پرداختن به موضوع فلر از دو جهت کلی دارای اهمیت می باشد. اول آنکه گازهای ارسالی به فلر، گازهای با ارزش اقتصادی قابل توجهی می باشد و نکته دوم تاثیرات مخرب زیست محیطی ناشی از احتراق گازهای مذکور است [1] . کشور عزیزمان ایران با داشتن مخازن عظیم نفت و گاز و همچنین تاسیسات گسترده در بخش های بالادستی، میان دستی و پائین دستی مقادیر قابل توجهی از گازهای با ارزش را در فلرها به گازهای مخرب برای محیط زیست تبدیل می نماید. اگرچه اقدامات گسترده ای با هدف کاهش تلفات این سرمایه ملی در کشور به عمل آمده است اما هنوز ضرورت ارائه راهکارهای مناسب در این زمینه وجود داشته که در طرحی جامع قابل بررسی است. از این رو مدیریت تولید و کاهش گازهای فلر بستر مناسبی برای انجام فعالیت های علمی، تحقیقاتی و کاربردی نه تنها در سطح کشور بلکه در کل دنیا می باشد.
-2-1 تعریف مسئله
بهینه سازی مصرف انرژی و کاهش آلاینده های زیست محیطی یکی از دغدغه های اساسی صنایع، خصوصا صنایع نفت، گاز و پتروشیمی است و تاکنون روش های گوناگونی چه در مرحله طراحی اولیه و چه در مرحله اصلاح واحدهای موجود، بررسی و مورد استفاده قرار گرفته اند. یکی از مهمترین مسائل مربوط به محیط زیست در این صنایع، دفع مناسب گازهای هیدروکربنی زائد موجود در واحدها و مجتمع های صنعتی است. از متداولترین روش های موجود، رهاسازی و سوزاندن این گازهاست. روش
ها و تجهیزات متفاوتی جهت انجام این کار موجود می باشد، که بنا به ماهیت های متفاوت این مواد می توان از آنها استفاده نمود. متداولترین نوع این تجهیزات، فلرهاهستند. فلرها تجهیزات مناسبی برای دفع ایمن گازهای زائد توسط احتراق و رهاسازی آنها در محیط می باشند [2] .
فلر دودکش یا لوله عمود امتداد یافته ای است که به عنوان یکی از قسمت های ضروری در چاه های نفت، پالایشگاه ها، پتروشیمی ها ، کارخانه های مواد شیمیایی، زباله سوزها و سایر واحدهای فرایندی جهت سوزاندن گازها و مایعات زائد، قابل اشتعال و سمی تخلیه شده، بکار میرود و می تواند از بروز خطرات آتش سوزی ها، انفجار و صدمه دیدن کارکنان جلوگیری نماید. در واقع فلر مواد قابل اشتعال، سمی و بخارات خورنده را به ترکیبات کم ضررتر تبدیل می نماید و از عمده ترین روش های ایمن سازی دستگاه های صنعتی در مقابل ازدیاد فشار می باشد.[3] و [4].
فلر دهی فرایند سوختن و احتراقی است که در آن مواد آلی و گازهای اضافی سوختنی قبل از آنکه مشکلی برای تاسیسات بوجود آورند از کلیه قسمت های واحد توسط شبکه ای از خطوط لوله به منطقه ای با فاصله مناسب از واحدهای عملیاتی ارسال شده و بصورت کنترل شده ای سوزانده می شوند. فلرها همواره حین فعالیت گرما و صدا تولید می کنند. میزان و نوع گازهای انتشار یافته از فلر به محیط زیست تابع راندمان احتراق و نوع گازهای ارسالی به فلر می باشد [5].
سیستم فلر بطور کلی در سه حالت مختلف از شرایط عملیاتی واحد، گازهای دریافتی را میسوزاند:
1) شرایط عادی کارخانه: در این حالت گازهای آزاد شده از برخی فرایندها به همراه گازهای تخلیه در فلر سوزانده شده و معمولاً احتراقی بدون دود، صدا و نور به دنبال دارد. محصولات احتراق در این شرایط اغلب بخار آب، دی اکسید کربن و دی اکسید گوگرد میباشد. در این شرایط امکان بازیافت برخی از گازها پس از فشرده سازی مجدد به عنوان سوخت وجود دارد.
2) شرایط آشفتگی واحد: این شرایط در هنگام راه اندازی یا توقف کامل کارخانه بوجود آمده و حجم گازهای ارسالی به فلر بیش از شرایط عادی میباشد.
3)شرایط اضطراری واحد: در مواقعی که حوادثی نظیر نقص فنی دستگاه یا قطع جریان برق اتفاق میافتد، مقداری از گازها به صورت ناخواسته به فلر ارسال میشود. از آنجا که در این حالت تنظیم نسبت سوخت و هوا نامناسب میباشد لذا شعله های سیاه و پر دود ایجاد می گردد. شرایط اضطراری ممکن است بدلایل مختلفی اتفاق افتد که برخی از آنها عبارتند از :[1]
- تغییر در خوراک ورودی
- نقص فنی تجهیزات
- تعمیر و نگهداری نامناسب
- اشتباهات انسانی
- انحراف از رویه بهره برداری
- قطع جریان برق
- بهره برداری بیش از ظرفیت طراحی
اگرچه هر فرایند شیمیایی نظیر فرایندهای پالایشگاهی و پتروشیمیایی بدلایل مختلف جهت رعایت ایمنی شاغلین و تجهیزات ملزم به استفاده از سیستم فلر می باشند اما می توان راهکارهایی را ارائه نمود تا میزان جریان ارسالی به فلر به حداقل برسد. راهکارهای دستیابی به کاهش فلرینگ در هر یک از سه قسمت اصلی سیستم فلر بصورت زیر قابل ارائه و اجرا می باشند:
1)بخش فرایند: کاهش تولید گازهای فلر از طریق بهبود شرایط فرایندی و جلوگیری از نشتی در تجهیزات و اتصالات
2)شبکه جمع آوری: بازیابی و استفاده مجدد از گازهای فلر تولیدی بر اساس مشخصات آن
3)سیستم فلر: اصلاح سیستم فلر شامل تجهیزات، عملکرد آنها و سیستم های کنترلی و نظارتی
در ایران، ناکافی بودن پروژه های کاهش، جمع آوری و بازیافت گازهای ارسالی به فلر، باعث سوزاندن بیهوده گاز می گردد. روش ها و راهکارهایی که تا به امروز جهت کاهش و یا بازیابی گازهای ارسالی به فلر ارائه شده عمدتا بر روی اصلاح واحدهای تولید کننده گازهای ارسالی به فلر معطوف گشته اند. اما می توان به کمک طراحی یک سیستم خاص فشرده سازی گاز، میزان فلرینگ یک واحد صنعتی نظیر یک پالایشگاه یا پتروشیمی را به طور چشمگیری کاهش داده و از این طریق گازهایی که تاکنون سوزانده می شدند را جمع آوری و سپس به عنوان خوراک واحدهای فرایندی نظیر واحد گازمایع و یا به عنوان سوخت گازی برای سیستم هایی همچون توربین های گاز، دیگ های بخار، مبدل های بازیافت حرارتی، کوره ها، هیتر ها و یا سیستم های تولید همزمان تبدیل نمود. پیرو این فرایند آلودگی ناشی از سوختن گازها نیز به طور محسوسی کاهش خواهد یافت.
