دوره ممیزی و مدیریت انرژی در صنایع کانی غیرفلزی (سیمان، کاشی-سرامیک، آجر-سفال و شیشه)

صنایع کانی غیرفلزی

در تعریف بخش صنعت باید گفته شود که کلیه فعالیت های اقتصادی که محصول آن کالای فیزیکی بوده و عموماً با روش های مدرن و بکارگیری فناوری و ترکیبی از نهاده های سرمایه، نیروی کار، مواد اولیه و انرژی صورت می گیرد، را بخش صنعت می نامند. بخش صنعت در سال 1392 با سهم 27.4 درصد از کل مصارف نهایی انرژی کشور به نظر می‌رسد دارای همان وزن از انتشار دی اکسید کربن در سمت تقاضا را بر عهده داشته باشد. بخش صنعت به دلیل مولد بودن و اشتغالزایی بالاو همچنین گسترش صنایع انرژی بر در سال های اخیر یکی از مقاصد اصلی جریان انرژی در سمت تقاضا بوده است.

جدول (1) –سهم بخش‌های مختلف صنایع انرژی بر کشور از مصرف حامل های مختلف سوختی

صنایع سیمان

صنعت سیمان به تنهایی 19.5 درصد کل مصارف انرژی بخش صنعت را به خود اختصاص داده است. همچنین سهم مصرف انرژی این صنعت از کل صنایع کانی غیر از فلزی بیش از 70 درصد برآورد شده است. کل تولید سیمان کشور در سال 1392 حدود 67 میلیون تن و در سال 1393 نیز بالغ بر 69.5 میلیون تن بوده است. فناوری های تولید سیمان در جهان چهار نوع می‌باشند که به ترتیب شامل فناوری خشک، نیمه خشک، مرطوب و عمودی می‌باشند. هر کدام از این فناوری‌ها دارای ساختار و شدت مصرف برق و حرارت متفاوتی می‌باشند. شدت مصرف انرژی تولید سیمان در کشورهای غیر OECD دنیا بین 4.5 تا 5.5 گیگاژول بر تن می‌باشد . فرآیند تولید سیمان در ایران عمدتاً بصورت فرآیند شکل می باشد.

شکل(1) –فرآیند تولید سیمان در ایران )شرکت بهینه سازی مصرف سوخت، IFCO.ir)

جدول (2) –شدت مصرف انرژی انواع فناوری های تولید سیمان در ایران

از کل فرآیندهای تولید سیمان در ایران، سهم فناوری های تر حدود 2 درصد و مابقی انواع فناوری خشک تولید سیمان می‌باشند. متوسط شدت مصرف برق در تولید سیمان ایران حدود 112.1 کیلووات ساعت بر تن و متوسط مصرف سوخت نیز 3.975 گیگاژول بر تن کلینکر می‌باشد. همچنین بررسی نتایج طرح های ممیزی انرژی انجام گرفته در 37 کاخانه سیمان کشور در سال 1377 نشان می‌دهد که متوسط شدّت مصرف انرژی حرارتی این کاخانجات حدود 1100 کیلوکالری بر کیلوگرم کلینکر و شاخص مصرف برق نیز 121کیلووات ساعت بر تن سیمان بوده است. از طرف دیگر تکرار عملیات ممیزی انرژی در کارخانجات سیمان کشور در سال 1382 نشان می‌دهد که شاخص مصرف انرژی حرارتی به عدد 850 کیلوکالری برکیلوگرم کلینکر و شاخص مصرف انرزی الکتریکی به 112 کیلوواتساعت بر تن سیمان رسیده است. بنابراین روند شدت مصرف انرژی در صنعت سیمان ایران کاهشی بوده است که نشانگر بهبود راندمان مصرف انرژی در این بخش بوده است. از طرف دیگر مطالعات انجام گرفته در سازمان بهره وری انرژی بیانگر این است که پتانسیل صرفه جویی مصرف برق در صنعت سیمان حدود 7.71 درصد و انرژی حرارتی نیز حدود 24 درصد برآورد شده است. از کل مصارف انرژی صنعت سیمان، سهم برق 12 درصد و سهم انرژی حرارتی 88 درصد بوده است. همچنین صنعت سیمان به تنهایی 9.80 درصد کل مصرف برق بخش صنعت و 3.5 درصد مصرف برق کشور را به خود اختصاص داده است .

