با توجه به تنوع تجهیزات در صنعت قند، کنترل و اتوماسیون تجهیزات فرایندی میتواند در صرفهجویی انرژی و کاهش شاخص مصرف انرژی در این صنعت بسیار مؤثر باشد. نتایج و ثمرات اتوماسیون را نمیتوان بهصورت یکجانبه و فقط مرتبط با انرژی در نظر گرفت؛ بلکه اثرات دیگری از قبیل کاهش خطاهای عملیاتی (دستی)، کاهش نیروی کار مورد نیاز، افزایش راندمان تولید، کنترل بهینه محصول و مواد اولیه، عیبیابی سریع، پیشبینی توقفهای تولید، جمعآوری آمار و اطلاعات و سایر مزایا را نیز میتوان برشمرد.
روش انجام کار
۱. شناسایی سیستمهای نوین اتوماسیون
پیش از شناخت سیستمهای نوین اتوماسیون، شناخت سیستم اتوماسیون و کنترل کنونی فرایند در درجه اول اهمیت قرار دارد. در اکثر کارخانههای قند کشور، به دلیل قدمت تجهیزات، سیستمهای اتوماسیون وجود نداشته یا فرسوده شدهاند و بهصورت مفید عمل نمیکنند. بر اساس مشاهدات و بررسیهای انجامشده، سیستم اتوماسیون در صنعت قند عمدتاً در بخش کورههای بخار نصب شده است که آن هم به دلیل فرسودگی یا خرابی تجهیزات، یا آشنا نبودن اپراتور دستگاهها، از مدار خارج شده است.
بر همین اساس و بر پایه اطلاعات اخذشده از اکثر کارخانههای قند کشور، بیشترین میزان تلفات انرژی ناشی از خرابی یا عملکرد نادرست در واحد کوره بخار مشاهده میشود. اصطلاحاً در صنعت قند، واحد کوره بخار بهعنوان قلب کارخانه شناخته میشود و بد عمل کردن این واحد، اثر مستقیمی بر تمامی واحدها، بهویژه واحد توربین بخار و پس از آن واحد فرایند، میگذارد.
اطلاعات بهدستآمده از کارخانهها نشان میدهد راندمان کورههای بخار بهطور متوسط در حدود ۶۵ تا ۷۵ درصد است؛ در حالیکه راندمان بویلرهای جدید حدود ۹۲ درصد است. این اختلاف به دلیل استفاده نکردن از سیستم کنترل مناسب در کورههای قدیمی و بهکار نگرفتن فناوریهای جدید، از جمله سیستمهای بازیافت حرارت در کوره، ایجاد میشود. بهطور متوسط میتوان ۱۰ تا ۱۵ درصد از تلفات و هزینههای سوخت این واحد را با نصب سیستمهای مناسب کاهش داد. این رقم برای هر کارخانه طی حداکثر ۴ تا ۵ سال، معادل هزینه ساخت یک بویلر جدید با راندمان بالا خواهد بود.
استفاده از سیستمهای اتوماتیک در سایر قسمتها نیز ثمرات مفید دیگری دارد. پس از واحد کوره بخار، واحد نقاله خشککنی در اولویت اتوماسیون قرار میگیرد. در این واحد، پارامترهای زیادی در خشک کردن تفاله دخیل هستند که کنترل و اتوماسیون آنها میتواند مستقیماً بر مصرف سوخت و هزینههای آن اثر بگذارد.
پارامترهای مهم این واحد عبارتاند از: تناژ تفاله ورودی، رطوبت تفاله ورودی، دمای محیط، دمای گازهای داغ ابتدای کوره تفالهخشککن، حجم هوای اولیه و ثانویه، سرعت چرخش ترومل، دمای گازهای خروجی و رطوبت گازهای خروجی و همچنین فشار داخل کوره. هر یک از این پارامترها میتواند بهتنهایی کلیه شرایط عملکرد را تغییر دهد. به بیان دیگر، با تغییری کوچک در یکی از پارامترهای فوق میتوان کاهش قابل ملاحظهای در مصرف سوخت حاصل نمود.
صرفهجویی سوخت ناشی از اتوماسیون این واحد بین ۱۵ تا ۵۰ درصد پیشبینی میشود؛ البته پیش از هر اقدامی لازم است کلیه اطلاعات و شرایط کنونی و بحرانی سنجیده شده و سپس اقدامات لازم در این خصوص صورت پذیرد.
ابتدا لازم است شاخص حرارتی تفاله (GJ/Ton) در شرایط فعلی محاسبه و پیشبینی لازم برای کاهش این شاخص و رساندن آن به حد استاندارد انجام شود.
