مقدمه
تغییرات اقلیمی و ضرورت کاهش CO2 در صنعت فولاد
تغییرات اقلیمی و افزایش دمای جهانی که ناشی از انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند دی‌اکسید کربن (CO2) است، یکی از مهم‌ترین چالش‌های زیست‌محیطی قرن حاضر به شمار می‌رود. یکی از بخش‌های صنعتی که به‌طور چشمگیری در تولید این گازهای گلخانه‌ای نقش دارد، صنعت فولاد است. بر اساس آمارهای منتشرشده توسط آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، تقریباً 5 درصد از کل انتشار دی‌اکسید کربن جهانی از صنعت فولاد نشأت می‌گیرد. تولید هر تن فولاد به‌طور میانگین منجر به انتشار 1.8 تن CO2 می‌شود که عمدتاً از فرایندهای استفاده از کوره‌های بلند (BFG) و کوره‌های اکسیژنی اساسی حاصل می‌شود.
اهمیت فناوری SEWGS در کاهش انتشار کربن
یکی از فناوری‌های پیشرفته که برای کاهش انتشار CO2 در صنایع بزرگ به‌ویژه صنعت فولاد مطرح شده است، فناوری جذب ارتقاء یافته واکنش تغییر آب-گاز (SEWGS) است. این فناوری می‌تواند به‌طور همزمان فرآیند تغییر آب-گاز (WGS) را بهبود بخشد و CO2 را جذب کند. در صنعت فولاد، گاز کوره بلند (BFG) که شامل مقادیر بالایی CO و CO2 است، یک منبع اصلی انتشار کربن محسوب می‌شود. SEWGS با بهینه‌سازی واکنش‌های شیمیایی در حضور یک جاذب خاص به نام هیدروتالسیت، می‌تواند CO را به CO2 تبدیل کرده و CO2 را جذب کند. این امر منجر به کاهش قابل توجه انتشار CO2 و تولید گاز غنی از هیدروژن می‌شود که می‌تواند برای تولید انرژی تمیز استفاده شود.
کاربرد SEWGS در چرخه‌های دیگر صنعتی
علاوه بر صنعت فولاد، فناوری SEWGS قابلیت استفاده در سایر فرآیندهای صنعتی مانند تولید آهن، سیمان و حتی پالایش نفت را دارد. این فناوری می‌تواند به طور مستقیم برای کاهش انتشار CO2 از گازهای فرایندی مانند گاز طبیعی یا گازهای سینتزی به‌کار رود. استفاده از این فناوری در این صنایع می‌تواند تأثیرات زیست‌محیطی بزرگی به همراه داشته باشد و در کاهش هزینه‌های انرژی و بهبود بهره‌وری مؤثر باشد.
اهداف پروژه
مدل‌سازی فرآیند SEWGS
هدف اصلی این پروژه، مدل‌سازی دقیق فرایند SEWGS در صنعت فولاد با استفاده از نرم‌افزار قدرتمند Aspen HYSYS است. این نرم‌افزار به‌عنوان یکی از معتبرترین ابزارهای شبیه‌سازی فرآیندهای شیمیایی، امکان مدل‌سازی واکنش‌های پیچیده و پیکربندی‌های مختلف فرآیند را فراهم می‌کند. مدل‌سازی دقیق فرآیند SEWGS، شامل تمامی مراحل از فشرده‌سازی گاز BFG تا تبدیل CO به CO2 و جذب آن، به منظور بهینه‌سازی عملکرد فرآیند انجام می‌شود.
ارزیابی فنی و اقتصادی
علاوه بر مدل‌سازی فرآیند، یکی دیگر از اهداف این پروژه ارزیابی فنی و اقتصادی فرایند SEWGS است. در این ارزیابی، هزینه‌های سرمایه‌ای (CAPEX)، هزینه‌های عملیاتی (OPEX) و کارایی انرژی فرآیند در مقایسه با سایر روش‌های جذب CO2، مانند جذب پس از احتراق با آمین، مورد بررسی قرار می‌گیرد. هدف نهایی از این ارزیابی، شناسایی پیکربندی‌های بهینه‌ای است که علاوه بر کاهش انتشار CO2، کمترین هزینه‌های عملیاتی را داشته باشند.
بهینه‌سازی پیکربندی‌ها
در این پروژه، سه پیکربندی مختلف برای فرایند SEWGS مدل‌سازی و مقایسه می‌شود. این پیکربندی‌ها شامل:
مرجع SEWGS: یک طرح متعارف با یک راکتور تغییر دمای بالا (HTS).
تغییر پیشرفته SEWGS: طرح اصلاح‌شده با راکتورهای چند مرحله‌ای و جریان تقسیم‌شده.
بازیابی CO2 SEWGS: استفاده از حرارت بازیافتی از جریان CO2 برای تولید بخار و کاهش مصرف انرژی.