به عنوان نمونه، هدف اصلی یک پالایشگاه، تبدیل نفت خام به محصولات مفید نظیر بنزین، دیزل،نفت سفید و غیره می باشد. این مهم از طریق فرایندهای مختلف جداسازی و فرایندهای تبدیل شیمیایی انجام می پذیرد. تمامی این فرایندها بگونه ای طراحی شده اند که در شرایط مشخصی از دبی،دما، فشار و ترکیب انجام پذیر باشند. انحراف از شرایط طراحی باعث ایجاد وضعیت نامناسب در فرایند شده تا حدی که جریانات گازی فرایندها، به دلیل عمل نمودن شیرهای اطمینان، به سیستم فلر
پالایشگاه تخلیه می شوند.
مطابق با طرح مفهومی نشان داده شده در شکل 1، جریان های گازی از واحدهای فرایندی مختلف از طریق سیستم سوخت گازی پالایشگاه جهت تصفیه مجدد جمع آوری می گردند، در حالیکه از طریق سیستم تراکمی بازیابی، گازهای ارسالی به فلر از واحدهای مختلف، به سیستم سوخت گازی پالایشگاه بازگردانده می شوند.
شکل 1 – طرح مفهومی کلی از بازیابی، تصفیه و استفاده مجدد از گازهای ارسالی به فلر از واحدهای مختلف یک کارخانه فرایندی مانند پالایشگاه، جهت مصارف گوناگون موجود در واحدها
هنگامی که پالایشگاه در تعادل ایده آل باشد، گازهای فرایندی واحدهای مختلف بوسیله هدر سیستم سوخت گازی پالایشگاه جمع آوری شده و تصفیه می گردند، و سپس جهت استفاده به عنوان سوخت مجددا به فرایندها بازگردانده می شوند، همانگونه که بوسیله قسمت های تیره در شکل 1 نشان داده شده است گازها تنها زمانی به هدر گازهای فلر ارسال می شوند که سیستم سوخت گازی نتواند آنها را مستقیما دریافت نماید، و این گازها تنها زمانی در فلرها سوزانده خواهند شد که سیستم بازیابی گاز فلر و سیستم سوخت گازی نتوانند این گازها را بازیابی، تصفیه و استفاده مجدد نمایند.
حالت ایده آل آنست که هیچ گونه فلری در پالایشگاه وجود نداشته باشد زیرا باعث اتلاف هیدروکربن ها و گازهایی می گردد که ارزش اقتصادی بالایی دارند. اما واقعیت آن است که نصب تجهیزات بازیاقت در شرایطی که حجم گازهای ارسالی به فلر مقدار قابل توجهی می گردد )شرایط اضطراری( و همچنین نوسانات بسیار زیاد ترکیب و دبی جریان گازهای ارسالی به فلر، بسیار دشوار می باشد.
ای بر فلوئنت… 46
3-2-3.. هندسه مسئله. 49
3-2-4 شبکه بندی.. 51
3-2-5.. حل مستقل از شبکه و حساسیت بازه زمانی.. 57
3-3. معادلات حاکم در این تحقیق.. 61
3-3-1.. شرایط مرزی و اولیه. 62
3-4. اعتبار سنجی.. 63
3-5. بررسی نتایج.. 66
3-5-1.. بررسی اثر تعداد پره ها 66
3-5-2 بررسی اثر ارتفاع پره ها 70
3-5-3.. بررسی اثر ضخامت پره ها 74
3-5-4 بررسی اثر جدا نمودن ماده تغییر فاز دهنده توسط پره ها 78
3-5-5.. بررسی اثر تغییرات جنس مبدل.. 82
3-5-6… بررسی اثر تغییرات دمای سیال 86
:
4-1. نتیجه‌گیری.. 92
4-2. پیشنهادات برای ادامه کار 93
1 مواد تغییر فاز دهنده (PCM) چیست؟
(Phase Change Material) PCM به مواد تغییرفاز دهنده گفته میشود. این مواد تركیبات آلی یا معدنی هستند كه قابلیت جذب و ذخیره پنهان مقادیر زیادی از انرژی گرمایی را درون خود دارند. ذخیره انرژی گرمایی در این مواد، در طی فرایند تغییر فاز (تغییر حالت از جامد به مایع یا بالعكس) اتفاق میافتد. این مواد به هنگام تغییر فاز از جامد به مایع یا از مایع به جامد، این گرما را از محیط جذب نموده و یا به محیط پس می دهند. ماده تغییر فازدهنده قابلیت آن را دارد كه این انرژی نهفته گرمایی را بدون هیچگونه تغییری حتی پس از هزاران چرخه تغییر فاز، درون خود حفظ نماید. این مواد در صورت استفاده در ساختمان، از طریق چرخه های متوالی ذوب و انجماد در تغییرات شدید دمای هوا (مثلا بین شب وروز)، مقادیر زیادی گرما را با محیط تبادل نموده و از این طریق دمای هوای متعادل تری را برای فضای داخل ساختمان تامین می نمایند]1[.