شرکت بهینه سازی مصرف سوخت با مطالعه تمامی کارخانجات سیمان کشور، پتانسیل صرفه جویی مصرف انرژی برق در این صنعت را حدود 32 درصد و پتانسیل صرفه جویی انرژی حرارتی را 23 درصد برآورد نموده است. راهکارهای مختلفی برای کاهش شدت مصرف انرژی در صنعت سیمان وجود دارد که مجموعه این راهکارها تحت عنوان “بسته راهکارهای بهینه سازی مصرف انرژی صنعت سیمان” نامگذاری شده اند که به ترتیب عبارتند از:

1) بکارگیری سرند لرزشی برای جداسازی مواد خام و جلوگیری از ورود خاک به سنگ شکن

2) بازیافت انرژی از گریت کولر

3) نصب واحد سنگ شکن اولیه

4) بهره گیری از جداکننده های با راندمان بالا

5) تعمیر و نگهداری مداوم جعبه دنده کوپلینگ و یاتاقان های مربوط به آسیاب

6) بهره گیری از حرارت خروجی کوره جهت پیشگرم کردن

7) استفاده از مشعل های بازیاب برای حرارت کوره و کاهش دمای خروجی از دودکش

8) تنظیم نسب سوخت به هوا در مشعل کوره و نصب کیت هوشمند کنترلی

9) بهره گیری از درایورهای متغیر برای کلیه محرکه ها

10)کاهش ضریب قدرت با بهره گیری از خازن

11) نصب سیستم های آب بندی هوا در خروجی کوره، بهبود عایق بندی کلیه سیستم‌ها و ارتقاء روش های تعمیرات-نگهداشت

چکیده تحلیل های راهکارهای کاهش مصرف انرژی در صنعت سیمان همانند جدول (‏6‑4) خواهد بود.

جدول (1)-چکیده ویژگی های فنی- اقتصادی راهکارهای کاهش مصرف انرژی در صنعت سیمان ایران

کاشی، سرامیک و چینی

ظرفیت کارخانجات کاشی و سرامیک در ایران از 60 میلیون مترمربع در سال 1379 به حدود 280 میلیون مترمربع  در پایان سال 1388 رسیده و با رشد پیوسته به 410 میلیون مترمربع در سال 1393 رسیده است. در حال حاضر بیش از 90 واحد فعال تولید کاشی و سرامیک و در حدود 15 کارخانه تولید مواد اولیه و لعاب در کشور فعال هستند. وضعیت مصرف انرژی در این صنعت نیز همانند سایر صنایع کشور همراه با تلفات قابل توجهی می‌باشد که در نتیجه بالا بودن شدت مصرف انرژی، انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز قابل توجه می‌باشد. برآوردها نشان می‌دهد که صنعت کاشی و سرامیک بیش از 1200 میلیون کیلوواتساعت  انرژی الکتریکی و 40000 تراژول انواع حامل های انرژی فسیلی مصرف نموده‌اند شاخص‌های کنونی مصرف انرژی در این صنعت و استانداردهای وضع شده همانند جداول زیر است.

جدول (2) – شاخص مصرف انرژی در صنایع کاشی، سرامیک و چینی کشور

آجر و سفال

همانطورکه در قسمت های قبلی نیز بیان شد، راهکار اصلی کاهش انرژی در صنعت آجر و سفال، بهبود کارائی انرژی در این صنعت می‌باشد. ظرفیت تولید اسمی این صنعت با برخورداری از 7000 واحد تولید در سطح کشور بیش از 50 میلیون تن در سال می‌باشد و انتظار می رود با افزایش جمعیت کشور و نیاز به واحدهای مسکونی بیشتر، تقاضای سالانه آجر نیز افزایش یابد. محصولات اکثر این کارخانجات شامل آجر سنتی، آجر ماشینی و بلوک با فناوری قدیمی تولید می‌شوند که علاوه بر انرژی بری بسیار بالا، از بسیاری از مزایای نهفته در بهره گیری از آجرهای جدید بی بهره می‌باشد. طبق بررسی های شرکت بهینه سازی مصرف سوخت سهم انرژی در قیمت تمام شده آجر حدود 45 درصد می‌باشد [148]. کارخانجات تولید آجر ماشینی کشور را می‌توان از نقطه نظر تکنولوژی فرآیند تولید به دو دسته کلی تقسیم نمود، دسته اول کارخانجاتی که عمدتاً برای پخت خشت خام از کوره های هوفمن استفاده نموده که عمدتاً از تکنولوژی قدیمی برخوردارند و دسته دوم کارخانجاتی هستند که از کوره تونلی جهت پخت آجر استفاده می کنند و دارای سیستم بازیافت حرارت برای تأمین انرژی خشک کن ها می‌باشند که نسبتاً از فناوری بهتری برخوردارند.انرژی در واحدهای آجر پزی در دو مرحله اصلی به مصرف می رسد:

مرحله نخست، کوره پخت آجر که میزان مصرف سوخت آن در کوره های قدیمی بالغ بر 2/90 لیتر معادل نفت بر تن کوره بوده، لیکن در کوره های جدید بازیافت دار بالغ بر 1/45 لیتر معادل نفت کوره می‌باشد. مرحله دو، مصرف انرژی در مرحله خشک کننده کانالی که در هر دو کوره بالغ بر 2/28 لیتر معادل نفت کوره بر تن برآورد شده است. لیکن در کوره های جدید 9/16لیتر معادل نفت کوره بر تن بازیافت شده، و دوباره به کوره برگردانده می‌شود. از طرف یگر بررسی ها نشان می‌دهد که ضایعات تولید از ابتدای خط تولید تا انتهای در کارخانجات آجر بین 10 تا 20 درصد می‌باشد که با مدرن شدن سیستم و اجرای بسته بندی تا حد زیادی می‌توان از بروز آن جلوگیری کرد. یک کوره مدرن تونلی با ظرفیت 300-400 تن در روز نیازمند سرمایه گذاری 5 میلیارد تومانی دارد، در صورتیکه با یک کوره هافمن 0.5 تا 1 میلیارد تومانی نیز می‌تواند همین تناژ تولید را بدست آورد[. بنابراین در صورتیکه در سال 300 روز کارکند، میزان تولید  105 هزار تن شده و با فرض تفاوت مصرف انرژی در کوره های جدید و قدیمی معادل 2.36 گیگاژول بر تن، آنگاه میزان صرفه جویی سوخت 276150 گیگاژول بالغ شده و میزان سرمایه گذاری اولیه نیز با فرض ارزش دلار در سال 1391، (12260 ریال بر دلار)، 11.81 دلار بر گیگاژول خواهد شد. بر اساس ممیزی های انجام گرفته توسط شرکت سازمان بهره وری انرژی(سابا) در 25 کارخانه تولید آجر کشور در سال 1381-1382، مطالعات ممیزی تفصیلی انجام گرفته توسط شرکت بهینه سازی مصرف سوخت و اطلاعات ترازنامه انرژی شدت مصرف انرژی در صنعت آجر و سفال ایران همانند جدول می‌باشد:

جدول (3)– وضعیت شدت مصرف انرژی در صنایع آجر و سفال کشور و مقایسه با نرم های جهانی

مطالعات شرکت بهینه سازی مصرف سوخت نشان می‌دهد که  پتانسیل صرفه جویی مصرف انرژی در صنایع آجر کشور حدود 52 درصد می‌باشد [143]. انتظار می رود با کاهش مصرف انرژی به این میزان، بتوان انتظار کاهش گازهای گلخانه‌ای در این صنعت را ایجاد کرد. بطور کلی راهکارهای اصلی کاهش مصرف انرژی در صنعت آجر و سفال عبارتند :

راهکار1- بهره گیری از مشعل های با راندمان بالا در کوره های هوفمن موجود و بازیافت حرارت از طریق نصب رکوپراتورهای جابجائی جهت استفاده در قسمت خشکن کن

راهکار2- استفاده از سوخت پاش های راندمان بالا در کوره های هوفمن با حدود 20 درصد صرفه جویی

راهکار3- جایگزینی کوره هافمن با تونلی

راهکار4- کنترل حرارت و رطوبت در خشک کن ها و کوره ها

راهکار5- جایگزینی ماشین آلات مدرن در خط تولید شامل تجهیزات، سنگ شکن، میکسر و اکسترودر

