کتاب اصول و طراحی کوره های صنعتی اثر پیتر مولینگر ترجمه حسن عبداله پور ناشر فدک ایساتیس

این کتاب حاصل تجربه 30 ساله مولفان در دو حیطه دانشگاهی و صنعتی است.
روش های مطرح شده در این کتاب به وضوح در طراحی و شبیه سازی کوره های جدید و به روزرسانی کوره های نصب شده فعلی موثر بوده و در صنایع بین المللی مختلفی نظیر آلکوآ، شرکت گاز بریتانیا و شرکت فولاد بریتانیا با موفقیت به کار گرفته شده است.
از نقطه نشر آمکادمیک، این کتاب شامل تمام مباحث لازم باری درس اصول و طراحی کوره های صنعتی و طراحی فرایندهای دما بالا در بسیاری از رشته های مهندسی مانند مهندسی مواد، مهندسی شیمی و مهندسی مکانیک می باشد.
کتاب از دیدگاه صنعتی نیز شامل نکات اصلی در طراحی انواع کوره های ذوب و ریخته گری، عملیات حرارتی، و کوره های فراوری مواد در صنایع استخراج و کانه آرایی، صنایع شیمیایی و حتی هسته ای می شود.
 

پيشگفتار مهمان

هزاران سال است كه انسان‌ها از كوره‌ها استفاده مي‌كنند و تا به امروز نيز مهندسان به ندرت در مورد اصول طراحي كوره، احتراق و تجميع آنها در فرايندهاي صنعتي به طور رسمي آموزش مي‌بينند و آموخته‌هاي آنها منحصر به محاسبات سادة واكنش‌هاي شيميايي و انتقال حرارت مي‌شود. بنابراين، جاي تعجب نيست كه راه حل مشكلاتي نظير انتشار آلاينده‌ها و عملكرد كوره‌ها همچنان بر اساس سعي و خطا باشد. اگر در طراحي تجهيزات مورد استفاده در صنعت از اصول اشاره شده در اين كتاب، و نه از روابط تجربي و افزايش مقياس (كه پاية علمي اندكي دارند) استفاده شود، موفقيت بيشتري حاصل خواهد شد.
اوايل دهة 1970 بود كه دو مولف اين كتاب خود را در مسير هدفي مبني بر كاربرد روش‌هاي علمي‌تر نسبت به آنچه در آن زمان وجود داشت قرار دادند. حاصل اين تلاش، فهم اين موضوع بود كه ميزان گرماي آزاد شده از شعله‌ها بايد به طور دقيقي با الزامات فرايند مورد نظر مطابقت داشته باشد و اينكه اينكار در ارتباط نزديكي با طراحي خود كوره است. اكنون، با توجه به الزام به كاهش هزينه‌هاي جاري انرژي و كاهش انتشار گازهاي گلخانه‌اي، تصميم گيري‌ها بايد بيش از هر زمان ديگري بر اساس دانش و نه حدس و گمان و يا تجربيات گذشته باشد. اين كتاب كه يكي از معدود كتاب‌هاي منتشر شده در موضوع خود است، دانش كاربردي موجود را كه در حذف بسياري از حدسيات از روند طراحي كوره به كار مي‌آيد، نمايان مي‌كند. اين كتاب تاكيد ويژه‌اي بر اهميت اطمينان از مناسب بودن هر يك از اجزاء تجهيزات براي كل فرايند و نه صرفا انتخاب بر پاية ظرفيت يا كاهش هزينه دارد.
صنايع تصفية آلوميناي Alcoa شامل گستره اي از فرايندها و تجهيزات مختف، شامل بويلرها، كوره‌هاي دوار، كلسينه كننده‌هاي سوسپانسيون گازي آلومينا، و اكسيد كننده‌هاي حرارتي رژنراتيو بوده و همانند ساير صنايع، نيازمند كنترل دقيق انتشار آلاينده ها، عملكرد و ايمني است؛ اين در حالي است كه فهم واضحي از علم و اساس طراحي مربوطه وجود ندارد. به اين ترتيب، وقتي مشكلي پيش مي‌آيد، علت يابي آن مشكل خواهد بود.
نگارندة اين پيش درآمد، در اوايل دهة 1980 يك مهندس گروه توسعة تجهيزات آلكوآ بوده است. اطلاعات من در آن زمان اندك بوده و تجربة كمي در مورد فرايندهاي احتراق داشتم. مسائل پيش روي من، عملكرد كلسينه كننده‌هاي آلومينا و انتشار آلاينده‌ها بود. خوشبختانه، من مولفان اين كتاب، پيتر مولينگر و باري جنكينز را ملاقات كردم و از اين كشف كه مي‌توان يك منش علمي در طراحي كوره پيش گرفت، و اينكه روش‌هاي بسياري براي مطالعه و بهينه سازي بسياري از جنبه‌هاي احتراق و فرايند‌هاي مربوطه وجود دارد، بسيار محظوظ شدم.
با كمك مدل سازي فيزيكي مسيرهاي جريان و مدل سازي اسيدي – قليايي فرايند اختلاط در احتراق،‌ ديديم كه تنها با تغيير مكان نقاط تزريق سوخت مي‌توان عملكرد و ميزان آلاينده‌ها را به ميزان قابل توجهي بهبود بخشيد. موثر بودن اين اصلاحات اثبات شد و اكنون در تمام كلسينه كننده‌هاي آلومينا در تصفيه خانه‌هاي آلكوآ در سراسر جهان استفاده مي‌شود كه در غير اين صورت، هزينه‌هاي گزاف و محصول نامرغوب غير قابل اجتناب بود.
از آن روز، مباني علمي توصيف شده در اين كتاب در گسترة وسيعي از فرايندهاي صنايع ما اعمال مي‌شوند كه تاثير مثبتي بر عملكرد و همچنين بر قابليت اطمينان فرايندها داشته است. اين فرايندها شامل طراحي تجهيزات جديد و حل مشكلات تجهيزات موجود بوده است. اخيرا پيشرفت بسياري در رابطه با طراحي سيستم‌هاي ايمني صورت گرفته است.
به ويژه، كاربرد مدل سازي CFD به من نشان داد كه CFD نمي تواند جايگزين فهم دقيقي از علم احتراق و فرايندهاي انتقال حرارت كوره شود؛ زيرا هميشه در اين مسير تله‌هايي وجود دارد كه يا بدان‌ها توجه نمي شود، و يا از وجود آنها اطلاع نداريم.
اگر شما فردي دخيل در مدل سازي، طراحي تجهيزات نو، يا نوسازي تجهيزات قديمي و يا عملكرد احتراق و فرايندهاي انتقال حرارت كوره باشيد اين كتاب بسياري از اطلاعات لازم براي موفقيت را در اختيار شما قرار مي‌دهد.

