ضرورت بازنگری مصرف انرژی و راه های کاهش آن در صنعت سیمان

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکز *(مسوول مکاتبات).

2 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه ایلام

3 استاد دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

رشد روز افزون مصرف انرژی و محدودیت منابع فسیلی که اصلی ترین منبع تولید انرژی در ایران و جهان هستند، جوامع صنعتی را برای تامین انرژی مورد نیاز در حال حاضر و آینده به تکاپو وا داشته است. بیش از 26% کل انرژی ایران در بخش صنعت به مصرف می رسد. بخش سیمان یکی از زیر بخش های مهم صنعت است که به شدت وابسته به انرژی می باشد، به گونه ای که بیش از 15% از انرژی مربوط به بخش صنعت در این  زیر بخش به مصرف می رسد. با  نگاه به هدفمند کردن یارانه ها و آزاد سازی نرخ انرژی، وضعیت فعلی سیمان در مصرف انرژی  به بازنگری جدی نیاز دارد. مدیریت تولید، تغییر در نوع مواد تشکیل دهنده سیمان،  یافتن راهکارهای جایگزین انرژی  و  وارد کردن تکنولوژی جدید می تواند نتایج مناسبی در کاهش مصرف انرژی در صنعت سیمان داشته باشد. در این مقاله ضمن بررسی انرژی مصرفی در 2بخش الکتریکی و گرمایی در دستگاه های مختلف در یک واحد تولید سیمان، راهکارهای کاهش انرژی در هر بخش از فرایند مورد بررسی قرار می گیرد. آنچه از مطالعات و تحقیقات پژوهشی در واحدهای تحقیق و توسعه فعال در صنعت  سیمان درسال های اخیر بدست آمده، نشان از تغییر روش های تولید با اهمیت کاهش مصرف انرژی و افزایش تولید داشته است؛ تغییراتی مانند جایگزینی روش خشک  به جای روش تر و یا توسعه پیش گرمکن و پری کلسیناتورها، امروزه در صنعت سیمان علاوه بر تاکید بر کاهش مصرف انرژی در جهت کم کردن هزینه تمام شده محصول،مسایل زیست محیطی هم مورد توجه قرار گرفته است. از آنجایی که به ازای kg1 سیمان تولیدی بیش ازkg7/0 گاز کربن دی اکسید و دیگر آلاینده ها  وارد محیط زیست می شود، لذا اگر از سوخت های جایگزینی استفاده شود که تعداد کربن کمتری در فرمول مولکولی خود دارند،علاوه بر کاهش مصرف و کاهش هزینه،آلاینده کمتری به محیط زیست وارد می شود.

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست ، دورهشانزدهم، شماره ویژه  93

 

ضرورت بازنگری مصرف انرژی و راه های کاهش آن در صنعت سیمان

 

افشار  علی حسینی [1]*

afsharalihosseini@yahoo.com

علی رضا عباس زاده [2]

داریوش باستانی [3]

 

تاریخ دریافت:30/3/88

تاریخ پذیرش:2/9/88

 

چکیده

رشد روز افزون مصرف انرژی و محدودیت منابع فسیلی که اصلی ترین منبع تولید انرژی در ایران و جهان هستند، جوامع صنعتی را برای تامین انرژی مورد نیاز در حال حاضر و آینده به تکاپو وا داشته است. بیش از 26% کل انرژی ایران در بخش صنعت به مصرف می رسد. بخش سیمان یکی از زیر بخش های مهم صنعت است که به شدت وابسته به انرژی می باشد، به گونه ای که بیش از 15% از انرژی مربوط به بخش صنعت در این  زیر بخش به مصرف می رسد. با  نگاه به هدفمند کردن یارانه ها و آزاد سازی نرخ انرژی، وضعیت فعلی سیمان در مصرف انرژی  به بازنگری جدی نیاز دارد. مدیریت تولید، تغییر در نوع مواد تشکیل دهنده سیمان،  یافتن راهکارهای جایگزین انرژی  و  وارد کردن تکنولوژی جدید می تواند نتایج مناسبی در کاهش مصرف انرژی در صنعت سیمان داشته باشد. در این مقاله ضمن بررسی انرژی مصرفی در 2بخش الکتریکی و گرمایی در دستگاه های مختلف در یک واحد تولید سیمان، راهکارهای کاهش انرژی در هر بخش از فرایند مورد بررسی قرار می گیرد. آنچه از مطالعات و تحقیقات پژوهشی در واحدهای تحقیق و توسعه فعال در صنعت  سیمان درسال های اخیر بدست آمده، نشان از تغییر روش های تولید با اهمیت کاهش مصرف انرژی و افزایش تولید داشته است؛ تغییراتی مانند جایگزینی روش خشک  به جای روش تر و یا توسعه پیش گرمکن و پری کلسیناتورها، امروزه در صنعت سیمان علاوه بر تاکید بر کاهش مصرف انرژی در جهت کم کردن هزینه تمام شده محصول،مسایل زیست محیطی هم مورد توجه قرار گرفته است. از آنجایی که به ازای kg1 سیمان تولیدی بیش ازkg7/0 گاز کربن دی اکسید و دیگر آلاینده ها  وارد محیط زیست می شود، لذا اگر از سوخت های جایگزینی استفاده شود که تعداد کربن کمتری در فرمول مولکولی خود دارند،علاوه بر کاهش مصرف و کاهش هزینه،آلاینده کمتری به محیط زیست وارد می شود.

