بازیابی حرارت اتلافی، گامی نو در جهت تولید هیدروژن سبز در صنعت سیمان
گفتگو با مهندس ابراهیم دشتی زاده، دانش‌آموخته دانشکده مهندسی مکانیک که پایان‌نامه ایشان با عنوان «تحلیل ترمودینامیکی و اقتصادی سیستم تولید چندگانه‌ی هیدروژن با استفاده از بازیابی حرارت اتلافی کارخانه تولید سیمان» منتخب جشنواره پژوهش و فناوری سال دانشگاه تهران، به عنوان پایان‌نامه نمونه.
ایدۀ اصلی انجام پژوهش
صنایع تولید سیمان بدلیل کاربرد سیمان در تولید بتن و نقش بتن برای ساخت‌وساز بسیار پرکاربرد هستند. بدین جهت، کارخانه‌های تولید سیمان در کنار صنایع فولاد از اصلی‌ترین صنایع تولید کننده آلاینده‌ها هستند. بنابراین هدف اصلی ما در این پژوهش، یافتن راهی برای کاهش این آلایندگی‌ها بود. بدین منظور، ما دو هدف را در این کار پیگیری نمودیم؛ اول اینکه با بازیابی حرارت اتلافی از کارخانه سیمان که علاوه بر دمای بالا، نرخ جریان بالایی نیز دارد، می‌توان با تولید توان، میزان آلایندگی را به طور چشمگیری کاهش داد.
علاوه بر این، با توجه به سوخت مصرفی کارخانه که گاز طبیعی هست و فرآیند احتراق این سوخت فسیلی در کنار فرآیند کلسینه کردن که برای تولید سیمان ناگزیر به انجام هستند، موجب انتشار میزان قابل توجهی مواد آلاینده می‌شود، ما به ارزیابی نقش هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک که در اثر فرآیند احتراق آن هیچ آلاینده‌ای تولید نمی‌شود و می‌تواند در فرآیند جذب کربن نقش به سزایی را ایفا کند، پرداختیم.
بزرگترین چالش
بزرگترین چالش، هزینه محاسباتی بررسی سناریوهای مختلف تولید توان، هیدروژن، آب مصرفی کارخانه و سناریوهای استفاده از هیدروژن تولیدی بود. از آنجا که برای تعیین بهترین سناریوها می‌بایست عوامل ترمودینامیکی نظیر بازده، عوامل اقتصادی و زیست محیطی مورد بررسی قرار می‌گرفت که با توجه به تعداد سناریوهای مورد بررسی که بسیار زیاد بودند، این باعث هزینه محاسباتی بالا می‌شد و کار مقایسه سناریوها را قدری مشکل می‌کرد. خوشبختانه با راهنمایی‌های جناب آقای دکتر هوشفر که نقش بسیار پر رنگی را در حل چالش‌ها داشتند، ما به این جمع بندی رسیدیم که با استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی و با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی، زمان محاسباتی حل مسئله را به طور چشمگیری از ساعت‌ها به تنها چند دقیقه کاهش دهیم و این موضوع خیلی در پیشبرد مسئله و صرفه‌جویی در وقت برای بررسی سناریوهای مختلف کارساز بود.
کلیدی‌ترین نتیجه پژوهش
از همان وهله‌ی اول تمرکز ما بر یک ارزیابی واقعی از مسئله بود، بدین جهت خوشبختانه با توجه به مکاتباتی که صورت گرفت، ما ارزیابی‌ها را بر اساس داده‌های واقعی یک کارخانه سیمان، صنایع سیمان دشتستان در استان بوشهر که می‌بایست واقعا از زحمات و همکاری آنها تشکر کنم، انجام دادیم. به همین دلیل می‌توانم به این نکته اشاره کنم که کلیدی‌ترین نتیجه پژوهش ما این بود که ما نتایج را بر اساس داده‌های واقعی و شرایط موجود ارائه کردیم.
بدین جهت، می‌توان عنوان نمود که با استفاده از طراحی صورت گرفته، در صورت استفاده از سناریو بهینه انتخابی که در این پژوهش از نظر ترمودینامیکی و اقتصادی تعیین گردید، پیاده‌سازی این سناریو قادر خواهد بود 14 مگاوات برق مصرفی کارخانه را در کنار 380 متر مکعب بر ساعت آب مصرفی کارخانه تولید کند و در کنار آن با توجه به تولید برق با استفاده از بازیابی گرمای اتلافی، موجب کاهش 62550 تن کربن دی اکسید در سال شد و همچنین با استفاده از هیدروژن نیز موجب کاهش مصرف 2361 تن گاز طبیعی در سال شد.
سخنی با مدیران صنعتی
علاوه بر موضوعات اجتماعی و نقشی که مدیران صنعتی می‌توانند با استفاده از این طرح در کاهش آلایندگی‌ها بازی کنند، مهم‌ترین سود طرح‌های این چنینی برای صنایع، به خصوص با توجه به بحث ناترازی انرژی موجود در کشور، تولید برق پایدار مستقل از شبکه برای کارخانه است.
همچنین، از نظر اقتصادی نیز این طرح دارای زمان بازگشت سرمایه بین 3/5 تا 4 سال می باشد و همچنین می تواند سود خالص تقریبا 50 میلیون دلار را صرفا از طریق تولید توان در یک بازه زمانی 20 ساله داشته باشد.
نوآوری‌های تحقیق
می‌توان نوآوری‌های این پژوهش را در سه مورد خلاصه نمود:
- اول اینکه در این پژوهش یک ظرفیت سنجی جامع از کارخانه تولید سیمان صورت گرفت؛ بدین صورت که بر خلاف اکثر مطالعات پیشین که تنها یک منبع حرارتی دما بالا را مورد ارزیابی قرار می‌دادند، در این پژوهش هر دو منبع حرارتی دما بالا شامل گازهای خروجی دودکش اصلی و هوای خروجی از خنک‌کننده کلینکر مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفتند.
- در این پژوهش، تمرکز قابل توجهی بر نقش اکسیژن، محصول جانبی فرآیند الکترولیز آب که برای تولید هیدروژن انجام شد، و استفاده از آن برای فرآیند جذب کربن صورت گرفت.
- ظرفیت سنجی روش‌های شیرین‌سازی آب جهت تامین آب مورد نیاز کارخانه؛ بدین صورت که در حالی که در مطالعات پیشین به تمرکز بر تولید توان اکتفا می‌شد، در این پژوهش به بحث تامین آب مورد نیاز کارخانه نیز پرداخته شد.
امکان اجرا در مقیاس صنعتی
خوشبختانه با توجه به بررسی داده‌های واقعی، این پژوهش قابلیت عملی شدن در مقیاس صنعتی در کشور را دارد؛ چرا که طرح‌های این چنینی در کشور‌های بسیاری، هم در اروپا و هم در کشور‌های حوزه خلیج فارس، به بهره‌برداری رسیده‌اند و با توجه به بحث ناترازی‌های انرژی می‌تواند کمک چشمگیری در زمینه تامین برق در کنار کاهش آلایندگی‌ها داشته باشد.
سخن پایانی
در انتها می‌خواهم از استاد راهنمای خودم، جناب آقای دکتر احسان هوشفر بابت تمام زحماتی که با صبر و حوصله در این مسیر کشیدند تشکر کنم. همچنین، می‌خواهم از پدر و مادرم که در تمامی این مسیر پژوهشی بنده را یاری کردند ودوستانم آقایان پورمددی، مهرپور، الهامی و رستمی که با نظراتشان در تکمیل هر چه بهتر این پایان‌نامه به من کمک کردند نیز تشکر کنم.