Greg Mills
مشاور ارشد، گروه تحويل تكنولوژي كلسينه كردن،
Alcoa World Alumina
 

فهرست مطالب

فصل1 مقدمه‌اي بر طراحي كوره 1
1.1 كوره چيست؟ 3
1.1.1 اجزاي كوره 4
1.1.2 دسته‌‌بندي كوره‌ها 5
1.1.3 اهداف اصلي طراحان و كاربران كوره 7
1.2 خلاصه‌اي از كاربردها و تكنولوژي فعلي كوره‌ها 7
1.2.1 سراميك‌ها، ساخت آجر و سفالگري 8
1.2.2 سيمان و آهك 9
1.2.3 كوره‌هاي توليد شيشه 12
1.2.4 گدازش سنگ معدني فلزات 13
1.2.5 تصفيه فلزات 16
1.2.6 كوره‌هاي فلش (لحظه‌اي، سوسپانسيون) و كوره‌هاي بستر سيال 18
1.2.7 فرآوري فيزيكي فلزات 21
1.2.8 آتش زنه‌ها و كوره‌هاي بازيافت 25
1.2.9 كوره‌هاي حاوي اتمسفرهاي احياكننده 26
1.2.10 كوره‌هاي پالايش نفت و پتروشيمي 28
1.3 انگيزه‌هاي بهبود راندمان كوره‌ها 30
1.4 نتيجه‌گيري 31
1.5 منابع 31