1-2 تاریخچه استفاده از مواد تغییر فازدهنده:
اولین گزارشها مبنی بر كاربرد این مواد در ساختمان از 1940 به صورت نوظهور مطرح شد. سپس استفاده از این مواد در ساختمان از دهه 1980 به صورت گسترده مورد مطالعه قرار گرفته و امروزه استفاده از آنها در صنعت ساختمان از جایگاه ویژه ای برخوردار شده است. این مواد را میتوان در ساختمان و در اجزایی مجزا برای كاربردهای گرمایش و سرمایش به كار برد از جمله كركره ، دیوار رو به خورشید، تخته گچ، سیستمهای گرمایش كف و تخته های سقفی . همچنین بعد از جنگ جهانی دوم برای ساختن نخستین ذخیره کننده در خانه خورشیدی به عنوان PCM از این مواد استفاده شد.
1-3 چگونگی عملكرد مواد تغییر فاز دهنده:
مواد در طبیعت در سه فاز مایع، جامد و گاز وجود دارند. در صورتی كه ماده ای از یک فاز به فاز دیگر تغییر حالت دهد، مقداری گرما را كه گرمای نهان نامیده میشود، جذب یا آزاد مینماید. به عنوان مثال، یک ماده جامد پس از گرم شدن و رسیدن به نقطه ذوب خود، به جذب حجم بالایی از انرژی (كه گرمای نهان ذوب نامیده میشود) پرداخته و حالت خود را از جامد به مایع تغییر میدهد. مواد تغییر فاز دهنده این خاصیت را دارند كه حالت خود را در یک دامنه دمایی مشخص تغییر دهند، به این مفهوم كه طی فرایند تغییر حالت، دمای خود را برای طول مدت تغییر حالت حفظ مینمایند. در واقع، روش كار این مواد برای ذخیرة انرژی گرمایی به این صورت است كه طی فرایند گرم شدن محیط، به صورت موازی با محیط گرم میشوند تا زمانی كه به دمای ذوب خود (تغییر فاز) برسند]2[.
پس از رسیدن به این دما علیرغم اینكه دمای محیط همچنان به روند افزایشی خود ادامه میدهد، دمای این مواد و البته محیط اطراف آن به دلیل اینكه در حال تغییر فاز است، ثابت مانده و در برابر افزایش دما مقاومت مینماید. در واقع، طی این بازه زمانی كه معمولاً چند ساعت نیز به طول می انجامد، ماده تغییر فازدهنده مقادیر زیادی از گرمای محیط را به خود جذب مینماید، ولی آن را صرف افزایش دمای خود نمیكند، بلكه این گرمای جذب شده را صرف تغییر فاز خود از جامد به مایع نموده و طی فرایند تغییر فاز، دمای خود و محیط اطراف خود را ثابت نگاه میدارد. این روند تغییرات دمایی و جذب انرژی گرمایی در شكل1-1 بخوبی قابل مشاهده است]3[. در منطقه مربع شكل سفید
رنگ، فرایند تغییر فاز در حال شكل گرفتن بوده و در همین منطقه است
كه انرژی گرمایی جذب شده توسط ماده درون آن ذخیره می شود.
شكل 1-1 : نمودار عملكرد ماده تغییر فازدهنده
1-4 خصوصیات مواد تغییر فازدهنده
موادتغییر فازدهنده استفاده شده در طراحی سیستم های ذخیره حرارتی، باید دارای خصوصیات زیر باشند]4[:
الف. خواص حرارتی: دمای تغییر فاز مناسب،گرمای نهان تغییر فاز بالا،انتقال حرارت خوب؛
ب. خواص فیزیکی: تعادل فاز مطلوب، چگالی بالا،تغیرحجم کم، فشار بخار پایین،تغییر فاز تجدید پذیر؛
ج. خواص سینتکی: عدم فوق تبرد، نرخ تبلورکافی؛
د. خواص شیمیایی: پایداری شیمیایی بلند مدت،سازگاری با مواد ساختاری سیستم، عدم سمیت، عدم خطر احتراق؛
ه. خواص اقتصادی: در دسترس بودن، قیمت مناسب، قابلیت بازیافت.
یکی از مشکلات تغییر فاز تجدید پذیر، جدایی فاز است. جدایی فازی زمانی اتفاق می افتد که فازهای دارای ترکیبهای گوناگون به صورتی ماکروسکوپی ازهم جدا شوند. فوق تبرید نیز اثری است که در آن دما به صورت قابل توجهی به زیر دمای ذوب می رسد تازمانی که ماده شروع به انجماد وآزادسازی گرما کند (شکل 1-2). اگر به این دما نرسیم، ماده تغییر فاز منجمد نشده و تنهاگرمای محسوس را ذخیره می کند]5[.
شکل 1-2 :تغییر دما طی فرایند ذوب و انجماد
همانطور که قبلا گفته شد،ماده تغییر فاز دهنده انرژی را به صورت گرمای نهان ذوب ذخیره می کند. این مواد به میزان 5 الی 14 برابر موادی مانند سنگ یا آب که به صورت محسوس می توانند انرژی را در خود ذخیره کنند،ذخیره می کنند.
انتخاب نوع PCM بستگی به کاربرد و دمای طراحی سیستم دارد.دمای عملکرد سیستم جهت گرمایش یا سرمایش بایستی متناسب با دمای تغییر فاز PCM باشد. ظرفیت بالای ذخیره سازی انرژی حرارتی سبب میسر شدن ساخت ذخیره کننده های کوچک گردیده است و این ویژگی باعث کاربردی تر شدن این سیستم ها در مراکز صنعتی و تجاری که با محدودیت ابعادی مواجه هستند،شده است]6[. هر چه گرمای نهان ذوب وچگالی PCM بالاتر باشد ابعاد سیستم ذخیره کننده کوچک تر خواهد شد که این امر خود کمتر شدن تغییرات حجم به هنگام تغییر فاز با فشار بخار پایین را به دنبال دارد و نگرانی ها در مورد بروز مشکلات زیست محیطی را کاهش می دهد.