فرآیند SEWGS و نحوه عملکرد آن:
واکنش تغییر آب-گاز (WGS)
واکنش تغییر آب-گاز (WGS) که یکی از پایه‌های اصلی فرایند SEWGS است، فرآیندی است که در آن کربن مونوکسید (CO) و آب (H2O) با هم واکنش داده و به دی‌اکسید کربن (CO2) و هیدروژن (H2) تبدیل می‌شوند. در حضور یک کاتالیست، این واکنش به‌طور مؤثر انجام می‌شود و CO2 حاصل توسط یک جاذب (هیدروتالسیت) جذب می‌شود.
جاذب‌های استفاده‌شده در SEWGS
یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد فرآیند SEWGS استفاده از جاذب‌های پایه هیدروتالسیت است. این جاذب‌ها به‌طور همزمان دی‌اکسید کربن را جذب کرده و واکنش تغییر آب-گاز را کاتالیز می‌کنند. این جاذب‌ها در دماهای بالا (400 درجه سانتی‌گراد) و فشارهای بالا (20-25 بار) عملکرد مطلوبی دارند و توانایی جذب CO2 را به‌طور مؤثر دارند. عملکرد این جاذب‌ها با استفاده از مدل‌های ترمودینامیکی پیشرفته در نرم‌افزار Aspen HYSYS بررسی شده است.
شرایط عملیاتی فرآیند
فرآیند SEWGS در دما و فشار بالا انجام می‌شود تا واکنش‌های شیمیایی به‌طور بهینه صورت گیرند. در این پروژه، گاز کوره بلند (BFG) که حاوی مقادیر زیادی CO و CO2 است، ابتدا فشرده شده و با آب اشباع می‌شود، سپس به راکتور SEWGS وارد می‌شود. در دمای 400 درجه سانتی‌گراد و فشار 20-25 بار، CO به CO2 تبدیل شده و همزمان CO2 جذب می‌شود. گاز خروجی از این فرآیند عمدتاً شامل هیدروژن است که می‌تواند برای تولید برق یا سایر مصارف صنعتی استفاده شود.
قابلیت استفاده در تولید برق
یکی از مزایای مهم فناوری SEWGS این است که گاز غنی از هیدروژن تولید شده در فرآیند می‌تواند به‌عنوان یک سوخت پاک برای تولید برق در یک سیکل ترکیبی استفاده شود. این ترکیب به‌عنوان یک راه‌حل سبز و کارآمد برای تولید برق، به کاهش انتشار CO2 کمک می‌کند.
پیکربندی‌های مدل‌سازی شده SEWGS
در این بخش، سه پیکربندی مدل‌سازی‌شده برای فرآیند SEWGS با جزئیات بیشتری مورد بررسی قرار می‌گیرند:
پیکربندی مرجع SEWGS
پیکربندی مرجع SEWGS شامل استفاده از یک راکتور تغییر دمای بالا (HTS) به‌صورت یک‌مرحله‌ای است. این روش متعارف بیشترین مصرف بخار را دارد، زیرا برای انجام واکنش تغییر آب-گاز به مقادیر زیادی بخار نیاز است. با وجود کارایی متوسط، این پیکربندی به‌عنوان پایه‌ای برای مقایسه با دیگر پیکربندی‌ها استفاده می‌شود.
پیکربندی تغییر پیشرفته SEWGS
این پیکربندی اصلاح‌شده شامل چندین راکتور تغییر دمای بالا (HTS) است که به‌صورت چندمرحله‌ای و در پیکربندی جریان تقسیم‌شده عمل می‌کنند. این طرح نوآورانه به کاهش مصرف بخار کمک می‌کند و بازده فرآیند را بهبود می‌بخشد. در این پیکربندی، جریان گاز به چندین مرحله تقسیم می‌شود تا بیشترین استفاده از حرارت بازیافتی به عمل آید. در هر مرحله از راکتورهای HTS، بخشی از CO به CO2 تبدیل شده و در هر مرحله جذب CO2 انجام می‌شود. به این ترتیب، فشار عملیاتی فرآیند بهینه شده و نیاز به تولید بخار کاهش می‌یابد، که منجر به کاهش هزینه‌های عملیاتی و بهبود بهره‌وری انرژی می‌شود.
یکی از مزایای مهم این پیکربندی این است که به دلیل استفاده از چندین مرحله واکنش و جذب، می‌تواند کارایی بالاتری در جذب CO2 و تولید گاز هیدروژن داشته باشد. این امر به‌ویژه در صنایع فولاد که نیازمند کاهش هزینه‌ها و بهبود بهره‌وری هستند، بسیار حائز اهمیت است. بر اساس نتایج شبیه‌سازی، این پیکربندی منجر به افزایش 3-4 درصدی بازده الکتریکی نسبت به پیکربندی مرجع SEWGS می‌شود و مصرف بخار به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.