واژه های کلیدی: سیمان، انرژی، انرژی های جایگزین، توسعه ترکیبات سیمان

 

مقدمه


بخش صنعت مقدار قابل توجهی از مصرف انرژی در جهان را به خود اختصاص داده است. سیمان یکی از مهم ترین صنایع مصرف کننده انرژی به ویژه منابع فسیلی است.از این رو تولید انرژی با استفاده از سوخت های فسیلی توسعه یافته و انتشار گازهای آلاینده در محیط زیست بیشتر شده است(1،2).کل تولید سیمان در جهان بالغ بر 000/000/900/2 تن در سال می باشد(3) و کشور ایران با رشد سریعی که در بخش سیمان در چند سال اخیر در زمینه احداث کارخانه های جدید و توسعه کارخانه قدیمی در جهت افزایش تولید داشته است، به مرز خودکفایی با تولید000/000/56 تن در سال رسیده(4)و با بهره برداری از چند کارخانه دیگر که در سال های آینده وارد چرخه تولید می شوند، بالغ بر 000/000/60 میلیون تن سیمان در سال تولید می شود(5).به عبارتی %3/2 از سیمان جهان در ایران تولید می شود(این عدد در 2دهه گذشته در حدود %04/0بوده است). از نگاه کارشناسانی که در بخش سیمان فعال هستند  و رشد سالیانه 10% که برای این صنعت پیش بینی کرده اند میزان تولید برای سال1390 در حدود 72 میلیون تن پیش بینی شده است اما با نگاه به اعداد فوق در می یابیم خیلی زودتر از این زمان به عدد پیش بینی شده دست یافته می شود.  صنعت سیمان در جهان مصرف کننده 2% از کل انرژی تولیدی و 5/1%از کل سوخت مصرفی می باشد. تولید سیمان در بخش های مختلفی صورت می پذیرد که هر کدام از آنها  مقادیر مصارف ویژه انرژی را به خود اختصاص می دهند.انرژی در صنعت سیمان به دو صورت الکتریکی و گرمایی به مصرف می رسد که هر کدام از این بخش ها از لحاظ هزینه تولید و تاثیر بر قیمت تمام شده محصول  متفاوت می باشند(6). مصرف ویژه انرژی الکتریکی در کل خط تولید سیمان در  کشور حدود kg   of cement/kwh119 و مصرف ویژه انرژی حرارتی که بخش اعظم آن در واحد پخت  با        kg cli/Kcal750 صرف می شود،معادل  ton cli/ lit fuel105 می باشد(7و این در حالی است که میانگین انرژی گرمایی مصرف شده در جهان  ton/ lit fuel80است.از مقایسه اعداد گزارش شده می توان پی برد که مصرف انرژی در بخش سیمان در ایران 31/1 برابر میانگین مصرف انرژی در جهان می باشد. امروزه تامین کنندگان  عمده تجهیزات سیمانی در هنگام عرضه محصولات خویش اعداد شاخص مقادیر مصرف  انرژی را به عنوان امتیازات و ویژگی های محصولات خویش معرفی می نمایند. توجه به مقادیر ویژه انرژی در هر دستگاه در ارزیابی عملکرد آن دستگاه موثر بوده و پایین بودن آن می تواند به عنوان یک امتیاز مورد توجه قرار گیرد. با توجه به بحث هدفمند کردن یارانه ها که بیشترین بخش آن مربوط به آزاد سازی نرخ انرژی است، فعالان مجموعه صنعت به ویژه بخش سیمان را  به سمت راهکارهایی در جهت کاهش مصرف انرژی فرا می خوانند  با توجه به قیمت پایین  هزینه  کشورهای تولید کننده سیمان نسبت به ایران و  در راٌس آنها کشور چین که بالغ بر 000/000/400/1   تن سیمان در سال تولید می کند( 8 ) و هم اکنون حضور فعال در منطقه دارد،لذا باید هر چه زودتر در بخش تحقیق و توسعه با پژوهش در این کشورها و یافتن روش های جایگزین در جهت کاهش مصرف انرژی گام های عملی برداشته شود و گرنه قدرت رقابت صادراتی این محصول از کشور گرفته می شود. 