فصل2 فرايندهاي احتراق 33
1.2 شيمي ساده احتراق 34
2.1.1 اكسيداسيون كامل كربن 34
2.1.2 اكسيداسيون كامل هيدروژن 34
2.1.3 اكسيداسيون ناقص كربن 35
2.1.4 اكسيداسيون مونوكسيدكربن 35
2.2 محاسبات احتراق 36
2.3 سينتيك واكنش‌هاي شيميايي 38
2.3.1 انواع واكنش‌ها 39
2.3.2 نظريه سرعت (نرخ) واكنش 40
2.3.3 رفتار سرعت واكنش 42
2.3.4 قطرات و ذرات در حال سوخت 46
2.4 فيزيك احتراق 48
2.4.1 نقش هواي اوليه 51
2.4.2 نقش جريان‌هاي چرخشي 58
2.4.3 آشفتگي در جت 59
2.4.4 ايروديناميك سيال ثانويه 61
2.4.5 اثر هواي اضافي بر مصرف سوخت 63
2.4.6 نصب مشعل‌هاي چندگانه 65
2.5 منابع 65

فصل 3 سوخت كوره‌ها 67
1.3 سوخت‌هاي گازي 69
3.1.1 خواص گاز طبيعي 69
3.1.2 گاز مصنوعي 69
3.1.3 عدد يا شاخص Wobbe 71
3.1.4 حدود اشتعال 71
3.1.5 تابش شعله از سوخت‌هاي گازي 74
2.3 سوخت‌هاي مايع 74
3.3 سوخت‌هاي جامد 76
3.3.1 خاكستر 78
3.4 سوخت‌هاي پسماند 78
3.5 انتخاب سوخت 79
3.5.1 عملكرد كوره 80
3.6 امنيت 84
3.7 انتشار آلاينده‌ها 85
3.8 منابع 85

فصل 4 مقدمه‌اي بر انتقال حرارت در كوره‌‌ها 87
1.4 هدايت 88
4.1.1 هدايت حالت ماندگار 89
4.1.2 انتقال حرارت همرفت 90
4.2 همرفت 97
4.2.1 آناليز ابعادي 98
4.2.2 كاربرد در انتقال حرارت همرفت 99
4.2.3 تعيين ضرايب انتقال حرارت همرفت 102
4.2.4 انتقال حرارت همرفت در دماهاي بالا 105
4.3 تابش 109
4.3.1 اصول فيزيكي تبادل تابشي 111
4.3.2 ضريب تابش و ضريب جذب 114
4.3.3 طول ميانگين 124
4.4 گرمايش الكتريكي 125
4.4.1 گرمايش مقاومتي 125
4.4.2 گرمايش قوسي 127
4.4.3 گرمايش القايي 128
4.4.4 گرمايش دي الكتريك 129
4.4.5 گرمايش فروسرخ 130
4.5 منابع 130

فصل 5 اصول شعله و مشعل در كوره‌ها 135
5.1 انواع شعله 136
5.1.1 شعله‌هاي پيش- اختلاطي 137
5.1.2 شعله‌هاي نفوذي با جت آشفته (توربولانت) 138
5.1.3 احتراق غيرهمگن 140
5.2 وظيفة مشعل و اصول طراحي مشعل 145
5.2.1 اهميت اساسي پروفيل‌هاي شار حرارتي 148
5.2.2 پايدار سازي شعله 148
5.3 مشعل‌هاي گازي 152
5.3.1 مشعل‌هاي پيش- اختلاطي 152
5.3.2 مشعل‌هاي نفوذي با جت آشفته 159
5.3.3 فرآوري مشعل‌هاي نفوذي جت 161
5.4 مشعل‌هاي سوخت مايع (نفتي) 162
5.4.1 تغيير آهنگ مشعل 164
5.4.2 اتمايزرها 164
5.5 مشعل‌هاي زغال سنگ پودري (زغال نرمه) 172
5.6 آيروديناميك كوره‌ها 174
5.6.1 سيستم‌هاي با مشعل منفرد 176
5.6.2 سيستم‌هاي با مشعل چندگانه 178
5.6.3 طراحي كانال هواي احتراقي 180
5.6.4 طراحي‌هاي معمول جعبة هوا و پلنيوم 183
5.7 مقياس‌سازي سيستم احتراق 184
5.7.1 مثالي از افزايش مقياس سيستم احتراقي 185
8.5 سروصداي كوره 188
5.8.1 غرش احتراق 189
5.8.2 سروصداي نازل و جت آشفته 190
5.8.3 سروصداي فن 191
5.8.4 سروصداي لوله‌‌ها و دريچه‌ها 191
5.8.5 كاهش صداي كوره 190
5.8.6 نوسانات ناشي از احتراق 193
5.9 منابع 196