راهکار6- استفاده از سیستم بسته بندی جدیدی برای کاهش ضایعات

راهکار7- تبدیل سوخت مازوت به گازطبیعی در مشعل کوره ها و خشک کن ها

راهکار8- استفاده از الکتروموتورهای راندمان بالا و تسمه های سنکرون

صنایع شیشه و بلور

صنعت شیشه و بلور با مصرف 303 گیگاواتساعت برق و 530 میلیون مترمکعب گاز طبیعی در سال یکی از صنایع مهم و پر مصرف کشور می‌باشد. این صنعت حدود 2 درصد از کل مصارف انرژی بخش صنعت را به خود اختصاص داده است . کل تولید این صنعت معادل 1300 هزار تن محصول نهایی شامل شیشه مظروف، شیشه جام می‌باشد. بر اساس مطالعات انجام گرفته 58 درصد صنایع شیشه کشور شیشه جام و مابقی شیشه مظروف می‌باشند [152]. شیشه جام به دو دسته شیشه ورقی (شیت) و شیشه فلوت تقسیم بندی می‌شوند. همچنین ظروف شیشه ای نیز به دو دسته تولید به روش صنعتی و سنتی تقسیم می‌شوند. شیشه جام به دو روش فلوت (54 درصد) و غیر فلوت (24 درصد) انجام شده و 22 درصد تولیدات مربوط به شیشه مظروف بوده است که به دو روش ریژنراتوری (21 درصد) و رکوپراتوری (2 درصد) انجام می‌شود. بر اساس ممیزی های انجام گرفته توسط سازمان بهره وری انرژی، شاخص های شدت مصرف انرژی (به تفکیک برق و حرارت) در صنایع شیشه ایران و مقایسه با صنایع کشورهای اروپایی همانند جدول بوده است.

جدول(4)- محک زنی شاخص مصرف ویژه انرژی حرارتی و الکتریکی در کارخانجات تولید ظروف شیشه ای و شیشه جام کشور با کشورهای اروپایی

امروزه کارآمدترین کوره های ذوب در فرآیند تولید شیشه جام به روش فلوت از لحاظ مصرف انرژی،کوره های بزرگ بازتولید(ریژنراتوری) هستند که مصرف ویژه انرژی در آنها برای ذوب شیشه در حدود 5-5.5 گیگاژول بر تن می‌باشد. راهکارهای مختلفی برای بهینه سازی مصرف انرژی در صنعت شیشه وجود دارد که از جمله مهمترین این راهکارها به شرح زیر می‌باشند :

راهکار1) استفاده از درایوهای VSD در کلیه الکتروموتورهای مقیاس متوسط و بزرگ

راهکار2) اصلاح و بهینه سازی عملکرد سیستم های روشنایی

راهکار3) جایگزینی کمپرسورهای انرژی کارآمد بجای کمپرسورهای پرمصرف و فرسوده

راهکار4) نصب و جایگزینی سیستم های کامپیوتری اندازه گیری و کنترل هوشمند در کوره

راهکار 5) کنترل بهینه احتراق و کاهش تلفات دودکش

راهکار6) کاهش زمان ماند مذاب در کوره (از طریق افزایش درصد شیشه خرده مصرفی، بهبود کیفیت مواد اولیه و افزایش کشش مذاب)

راهکار7) کاهش وزن مواد تولیدی

راهکار8) نصب سیستم CHP

راهکار9) نصب و بهره گیری از مشعل های اکسیژن سوز

راهکار 10) عایق کاری مناسب سطوح داغ و اجتناب از هدر روی حرارت

به طور کلی با اجرای بسته راهکارهای فوق می‌توان به صرفه جویی قابل توجهی دست یافت. پتانسیل صرفه جویی مصرف انرژی در صنعت شیشه و بلور کشور بر اساس برآوردهای شرکت بهینه سازی مصرف سوخت حدود 48 درصد و بر اساس مطالعات صورت گرفته با اجرای راهکارهای کم هزینه حدود 6 درصد می‌باشد. از طرف دیگر آخرین استاندارد و معیار مصرف انرژی در صنعت شیشه در سال 1391 مورد بازنگری قرار گرفته است که پتانسیل صرفه جویی واقعی در صنعت شیشه کشور را نشان می‌دهد.  پتانسیل صرفه جویی مصرف انرژی واحدهای موجود در مورد شیشه تخت حدود 9.4 درصد برای حرارت و 2.1 درصد برای برق است. در مورد ظروف شیشه ای این مقدار بیشتر است. بنابراین در هنگام مدل سازی این مقادیر مدنظر خواهد بود. همچنین بررسی های طرح های ممیزی انجام گرفته در صنعت شیشه نشان می‌دهد که هزینه سرمایه گذاری کاهش مصرف انرژی حدود 6.557 دلار بر گیگاژول است.

در این دوره آموزشی ضمن بیان ساختار مصارف انرژی در صنایع کانی غیر فلزی (سیمان، کاشی-سرامیک، آجر –سفال و شیشه)، اصول و مبانی ممیزی مصرف انرژی در این صنایع بیان شده و در ادامه روش محاسبه خط مبنا، محاسبه صرفه جویی انرژی، شناسایی راهکارها بیان خواهد شد. سپس روش تحلیل فنی-اقتصادی و زیست محیطی راهکارها تشریح شده و روش رتبه بندی راهکارها و برنامه ریزی اجرای راهکارهای منتخب توصیف می گردد. در ادامه نیز یک مثال کاربردی با نرم افزار MEASUR شبیه سازی و حل خواهد شد.