 توصیف فرایند سیمان

سیمان محصولی است از ترکیبات شیمیایی سنگ آهک(کلسیم کربنات)، سیلیس، آلومینیوم، آهن و مقادیر کمتری از مواد دیگر که در اثر حرارت بالا به شکل ترکیبی با ویژگی خاص به نام سیمان به دست می آید(9،10). برای دست یافتن این ترکیب باید مواد خام پس از گذراندن از سنگ شکن و اختلاط کامل با همدیگر در آسیاب مواد خام  به صورت پودر عالی درآیند تا بیشترین سطح تماس برای تبادل انتقال حرارت (11) و انجام واکنش های شیمیایی در پیش گرمکن و کوره را داشته باشد.  این پودر پس از عبور از منطقه پیش گرمکن در منطقه پخت به وسیله حرارت دادن در دماOC1400 به کلینکر تبدیل می شود.با توجه به دمای بالای کلینکر برای خنک کردن آن از خنک کننده استفاده می شود. پس از خنک کردن، در بخش آسیاب سیمان در عمل تبدیل کلینکر به پودر سیمان تا 4% گچ به آن اضافه می شود. عمل افزودن گچ برای  دیر گیرش سیمان به کلینکر انجام می گیرد. فرایند تولید سیمان هم اکنون به دو روش خشک و تر انجام می شود، اگرچه با توجه به بازده پایین محصول در فرایند تر و بالا بودن نرخ مصرف انرژی در این روش در سال های اخیر ایجاد و توسعه فرایند تولید به روش خشک انجام گرفته است. شکل(1)فلودیاگرام تولید سیمان  از مواد اولیه در روش  خشک را نشان می دهد.در این دیاگرام نوع انرژی مصرفی هر دستگاه فرآیندی مشخص است(12).

 

 

 

شکل1- فلو دیاگرام تولید سیمان و نوع انرژی مصرفی در دستگاه های فرآیندی

 


انرژی  در صنعت سیمان

 1- انرژی مصرفی در صنعت سیمان

انرژی در صنعت سیمان به دو صورت الف)انرژی الکتریکی ب) انرژی گرمایی مصرف می شود

 الف) انرژی الکتریکی: عموماً در سراسر فرایند تولید سیمان  انرژی الکتریکی مورد استفاده  قرار   می گیرد. برای مثال انرژی الکتریکی مصرف شده جهت خرد کردن سنگ در سنگ شکن، سایش مواد خام در آسیا ب ها، عملیات فن ها و بلور ها در پیش گرمکن و خنک کردن کلینکر،  سیستم های انتقال مانند نوار نقاله ها  و مقدار کمی انرژی الکتریکی برای چرخش کوره دوار را می توان نام برد. بنابر این انرژی الکتریکی تابعی از  گردش مواد به کلینکر و سیمان می باشد،به طور میانگین از لحاظ مقداری  برای هر تن سیمان  در حدود kwh 119 انرژی الکتریکی به مصرف می رسد.

ب) انرژی گرمایی: انرژی گرمایی به طور کلی در فرایند پخت در کوره سیمان به مصرف می رسد. برای تبدیل مواد خام به سیمان دو روش اصلی مورد استفاده قرار می گیرد که عبارتند از:1- روش تر 2- روش خشک . روش تر یک روش قدیمی است که  در آن کوره پخت سیمان بزرگ و بلند می باشد و کوره با  مخلوطی از مواد خام در حالت محلول آبی  سر و کار دارد که در این  فرایند انرژی زیادی برای از دست دادن آب همراه و فرایند کلسیناسیون نیاز  است.

روش خشک که در این روش  کوره پخت به مراتب کوچک و کم حجم شده و مواد خام به صورت پودر خشک وارد کوره می شوند. به علاوه در جدید ترین روش خشک با اضافه کردن دو قسمت پیش گرمکن و پری کلسیناتور که واکنش کلیسنه شدن و از دست دادن کربن دی اکسید در این قسمت انجام شود به طور مناسبی طول کوره ها کم شده است. روش خشک و روش تر از  لحاظ مصرف انرژی و خنک کردن مواد تفاوت قابل ملاحظه ای دارند. در ساده ترین حالت روش تر مقدار انرژی الکتریکی مصرفی کمتری  داشته،اما مقدار انرژی  مصرفی گرمایی به مراتب بیشتر بوده و بازده پایین تری نسبت به روش خشک دارد، به این دلیل در نسل جدید کارخانه های سیمان از روش خشک بهره گرفته می شود.  در روش خشک kj106×3/3 انرژی گرمایی به زای یک تن کلینکر به مصرف می رسد(13). جدول (1) و جدول (2) انرژی الکتریکی و انرژی گرمایی مصرفی در بخش ها تولید در صنعت سیمان را نشان می دهد. شکل (2) مقایسه انرژی مصرفی در صنعت سیمان و میانگین مصرفی در جهان را نشان می دهد.

یکی از عوامل تعیین کننده  مقدار انرژی مصرفی  نوع سیمان  است که به  مواد اولیه  و مواد افزودنی به کلینکر سیمان تولیدی مربوط  می باشد. بلین یا نرمی سیمان برحسب gr/cm2 گزارش می شود.بلین بالا منجر به سایش بیشتر و در نتیجه انرژی مصرفی بیشترمی گردد. اگر مواد اولیه و مواد افزودنی به کلینکر برای تهیه سیمان از درجه سختی بالایی برخوردار باشند، به انرژی بیشتری برای سایش نیاز دارند.جدول (3) انرژی مصرفی برحسب نوع سیمان پرتلند (با افزودنی ها و بلین های متفاوت) را نشان می دهد.

 

 

جدول 1- میزان مصرف انرژی الکتریکی در بخش های مختلف سیمان(14)

ردیف

نام بخش

میزان مصرف(kwh/ton )

درصد مصرف

1

معدن- سنگ شکن

4

4/3

2

سالن اختلاط

5/0

4/.