پیکربندی بازیابی CO2 SEWGS
این پیکربندی به‌عنوان یک طرح جایگزین برای بازیابی انرژی و بهبود بهره‌وری فرآیند طراحی شده است. در این روش، از حرارت جریان محصول CO2 که در طول فرآیند SEWGS تولید می‌شود، برای تولید بخار استفاده می‌شود. این بخار بازیافتی سپس به سیستم بازگردانده می‌شود تا به کاهش مصرف انرژی کمک کند. با استفاده از این روش، نه‌تنها بهره‌وری کلی فرآیند افزایش می‌یابد، بلکه هزینه‌های مربوط به تولید بخار نیز کاهش می‌یابد.
این پیکربندی همچنین منجر به کاهش هزینه‌های سرمایه‌ای و عملیاتی می‌شود و می‌تواند به‌عنوان یک راه‌حل مؤثر در صنایع فولاد برای کاهش انتشار CO2 مورد استفاده قرار گیرد. بر اساس نتایج مدل‌سازی، این پیکربندی باعث کاهش مصرف انرژی خاص به ازای هر تن CO2 جلوگیری شده به مقدار 2.3-2.6 گیگاژول می‌شود که به‌طور قابل توجهی کمتر از روش جذب آمین با مصرف 4.3 گیگاژول در هر تن CO2 است.
نتایج و تحلیل‌ها
بازده الکتریکی و بهره‌وری انرژی
شبیه‌سازی‌های انجام‌شده در نرم‌افزار Aspen HYSYS نشان داد که پیکربندی SEWGS تغییر پیشرفته، با توجه به کاهش مصرف بخار و بهبود در تقسیم جریان گاز، بازده الکتریکی را به میزان 3-4 درصد نسبت به پیکربندی مرجع SEWGS افزایش می‌دهد. این افزایش بازده منجر به کاهش هزینه‌های عملیاتی شده و به‌طور کلی فرآیند را از نظر اقتصادی و انرژی بهینه‌تر می‌کند.
کاهش هزینه‌های سرمایه‌ای
یکی از مهم‌ترین دستاوردهای پیکربندی تغییر پیشرفته SEWGS، کاهش تعداد ستون‌ها از 9 به 6 است. این کاهش منجر به کاهش 16-23 درصدی هزینه‌های سرمایه‌ای مربوط به تجهیزات و زیرساخت‌ها شده است. با این حال، این کاهش تعداد ستون‌ها تأثیر کمی بر کارایی فرآیند داشته و تنها منجر به کاهش جزئی در بازده فرآیند شده است. به این ترتیب، پیکربندی تغییر پیشرفته SEWGS به‌عنوان یک راه‌حل بهینه از نظر اقتصادی و عملیاتی شناخته می‌شود.
مقایسه با فناوری جذب آمین
در مقایسه با روش‌های سنتی جذب CO2 مانند جذب آمین، فناوری SEWGS عملکرد بهتری از نظر جذب CO2 و مصرف انرژی دارد. پیکربندی‌های SEWGS توانستند به 84-86 درصد جذب CO2 دست یابند، در حالی که جذب CO2 در فناوری آمین تنها حدود 50 درصد بود. همچنین، مصرف انرژی در فرآیند SEWGS به ازای هر تن CO2 جلوگیری شده (2.3-2.6 گیگاژول) بسیار کمتر از روش آمین (4.3 گیگاژول) است. اگرچه فرایند SEWGS از نظر انرژی بسیار کارآمدتر است، اما هزینه‌های عملیاتی آن به دلیل جریمه بازدهی، تقریباً دو برابر هزینه‌های تولید برق در یک کارخانه بدون جذب CO2 است.
تأثیر ترکیب گاز کوره بلند (BFG)
ترکیب گاز کوره بلند (BFG) بر عملکرد فرایند SEWGS تأثیر قابل توجهی دارد. گاز BFG حاوی مقادیر بالایی CO و CO2 است و محتوای CO بالاتر، مصرف بخار را در راکتورهای HTS افزایش می‌دهد. این مسئله در پیکربندی مرجع SEWGS یک چالش محسوب می‌شود، اما پیکربندی تغییر پیشرفته توانست این تأثیر را کاهش دهد. این پیکربندی با تقسیم جریان و بهینه‌سازی مصرف بخار، کارایی فرآیند را در برابر تغییرات ترکیب گاز بهبود بخشید.
