طرح بازیابی حرارت و تولید برق در زنجیره فولاد کشور به روش ORC

به دلیل قیمت‌های متعادل و دسترسی مناسب به منابع انرژی که تاکنون وجود داشته است، سرمایه‌گذاری در بخش بازیابی حرارت در کشور به کلی مغفول مانده است و سالانه میزان قابل توجهی انرژی حرارتی قابل بازیابی در بخش صنعت کشور هدر می‌رود.

صنعت فولاد کشور نیز از این موضوع مستثنی نبوده است و علیرغم مطالعات ارزشمندی که در شرکت ملی فولاد ایران و شرکت‌های تابعه طی این سالیان انجام شده است، به دلیل عدم توجیه‌پذیری اقتصادی، کلیه این طرح‌ها در همان فاز مطالعاتی باقی مانده‌ است.

در حال حاضر با توجه به افزایش هزینه‌های تامین برق از شبکه و همچنین مسائل مربوط به تراز منفی تولید برق و گاز در کشور و همچنین تفاهم‌نامه مشترک بین وزارت صمت و نیرو در خصوص سرمایه‌گذاری صنایع در حوزه نیروگاه، به نظر می‌رسد زمان مناسبی برای بازنگری صنایع در بازیابی هدرفت‌های گرمایی خود و تبدیل آن به انرژی برق باشد. به خصوص که با عنایت به توسعه تکنولوژی‌های جدید، هزینه‌های سرمایه‌گذاری در این حوزه تا حد زیادی نسبت به گذشته تعدیل شده است و همزمان کارایی سیستم‌های بازیابی حرارت تا حد زیادی افزایش یافته است. یکی از این تکنولوژی‌های به نسبت جدید در مبحث بازیابی حرارت، روش (Organic Rankine Cycle)‌ORC  می‌باشد که در مقیاس تجاری توسعه مناسبی در سطح جهانی یافته است.

از منظر فنی سیکل‌های گاز برایتون و بخار رنکین روش‌های اصلی تولید الکتریسیته هستند. در حوزه بازیابی حرارت، سیکل‌های سنتی بخار رنکین کاربرد فراگیری داشته‌اند. به عنوان مثال در صنعت فولاد هند، شرکت اسار توانسته است با استفاده از سیکل بخار رنکین از خروجی استک چهار مدول احیا مستقیم خود به میزان 19 مگاوات برق تولید نماید. نمونه‌های بازیابی حرارت به این روش در صنایع جهان بی‌شمار است. با این وجود، همچنان طیف گسترده‌ای از منابع انرژی وجود دارند که از لحاظ تکنولوژی و یا اقتصادی نه سیکل‌های گازی و نه سیکل‌های بخار، قابلیت تولید توان از آنها را ندارند. زمانی که دمای یک منبع حرارتی، پایین و امکان تامین شرایط مورد نیاز سیکل‌های تولید توان معمول را نداشته باشد، استفاده از راه‌حل‌های جایگزین ضرورت می‌یابد. در حال حاضر سیکل رنکین آلی یا همان ORC با توجه به ویژگی‌های قابل توجه خود به عنوان یک راه حل جایگزین مناسب در دسترس صنایع است.

سیکل رنکین آلی، یکی از شناخته شده‌ترین راه حل‌ها برای تولید توان از منابع انرژی در رنج دمایی است که سایر روش‌های سنتی توان تولید اقتصادی نخواهند داشت. این فناوری توانسته است در طول سالیانی که معرفی شده است، در پروژه‌های گوناگون، کارآمدی و ظرفیت‌های خود را آشکار سازد. استفاده از ترکیبات آلی در چرخه رانکین آلی، بازیابی مقرون به صرفه انرژی از منابع گرمایی با دمای پایین‌ (معمولا در محدوده 80 تا 200 درجه سانتیگراد) را امکان‌پذیر می‌کند. در مقایسه با بخار، سیالات کاری مناسب برای چرخه رانکین آلی وزن مولکولی بالا و نقطه جوش پایینی دارند. این سیالات استخراج انرژی از منابع دمای پایین را با استفاده از سیستم‌های طراحی ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر را امکان‌پذیر می‌سازد. نرخ تبدیل از توان حرارتی به برق بسته به انتخاب بهترین سیال عامل برای جریان بازیابی، انتخاب و بهینه‌سازی بهترین طرح و اجزای سیستم، متفاوت خواهد بود.

امروزه این تکنولوژی به بلوغ کامل رسیده است و در حال حاضر شرکت‌های بسیاری در سراسر جهان از قابلیت‌های آن در تولید الکتریسیته، بهره می‌برند. متاسفانه تا به امروز هیچ سابقه‌ای از استفاده تجاری از چنین فناوری در ایران وجود ندارد و با وجود تعداد و تنوع بسیار زیاد منابع حرارتی مناسب برای ORC در کشور، امکان استفاده از این منابع انرژی، تاکنون مهیا نشده است.