3

آسیاب مواد خام- سپراتور

30

2/25

4

سیلوی مواد خام و تغذیه کوره

15

6/12

5

سیستم پخت

22

5/18

6

آسیاب سیمان-سپراتور سیمان

44

37

7

بارگیر خانه

2

68/1

8

سایر قسمت ها

5/1

26/1

جمع

119

100

 

جدول 2- میزان مصرف انرژی گرمایی در پخت سیمان

ردیف

مورد مصرف

مقدار (kcal/kg cli)

درصد

1

گرمای تلف شده همراه گاز و گردوغبار خروجی پیش گرمکن

175

3/23

2

تلفات حرارتی از بدنه پیش گرمکن

41

46/5

3

تلفات حرارتی از بدنه کوره

20

66/2

4

گرمای مورد نیاز برای پخت مواد

415

26/55

5

گرمای مورد نیاز برای تبخیر آب آزاد

5

66/0

6

تلفات حرارتی در کولر

88

71/11

7

تلفات حرارتی در خنک شدن کلینکر

7

93/0

جمع

751

100

 

جدول3- مقایسه انرژی مصرفی  در انواع سیمان

نوع سیمان

ترکیب درصد

انرژی  مصرفی برای تولید کلینکر(Mj/t)

انرژی مصرفی برای سایش در آسیاب سیمان(Mj/t)

انرژی کل (Mj/t)

سیمان پرتلند

94% کلینکر و 6% گچ

3384

364

3748

سیمان پرتلند

77% کلینکر، 18% پرکننده و 5% گچ

2772

409

3181

سیمان پرتلند

75%کلینکر، 20% پوزولان و5% گچ

2700

409

3109

سیمان پرتلند

66% کلینکر،30%سرباره و 4% گچ

2376

500

2876

 

 

شکل 2-  انرژی مصرفی در صنعت سیمان و مقایسه آن با میانگین انرژی مصرفی در جهان( 7)

 

 

2- منبع تولید انرژی در صنعت سیمان

انرژی مصرفی در بخش صنعت از دو منبع فسیلی و انرژی الکتریکی تامین می شود.شکل (3) سهم انرژی را در هر بخش نمایش می دهد.

 

 

 

 

 

 

 

شکل 3- سهم منابع تولید انرژی مصرفی در صنعت سیمان(15)

 

 

 

همان گونه که شکل نشان می دهد سهم انرژی الکتریکی 11% و سهم انرژی فسیلی 89% است که خود منبع  فسیلی از دو زیر بخش گاز طبیعی با 60% و محصولات نفتی مانند مازوت،گازوئیل و نفت و... با29% تشکیل می شود. ارزش اقتصادی  انرژی الکتریکی و انرژی فسیلی که در صنعت سیمان مصرف می شود 28% در بخش الکتریکی و 72% در بخش فسیلی می باشد. با توجه به این که در حال حاضر صنعت به طور کلی از انرژی با قیمت یارانه ای  بهره می برد، لذا کمتر رغبتی به سمت سوخت های دیگر از طرف صنعت مشاهــده می شود، در صورتی که در دیگر کشورها به دلیل هزینه بالای انرژی حاصل از منابع فسیلی به سمت سوخت های جایگزین  در صنعت گام برداشته اند. این سوخت ها که تحت نــام سوخت های ثانویه از آن هـا یاد می شــود به سوخت هــایی اطلاق می گردد که در بازارهای معمول  داد و ستد نمی شوند.از مزایای این سوخت ها می توان به موارد زیر اشاره کرد : 1- ارزش حرارتی آن ها با سوخت های فسیلی معادل است 2- آلودگی آن هــا نسبت بــه ســوخت هــای فسیلی کمتــر می باشد(16) زیرا اغلب این سوخت ها در فرمول ساختاری خود از تعداد کربن کمتری برخوردار هستند.این سوخت ها در حقیقت مواد باقیمانده و دو ریز کارخانجات, نیروگاه ها, ضایعات و پسماندهای شهری، حتی کارخانه سیمان و .........می باشند. جدول4 لیستی از سوخت های جایگزین , مقایسه و میزان ارزش حرارتی هر کدام با سوخت های فسیلی را نشان می دهد.

 

 

 

جدول 4-  مقایسه منابع سوخت های جایگزین و میزان ارزش حرارتی آن ها نسبت به سوخت های فسیلی(17)

ردیف

سوخت جایگزین

ارزش حرارتی(Mj/kg)

سوخت فسیلی

ارزش حرارتی((Mj/kg

1

پلی اتیلن

46

نفت سبک

42

2

لاستیک خالص( بدون مواد پرکننده)

36

نفت سنگین

40

3

فلز آلومینیوم

31

زغال سنگ (آنتراسیت)

34

4

روغن های ضایعاتی و ضایعات مختلف پالایشگاه

40-30

کک نفتی

33

5

تایرهای ضایعاتی

32 -28

زغال بیتو مین

29-24

6

لجن اسیدی(حاصل از فرآیندهای نفتی)

22-16

گاز طبیعی

16

7

لایه پاتیل های ذوب آلومینیوم

20

زغال سنگ قهوه ای (لیگنیت با 10% رطوبت)

21-16

8

پوست خرما با 10% رطوبت

19

 

 

9

چوب درخت با 10% رطوبت

16

 

 

10

ضایعات اتومبیل های مستعمل

15

 

 

11

ضایعات خانگی با 10% رطوبت

15

 

