تهیه کننده آرش اصغری نژاد دکتری مکانیک تبدیل انرژی
چكيده:
با افزايش ميزان زباله ها خصوصاً زباله های شهری والزامات جهت پاکسازی در جهت دفن انواع زباله های آلوده لزوم استفاده از زباله سوز های صنعتی در بخش های مختلف خصوصاً در مورد زباله های خطرناک و زباله های پلاستيکی ولاستيکی را اجتناب ناپذير می نمايد.به اين منظور انواع زباله سوزها بر اساس کيفيت زباله ها مورد ارزيابی قرار گرفت وامکانات مربوط به اين زباله سوزها ولزوم از بين بردن خاصيت اسيدی و پاکسازی هوای خروجی استفاده از سنگ آهک وهيدروکسيد سديم را بوجود مي آورد..همچنين با توجه به اينكه اولين سيستم پيشرفته زباله سوز در زمينه زباله هاي شهري در ايران مورد بحث وبررسي قرار گرفت ،طراحي براساس اين زباله ها انجام پذيرفت ودر نهايت صحت و درستي اين روابط به وسيله نرم افزار فلوئنت مورد بررسي قرار گرفت.
كليد واژه:زباله سوز،زباله،احتراق،انتقال حرارت،فلوئنت
مقدمه:
در اين پروژه به زباله ها به عنوان يک بخش حياتی در زندگی روزمره نگريسته شده خصوصاً که بخش حرارت زباله سوزها و نحوه طراحی کوره های حرارتی به عنوان يک بخش مهمي از اين صنعت می باشد،براي رجوع وبررسي مي توان به كتابهايHAND BOOK OF INCINERATION SYSTEMو HANDBOOK OF ENVIRONMENT ENGINEERING CALCULATION ويابه سايت ELSEVIER مراجعه نمود،زباله سوزها در ايران در بيمارستانها مورد استفاده قرار گرفت ،امابه علت كنترل نامناسب بر روي پروسه زباله سوزي ،سوزاندن زباله در محل بيمارستانها بطور كلي ممنوع گرديد،امابا توجه به مشكلات ايجاد شده اولين سيستم پيشرفته زباله سوز توسط شركت كره اي در قسمتهاي شمالي ايران براي زباله هاي شهري مورد بحث وبررسي قرار گرفت، اساس كار طراحي پروژه را زباله هاي شهري ودر مورد يكي از مناطق تهران براساس آماري كه سازمان بازيافت در پاييز 1384 مورد بحث وبررسي قرار داد،انجام داديم.
1-انواع زباله سوزها براساس کيفيت زباله ها
2-1-سيستم های زباله سوز کوره چرخشی
زباله سوز کوره چرخشی می تواند جدا کننده زباله های جامد، مايع و زباله‌های جامد رسوب شده(لجن)باشد،اما بصورت كلي براي زباله هاي جامد طراحي گرديده است.
2-1- زباله سوزهای مايع زباله
اما برای وقتی که تنها دارای زباله های مايع باشيم ،بهترين نوع زباله سوز زباله سوزهای مايع زباله می باشد.
3-1- زباله سوزهای ته نشين شده «لجن»
چندين مدل مختلف کوره برای زباله سوزهای زباله ته نشين شده «لجن» وجود دارد اين مواد شامل شبه مايعاتی هستند که با ذرات ريز جامدترکيب می شوند،که انواع اين زباله سوزها عبارتند از: کوره های چندحرارتی ، کوره های بستر جريان ، کوره های مادون قرمز.
2- اساس طراحی حرارتی زباله سوزها
زباله سوزی يک فرآيند حرارتی است که می بايست حرارت مورد نياز در آن مورد محاسبه قرار گيرد؛ زباله هايی که انرژی مورد نياز برای احتراق ندارند بايد انرژی مورد نياز برای احتراق آنها بوجودآيد. طراحی سيستم زباله سوزها بايد از محاسبه نرخ حرارت مورد نياز شروع گردد. برای محاسبه حرارت مراحل زير بايد حتماً طی گردد:
1-2- شناسايی کيفيت زباله ها.
2-2-شناسايی زباله های خطرناک و نياز به حرارت مورد نياز.
3-2- آناليز مجاورت حرارت و تخمين دماي مورد نياز.