فصل6 مدل‌سازي احتراق و انتقال حرارت 199
6.1 مدل‌سازي فيزيكي 201
6.1.1 پارامتر ثرينگ – نيوباي 204
6.1.2 پارامتر كرايا – كورتت 204
6.1.3 ضريب خفگي بكر 205
6.1.4 عدد كورتت 205
6.1.5 رابطة بين پارامترهاي مقياس‌دهي 206
6.1.6 تعيين سيلان‌هاي مورد نياز مدل 206
6.1.7 كاربرد پارامتر مقياس‌دهي 206
6.1.8 اعمال يك اصلاح بعد از اندازه‌گيري 207
6.2 مدل‌سازي رياضي 207
6.2.1 مدل‌هاي كورة سادة كاملاًًً هم- خورده (يكنواخت) 209
6.2.2 مدل‌هاي كورة طويل 216
6.2.3 مدل‌هاي منطقه‌اي دو بعدي و سه بعدي 218
6.2.4 مدل‌هاي ديناميك محاسباتي سيالات
6.2.4 مدل‌هاي ديناميك محاسباتي سيالات 222
6.2.5 كشيده شدن ذرات در سيستم‌هاي احتراقي 226
6.3 كاربرد مدل‌سازي در طراحي كوره 227
6.4 منابع 228

فصل 7 سيستم‌هاي حمل و نقل و نگهداري سوخت 231
1.7 مجموعة شيرهاي گازي 232
7.1.1 سيستم‌هاي قطع و وصل ايمني 233
7.2 سيستم‌هاي حمل و نقل سوخت مايع 234
7.2.1 ذخيره، پمپاژ و گرمايش 235
7.2.2 مجموعة شير‌ سوخت مايع (نفت كوره) 238
7.3 سيستم‌هاي حمل و نقل و احتراق زغال سنگ پودري (نرمه) 239
7.3.1 مخازن (بونكرها) و تغذيه كننده‌هاي زغال سنگ خام 240
7.3.2 آسيا كردن و خشك كردن زغال سنگ 242
7.3.3 آسياهاي زغال‌سنگ 243
7.3.4 ظرفيت آسياكاري زغال‌سنگ 249
7.3.5 سيستم‌هاي آسياكاري و اشتعال زغال سنگ پودري 251
7.3.6 ظرفيت سيستم خشك كردن زغال سنگ 255
7.3.7 دمنده‌هاي سيستم اشتعال زغال سنگ 260
7.3.8 ذخيرة زغال سنگ نرمه 261
7.3.9 تغذيه (فيد كردن) و حركت دادن زغال‌سنگ نرمه 264
7.4 حمل و نقل و نگهداري سوخت‌هاي پسماند 270
7.4.1 سيستم حمل و نقل سوخت‌هاي پسماند گازي 270
7.4.2 سيستم حمل و نقل و نگهداري سوخت‌هاي پسماند مايع 271
7.4.3 حمل و نگهداري سوخت‌هاي پسماند جامد 271
7.4.4 مزاياي زيست محيطي و خطرات بهداشتي سوخت‌هاي پسماند 273
7.5 منابع 274

فصل 8 كنترل و ايمني كوره 277
8.1 كنترل فرآيند 278
8.1.1 استراتژي‌هاي اساسي كنترل كوره 279
8.2 ابزارهاي سنجش كوره 280
8.2.1 اندازه‌گيري دما 281
8.2.2 اندازه‌گيري گرماي ورودي 284
8.2.3 تعيين هواي اضافي 287
8.3 آناليز گازهاي حاصل از احتراق 290
8.3.1 سيستم‌‌ها و آناليزگرهاي با نمونه‌گيري استخراجي 292
8.3.2 سيستم‌هاي در محل 296
8.4 كنترل احتراق 301
8.5 اطمينان از ايمني كوره 303
8.5.1 عوامل خطر در كاركرد كوره 303
8.5.2 روشن كردن كوره 304
8.5.3 كاركرد كوره با هواي احتراق ناكافي 307
8.5.4 كوئنچ‌شدن شعله 308
8.5.5 حذف منابع شروع اشتعال 309
8.6 سيستم‌هاي مديريت مشعل 309
8.6.1 الزامات ايمني براي سيستم‌هاي مديريت مشعل 311
8.6.2 قطع غير ضروري 312
8.6.3 به دست آوردن استاندارهاي ايمني قابل قبول با سيستم‌هاي مديريت سوخت شامل كنترلر‌هاي منطقي برنامه‌پذير 312
8.6.4 انتخاب يك سطح بي‌نقصي ايمني مناسب 314
8.6.5 تعيين سطح بي‌نقصي ايمني در سيستم‌هاي مديريت مشعل 315
8.6.6 آشكار‌سازهاي شعله 318
8.7 منابع 321