 

12

ضایعات کاغذی

15

 

 

13

کود حیوانات

15

 

 

14

لجن فاضلاب خشک با  10% رطوبت

10

 

 

15

لجن فاضلاب خشک با  30% رطوبت

5/7

 

 

 


3- اتلاف انرژی در صنعت سیمان

1.3- اتلاف انرژی الکتریکی

دستگاه های فرآیندی که انرژی الکتریکی را مصرف می نمایند  بر حسب نوع دستگاه مقدار قابـل توجهـی از  انــرژی را تلف می کنند، از جمله این دستگاه ها می توان به  نوع سنگ شکن، نوع آسیاب های مواد خام و سیمان(18) که بیشترین  مصرف کننده انرژی الکتریکی  می باشند، فن هایی که در قسمت های مختلف فرایند مورد استفاده قرار می گیرند، خنک کننده کلینکر، سیستم های انتقال (ایرلیفت ها، الو تورها، نوار نقاله ها، ایر اسلاید ها و....)، اشاره کرد.  با توجه به وزن خود دستگاه  فرآیندی مقداری از انرژی مصرفی صرف انرژی مکانیکی در به حرکت درآوردن ماشین انتقال نیرو می شود.هر چه وزن بدنه ماشین سنگین تر باشد، مقدار انرژی مصرفی برای تبدیل واحد محصول بیشتر یا به عبارتی اتلاف انرژی بیشتر می گردد(19).  مقایسه نوع دستگاه ها نشان     می دهد در دستگاه های جدید به ویژه تغییر آسیاب ها تاثیر قابل توجهی در کاهش انرژی مصرفی در بخش الکتریکی داشته است. بررسی  انجام گرفته از مقایسه دستگاه های نصب شده در سالیان اخیر نسبت به دستگاه های قدیمی  موجود در صنعت سیمان بیان می کند که با تغییر در نوع دستگاه ها  فرآیندی  می توان تا kwh/ton cement 42 در مصرف انرژی صرفه جویی کرد. 

2.3 -اتلاف انرژی گرمایی

همان گونه که ذکر شد بیشترین مصرف انرژی  گرمایی در صنعت سیمان در سیستم پخت می باشد. روش تر که هم اکنون کمترین رغبت برای استفاده از آن می باشد، بیشترین انرژی مصرفی گرمایی را به خود اختصاص می دهد که در این راه انرژی گرمایی زیـادی تلف می شود. شکل (4) مقایسه انرژی مصرفی در روش تر و روش خشک را نشان می دهد.  همان گونه که شکل نشان می دهد،اگرچه در بخش انرژی الکتریکی روش تر نسبت به روش خشک برتری دارد،اما در بخش انرژی گرمایی روش خشک بر روش تر ارجح است  و با توجه به بازدهی محصول در روش خشک در نسل جدید کارخانه های سیمان کاملا از روش خشک استفاده می شود.در روش خشک که در ابتدای ابداع آن بخش عمده ای از وظیفه پیش گرمکن درکوره انجام می گرفت، این عامل باعث ازدیاد  طول کوره پخت و مدت زمان  مانــدگاری بیشتر  مــواد در ایــن کوره می گردید  و در نتیجه مصرف انرژی بیشتر می شد. در توسعه روش خشک، پیش گرمکن گسترش پیدا کرد  که این عامل منجر به استفاده بیشتر از حرارت تلف شده در سیستم پخت شد که توسط  هوای گرم برای رطوبت زدایی مواد در بخش پیش گرمکن انتقــال می یــافت. هم چنیـن در توسعه کارخانه های سیمان در حال حاضر پری کلسیناتور که قسمتی از وظیفه سیستم پخت در بخش واکنش شیمیایی کلسیناسیون مواد خام ورود به کوره را به عهده دارد، به عنوان یکی از سیکلون ها در پایین ترین قسمت پیش گرمکن  اضافه شده است. این عامل باعث کوتاه شدن طول کوره و مدت زمان کمتر توقف مواد در کوره شده و به طبع آن انرژی مصرفی کمتری را برای تولید واحد محصول  به همراه دارد.

 

 

شکل 4- مقایسه انرژی مصرفی در دو روش خشک و تر در کارخانه سیمان(5)

 نتایج و بحث

 

جدول (1) مقدار مصرف انرژی الکتریکی در قسمت های مختلف خط تولید سیمان را نشان می دهد، همان گونه که داده های جدول نشان می دهند در تمام خط تولید،انرژی به صورت الکتریکی در مقادیر مختلف به مصرف می رسد.کمترین انرژی الکتر یکی مصرفی در سالن اختلاط با 4/0% و بیشترین مصرف انرژی الکتریکی در بخش سایش (آسیاب های مواد خام و سیمان)  با 2/62 % انجام می پذیرد. عموماً در صنعت سیمان از سه نوع آسیاب به نام های غلطکی، رول پرس و  گلوله ای استفاده می شود. در این بین آسیاب های غلطکی دارای کمترین و آسیاب های گلوله ای دارای بیشترین مقدار مصرف انرژی الکتریکی  می باشند. برای مثال مقدار انرژی الکتریکی در آسیــاب هـــای غلطکی  Kwh/ton material 2/14، آسیاب های رول پرس Kwh/ton material  5/17 و در آسیاب های گلوله ای Kwh/ ton material 6/20 می باشد.  آسیاب های گلوله ای  با توجه به وزن بسیار بالای گلوله ها در محفظه آسیاب بیشترین مصرف انرژی الکتریکی را نسبت به دیگر سیستم های سایشی دارا می باشند.  