1-5 انواع مختلف مواد تغییر فاز دهنده
بلان زالبا و همکاران]7,8[، دو روش برای دسته بندی PCM ها ارائه دادند .روش اول،دسته بندی بر اساس، ساختمان ماده تغییر فاز دهنده و روش دوم دسته بندی بر اساس دمای تغییر فاز می باشد .در روش اول PCM ها از لحاظ ساختمانی به دو دسته مواد دارای ترکیبات آلی، غیر آلی و آلیاژی تقسیم می شوند. PCM های آلی نیز خود به دو دسته پارافینی و غیرپارافینی طبقه بندی می شوند. در قیاس PCM های پارافینی و غیر پارافینی می توان به گرمای نهان ذوب بالا،تغییر حجم کوچک هنگام ذوب، فشار بخار پایین در حالت مذاب غیرخورنده و نسبتا ارزان بودن اشاره کرد. از آن جایی که سطوح احاطه شده بوسیله پارافین به عنوان یک سطح با شار حرارتی بالا رفتار می کنند، بنابراین کاربرد این مواد پارافینی به علت هدایت حرارتی کم PCM ها،موجب افزایش بازده این مواد می شود.یکی از مهم ترین معایب این دسته از PCM ها، عدم سازگاری با مخازن پلاستیکی و بالا بودن نسبی قابلیت اشتعال آن است.
پارافین های آلی،که بیشتر به اسید های چرب معروف هستند، فراوان ترین PCM ها با خواص بسیار متغیر هستند. بر خلاف پارافین ها که دارای تشابه خواص هستند، هر کدام از این مواد دارای ویژگی های منحصر به فرد خود می باشند. از جمله می توان به بالا بودن گرمای نهان ذوب،سطح سمی بودن متغیر و عدم تعادل در دمای بالا اشاره کرد. مشکل این نوع مواد بالا بودن هزینه آنها در قیاس با پارافین هاست تا دو برابر و نیم است، همچنین اسیدها دارای خورندگی نسبی هستند.
PCM های غیرآلی نیز که بیشتر از مواد آلی معمولی هستند،موادی هستند که دارای ترکیبات کربن در ساختار خود نیستند.کاربرد این مواد در خنک کاری های شدید پدیده هائیست که تغییرات دمائی منظمی ندارند. از مشکلات عمومی PCM های غیر آلی، بیش از حد سرد شدن و بی ثباتی دمائی آنها می باشد. به هنگام انجماد باید مشکل بیش از حد سرد شدن PCM به طور کامل بررسی و حل گردد. ژانگ و همکاران]9,10,11[ با ترکیب کردن این مواد با مواد افزودنی هسته ای که دارای ساختمان کریستالی بوده و قابلیت حل بالایی را در PCM دارد،درصدد رفع این مشکل برآمدند.
همانطور که در قبل اشاره شد،دیگر دسته بندی که بر اساس دمای تغییر فاز می باشد،PCM ها را به سه دسته:یوتکتیک، هیدارت نمک ها و مواد آلی تقسیم می کند. یوتکتیک ها نمک های محلول در آب هستند که دمای تغییر فاز آنها کمتر از صفر درجه سلسیوس است. هیدارت نمک ها یا نمک های هیدارته شده، نمک هایی هستند که دمای تغییر فاز آنها بالای صفر درجه سلسیوس و در محدوده 20-40 درجه سلسیوس است.هیدارت نمک ها از مهم ترین گروه PCM ها هستند که به طور گسترده برای سیستم های ذخیره انرژی گرمایی نهان استفاده می شوند . از ویژگی های مطلوب می توان به گرمای نهان ذوب بالا،هدایت گرمایی نسبتا بالا، خورندگی کم،کم بودن میزان سمی بودن،تغییر حجم کم در هنگام ذوب،سازگاری با مخازن پلاستیکی و همچنین ارزان بودن آنها اشاره کرد]12[.
مشکل اصلی این نوع PCM ها از آنجایی که دارای نرخ هسته گذاری پایین هستند می بایست فوق تبرید شوند و به همین دلیل انرژی به جای تخلیه در دمای ذوب،در دمای پایین تری تخلیه می شود و نتیجتا پدیده نامطلوب فوق تبرید شدن رخ می دهد. همچنین یکی دیگر از معایب این مواد،ذوب شدن آن به صورت نامتجانس است یعنی هنگامی که نمک کاملا در آب هیدراسیون در نقطه ذوب حل نشود.
برای کاربردهای تجاری و صنعتی، PCM ها باید داخل یک پوشش آب بندی شده قرار گیرند.دمای کاری رایج ترین PCM ها بین 40- تا 117+ درجه سانتیگراد است.این مواد را می توان مطابق شکل 1-3 به صورت لوله با پوششی از جنس پلی اتیلن بسته بندی نمود تا بتوان با به کار بردن آن در مخزن جاذب انرژی حرارتی،حرارت را به سیال موجود در سیستم (آب یا هوا) منتقل کرد. مطابق شکل 1-3 بایستی بین بسته های PCM فاصله باشد تا سیال مذکور به راحتی در فواصل آنها جریان یابد و تبادل انرژی حرارتی انجام شود.
شکل 1-3 : مخزن جاذب انرژی محتوی PCM
1-6 فرایند تغییر فاز
تغییر فاز می تواند به فرم های زیر صورت می گیرد: جامد- جامد، جامد- مایع، جامد-گاز، مایع-گاز و بالعکس. در تبدیل جامد-جامد،گرما هنگام تغییر حالت بلورین ماده، ذخیره می شود. درتغییر فازجامد-جامد، مایع یا گازی تولید نشده و نیاز به حبس داخل کپسولی نیست، اما به رغم تمامی این مزایا، تعداد کمی از این مواد تغییر فاز دهنده جامد-جامد شناخته شده می باشند.
تبدیل جامد- مایع گرمای نهان کمتری نسبت به مایع-گاز دارد اما با تغییرکمتری درحجم همراه است (در حدود10 % یا کمتر) بنابراین جهت استفاده در سیستم های ذخیره انرژی گرمایی، مقرون به صرفه ترمی باشند. بنابراین کلیه سیستم های ذخیره انرژی نهان می بایست دست كم دارای سه جزء زیر باشند]13[:
- ماده ی تغییر فازدهنده مناسب که ذوب آن در محدوده مطلوب باشد.