تحلیل اقتصادی
در این پروژه، تحلیل اقتصادی نیز به‌طور دقیق مورد بررسی قرار گرفت. هزینه‌های جلوگیری از CO2 در فرآیند SEWGS بین 20 تا 100 یورو به ازای هر تن CO2 بسته به قیمت گاز طبیعی متغیر بود. با توجه به هزینه‌های انرژی و سرمایه‌ای، پیکربندی SEWGS تغییر پیشرفته به‌عنوان گزینه‌ای اقتصادی‌تر با کمترین هزینه‌های جلوگیری از انتشار CO2 شناسایی شد. این نتایج نشان می‌دهد که SEWGS می‌تواند یک راه‌حل پایدار و اقتصادی برای کاهش انتشار کربن در صنعت فولاد باشد.
نتایج شبیه‌سازی و خلاصه تبدیل گازهای اسیدی
پکیج‌های سیال (Fluid Packages Conversion Summary)
در شبیه‌سازی فرآیند SEWGS با استفاده از نرم‌افزار Aspen HYSYS، بررسی‌های مربوط به پکیج‌های سیال نشان داد که پکیج‌های آمین (Amine package) و MEA در جریان این فرآیند استفاده نشدند. درواقع، فناوری SEWGS برخلاف روش‌های جذب پس از احتراق مبتنی بر آمین، به استفاده از این پکیج‌های سیال نیازی ندارد. این به دلیل آن است که در SEWGS، جذب CO2 توسط جاذب‌های هیدروتالسیت انجام می‌شود که در دما و فشار بالا قادر به جذب CO2 هستند، در حالی که پکیج‌های آمین به‌طور معمول در دماهای پایین‌تری کار می‌کنند.
این موضوع یکی از مزایای مهم فناوری SEWGS است که از جاذب‌های پربازده استفاده می‌کند و به پکیج‌های سیال پیچیده نیازی ندارد، و بدین‌ترتیب هزینه‌های عملیاتی کاهش می‌یابد.
واحدهای عملیاتی و جریان‌های فرآیندی (Unit Operations and Streams)
در فرآیند شبیه‌سازی، تمامی واحدهای عملیاتی و جریان‌های فرآیندی با موفقیت تبدیل و مدل‌سازی شدند. این امر نشان‌دهنده کارآمدی شبیه‌سازی است و تأیید می‌کند که هیچ مشکلی در اجرای واحدهای عملیاتی شبیه‌سازی شده، مانند راکتورها و واحدهای جذب، وجود نداشته است. تمامی تجهیزات، اعم از کمپرسورها، راکتورها و ستون‌های جذب، به‌درستی در نرم‌افزار تعریف و مورد استفاده قرار گرفتند.
نتیجه‌گیری‌ها
بهترین پیکربندی برای فرآیند SEWGS: پیکربندی تغییر پیشرفته SEWGS، به دلیل افزایش بازده الکتریکی، کاهش مصرف بخار و کاهش هزینه‌های سرمایه‌ای، به‌عنوان کارآمدترین گزینه برای جذب CO2 از گاز کوره بلند شناسایی شد. این پیکربندی توانست بهترین تعادل بین عملکرد اقتصادی و بهره‌وری انرژی را فراهم کند.
کاهش هزینه‌های سرمایه‌ای و عملیاتی: کاهش تعداد ستون‌ها در هر قطار از 9 به 6، به‌طور قابل توجهی هزینه‌های سرمایه‌ای را کاهش داد، بدون آن‌که به‌طور چشمگیری بر کارایی فرآیند تأثیر منفی بگذارد. این امر نشان می‌دهد که طراحی بهینه تجهیزات می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر هزینه‌های کلی فرآیند داشته باشد.
برتری SEWGS نسبت به فناوری جذب آمین: فرآیند SEWGS به دلیل مصرف انرژی کمتر و جذب بالاتر CO2، عملکرد بهتری نسبت به روش‌های سنتی مانند جذب آمین دارد. اگرچه هزینه‌های عملیاتی SEWGS در مقایسه با کارخانه‌های بدون جذب بالاتر است، اما در مقایسه با آمین، یک گزینه مقرون‌به‌صرفه‌تر و کارآمدتر محسوب می‌شود.
کاربردهای آینده SEWGS: فرایند SEWGS علاوه بر صنعت فولاد، می‌تواند در سایر چرخه‌های صنعتی مانند تولید آهن، سیمان و پالایش نفت نیز به‌کار گرفته شود. این فناوری به‌ویژه برای تولید فولاد با کربن کم، به‌عنوان یک راه‌حل امیدوارکننده مطرح شده است و می‌تواند به کاهش چشمگیر انتشار CO2 در صنایع بزرگ کمک کند.
شبیه سازی فرآیند SEWGS برای جذب کربن در صنعت فولاد در Aspen HYSYS
در این پروژه شبیه سازی فرایند SEWGS برای جذب کربن در صنعت فولاد در نرم افزار اسپن هایسیس انجام شده است. جهت خرید پروژه و یا کسب اطلاعات بیشتر در مورد آن، از طریق لینک زیر اقدام نمایید.