میزان مصرف انرژی گرمایی خط تولید سیمان در جدول (2) نشان داده شده است. همان گونه که از جدول مشخص است  عموماً انرژی گرمایی در بخش پخت(کوره و پیش گر مکن) کارخانه سیمان به مصرف می رسد، همچنین داده های جدول نشان می دهد که بخش عمده ای از انرژی حرارتی(بالغ بر 21% انرژی حرارتی) در بخش پخت تلف  می شود. بیشترین مقدار مصرف انرژی گرمایی در کوره و کمترین آن در منطقه پیش گرمکن  مصرف می گردد. با توجه به این که بیشترین انرژی مورد نیاز پیش گرمکن  از خود انرژی کوره تامین می شود نمی توان به طور مستقل انرژی مصرفی پیش گرمکن را محاسبه کرد. اگر انرژی مورد نیاز مناطقی از خط تولید که نیاز به انرژی حرارتی دارند از حرارت تلف شده از کوره تامین شود، در قیمت تمام شده محصول و انرژی مصرفی صرفه جویی می گردد. میزان ارزش حرارتی سوخت های جایگزین نسبت به سوخت های فسیلی در جدول (3) ارائه شده است. همان گونه که جدول نشان می دهد بیش از 15 سوخت جایگزین به جای  سوخت های فسیلی مطرح می باشد که ارزش حرارتی آن ها در دامنه  Mj/kg 5/7 تا  Mj/kg46 قرار دارد. با توجه به لایحه هدفمند کردن یارانه ها و  در راس آنها آزاد شدن نرخ انرژی  لازم است که صنایع  به سمت سوخت های جایگزین گام برداشت. جدول(3) مقایسه انرژی مصرفی در انواع سیمان های پرتلند با ترکیب درصد های متفاوت را نشان می دهد. در یک نگاه می توان دریافت که انرژی الکتریکی در بخش سایش در آسیاب سیمان با افزودن مواد پرکننده، مواد سرباره و مواد پوزولانی افزایش  می یابد اما از آنجایی که مقدار قابل توجهی از انرژی تا مرحله کلینکر صرفه جویی می شود، همان گونه که در ستون آخر جدول مشاهده می شود انرژی تمام شده به ازای واحد محصول کاهش می یابد. علاوه بر آن از استهلاک دستگاه های فرآیندی در این صنعت به طور چشمگیری می توان جلوگیری کرد. در جدول (4) سوخت هایی با قیمت بسیار پایین مشاهده می شود که  با رها شدن در محیط زیست آثار مخربی بر آن وارد می کند از جمله این منابع انرژی می توان به لاستیک های ضایعاتی،روغن های ضایعاتی و ضایعات مختلف پالایشگاهی، ضایعات خانگی،کود حیوانات، لجن های خشک و تر فاضلاب ها اشاره کرد که معمولا در جمع آوری آن ها هزینه های زیادی به شهرداری ها تحمیل می گردد.اگر این منابع به عنوان  منابع ثانویه انرژی در صنایع به مصرف برسند تاثیر به سزایی در صرفه جویی انرژی و قیمت تمام شده محصول خواهند داشت. مشابه این روش در کشورهای توسعه یافته و کشورهایی که در جهت دسترسی به منابع فسیلی با محدودیت روبرو هستند مورد استفاده قرار می گیرد. لذا صنایع باید هر چه زودتر وارد این فرایند شوند و تکنولوژی روز برای تبدیل این منابع انرژی به انرژی های قابل تبدیل مورد استفاده قرار گیرند تا هم از محیط زیست و هم از منابع فسیلی حفاظت به عمل آید. شکل (1) فلودیاگرام خط تولید سیمان را نشان می دهد.با توجه به شکل و داده های حاصل از جداول  محل های مصرف انرژی الکتریکی و گرمایی و بالطبع اتلاف انرژی در صنایع سیمان مشخص است.مقایسه انرژی مصرفی در ایران  با میانگین مصرف انرژی صنعت سیمان در جهان در شکل (2) نشان داده شده است.  همان گونه که در نمودار نمایان می باشد مصرف انرژی الکتریکی در ایران Kwh/ton 119 در صورتی که این مقدار در جهان Kwh/ton 78 می باشد. هم چنین در بخش انرژی حرارتی مورد نیاز، مقدار انرژی گرمایی مصرفی در ایران در حدود   lit fuel/ton 100 و در جهان کمتر از  lit fuel/ton80 است. از مقایسه این داده ها می توان نتیجه گرفت که ایران بیش از  50% انرژی الکتریکی و  بیش از 25% انرژی گرمایی را نسبت به  میانگین انرژی مصرفی در جهان در بخش سیمان مصرف می نماید. شکل(3) منابع تولید انرژی را نشان می دهد. با توجه به شبکه سراسری گاز در اغلب نقاط کشور صنایع سیمان هم از این منبع استفاده  می کنند اگرچه تعدادی از کارخانه های سیمان هنوز به طور کامل از سوخت  مازوت استفاده می نمایند ولی به طور میانگین 29% انرژی گرمایی از این منبع سوخت،60% انرژی گرمایی از گاز طبیعی و 11% آن از بخش انرژی الکتریکی به مصرف می رسد. با توجه به ارزش افزوده این منابع در تبدیل محصولات پایین دستی و آزاد شدن نرخ انرژی باید در صنایع به سمت وابستگی کمتر و سوخت های جایگزین قدم برداشت. شکل (4) مقایسه انرژی گرمایی مصرفی  در دو روش خشک و تر را نشان می دهد.این نمودار مشخص می کند که روش تر در بخش انرژی  الکتریکی تقریباً 25%  کمتر از روش خشک  اما در بخش انرژی گرمایی  حدود 45% بیشتر از روش خشک انرژی مصرف می کند. به همین دلیل و با توجه به بازده پایین  تولید محصول  در سالیان اخیر عموماً روش تر کنار رفته و روش خشک جایگزین شده است.