از دیگر مزایای اتوماسیون، کنترل دماهای شربت و بخار در قسمتهای مختلف از جمله واحد تبخیرکنندههاست. واحدهای دیگری از قبیل دیفیوزیون، کریستالیزاسیون، کندانسورهای بارومتریک و کوره آهک نیز از جمله واحدهایی هستند که در اولویتهای بعدی اتوماسیون قرار دارند.
۲. بررسی تأثیر استفاده از سیستمهای اتوماسیون بر شدت انرژی، تحلیل هزینهها و مزایای استفاده از این سیستمها
همانطور که ذکر شد، اتوماسیون اثری مستقیم بر میزان مصرف انرژی و تولید دارد. بررسی اتوماسیون مجموعه یک کارخانه تولید قند و شکر به مطالعه دقیق و اندازهگیریهای لازم نیاز دارد؛ ولی چنانچه اتوماسیون ابتدا بهصورت واحد به واحد بررسی شود، آسانتر و نتیجهبخشتر خواهد بود. سپس با یک نگاه کلی به کل فرایند و ایجاد ارتباط بین واحدها و یکپارچهسازی کل کارخانه، میتوان نتیجه نهایی را به دست آورد.
مسلماً اجرای این سیستم هزینه بالایی را به کارخانه تحمیل میکند؛ ولی میتوان گفت بازگشت سرمایه اجرای طرح برای کارخانههای با ظرفیت بالا کوتاهتر از سایر کارخانهها خواهد بود. پیشبینی زمان و نیز تحلیل فنی و اقتصادی این طرحها باید برای هر کارخانه بهطور جداگانه مطالعه و بررسی شود. چنانچه طرح براساس اولویتبندی اجرا گردد، بازگشت سرمایه کوتاهتر و سوددهی افزایش خواهد یافت.
با اجرای طرح اتوماسیون، شدت انرژی بهطور چشمگیری کاهش خواهد یافت. با تعریف شدت انرژی در واحدهای مختلف میتوان به کاهش شدت انرژی کل و نیز کاهش شدت انرژی هر واحد رسید. در نهایت، مهمترین و اصلیترین شاخص یک واحد تولیدی، هزینه تمامشده بهازای تولید یک واحد محصول است که با اتوماسیون میتوان به نقطه بهینه اقتصادی محصول نزدیکتر شد.
بررسی فنی و امکانسنجی بازیافت حرارت از گازهای خروجی کورههای بخار در صنعت قند
شناخت فناوریها و روشهای صرفهجویی انرژی، گام اول در مطالعه و اجرای طرحهای بهینهسازی است. برای مثال، خشک کردن تفاله چغندر در واحد تفالهخشککنی به عوامل زیادی وابسته است که مهمترین آنها درصد رطوبت تفاله ورودی است. در مرحله بعد، عملکرد صحیح خود واحد و واحدهای مرتبط و سپس استفاده از فناوری بازیافت حرارت اهمیت دارد.
با توجه به هزینههای بالای سیستمهای بازیافت، معمولاً بهینهسازی فرایند در اولویت است و بازیافت انرژی در مرحله بعدی قرار میگیرد. برای نمونه، جهت تعیین میزان پتانسیل بازیافت از کورههای بخار، ابتدا باید شرایط احتراق و عملکرد بهینه کوره بررسی و سپس پتانسیل بازیافت از گازهای خروجی محاسبه گردد.
بهطور کلی بازیافت حرارت در صنعت قند به سه صورت امکانپذیر است:
- بازیافت حرارت از دودکش کورههای بخار برای خشک کردن تفاله در واحد تفالهخشککنی، در کارخانههایی که واحد کوره بخار و تفالهخشککنی در کنار هم یا نزدیک به هم قرار دارند. این روش بازگشت سرمایهای در حدود ۲ تا ۴ سال دارد و میزان سرمایهگذاری و محاسبات فنی و اقتصادی آن به مطالعه دقیق کورههای بخار و پتانسیل قابل بازیافت وابسته است.
- بازیافت حرارت برای خشک کردن تفاله در کارخانههایی که واحدهای کوره بخار و تفالهخشککنی از یکدیگر فاصله دارند. در این کارخانهها، منطقیترین روش نصب یک ترومل مقدماتی نزدیک واحد کوره بخار و سپس انتقال تفاله به کوره دوم یا کوره اصلی کارخانه است. فاصله زیاد ممکن است موجب مصرف برق بالا و افت دمایی در خطوط انتقال شود و تلفات ایجاد کند.
- بازیافت حرارت برای پیشگرمایش هوای احتراق کورههای تفالهخشککنی. این روش برای کارخانههایی پیشنهاد میشود که فاصله واحد کوره بخار و تفالهخشککن زیاد است و انتقال حرارت برای خشک کردن تفاله به علت تلفات زیاد و افت فشار و دما اقتصادی نیست. نصب رکوپراتور برای پیشگرمایش هوا، دمپرها، کانالها و سیستم کنترل مرتبط از تجهیزات مورد نیاز این روش است.