از بعد فنی این سیکل به دلیل استفاده از سیال عامل آلی، سیکل رنکین آلی نامگذاری شده است. چرخه رنکین یک چرخه ترمودینامیکی است که گرما را به کار تبدیل می‌کند. اصل چرخه رانکین آلی مبتنی بر یک توربوژنراتور است که مانند یک توربین بخار معمولی کار می کند تا انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی و در نهایت از طریق یک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل کند. تفاوت اصلی آن با سیکل رنکین از سیال عامل نشات می‌گیرد که به جای تولید بخار از آب، در سیستم ORC یک سیال آلی با جرم مولکولی بالاتر از آب جایگزین شده است، که منجر به چرخش آهسته‌تر توربین، فشار کمتر سیستم و عدم فرسایش قطعات و پره‌های فلزی می‌شود. انتقال گرما از منبع اصلی حرارت به سیکل بهتر است توسط روغن حرارتی (Thermal Oil) انجام گیرد.

از جمله مزایای این سیکل می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • کاهش انتشار دی اکسید کربن
  • کاهش مصرف سوخت واحد تولیدی
  • افزایش پایداری با دستیابی به بیشترین بازده سیکل تولید توان
  • سهولت نصب بدون تاثیر بر فرآیند تولید یا عملکرد تجهیزات اصلی
  • بدون مصرف آب و در نتیجه عدم نیاز به تصفیه آب و دی‌اریتور
  • عملکرد خودکار بدون نیاز به حضور اپراتور
  • راندمان بالای سیکل تا 30٪
  • عملکرد با راندمان بالا و انعطاف‌پذیری کامل در بار متغییر از 10٪ تا 110٪ بار اسمی
  • عدم نیاز به بخار سوپرهیت
  • دمای ورودی توربین پایین‌تر و در نتیجه عمر بیشتر توربین
  • جمع و جور بودن به دلیل چگالی بالاتر سیال عامل
  • فشار اواپراتور پایین‌تر
  • دمای کندانس بالاتر
  • امکان بازیابی حرارت در دمای پایین

علاوه بر مزایای فوق باید به عدم نیاز به خدمات نیروگاه داری و به کارگیری تعداد پرسنل بسیار محدود اشاره نمود.

منابع تامین‌کننده انرژی سیکل ارگانیک رانکین می‌تواند بسیار متنوع و شامل موارد زیر باشد:

1-بایومس یا زیست‌توده

2-حرارت اتلافی در صنایع از جمله گاز دودکش کوره‌ها در صنایع ذوب فلزات، شیشه‌سازی، کارخانه سیمان، پالایشگاه‌ها، توربین‌های گاز و صنایع دیگر

3-زمین گرمایی

4-خورشید

شرکت‌های تولیدکننده واحدهای ORC در دنیا تاکنون تجربیات موفق زیادی در بازیابی حرارت در صنایع مختلف و همچنین در زنجیره فولاد داشته‌اند. در کشور ما با توجه به کامل بودن زنجیره تولید فولاد، فرصت‌های بازیابی حرارت در تمام زنجیره  وجود دارد، که بر اساس مطالعات انجام شده در شکت ملی فولاد ایران، بسته به ظرفیت تولید واحدها می‌توان بین 3 تا 12 مگاوات‌ساعت برق از محل هدررفت انرژی تولید نمود.

بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد که یکی از بهترین موقعیت‌های نصب این سیستم در زنجیره فولاد کشور بخش خروجی گازهای ریفرمر (استک) در واحدهای احیا مستقیم است. از جمله دلایل برتری این گزینه، تمیز و فاقد ذرات جامد بودن این گاز، دمای نسبتا بالای گاز در حدود 400 درجه سانتیگراد و همچنین فضای مناسب برای تعبیه سیستم انتقال حرارت می‌باشد. علاوه بر این با توجه به تولید برق حدود 50% نیاز کارخانه (مصرف برق یک واحد 800 هزارتنی احیا مستقیم در حدود 12 مگاوات می‌باشد) می‌توان با توجه به عدم قطع برق این واحد در تابستان، بحث اقتصاد پروژه را از نظر عدم نفع واحد تولیدی به خوبی تعریف کرد.

علاوه بر بخش احیا مستقیم، خوشبختانه می‌توان از این تکنولوژی برای واحدهای گندله‌سازی، فولادسازی، نورد و سایر منابع حرارتی اتلافی موجود در زنجیره با دمای حداقل 80 درجه سانتی‌گراد بهره برد. همچنین لازم به یادآوری است که این تکنولوژی می‌تواند در سایر صنایع کشور از نفت و پتروشیمی گرفته تا سیمان و صنایع شیشه و … استفاده شود.

آنچه در حال حاضر به عنوان چالش اصلی در به‌کارگیری این تکنولوژی مطرح است، عدم همکاری شرکت‌های صاحب تکنولوژی در تامین تجهیزات و تحویل آن به دلیل مساله تحریم‌ها است. بنابراین در اینجا فضا برای کار شرکت‌های داخلی در این زمینه کاملا فراهم است و شرکت ملی فولاد ایران از شرکت‌هایی که بتوانند در زمینه بومی‌سازی این تکنولوژی اقدام کنند استقبال خواهد کرد.

سیدمحسن هاشمی،……