طراحی و بهینه‏سازی یک مدل غیرخطی تولید و تأثیر استفاده از آهن اسفنجی بر انتشار گاز دی ‏اکسید‏کربن و مصرف کک-انرژی در کوره‏ بلند شمارۀ 3 ذوب آهن اصفهان

مقدمه

در سال­های اخیر شرکت­های فولادساز پیشترفتۀ خارجی برای امکان ادامۀ حیات تولید کوره ­بلندها و تخفیف جریمه­های زیست­محیطیِ ناشی از انتشار گاز گلخانه­ای دی‌اکسید‌کربن، تا حد امکان از مواد ­اولیۀ ­آهن­دار سازگار با محیط­زیست مانند قراضه و آهن­ اسفنجی استفاده کرده­اند و بخشی از کک لازم را با سوخت­هایی مانند گاز طبیعی و پودر زغال جایگزین کرده­اند. کوره­ بلند مهم‌ترین بخش یک کارخانۀ فولادسازی است. هم‌چنین میزان مصرف کک و هزینۀ انرژی کوره ­بلند وابسته به نوع و نسبت ترکیب مواد­ اولیۀ آهن­دار کوره است. مقدار مصرف موادی مانند آهک، دولومیت و روان‌سازها^[i] نیز تابع ترکیب شارژ مواد آهن­دار و محدودیت‌های فنی است.

 در برخی از کارخانه­های فولادسازی نسبت ترکیب مواد اولیه کوره ‌­بلندها به‌صورت تجربی و به‌وسیلۀ متخصصین فنی در فرآیندهای کک­سازی، آگلومراسیون و کوره ­بلند با‌توجه‌به قیمت، آنالیز و مقدار درخور تأمین در بازار محاسبه می­شود. این کار، وقت­گیر و برمبنای سعی و خطا بود (ژانگ و لو^[ii]، 2011 ). وضعیت کسب‌وکار فعلی تولید فولاد در جهان بسیار رقابتی است و کاهش هزینه­های تولید در کنار توجه به محیط­زیست، امکان رقابت پایدار را ممکن می­سازد؛ از‌این‌رو پیدا‌کردن مدلی برای مدیریت این هزینه­ها به‌وسیلۀ تنظیم نسبت ترکیب مواد اولیۀ ­آهن­دار کوره ­بلند برای حصول بیشینۀ سود تولید در رقابت­پذیری اهمیت بسیاری دارد. در این مطالعه کوشش می­شود با توسعه و تکمیل آخرین مطالعات قبلی، اضافه‌کردن محدودیت‌های فنی جدید، لحاظ تلفات حرارتی کوره ­بلند، بررسی اثر سوخت‌های کمکی گاز طبیعی، مازوت­، پودر زغال و محاسبۀ مقدار دقیق کک مدلی طراحی ­شود که در مدیریت و برنامه­ریزی تأمین ­و تدارک کوتاه­مدت و بلند­مدت مواد اولیۀ آهن­دار، کک و تولید اقتصادی در کنار توجه به محیط­زیست مؤثر باشد. در سال­های ­اخیر شرکت ذوب ­آهن اصفهان که یک کارخانۀ ­فولادسازی است، به­علت شرایط رقابتی فضای کسب‌وکار و سخت­گیری‌های زیست­محیطی با چالش‌های جدی فنی و اقتصادی مرتبط با تأمین مواد ­اولیه مواجه شده ­است. با‌توجه‌به تنوع معادن و منابع تأمین­کنندۀ مواد­ اولیه، همچنین محدودیت­های موجود برای دسترسی به هریک از این منابع، هزینۀ تامین آنها و محدودیت­های زیست­محیطی برای ذوب ­آهن گزینه­های مختلفی برای تأمین مواد آهن­دار متصور است و بر این اساس این سئوال مطرح است که کدام مجموعه انتخاب شود و ضمن سازگاری با محدودیت­ها بیشترین سود و رقابت­پذیری تولید کسب شود. براساس اطلاعات حوزۀ مالی و اقتصادی کارخانه، در ذوب ­آهن به‌طور تقریبی به‌ترتیب 33 و 15 % قیمت تمام‌شده برای تولید هر تن محصول نهایی نوردی، ناشی از هزینۀ کک و هزینۀ مواد اولیۀ ­آهن‌دار کوره ­بلند است. این شاخص­ها در اتحادیۀ اروپا به‌ترتیب و به‌طور متوسط 56/20 و 91/20 % هستند. با‌توجه‌به درصدهای مذکور، اگر هزینۀ کک و مواد آهن­دار کوره ­بلند حداقل 40% قیمت تمام‌شدۀ هر تن محصول نهایی نوردی و قیمت تمام‌شدۀ هر تن محصول 580 دلار بر تن در نظر گرفته شود، هزینۀ انرژی و مواد آهن­دار کوره ­بلند 232 دلار بر تن محصول خواهد بود که این هزینه برای کارخانه­ای با ظرفیت 5/3 میلیون تن تولید در سال، 812 میلیون دلار در سال می­شود. در این مقاله نتایج حاصل از مدل با نتایج تجربی اندازه‌گیری‌شده برای کوره ­بلند شمارۀ ‌3 ذوب‌ آهن مقایسه شده است و نتیجه­ می‌شود به­کارگیری مدل منافع اقتصادی زیادی دارد.

