نیاز به اپراتور در این قسمت تقریباً به صفر می‌رسد.
شکل ۱: بخش‌های مختلف مکانیزم جدید تغذیه و تخلیه
با توجه به اینکه تکه‌های زغال سنگ دارای اندازه‌ها و شکل‌های مختلفی می‌باشند، احتراق آنها با حالت اولیه شان به میزان قابل توجهی بر عملکرد فرآیند احتراق تاثیر می‌گذارد [۳]. به همین خاطر باید تا حد امکان اندازه‌ی تکه‌های زغال سنگ را یکدست نمود. این عملیات بطور همزمان با انتقال زغال سنگ از مخزن ثانویه به سمت مشعل صورت می‌گیرد تا در فضا و زمان صرفه‌جویی صورت گیرد. وظیفه‌ی اصلی قطعه‌ی مارپیچی قرار داده شده پس از مخزن ثانویه انتقال تدریجی و به میزان لازم برای عملکرد بهینه‌ی فرآیند احتراق، از مخزن ثانویه به مشعل می‌باشد. بطور همزمان عمل خرد کردن تکه‌های زغال سنگ نیز توسط این قطعه‌ی مارپیچی صورت می‌پذیرد. برای به حرکت درآوردن این قطعه‌ی مارپیچی از یک مجموعه‌ی موتور و جعبه دنده استفاده شده است. روشن یا خاموش بودن موتور و سرعت حرکت آن توسط مجموعه ی حسگرها، رله‌ها و زمان سنج‌ها کنترل می‌شود.
یکی دیگر از نوآوری‌های انجام شده در طراحی مشعل می‌باشد. قسمت مربوط به رساندن هوا به سوخت بگونه‌ای طراحی شده است که هوای تأمین شده برای احتراق از زوایا و جهت‌های مختلف شانس برخورد با شعله را داشته باشد تا بتوان به احتراق کاملتری دست پیدا کرد.
سه مکانیزم کنترلی متفاوت برای تنظیم میزان تغذیه‌ی زغال سنگ به داخل مشعل در نظر گرفته شده است تا نسبت سوخت به هوا در داخل مشعل بگونه‌ای تنظیم شود که حداکثر راندمان فرآیند احتراق اتفاق بیافتد.
مکانیزم اول
مکانیزم اول با استفاده از یک زمان‌سنج از قبل تنظیم شده کار می‌کند. در این زمان‌سنج مدت زمان‌های مشخصی برای تغذیه و مکث زغال سنگ پیشبینی شده است. پس از تغذیه‌ی زغال سنگ به داخل مشعل برای مدت زمانی معلوم، مکانیزم تغذیه مکث می‌کند تا سوخت داخل مشعل بطور کامل محترق گردد و سپس مقدار معین جدیدی از زغال سنگ به سمت مشعل هدایت می‌شود.
مکانیزم دوم
مکانیزم دوم کنترل میزان تغذیه به این خاطر در طرح پیشنهادی گنجانده شده است که زغال سنگ یکی از غیریکنواخت ترین و ناهمگن‌ترین ساختارها را در میان سوخت‌های جامد دارا می‌باشد [۴]. در صورتی که نوع و محل استخراج زغال سنگ مشخص و ثابت بوده و آزمایش‌های لازم درمورد میزان ارزش حرارتی آن صورت گیرد، مکانیزم کنترلی اول توانایی تنظیم کامل نسبت سوخت به هوا را داراست. در غیر این صورت، ممکن است زمان‌های تغذیه و مکث به درستی تعیین نشوند. برای غلبه بر این مشکل، مکانیزم کنترلی دوم از یک حسگر اکسیژن در مسیر خروجی گازهای حاصل از احتراق بهره می‌برد.
دهه‌هاست که آنالیز گازهای حاصل از احتراق به عنوان روشی برای بهینه‌سازی نسبت سوخت به هوا و درنتیجه عملکرد فرآیند احتراق بکار برده می‌شود [۵]. با اندازه‌گیری میزان گاز اکسیژن موجود در گازهای خروجی می‌توان به بهترین بازده نرخ انتقال حرارت، کمترین میزان تولید گاز اکسید نیتروژن و همچنین گازهای گلخانه‌ای دست یافت. مقدار تئوری ایده‌آل (نسبت استوکیومتریک) محدوده‌ای است که در آن تمامی سوخت با اکسیژن موجود در هوای احتراق واکنش نشان دهد. در عمل مشعل‌ها هیچوقت به این مقدار ایده‌آل دست پیدا نمی‌کنند. پرکاربردترین فناوری برای اندازه‌گیری میزان اکسیژن در گازهای خروجی، استفاده از تحلیل‌گر سلول سوختی اکسید زیرکونیوم می‌باشد [۶]. این فناوری نخستین بار در اوایل دهه‌ی ۱۹۷۰ میلادی و در صنایع نیروگاهی بکار گرفته شد. اما پس از آن به تمامی صنایعی که با فرآیندهای احتراق سر و کار داشتند، گسترش پیدا کرد. امروزه تمامی اتومبیل‌ها دارای این تحلیل‌گر برای تنظیم نسبت سوخت به هوا می‌باشند. انتخاب این نوع حسگرها به علت مزایای فراوان آنها در مقایسه با دیگر آنالیزورهای موجود می‌باشد. ازجمله این مزیت‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- حسگر همانند یک ترموکوپل قادر به تولید سیگنال میلی ولت خود می‌باشد.