اما برا ساس تجربيات مقدار حرارت مورد نياز براي كارايي بهتر سوختن زباله ها به صورت زير پيشنهاد شده است:
مواد مرطوب دما حدود 110 درجه سانتيگراد،مواد فرار دمای 725 درجه سانتيگراد،مواد کربن دار دمايی در حدود 950 درجه سانتی گراد،اگر مجموع مواد تشکيل زباله هابر حسب درصد در نظر بگيريم مقدار حرارت مورد نياز براساس درصد مواد تشکيل دهنده مي باشد،براي مواد خطرناك براساس مواد تشكيل دهنده براي نابودي كامل زباله ها دما بيشتر از1200 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شود
4-2-آناليز تخمين کميت اجزاء تشکيل دهنده و بدست آوردن هوای مورد نياز برای احتراق زباله ها.
5-2- اندازه گيری مقدار حرارت آزاد شده.
6-2 به دست آوردن سوخت مورد نیاز برای به دست آوردن حرارت مورد نیاز
3-طراحی زباله سوزبراساس پروژه مورد مطالعه
بر اساس فصلنامه آماری مديريت پسماند حداکثر زباله توليدی در يكي از ايستگاههاي مناطق تهران برابرton /day 150 وبر اساس آناليز انجام پذيرفته كيفيت زباله ها براساس زير است.
جدول1:آناليز تخمين كيفيت زباله ها براساس آمارمنتشر شده در سازمان بازيافت در منطقه كاركو تهران(sep 2006)
| کربن | اکسيژن | هيدروژن | گوگرد | نيتروژن | بخشهای ديگر |
| 8/44 | 8/33 | 9/5 | 31/0 | 06/2 | 13/13 |
همچنين ميزان رطوبت نوعی زباله های شهری بين 15 تا 40 درصد است که برای زباله های تهران 25 درصد در نظر گرفته شده است.
با توجه به اينكه زباله شهري بيشتر داراي زباله جامد مي باشد زباله سوز را كوره چرخشي(1) در نظر مي گيريم اما اساس طراحي بر اين اصل استوار است در ابتدافرض بر اين است كه نياز به سوخت نداريم سوزاندن زباله ها را بر اساس ارزش حرارتي بالاي سوخت انجام مي پذيرد كه اين مقدار بايد با حرارت توليد شده و تفاوت حرارتي با دماي °c25 (بنا بر تعريف ارزش حرارتي بالاي سوخت) جمع گردد در صورت مثبت بودن حدس اوليه ما اشتباه بوده است وما براي تخريب كامل زباله ها نياز به سوخت داريم،ولي اگر اين مقدار صفر يامنفي باشد نشان مي دهد كه كيفيت زباله ها به گونه اي است در آن دما قادر به سوختن وتخريب كامل مي باشد..
بنابراين فرمول زير براي احتراق زباله ها مورد استفاده مي شود:
اما آنتالپي ورودي بر اساس فرمول زير وباتوجه به اينكه دماي زباله ها را برابر°F 77 در نظر گرفتيم .
آناليز تقريبي زباله:
Moisture =25%
Non combustible (inert) =8.03 % (ashes)
Combustible =66.97 %
آناليز نهايي:
C : 44.86 wt %
O : 33.8 wt %
H : 5.9 wt %
S : 0.31 wt %
N : 2.06 wt %
Cl : 13.07 wt %
سوخت:
Natural gas (C : 0.693 , H : 0.227 , N : 0.08 , by mass)
Fractional excess air = 1.75
Flue gas temperature = 1700 o F
محاسبات مربوط به ارزش حرارتي زباله و سوخت:
حل: براي حل اين مساله رهيافت سعي وخطا لازم ميباشد. ابتدا فرض ميشود که سوخت اضافي لازم نيست، و فرآيند استاندارد تعيين Q دنبال مي گردد. اگر Q کمتر يا مساوي صفر باشد، فرض ما درست بوده است در غير اين صورت فرض ما درست نبوده و نرخ جرياني سوخت با سعي وخطا بايد حدس زده شود. [1]
ابتدا فرض ميشود که هيچ سوختي نياز نداريم.
گام 1: تعيين نرخ جرياني رطوبت، مواد غير قابل اشتعال (inert) و نرخ Cl، S، N، O، H، C.