- سطح مبدل حرارتی مناسب
- محفظه نگهدارنده سازگار با ماده ی تغییر فازدهنده
دمای ماده تغییر فازدهنده در طول فرایند ذوب وانجماد تقریباً ثابت می ماند.انتقال حرارت بالا بدون تغییرمحسوس دما باعث شده تا مواد تغییر فازدهنده به عنوان یک منبع قابل توجه برای ذخیره گرمایی در فرایندهای عملی مطرح است.
در سال 1938، ابهت دسته بندی مفیدی برای مواد ذخیره ساز انرژی گرمایی ارائه داد که درشکل 1-4 آورده شده است]14[.
(( … و تَصریفِ الرّیاحِ آیاتٌ لقومٍ یَعقلونَ ))
«…و در چرخش بادها برای مردمی که می اندیشند، نشانه هایی است.»
نیاز روزافزون بشر به مصرف انرژی از یک سو و لزوم حفظ و حراست از محیط زندگی در برابر تبعات ناشی از سوختهای فسیلی از سوی دیگر، موجب شده است تا منابع انرژی پاک بیش از هر زمان دیگر مورد توجه قرار گیرند. سیستم های انرژی تجدیدپذیر شاخص ترین منابع انرژی پاک را شامل می شوند. تبعات آلودگی های زیست محیطی ناشی از انرژی های فسیلی، امروزه چنان گسترده شده است که بشر از طرفی حسرت اقدامات گذشته و توسعه ناپایدار و ناهمگون بنا شده در آن را می خورد و در پی چاره ای برای گریز از این شرایط است؛ اما از سویی هچنان ناگزیر به ادامه روند چنین توسعه ای می باشد چرا که تغییر فرهنگ در استفاده از فناوری چه در بخش تولید و چه در مصرف نیازمند گذر زمان و صرف هزینه های فراوان است. از این رو سرمایه گذاری های فراوان و روزافزونی به ویژه در کشورهای توسعه یافته جهت مطالعه در زمینه رشد و گسترش بهره برداری از انرژی های تجدیدپذیر از یک سو در بخش تولید (در مقیاس بالا و بُعد نیروگاهی) و از سمت دیگر، فرهنگ سازی در بخش مصرف، چه در زمینه استفاده از انرژی های مقیاس مستقل و پاک و چه در زمینه بهبود الگوی مصرف انجام پذیرفته است]1 .[
1-2- انرژی تجدیدپذیر
بر خلاف سوختهای فسیلی، منابع انرژی های تجدیدپذیر دائما ایجاد می گردد و می توانند پایدار بمانند. چند منبع انرژی تجدیدپذیر که بیشتر از آنها استفاده می گردد، عبارتند از: انرژی زیست توده(مانند چوب و ضایعات آن، زباله جامد شهری، بایوگاز، اتانول، بیودیزل و ..)، انرژی با قدرت بالا(مانند پتانسل آب، موج اقیانوس و …)، انرژی خورشیدی و انرژی باد.
استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر موضوع جدیدی نیست. بیش از 150 سال پیش استفاده از انرژی آتش به عنوان نمونه ای از انرژی زیست توده بیش از 90 درصد کل انرژی های مصرفی را به خود اختصاص داده بود. ما امروزه، بازهم به دنبال یافتن راه هایی برای استفاده ازانرژی تجدیدپذیر هستیم.
در سال2006، نزدیک 18% کل انرژی مصرفی جهان از انرژی های تجدیدپذیر تامین می گشت. همچنین 13% آن نیز از انرژی های زیست توده بوده که عمدتا برای مصارف گرم کردن می باشد و تنها 3% انرژی از نوع هیدروالکتریسیته می باشد. انرژی های تجدیدپذیر (شامل: انرژی با قدرت بالا جزئی، انرژی باد و انرژی خورشیدی و …) نیز 2.4 درصد را به خود اختصاص داده است. سهم انرژی های تجدیدپذیر از تولید برق حدود 18 درصد است که حدود 15 درصد مربوط به توربین های آبی بوده و مابقی از سایر انرژی های تجدیدپذیر تولید می گردد. سیاست اروپا در مورد تولید برق از انرژی های تجدیدپذیر در پیشبرد اهداف کلان خود حدود 20 درصد می باشد.
در تابستان سال 2010 میلادی، دولتهای عضو کمسیسون انرژی اروپا طرح ها و برنامه های خود را ارائه کردند. استفاده از انرژی تجدیدپذیر در بعضی کشورها جزو اهداف توسعه ملی آنها بود. در دانمارک، سیاست و اهداف دراز مدتشان رسیدن به میزان تولید برق 30 درصدی از منابع تجدیدپذیر تا سال 2020 میلادی می باشد.
درحالی که بسیاری از پروژه های انرژی تجدیدپذیر و تولید آن در مقیاس بزرگتر برای مناطق دور افتاده و محروم و روستایی نیز مناسب می باشد، برای توسعه منابع انسانی هم کاربرد دارد. برخی از فن آوری های انرژی تجدیدپذیر به جهت انتقادهایی که به آنها وارد می گردد، هنوز در بازار انرژی نیاز به رشد دارد. لذا نگرانی های تغییرآب و هوا، افزایش قیمت نفت و نگاه ویژه دولت ها به این نوع انرژی ها باعث گردیده تا قوانین مربوط به انرژی های تجدیدپذیرتدوین وسیاست دولتها به سمت صنعت انرژی های تجدیدپذیر در شرایط بحران اقتصادی 2009 میلادی در جهان حرکت کند.
تولید انرژی های تجدیدپذیر نسبت به تولید انرژی از سوختهای فسیلی بسیارگرانتر است. همچنین منابع این نوع انرژی، معمولاً در مناطق دور افتاده وجود دارد و ساخت خطوط انتقال انرژی به شهرها که مصرف کننده آن می باشند، بسیار هزینه بر است. استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، توسط این واقعیت که همیشه در دسترس نیستند، محدود می گردد. به عنوان مثال در روز ابری انرژی خورشیدی کاهش می یابد، در روز آرام انرژی باد کاهش می یابد و در زمان خشکسالی میزان آب جهت تولید انرژی آبی کاهش می یابد]10[.
