انرژی حرارتی پسماند (Waste Heat) گرمایی است که به عنوان محصول جانبی فرآیندهای صنعتی تولید شده و بدون استفاده، به محیط اطراف دفع می‌شود. در صنایع سنگین مانند فولاد، سیمان، پتروشیمی و شیشه، حجم قابل توجهی از انرژی اولیه به صورت گرما از طریق گازهای خروجی با دمای بالا، آب خنک‌کاری یا بخار به هدر می‌رود. بازیابی این انرژی نه تنها یک راهبرد مهم برای کاهش هزینه‌های عملیاتی است، بلکه به طور مستقیم به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز کمک می‌کند.
۱. منابع و پتانسیل بازیابی در صنایع سنگین
بیشترین پتانسیل بازیابی انرژی حرارتی پسماند در صنایع سنگین به دلیل دمای بالای گازهای خروجی است:
صنعت سنگین | منبع اصلی حرارت پسماند | دمای تقریبی گازهای خروجی |
سیمان | گازهای خروجی از کوره‌های دوار و خنک‌کننده کلینکر | 250 تا 400^circC |
فولاد | گازهای خروجی از کوره‌های قوس الکتریکی، کوره‌های بازپخت و گازهای کک‌سازی | 350 تا 1200^circC (بسته به فرآیند) |
شیشه | گازهای خروجی از کوره‌های ذوب | 400 تا 600^circC |
درجه حرارت بالای این پسماندها امکان تبدیل آن به برق یا استفاده مستقیم در فرآیندهای دیگر را فراهم می‌کند.
۲. سیستم‌ها و فناوری‌های نوین بازیابی حرارت
سیستم‌های بازیابی حرارت با هدف انتقال گرما از جریان پسماند به یک سیال کاری یا یک فرآیند مفید طراحی می‌شوند.
الف) مبدل‌های حرارتی بازیابی (Heat Recovery Exchangers)
این مبدل‌ها قلب سیستم‌های WHR (Waste Heat Recovery) هستند.
- مبدل‌های حرارتی لوله و پوسته (Shell-and-Tube): ساختار سنتی و پرکاربرد، مناسب برای جریان‌های پسماند با دمای بالا، اما حجیم و سنگین هستند.
- بازیاب‌های صفحه-پره‌ای (Plate-Fin): بسیار فشرده، سبک و با سطح تبادل حرارت بالا. مناسب برای استفاده در جاهایی که فضا محدود است و راندمان حرارتی بالایی مورد نیاز است (مانند توربین‌های کوچک).
- مبدل‌های حرارتی احیاکننده (Regenerative): در این مبدل‌ها، سیال سرد و گرم به صورت متناوب از یک ماتریکس جامد عبور می‌کنند. این مبدل‌ها در کوره‌های شیشه و فولاد برای پیش‌گرم کردن هوای ورودی به احتراق بسیار رایج هستند.
ب) سیستم‌های تولید برق از حرارت پسماند
یکی از پربازده‌ترین روش‌ها برای استفاده از حرارت اتلافی، تبدیل آن به برق است.
- چرخه رانکین آلی (Organic Rankine Cycle - ORC):
- مکانیزم: شبیه به یک نیروگاه بخار سنتی است، با این تفاوت که به جای آب، از یک سیال آلی (مانند پنتافلورواتان) استفاده می‌کند که دارای نقطه جوش بسیار پایین‌تری است.
- کاربرد: ایده‌آل برای بازیابی حرارت پسماند با دمای متوسط (150 تا 450^circC)، مانند گرمای خروجی از خنک‌کننده‌های کلینکر در صنعت سیمان.
- سامانه‌های ترموالکتریک (Thermoelectric Generators - TEG):
- مکانیزم: بر اساس اثر سیبک (Seebeck Effect)، اختلاف دما بین دو سر یک نیمه‌رسانا را مستقیماً به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند.
- کاربرد: مناسب برای کاربردهای کوچک و پراکنده یا حسگرها، اما به دلیل راندمان تبدیل نسبتاً پایین (حدود 5 تا 10 درصد)، استفاده از آن در مقیاس صنعتی بزرگ محدود است.
۳. کاربرد مستقیم حرارت و راهکارهای جامع
بازیابی حرارت همیشه نباید به تولید برق منجر شود؛ استفاده مستقیم از حرارت نیز می‌تواند بسیار مؤثر باشد.
- پیش‌گرمایش مواد اولیه: در صنعت سیمان و فولاد، گرمای خروجی از کوره‌ها مستقیماً برای پیش‌گرمایش هوای احتراق یا خشک کردن مواد خام (مانند سنگ آهک) استفاده می‌شود که به کاهش نیاز به سوخت اصلی کمک می‌کند.
- سیرکولاسیون حرارت: بازیابی گرما از مایعات خنک‌کاری و استفاده مجدد از آن در سیستم‌های گرمایش داخلی ساختمان‌ها یا فرآیندهای با دمای پایین‌تر در داخل کارخانه.
- مدل‌های ترکیبی (Combined Heat and Power - CHP): در برخی صنایع، پمپ‌های حرارتی یا توربین‌های گازی می‌توانند همزمان برق تولید کنند و گرمای پسماند خود را برای فرآیندهای دیگر به کار بگیرند.
۴. چالش‌ها و چشم‌انداز آینده
علیرغم پتانسیل، پیاده‌سازی WHR در صنایع سنگین با موانعی روبروست:
- رسوب و خوردگی: گازهای خروجی حاوی ذرات جامد، اکسیدها و مواد خورنده هستند که باعث رسوب (Fouling) و خوردگی شدید مبدل‌های حرارتی می‌شوند و راندمان را کاهش می‌دهند.
- تغییرات دمایی و جریانی: نوسانات شدید و ناگهانی دمای فرآیندهای صنعتی، طراحی سیستم‌های WHR را که باید برای طیف وسیعی از شرایط کار کنند، پیچیده می‌سازد.
- تکنولوژی‌های جدید: تمرکز تحقیقات بر توسعه مبدل‌های حرارتی با مواد مقاوم در برابر خوردگی و رسوب (مانند سرامیک‌های پیشرفته) است. همچنین، ترکیب ORC با توربین‌های میکرو گازی برای افزایش بازده در حال توسعه است.
بازیابی انرژی حرارتی پسماند نه تنها یک گزینه، بلکه یک ضرورت اقتصادی و محیط زیستی برای صنایع سنگین است تا بتوانند در عصر افزایش قیمت انرژی و قوانین سخت‌گیرانه محیط زیستی، رقابتی باقی بمانند.