گام 2: محاسبه هواي تئوري
بنابراين
گام 3: محاسبه هواي واقعي بر اساس مقدار هواي اضافي
و
گام 4: تعيين نرخ جريان گازهاي خروجي
گام 5: محاسبه Q
w (نرخ جريان ورودي مواد قابل اشتعال) را به صورت زير محاسبه مينماييم:
براي محاسبه در oF1700 از جدول زير داريم:
جدول : گرمای ويژه متوسط [1]
| Mean specific heat (CPM ) of various flue gas species (Reference temperature 77oF | ||||||||
| CPM ( Btu/lb-mole oF ) | ||||||||
| T ( oF ) | Air | O2 | N2 | CO2 | HCL | SO2 | H2O (g) | |
| 77 | 6.94 | 7.02 | 6.94 | 8.88 | 6.95 | 9.97 | 8.04 | |
| 100 | 6.95 | 7.04 | 6.95 | 8.94 | 6.95 | 10.06 | 8.05 | |
| 200 | 6.98 | 7.11 | 6.97 | 9.2 | 6.96 | 10.44 | 8.1 | |
| 300 | 7.01 | 7.18 | 6.99 | 9.45 | 6.98 | 10.78 | 8.15 | |
| 400 | 7.04 | 7.25 | 7.01 | 9.69 | 7.01 | 11.07 | 8.21 | |
| 500 | 7.07 | 7.32 | 7.04 | 9.91 | 7.05 | 11.33 | 8.27 | |
| 600 | 7.11 | 7.38 | 7.06 | 10.12 | 7.1 | 11.56 | 8.33 | |
| 700 | 7.15 | 7.44 | 7.09 | 10.32 | 7.16 | 11.76 | 8.4 | |
| 800 | 7.18 | 7.49 | 7.12 | 10.51 | 7.22 | 11.92 | 8.47 | |
| 900 | 1.22 | 7.55 | 7.16 | 10.68 | 7.3 | 12.07 | 8.54 | |
| 1000 | 7.25 | 7.6 | 7.19 | 10.85 | 7.34 | 12.2 | 8.61 | |
| 1100 | 7.29 | 7.65 | 7.23 | 11.01 | 7.4 | 12.3 | 8.68 | |
| 1200 | 7.33 | 7.7 | 7.26 | 11.16 | 7.46 | 12.39 | 8.75 | |
| 1300 | 7.37 | 7.74 | 7.3 | 11.3 | 7.52 | 12.48 | 8.83 | |
| 1400 | 7.41 | 7.79 | 7.33 | 11.43 | 7.57 | 12.55 | 8.91 | |
| 1500 | 7.44 | 7.83 | 7.37 | 11.55 | 7.62 | 12.61 | 8.98 | |
| 1600 | 7.48 | 7.87 | 7.41 | 11.67 | 7.66 | 12.68 | 9.06 | |
| 1700 | 7.52 | 7.91 | 7.44 | 11.78 | 7.68 | 12.74 | 9.14 | |
| 1800 | 7.55 | 7.95 | 7.48 | 11.88 | 7.7 | 12.81 | 9.22 | |
| 1900 | 7.59 | 7.98 | 7.52 | 11.98 | 7.7 | 12.89 | 9.29 | |
| 2000 | 7.63 | 8.02 | 7.55 | 12.07 | 7.7 | 12.97 | 9.37 | |
و فرض ميکنيم
پس با توجه به اينکه دمای اشباع آب در فشار atm 1، 212 درجه فارنهايت میباشد و همچنين با توجه به جداول ترموديناميکی داريم:
براي (H sensible)inlet در oF 77 داريم:
بنابراين:
بحث: چون Q مثبت است، فرض لازم نبودن سوخت غلط بوده و بنابراين با استفاده از سعي و خطا بايد مقدار سوخت مورد نياز را تخمين بزنيم:
فرض:
oil flow rate =5000 lbm/hr
گام 1: تعيين نرخ جرياني رطوبت ، مواد غير قابل اشتعال (inert) و نرخ C,H,O,N,S,Cl و سوخت
براي سوخت داريم:
بنابراين:
گام 2: محاسبه هواي تئوري
بنابراين:
گام 3: محاسبه هواي واقعي بر اساس مقدار هواي اضافي:
و
گام 4: تعيين نرخ جريان گازهاي خروجي:
گام 5: محاسبه Q :
براي محاسبه (H sensible)inlet در oF 1700 از جدول داريم :
و فرض مي کنيم
پس:
براي (H sensible)inlet در oF 77 داريم:
بنابراين:
حال مي خواهيم تاثير پيش گرم کردن هواي ورودي را مشاهده نماييم .