امروزه عملیات انفجار در تودهسنگهای سخت امری اجتنابناپذیر در بسیاری از پروژه های معدنی و عمرانی محسوب می شود و در صورت عدم دقت در طراحی آن می تواند خسارات جانی و مالی زیادی را به تمامی پروژه های عمرانی یا معدنی وارد آورد.
نتیجه یک عملیات آتشباری به پارامترهای متعددی مانند خصوصیات مکانیکیسنگ تودهسنگ ( مقاومت فشاری تک محوری و سه محوری، مقاومت برشی، مقاومت کششی و مدول ارتجاعی توده سنگ و…)، خصوصیات دینامیکی سنگ، میزان و نوع ناپیوستگیها، مشخصات الگوی انفجار ( قطر چال، طول چال، ضخامت بار سنگ، فاصله ردیفی چال‌ها، ارتفاع گل‌گذاری، طول اضافه حفاری و …)، نوع مواد منفجره، نحوه خرج‌گذاری، ترتیب انفجار چال‌ها، میزان تاخیرها و … بستگی دارد. در ابتدا بایستی مفهوم قابلیت انفجار بیان گردد. هنگامی که در دو تودهسنگ مختلف با هندسه انفجار و انرژی ماده منفجرهی مشابه ، انفجار صورت میگیرد، درجههای مختلفی از خردایش در آنها ملاحظه می شود. علت این است که تودهسنگها بطور ذاتی مقاومت متفاوتی در برابر خرد شدن بوسیله انفجار دارند. این خاصیت را قابلیت انفجار مینامند. این مشخصه به نظر میرسد که نوعی خاصیت ذاتی سنگ، مانند سختی است و فاکتورهای زیادی بر روی آن تاثیر میگذارند. پارامترهای موثر بر قابلیت انفجار به سه گروه کلی (1) خصوصیات مادهسنگ (2) خصوصیات تودهسنگ (3) مشخصات طراحی تقسیم شده اند.
خواص فیزیکی و ژئومکانیکی تودهسنگ، از مهمترین پارامترهای موثر درطراحی الگوی حفاری و آتشباری هستند. این پارامترها را میتوان در دو گروه جای داد؛ گروه اول شامل خواص مادهسنگ نظیر مقاومت، سختی، مدول الاستیسیته، چگالی سنگ و غیره. این پارامترها به ساخت مادهسنگ، پیوستگی درونی و ترکیب و توزیع کانیهای تشکیلدهنده سنگ بستگی دارند. گروه دوم شامل ساختار ناپیوستگیها مانند جهتداری، فاصلهداری و تداوم ناپیوستگیها و غیره می شود.
قابلیت انفجار رابطه مستقیمی با خردایش و نتایج حاصل از آتشباری دارد، بطوری که با داشتن قابلیت انفجار میتوان آتشباری در معادن و در نتیجه خردایش مطلوب را طراحی نمود. برای محاسبه قابلیت انفجار روابط زیادی ارائه شده اند که اساس و اعتبارسنجی آنها با بهره گرفتن از داده های واقعی آتشباری انجام گرفته است. در صورتی که داده های واقعی آتشباری در دسترس نباشد و یا معدن در مرحله
طراحی اولیه قرار داشته باشد بایستی از روابطی که بطور غیرمستقیم قابلیت انفجار را محاسبه می کنند، استفاده کرد. از جمله مهمترین این روابط میتوان به روابط کوز-رام و رابطه سوئبرک اشاره نمود.
1-2- پیشینه تحقیق
روشهای مختلفی برای ارزیابی قابلیت انفجار سنگها با بهره گرفتن از طبقه بندی مهندسی سنگها صورت گرفته است. مطالعات و تحقیقات جدی در مورد ارائه روش از سال 1954 انجام شد. در این زمینه میتوان به روش فرانکل[3] اشاره نمود[1]، روش اخیر به دلیل تاثیر پارامترهای قابل کنترل طراحی نظیر عمق چال، ارتفاع خرج، قطر خرج و غیره و لحاظ نکردن پارامترهای تودهسنگ، دارای دقت پایینی است. در سال 1954 هینو[4] پیشنهاد کرد که قابلیت انفجار (که آن را ضریب انفجار نامید) با نسبت مقاومت فشاری به مقاومت کششی تودهسنگ برابر است[1]. این روش نیز به دلیل لحاظ کردن پارامترهای اندک و در نظر نگرفتن پارامترهای مربوط به تودهسنگ از دقت پایینی برخوردار است. پس از آن مطالعات زیادی نظیر افرادی مانند هینین و دیماک[5] درسال 1976، آشبی[6] در سال 1977 و بورکوئیز[7] در سال 1981 انجام گرفت[1]، که این مطالعات نیز به دلیل لحاظ کردن پارامترهای اندکی از خصوصیات سنگ و تودهسنگ از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار نبودند. در سال 1982 راکشیف[8] قابلیت انفجار، مقاومت شکست در برابر انفجار، را تابعی از چگالی سنگ، سرعت موج طولی ضریب پواسون، مدول الاستیک، مقاومت فشاری و مقاومت کششی تودهسنگ، متوسط واحد ساختار طبیعی و ضریبی به نمایندگی از خصوصیات و درجه بازشدگی درزه بیان کرد و با تاثیر دادن آنها روشهای قبلی را تکمیل کرد[1]. پس از آن در سال 1986 توسط لیلی[9] اندیس قابلیت انفجار معرفی شد که پرکاربردترین روش موجود هست[2]. ولی این روش بسیار کلی و دارای معایب زیادی است. برای رهایی از این مشکل، لو و لاتهام[10] در سال 1998 شاخص قابلیت انفجار را معرفی کردند، که نسبت به سایر روشها تعداد پارامترهای بیشتری در آن در نظر گرفته شده و دقیقتر هست[3]. جیانگ هان وهمکاران در سال 2000 از روش شبکه عصبی جهت طبقهبندی قابلیت انفجار توده سنگ استفاده کردند. این روش به دلیل داشتن دقت پایین مورد اعتماد نیست[3]. در سال 2006 مومیوند با یافتن عامل جدید موثر بر قابلیت انفجار سنگها