فصل 9 راندمان كوره 323
9.1 نمودارهاي عملكرد كوره 325
9.1.1 اندازه گيري در محل تاسيسات 329
9.1.2 برقرار كردن موازنة جرم و انرژي 333
9.1.3 گرماي درجة بالا و درجة پايين 347
9.2 تجهيزات بازيافت حرارت 351
9.2.1 مبدل‌هاي حرارتي ركوپراتيو 351
9.2.2 مبدل‌هاي حرارتي رژنراتيو 352
9.2.3 روش‌هاي عمومي طراحي مبدل‌هاي حرارتي 354
9.3 شناخت روش‌هاي بهبود راندمان 355
9.4 منابع 359

فصل 10 انتشار گازهاي آلاينده و اثرات زيست محيطي 361
10.1 شكيل مونوكسيد‌كربن 363
10.2 تشكيل اكسيد‌هاي نيتروژن 364
10.2.1 تشكيل حرارتي 364
10.2.2 تشكيل فوري 368
10.2.3 مدل‌سازي 369
10.3 تشكيل اكسيدهاي گوگرد 370
10.4 تشكيل محصولات مياني احتراق 371
10.4.1 تركيبات آلي فرار (VOC ها) 371
10.4.2 هيدروكربن‌هاي آروماتيك پلي سايكليك (PAH) 371
10.4.3 PCBها، ديوكسين‌‌ها و فوران‌ها 372
10.5 انتشار ذرات 375
10.5.1 تشكيل دوده 375
10.5.2 تشكيل و تركيب خاكستر سوخت 378
10.5.3 چرخه‌هاي فرار غير قابل احتراق 379
10.6 كنترل انتشار آلاينده‌‌ها به محيط زيست 380
10.6.1 جلوگيري از انتشار آلاينده‌‌ها و كاهش آن 381
10.6.2 مدل سازي پخش در اتمسفر 392
10.7 منابع 393

فصل 11 ساختمان و مواد كوره 397
11.1 الزامات عملكردي اساسي در ساختمان كوره 398
11.2 روش‌هاي اصلي ساخت سازه 399
11.2.1 آستري آجر 401
11.2.2 آستر مونوليتيك (خرد شده) 403
11.2.3 بخش فولادي كوره 408
11.2.4 ساخت سقف كوره 410
11.2.5 سيستم خنك‌كاري كوره 414 412
11.3 ملاحظات مهندسي عملي در كاربرد نسوزها 414
11.4 مواد نسوز سراميكي 416
11.4.1 آزمودن مواد نسوز 417
11.4.2 خواص و كاربردهاي مواد نسوز 418
11.5 فلزات مقاوم به حرارت و نسوز 422
11.5.1 اثر دماي بالا بر خواص فلز 422
11.5.2 آلياژ‌هاي دما بالا 423
11.6 ملاحظات عملي مهندسي در كاربرد فلزات دما بالا 426
11.7 مؤخره 427
11.8 منابع 427

فصل 12 روش‌هاي طراحي كوره 433
12.1 مقدمه 434
12.1.1 محدوديت‌هاي طراحي 435
12.1.2 هزينه تغيير طراحي 436
12.2 طراحي مفهومي 436
12.2.1 عملكردهاي فرآيندي 438
12.2.2 تعريف تغييرات فيزيكي و شيميايي 440
12.2.3 موازنة اولية جرم و انرژي 442
12.2.4 قابليت اطمينان اطلاعات موجود 442
12.2.5 اثر فرآيندهاي بالادستي و پايين‌دستي 444
12.2.6 انتخاب سوخت 444
12.2.7 امكان بازيافت حرارت و انتخاب تجهيزات 448
12.3 اندازه كوره 452
12.4 انتخاب مشعل 467
12.5 طراحي مبسوط و تاييد اعتبار طراحي كوره 471
12.6 سيستم سنجش و كنترل كوره 472
12.7 منابع 47