هواي ورودي را تا oF 300 پيش گرم مي کنيم :
بنابراين:
4-شبيه سازي رياضي زباله سوزها به وسيله نرم افزار FLUENT:
حال در اين قسمت مقاله صحت ودرستي نتايج به دست آمده با نرم افزار فلوئنت مورد ارزيابي قرار مي گيرد،مراحل طراحي بصورت زير است:
4-1-گريد بندي
با توجه به طراحي مسئله كوره بصورت كوره چرخشي باسرعت rad/s 1.5 و ابعاد2 ft 15*5 وبا دبي اشاره شده در پروژه مسئله را با گريد بندي زير وبا فرض اينكه زباله هابر روي سطح كوره پخش مي شود وزاويه زباله سوز نسبت به افق º6 باشد مسئله را حل مي كنيم،اما شكل شبيه سازي شده با بيش از 2 ميليون گريد مطابق شكل 1 است.
شكل 1-گريد بندي كوره چرخشي براساس احتراق مورد نياز
4-2-ورود اطلاعات مسئله
با توجه به اينكه مدل احتراق ما پيچيده است و جريان آشفته در داخل كوره داريم بنابراين از روش specious transport با متدssipation eddy de استفاده مي كنيم،اما به علت اينكه بتوانيم جريان چرخشي را بهتر مدل كنيم مدل turbulance را k-ε در نظر مي گيريم،همچنين با توجه به اينكه فضاي تشعشع بزرگ است براي اينكه بتوانيم ضريب جذبها را نيز مدل كنيم از روش P1 استفاده مي كنيم با وارد كردن واكنش هاي احتراق مسئله قابل حل است.
4-3-خروجي هاي مسئله
اما با حل مسئله به نتايج جالبي در زمينه احتراق مي رسيم وخروجي دما دقيقاً همان خروجي است كه ما در طراحي اوليه از آن استفاده نموده بوديم،اما كانتورهاي دما در شكل 2 ودماي متوسط در خروجي زباله سوز در شكل 3 آمده است.
شكل2-كانتورهاي دماي خروجي از مسئله شكل 3-ميانگين دماي خروجي از زباله سوز
اما هدف ديگر در اين شبيه سازي نرخ جريان اجزاء در زباله سوزها مي باشد،كه در شكل هاي زير اجزاء مهم زباله سوز ديده مي شود:
شكل4-نرخ توزيع اكسيژن در كوره
شكل5- نرخ توزيع گاز متان در كوره
شكل6-نرخ توزيع HCL در كوره
شكل7-نرخ توزيع گاز CO2 در كوره
نتيجه گيري
همانطور كه در شكل 2 و3 معادلات وواكنش هاي احتراق در زباله سوزهابدست آمده صحت ودرستي فرضیه فصل سوم دمای پیش فرض 950 درجه سانتيگراد با دمای مجموع فضای کوره 1157 درجه کلوین (884 درجه سانتیگراد)برابر است که نشان از صحت محاسبات دارد؛همچنین نحوه توزیع اکسیژن در شکل 4، نرخ توزيع گاز متان در كوره شكل5، نرخ توزيع HCL در كوره شكل6 و نرخ توزيع گاز CO2 در كوره شكل7 نشان از احتراق کامل توزیع مناسب سوخت و اکسیژن در طول سطح کوره می باشیم.
اما براي زباله هاي بيمارستاني وخطرناك اين سيستم به تنهايي جوابگو نمي باشد واحتياج به كنترل كننده دمايي آنالوگ،فیلترهای مکانیکی،تمیز کننده های سیالاتی مي باشد كه نرخ جريان حرارتي را در هر لحظه تحت كنترل در آورد،كه اين فرآيند بدون استفاده كامپيوتر آنالوگ يا اپراتور ماهر که تمام پارامترهای موثر را مدنظر قرار می دهند امكان پذير نمي باشد.
مراجع
[1]calvin bruner,P.E.,D.E.E reprinted in1998 “HAND BOOK OF INCINERATION SYSTEMS”
2-آمار مربوط به سازمان بازيافت انرژي سال 1384
[3] “HANDBOOK OF ENVIRONMENT ENGINEERING CALCULATION”