به نام اندازه دهانه ناپیوستگیها، روش جدیدی تحت عنوان شاخص خردایش سنگ ارائه داد[4]. به دلیل استفاده از مرزهای تیز بین رتبه دو کلاس مجاور، همپوشانی در مرزهای کلاسهای طبقه بندیهای ارائه شده، عدم قطعیت ذهنی به داده هایی که نزدیک به مرز جدایی دو کلاس و زیاد بودن دامنه امتیازهای کلاسهای طبقه بندیهای ارائه شده در روش ارائه شده توسط لاتهام و همچنین مومیوند، دشتکی و یار احمدی در سال 2005 یک طبقه بندی جدید بر اساس BRMR را به منظور تعیین قابلیت انفجار تودهسنگها و میزان خردایش آن ها ارائه نمودند. در این طبقه بندی، علاوه بر عواملی که در طبقه بندی RMR قید شده است، عواملی که در طبقه بندی پیشنهادی لو و لاتهام ذکر گردیده است، گنجانده شده است[5].عظیمی و اصانلو در سال 2010 روشی را مبتنی بر فازی سازی روش ارائه شده توسط لاتهام ارائه کردند[6] که به دلیل عدم قطعیت روش منطق فازی مورد اعتماد نیست. یاراحمدی و همكاران سال 2014 در یک طرح تحقیقاتی ضمن طبقه بندی قابلیت انفجار بلوك ایران مركزی ویژگی های دینامیكی توده سنگ مثل سرعت موج طولی را در محاسبه دانه بندی خردایش ناشی از انفجار و محاسبه خرج ویژه دخیل نمودند.
1-3- هدف تحقیق
تعیین قابلیت انفجار در فضاهای زیرزمینی بخصوص در روشهای استخراج تخریبی از مهمترین پارامترهای تعیینكننده قابلیت تخریب در این روشها است. در این تحقیق به منظور تعیین قابلیت تخریب بروش طبقات فرعی در معدن سنگ آهن زیر زمینی 12 سه چاهون میبایست قابلیت انفجار مورد بررسی قرار میگرفت. از طرفی اغلب تحقیقات و تجربیات ثبت شده در خصوص قابلیت انفجار، در معادن سطحی بوده است و لذا در اینجا بر اساس داده های ژئومكانیكی معدن 11 سه چاهون به عنوان نزدیكترین معدن به معدن 12 سه چاهون قابلیت انفجار بروش كوزـ رام و سوئبرک مورد محاسبه قرار میگیرد.
1-4- ساختار تحقیق
در فصل دوم این تحقیق قابلیت انفجار مورد بررسی قرار میگیرد كه شامل پارامترهای موثر از سیستم تودهسنگ، سیستم انفجار و شرایط انفجار است. در فصل سوم روشهای تخریبی بخصوص روش تخریب طبقات فرعی مورد بحث قرار میگیرند. در فصل چهارم نحوه تخمین خردایش معرفی شده و سپس در فصل پنجم معدن مورد مطالعه معرفی و قابلیت انفجار آن محاسبه می شود.
آتشباری یكی از اصلی‌ترین عملیات معدنكاری برای جدا کردن سنگ از توده و خردایش آن تا حد قابل قبول است. و در اصل به کار بردن انرژی آزاد شده حاصل از انفجار مواد منفجره برای شکستن و جدا کردن آن از توده میباشد. لذا این عملیات نیازمند شناخت کامل همه پارامترهای موثر و طراحی بهینه میباشد که در نتیجه شرایط نامناسب زمین یا طراحی ضعیف، ممكن است باعث پیامد های نامطلوبی مثل پرتاب سنگ، لرزش زمین، لرزش هوا، عقب زدگی، ایجاد سر و صدا، تولید گرد و غبار وبر جای ماندن بلوكهای بزرگی نیازمند شكستن مجدد شود (شکل1-1).
شکل (1-1)حفاری مجدد قطعات بزرگ ناشی از آتشباری ناموفق (معدن چادرملو)
یک عملیات آتشباری خوب طراحی شده، عملیاتی است كه منجر به تولید سنگ خرد شده‌ای شود که ابعاد و توزیع دانه بندی آن مطابق با ابعاد و توزیع دانه بندی قابل بارگیری و باربری توسط تجهیزات موجود و قابل خردایش توسط كارخانه سنگشكنی باشد و نیاز به خرد كردن مجدد سنگ نباشد. از آنجایی كه میزان خردایش ناشی از آتشباری تأثیر مهمی بر فرایند دیگر عملیات معدنكاری از قبیل بارگیری، باربری، سنگشكنی و آسیا كنی دارد، انجام مطالعات جهت بهینهسازی خردایش اهمیت بسزایی دارد چرا که علاوه بر تأثیر مستقیم بر هزینه استخراج و فرآوری ماده معدنی، بر ایمنی این عملیات و كنترل پرتاب سنگ و دیواره‌ها نیز مؤثر است [1][2][3].
علیرغم توسعه روشهای مختلف در زمینه تعیین قابلیت انفجار تاكنون تلاش كمی جهت توسعه پارامترهای كمی و سیستماتیک مؤثر بر این قابلیت سنگ صورت گرفته است. مطالعات صورت گرفته در این زمینه كه گاهاً منجر به ارائه روابطی نیز شده است، قادر به بیان خصوصیت قابلیت آتشباری توده سنگ نیستند و هنوز رابطه یا سیستم طبقهبندی جامعی جهت پیشبینی این قابلیت توده سنگ ارائه نگردیده است. تلاش‌هایی نیز كه در این زمینه صورت گرفته، قابلیت كاربرد وسیع در عملیات آتشباری را ندارند. زیرا جهت عملیاتی كردن این سیستمهای طبقهبندی نیاز به بررسی یكسری از خصوصیات توده سنگ میباشد كه برآورد آن ها زمان زیادی را میطلبد. در حالی که در صنعت معدن کاری وقت و سرعت تولید بسیار حائز اهمیت است و این طراحی سیستم طبقهبندی توده سنگی را میطلبد كه به سرعت بتواند خصوصیات توده سنگ را در رابطه با قابلیت آتشباری آن توصیف كند. از طرفی نیز قابلیت ایجاد رابطه با پارامترهای طراحی و مواد منفجره را دارا باشد.