مراحل انجام هر سه روش به شرح زیر است:
- بررسی وضعیت کورههای بخار
- تعیین میزان انرژی حرارتی قابل بازیافت
- تعیین نقاط مصرف حرارت بازیافتشده
- محاسبه ارزش حرارت قابل بازیافت
- محاسبه میزان سرمایهگذاری لازم
- ارزیابی اقتصادی طرح
بر اساس مطالعات موردی این طرح، روش اجرایی اول حداقل ۲۴ درصد کاهش مصرف سوخت در واحد تفالهخشککنی در پی خواهد داشت. در روش دوم، کاهش مصرف سوخت حدود ۳۵ درصد است و در روش سوم میتوان انتظار داشت راندمان واحد کورههای تفالهخشککنی حدود ۵ تا ۱۰ درصد افزایش یابد.
بررسی تأثیر استفاده از فناوریهای جدید در تولید قند و شکر بر شدت مصرف انرژی
بررسی و مقایسه فناوریهای جدید با فناوریهای قدیمی و شناخت این فناوریها میتواند راهگشای کاهش مصرف انرژی و در نهایت شدت انرژی باشد. جایگزینی تمامی فناوریهای نو در یک کارخانه، به دلیل محدودیتهای مالی صنعت، امکانپذیر نیست؛ بنابراین اولویتبندی جایگزینی فناوریهای جدید با فناوریهای قدیمی ضروری است.
استفاده از فناوریهای جدید در این صنعت را میتوان به دو دسته تقسیم کرد. دسته نخست، تجهیزات جانبی مانند دستگاههای کنترل دور (Variable Speed Drive – VSD) در موتورهای خاص، سیستمهای کنترل هوشمند، استفاده از ازنهای با راندمان بالا در سیستمهای تزریق CO₂ و استفاده همزمان در آپاراتهای پخت و سایر روشهای نسبتاً کمهزینه است. با اجرای این روشها میتوان بخش عمدهای از تلفات را کاهش داد و شدت انرژی را کم کرد.
دسته دوم شامل تجهیزات پرهزینهتر مانند تبخیرکنندههای جدید Falling Film، استفاده از مبدلهای صفحهای، استفاده از پرسهای تفالهتر با راندمان بالا، جایگزینی سیستمهای خلأ جدید (Ejector) بهجای پمپهای خلأ و جایگزینی روش کروماتوگرافی با استیفن در واحد قندگیری از ملاس است. روش اخیر، در پایان تولید ملاس، از انقلاب کارخانه جلوگیری میکند و علاوه بر کاهش تولید پساب، امکان استفاده مجدد از ملاس تولیدشده در فرایند را فراهم میسازد.
با تغییر فناوری در صنعت قند میتوان به دو هدف عمده دست یافت: نخست، شناسایی و برطرف کردن نقاط ضعف و گلوگاههای موجود؛ و دوم، دستیابی به نتایج مورد انتظار شامل افزایش میزان تولید، کاهش شدت مصرف انرژی، کاهش ضایعات تولید و افزایش راندمان تبدیل مواد به محصول.
برای بسیاری از تجهیزات جدید، پارامتر شدت انرژی یا انرژی مصرفی برای تولید محصول از مشخصههای اصلی دستگاه است و با توجه به آن میتوان اقتصادی بودن یا نبودن جایگزینی را بررسی کرد. فناوری بازیافت حرارت از مواد و آب نیز میتواند برای همه کارخانههای قند کارایی عمومی داشته باشد و ثمربخش واقع شود.
فناوری بازیافت حرارت روشی نو برای افزایش راندمان حرارتی تجهیزاتی از قبیل کورهها و بویلرهاست. در برخی موارد، بازیافت حرارت از آبهای گرم، بخارات کمفشار یا جریانهای گرمی که باید بهوسیله برجهای خنککننده سرد شوند، به تجهیزات خاص تبادلکننده حرارتی نیاز دارد.
بازیافت حرارت از کورههای بخار نیز با روشهایی مانند استفاده در تفالهخشککن و نصب Recuperator یا Regenerator برای پیشگرمایش هوای احتراق انجام میشود. بررسیها و اطلاعات بهدستآمده نشان میدهد استفاده از فناوری بازیافت در اکثر کارخانهها مقرونبهصرفه بوده، موجب صرفهجویی کلان و کاهش شدت انرژی میشود. فناوری بازیافت آب نیز با کاهش مصرف آب و کاهش تولید پساب همراه است و بررسی فنی و اقتصادی آن باید بر اساس اطلاعات هر کارخانه انجام گیرد.