نتیجه گیری

سیمان با بیش از 15% از انرژی مربوط به  بخش صنعت یکی از زیر بخش های مهم آن است که به شدت وابسته به انرژی می باشد.انرژی در صنعت سیمان در 2بخش انرژی الکتریکی و انرژی گرمایی به مصرف می رسد. با  نگاه به هدفمند کردن یارانه ها و آزاد سازی نرخ انرژی، وضعیت فعلی سیمان در مصرف انرژی  به بازنگری جدی نیاز دارد.از جمله راهکارهای صرفه جویی در مصرف انرژی در بخش های مختلف صنعت سیمان می توان به موارد زیر  اشاره کرد:                    

 الف)آماده سازی موادخام: بهره برداری از تجهیزات با مصرف انرژی پایین مانند آسیا ب های غلطکی،رول پرس،سپراتورهای راندمان بالا،موتورهای دور متغیر، بهینه سازی دانه بندی در مواد ورودی و محصول آسیا ب ها، اعمال سیستم مدیریت برای بهره برداری بهینه از انرژی و اعمال سیستم تعمیر و نگهداری تجهیزات برای راهبری بهینه آن ها

ب) سیستم پخت: مدیریت انرژی و سیستم کنترل فرایند،بهینه سازی سیستم احتراق،کاهش تلفات حرارتی از بدنه، به کارگیری سوخت های ضایعاتی، بهینه سازی گریت کولرها، بازیابی حرارتی بهینه از گازها و مواد، کاهش درجه حرارت و حجم گازهای خروجی از سیستم به وسیله بهینه سازی سیستم و کاهش میزان  هوای نشتی، به کارگیری سیکلون هایی با افت فشــار کم در پیش گر مکــن هــا، تبدیل کوره های بلند به کوره های کوتاه مجهز به پری کلسیناتور، مدیریت تولید، تغییر در نوع مواد تشکیل دهنده سیمان،کاهش تلفات حرارتی از بدنه کوره هــا و سیستم پخت، بــه کارگیری پیش گرمکن های 5 و 6 طبقه با افت فشار کم، بهینه سازی سیستم احتراق و کاهش هوای اولیه از طریق کاربردهای مدرن، یافتن راهکارهای جایگزین انرژی  و وارد کردن تکنولوژی جدید و عوامل تاثیر گذار.

ج) آسیاب های سیمان: مدیریت انرژی و سیستم کنترل فرایند، بهینه سازی شارژ آسیا ب های گلوله ای،بهینه سازی سپراتورها، به کارگیری آسیاب ها از نوع  رول پرس، سیستم انتقال مواد موثر، آسیاب های غلطکی و سپراتورهای راندمان بالا

د) تمهیدات کلی: پیاده نمودن سیستم تعمیرات و نگه داری باز دارنده،به کارگیری مو تورهایDC، بهینه سازی سیستم های هوای فشرده، تولید سیمان های مخلوط، تاسیس واحدهای انرژی در هر کارخانه در جهت  ثبت مقادیر مصرف انرژی در بخش های  مختلف و بررسی روزانه مصارف و تلاش در جهت محدود کردن دایمی آن ها.