اهمیت وجود چنین سیستم طبقهبندی توده سنگی قابلیت كاربرد آن در پروژه‌های معدنی جهت طراحی بهینه طرح آتشباری برای رسیدن به توزیع اندازه مورد نظر ذرات حاصل از انفجار با حداقل مواد منفجره مصرفی میباشد. در صورت دستیابی به چنین طبقهبندی توده سنگی علاوه بر كاهش هزینه تولید مصالح معدنی دلخواه میتوان هزینه بارگیری، حملونقل، خردایش و فرآوری ماده معدنی را تا حد زیادی كاهش داد و در نتیجه قابلیت اقتصادی معدن را به شدت افزایش داد.
قابلیت انفجار توده سنگ ویژگی بسیار مهمی در طراحی آتشباری در معادن و فعالیت‌های عمرانی میباشد که با سیستم توده سنگ،
سیستم انفجار و شرایط محیطی انفجار دارای ارتباط تنگاتنگ است (شکل1-2) و نتیجه آن خردایش توده سنگ به ابعاد و با توزیع دانه بندی مورد نیاز میباشد.
از آنجائیکه ویژگی‌های مؤثر بر قابلیت انفجار و نتیجه آتشباری زیاد میباشد، محققان در تحقیقات خود بسته به وزن تاثیر، برخی از آن ها را مورد بررسی قرار داده‌اند و تأثیر آن ها را از طریق روابطی استنباط کرده‌اند.
برخی از این دانشمندان قابلیت انفجار را با شاخصی ساده بیان نموده، برخی با یک طبقه بندی دارای پارامتر های متعدد و برخی دیگر با بهره گرفتن از روشهای هوشمند ارتباط آن ها را پیدا نموده‌اند. در این فصل همه دیدگاه‌ها و تحقیقات گذشته که در مورد قابلیت انفجار توده سنگ انجام گرفته مورد بررسی قرار میگیرد.
شکل (1-2)عوامل مؤثر بر قابلیت انفجار
1-2- سیستم توده سنگ
پارامترهای مربوط به طبیعت توده سنگ شامل ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی سنگ بکر و ناپیوستگیها، قوانین حاکم بر مقاومت و رفتار آن ها و شرایط محیطی مثل تنش‌ها، بارهای دینامیکی و هیدرو سیستم میشود که به پارامتر های غیر قابل کنترل موثر بر انفجار نام برده میشود. از خصوصیات سنگ بکر میتوان به مقاومت تراکمی و کششی، وزن حجمی، مقاومت برشی، سختی، الاستیسیته، تغییر شکل‌پذیری، دوام و اندازه دانه‌ها اشاره کرد. این خصوصیات مرتبط با بافت سنگ، پیوندهای داخلی، ترکیب و توزیع کانیهای تشکیل دهنده سنگ هستند. از خصوصیات ناپیوستگیها نیز میتوان به جهتداری، فاصلهداری، تداوم، بازشدگی، زبری، خصوصیات مواد پرکننده،… اشاره کرد. شکل(1-3)برخی از ویژگی‌های توده سنگ موثر بر قابلیت انفجار را نشان میدهد.
شکل (1-3)ویژگی‌های توده سنگ موثر بر قابلیت انفجار
ویژگی‌های توده سنگ در عملیات آتشباری مهمترین و پیچیده‌ترین عواملی هستند که بر آن مؤثر بوده و لذا در هنگام شروع معدن کاری در معادن روباز و یا در پروژه‌های عمرانی و همچنین در هنگام برنامه ریزی و طراحی باید مد نظر قرار گیرد.[2]
به جز پارامترهای استاتیکی مؤثر بر قابلیت انفجار عوامل دیگری نیز وجود دارند که تأثیر بسزایی بر میزان خردایش، قابلیت انفجار و تأثیرات منفی انفجار دارند که از آن ها با عنوان پارامترهای دینامیکی مؤثر بر قابلیت انفجار نام برده میشود. این پارامترها شامل امواجی هستند که در اثر انفجار تولید شده و در سنگها انتشار می‌یابند. قدرت، سرعت و نحوه انتشار این امواج از جمله فاکتورهای مهم و تعیین کننده قابلیت انفجار بوده، لذا در این مطالعه سعی شده به امواج حاصل از انفجار، قوانین حاکم بر امواج، نحوه ایجاد و برداشت آن ها به طور اجمالی اشاره شود.
1-3- سیستم انفجار
به مجموعه مواد منفجره، روشهای انفجار و هندسه انفجار سیستم انفجار گفته میشود. پارامتر های این سیستم معمولاً قابل کنترل بوده و برای رسیدن به انفجار بهینه قابل تغییر می‌باشند لذا هرگاه سخن از طراحی انفجار و آتشباری است مقصود تغییر در این پارامترها بر اساس پارامتر های غیر قابل کنترل توده سنگ و شرایط انفجار تا رسیدن به نتیجه انفجار مطلوب است.
ماده منفجره ترکیبی شیمیایی و یا مخلوطی مکانیکی است که در اثر جرقه، ضربه، حرارت و یا شعله در مدت زمان کوتاهی تجزیه و مقدار بسیار زیادی گاز و حرارت تولید می‌کند. این مواد انرژی را به صورت ذخیره در خود نگه می‌دارند و آماده برای اجرای مقاصد نظامی و مهندسی می‌باشند. مواد منفجره به صورت جامد، مایع و یا مخلوط جامد و مایع وجود دارند. در یک انفجار، بیشتر مواد متشکله ماده منفجره، تغییر حالت داده و ضمن ایجاد موج ضربه، اکثراً به گاز تبدیل میشوند و در این فعل و انفعالات، مقدار زیادی حرارت تولید میشود که باعث انبساط گازها شده و به دیواره محیط اطراف فشار وارد می‌کند.