- این سیگنال بصورت معکوس و لگاریتمی است. یعنی با کاهش میزان گاز اکسیژن، دقت آن بهبود پیدا می‌کند.
- مشکلی با کار در دماهای بالا ندارد.
- در مقابل خوردگی ناشی از گوگرد (که در بسیاری از سوخت‌ها وجود دارد) مقاوم است.
- نیاز به نمونه‌برداری برای اندازه‌گیری ندارد و می‌توان آن را بطور مستقیم در مسیر گازهای خروجی از دودکش قرار داد.
مکانیزم کنترلی دوم پیشبینی شده، با توجه به میزان اندازه‌گیری شده‌ی گاز اکسیژن در مواد حاصل از احتراق، اقدام به تنظیم کارکرد قطعه‌ی مارپیچی می‌نماید تا تغذیه‌ی زغال سنگ به داخل مشعل به میزانی صورت گیرد که فرآیند احتراق همواره در بهترین حالتش انجام شود.
مکانیزم سوم
مکانیزم کنترلی سوم با استفاده از یک ترموستات عمل می‌کند تا با دستیابی به دمای مورد نظر جلوی تغذیه‌ی زغال سنگ به مشعل را بگیرد.
زغال سنگ پس از سوختن، خاکستر زیادی از خود بر جای می‌گذارد. بهمین خاطر باید در فواصل زمانی منظم اقدام به تخلیهی خاکسترها نمود. مکانیزم تخلیهی اتوماتیک خاکستر از یک مجموعه‌ی موتور و جعبه دنده و دو عضو متحرک تشکیل شده است. یکی از این اعضا وظیفه‌ی باز نمودن دریچه‌ی خروجی خاکستر و هدایت آن به سمت مسیر خروجی نهایی را برعهده دارد و قطعه‌ی دوم اقدام به تخلیهی خاکستر به خارج از مشعل می‌نماید. نحوه‌ی عمل این مکانیزم نیز توسط یک زمان‌سنج با مدت زمان‌های مشخص از قبل تعیین شده بطور کامل قابل تنظیم است.
تصویری از نمونه‌ی ساخته شده‌ی نهایی یک دیگ آب گرم زغال سنگ سوز که برای سیستم ورود و خروج سوخت جامد از مکانیزم جدید تغذیه و تخلیهی تدریجی تمام اتوماتیک بهره می‌برد در شکل ۲ نشان داده شده است. نمونه‌هایی از این دیگ‌ها به کشور افغانستان صادر شده و به بهره‌برداری رسیده‌اند.
شکل ۲: دیگ آب گرم زغال سنگ سوز با بهره‌گیری از مکانیزم جدید تغذیه و تخلیهی تدریجی تمام اتوماتیک
نتیجه‌گیری و جمع‌بندی
علیرغم وجود مقادیر قابل توجهی زغال سنگ حرارتی در ایران، استفاده مؤثری از آنها صورت نمیگیرد. ارزان بودن سوخت‌های مایع و گاز در کنار مشکلات کار با زغال سنگ از جمله مهمترین دلایل این موضوع می‌باشند. بنابراین، به نظر می‌رسد باید با ایجاد تغییراتی در سیاست‌های کلان و همچنین برطرف نمودن دردسرهای ناشی از احتراق با زغال سنگ زمینه را برای فراگیرتر شدن استفاده از این سوخت فراهم نمود. طراحی و ساخت مکانیزم جدید تغذیه و تخلیهی تدریجی تمام اتوماتیک سیستم‌های زغال سنگ سوز، گامی در همین راستا است. این مکانیزم علاوه بر تغذیه و تخلیه اتوماتیک، توانایی تنظیم میزان سوخت ورودی به محفظه‌ی احتراق بر اساس میزان مصرف را نیز دارا می‌باشد.
نویسندگان: رامین احسانی، مهدی رحمانی
ارائه شده در: سومین کنگره ملی زغال سنگ ایران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شهریور ۱۳۹۵
سایر مقالات
برخی محصولات دابو صنعت