منابع

  1. Vleuten, F.P.Vander., (1994), Cement in Development, Energy and Environment. Netherlands Energy Research Foundation, the Netherlands
  2. S. Ellis., (2003), Environment Update for the Cement Industry, Cement Americans. May1,. Internet source. Available at
  3. Loreti. Christopher, (2009), Cement sector greenhouse gas emission reduction, California Energy commission, CEC. 600-2009-005
  4. کریمی، م.، افسریان، س م ، جهان زاده، ح، (1386) بکارگیری سوخت های ضایعاتی در صنعت سیمان. کنفرانس بین المللی سوخت در صنعت سیمان، تهران ، ایران              
  5. A. Avami, S.Sattari, (2007), Energy Conservation Opportunities: Cement Industry in Iran. International Journal of Energy Issue 3.vol.1. pp1-7
  6. Worreler, E. And Galistky,C., (2004), Energy efficiency  improvement opportunities for cement making, An energy star Guide for Energy and plant managers, report LBNL- 54036, Lawrence Berkley national laboratory, Berkley
  7. بکائیان منوچهر (1386) نقش فرایند در کاهش مصرف سیمان .  کنفرانس بین المللی سوخت در صنعت سیمان، تهران ، ایران         
  8. Freight Railroads and Greenhouse Gas Emissions, 2008. Association of American Railroads, Policy and Economics Department, February 2008.
  9. ASTM (2003), Standard specification for Portland cement, Annual books ASTM standard American society for testing and materials, USA.
  10. Mair and M. Rosset, (2002) Principles for the utilization of material in cement works ZKG. NO.1
  11. Khurana Shaleen., (2002), balance and cogeneration for a cement plant, applied thermal Engineering, vol.22,pp. 485-494
  12. M.Jacott, F.Comunes, C. Reed, (2003); Energy use in the cement industry in North America: Emissions, Waste Generation and Pollution Control, 1990-2001.
  13. T.Engin, V. Arl., Energy auditing and recovery for dry type cement rotary kiln System –A case study , Energy Conversion and Management  , vol.46,pp,551-562
  14. G.A. Boyd., (2006), Development of a performance- Based industrial Energy indicator for Cement Manufacturing Plants; Argonne National Laboratory.ANL/DIS-06-3.pp1-34
  15. Ernst Worrell, Nathan Marin, Lynn price, (2002) Potentials for energy efficiency improvement in the US cement industry, Energy, 25; 1189-1214
  16. Emission of Greenhouse gases in the United State (2001), Energy information Agency, DOE, December 2002, Page31
  17. کریمی، م .، افسریان، س م ، جهان زاده، ح. ، (1386) انرژی و محیط زیست در صنعت سیمان. کنفرانس بین المللی سوخت در صنعت سیمان، تهران ، ایران                            
  18. رحمانی، فریدون. یعقوبی، محسن.،(1387) ضرورت کاربرد آسیاب های غلطکی در صنعت سیمان، تهران ، ایران
  19. E.Worell, N. Martin L. Price., (2004), Potentials for energy efficiency improvement in the US cement plant, applied thermal engineering.vol.22, pp, 485-494.

 

 


 


 



1-گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکز *(مسوول مکاتبات).

2- گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه ایلام

3- استاد دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی شریف

  1. Vleuten, F.P.Vander., (1994), Cement in Development, Energy and Environment. Netherlands Energy Research Foundation, the Netherlands
  2. S. Ellis., (2003), Environment Update for the Cement Industry, Cement Americans. May1,. Internet source. Available at
  3. Loreti. Christopher, (2009), Cement sector greenhouse gas emission reduction, California Energy commission, CEC. 600-2009-005
  4. کریمی، م.، افسریان، س م ، جهان زاده، ح، (1386) بکارگیری سوخت های ضایعاتی در صنعت سیمان. کنفرانس بین المللی سوخت در صنعت سیمان، تهران ، ایران              
  5. A. Avami, S.Sattari, (2007), Energy Conservation Opportunities: Cement Industry in Iran. International Journal of Energy Issue 3.vol.1. pp1-7
  6. Worreler, E. And Galistky,C., (2004), Energy efficiency  improvement opportunities for cement making, An energy star Guide for Energy and plant managers, report LBNL- 54036, Lawrence Berkley national laboratory, Berkley
  7. بکائیان منوچهر (1386) نقش فرایند در کاهش مصرف سیمان .  کنفرانس بین المللی سوخت در صنعت سیمان، تهران ، ایران         
  8. Freight Railroads and Greenhouse Gas Emissions, 2008. Association of American Railroads, Policy and Economics Department, February 2008.
  9. ASTM (2003), Standard specification for Portland cement, Annual books ASTM standard American society for testing and materials, USA.
  10. Mair and M. Rosset, (2002) Principles for the utilization of material in cement works ZKG. NO.1
  11. Khurana Shaleen., (2002), balance and cogeneration for a cement plant, applied thermal Engineering, vol.22,pp. 485-494
  12. M.Jacott, F.Comunes, C. Reed, (2003); Energy use in the cement industry in North America: Emissions, Waste Generation and Pollution Control, 1990-2001.
  13. T.Engin, V. Arl., Energy auditing and recovery for dry type cement rotary kiln System –A case study , Energy Conversion and Management  , vol.46,pp,551-562
  14. G.A. Boyd., (2006), Development of a performance- Based industrial Energy indicator for Cement Manufacturing Plants; Argonne National Laboratory.ANL/DIS-06-3.pp1-34
  15. Ernst Worrell, Nathan Marin, Lynn price, (2002) Potentials for energy efficiency improvement in the US cement industry, Energy, 25; 1189-1214
  16. Emission of Greenhouse gases in the United State (2001), Energy information Agency, DOE, December 2002, Page31
  17. کریمی، م .، افسریان، س م ، جهان زاده، ح. ، (1386) انرژی و محیط زیست در صنعت سیمان. کنفرانس بین المللی سوخت در صنعت سیمان، تهران ، ایران                            
  18. رحمانی، فریدون. یعقوبی، محسن.،(1387) ضرورت کاربرد آسیاب های غلطکی در صنعت سیمان، تهران ، ایران
  19. E.Worell, N. Martin L. Price., (2004), Potentials for energy efficiency improvement in the US cement plant, applied thermal engineering.vol.22, pp, 485-494