درادامه، پیشینۀ پژوهش و مبانی نظری بررسی و با ارائۀ مدل ریاضی پژوهش، روند اجرا و حل مدل بررسی شده است.­ سپس جایگزینی آهن ­اسفنجی به‌جای آگلومره و سنگ ­آهن بحث وتحلیل حساسیت شده­ است. با مقایسۀ خروجی­های مدل با اندازه­گیری­های تجربی اعتبار­سنجی انجام­ شده ­­است. درپایان نتیجه­گیری و پیشنهادها برای پژوهش­های آتی ارائه شده ­است.

پیشینۀ پژوهش

در دهه­های اخیر تولید فولاد رشد سریعی داشته است؛ به­طوری‌که تولید جهانی فولاد از 200 میلیون تن در سال 1950 به بیش از 1789میلیون تن در سال 2018 رسیده ­است. براساس مطالعۀ آن و همکاران^[iii] ( 2018 ) این روند صعودی، باعث افزایش تقاضا برای مواد ­اولیه و انتشار حدود 7% از کل گازهای گلخانه­ای جهان به‌وسیلۀ این صنعت شده است. امروزه محدودیت در تأمین مواد اولیۀ آهن­دار، کک و زغال در کنار سخت­گیری‌های زیست­محیطی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه­ای باعث شده ­است انتخاب بهینۀ نوع و ترکیب مواد آهن­دار کوره ­بلند­ها برای ادامۀ کار اقتصادی و پایدار، توجه جدی تولیدکنندگان فولاد را به ‌خود جلب کند. در ایران در پنج ‌دهۀ پیش با بهره‌برداری از کارخانۀ ذوب ­آهن ­اصفهان به‌طور عملی تولید فولاد بر‌اساس فن­آوری کوره ­بلند شروع شده است­. هم‌چنین براساس بررسی پژوهش‌های انجام‌شده در کشور تاکنون پژوهشی درخصوص مدل­سازی انتخاب نوع و ترکیب بهینه و اقتصادی مواد آهن­دار کوره بلند با‌توجه‌به ممیزات محیط اقتصادی کشور انجام نشده ­است. با استناد به مرور کامل ژانگ و همکاران ( 2011)، در مطالعات خارجی هم تاکنون پژوهش­های زیاد و کاملی برای حل مسئله تعیین ترکیب بهینۀ مواد اولیۀ آهن­دار انجام نشده است. مطالعات انجام‌شده به‌طور عمده در دو محور اصلی کاهش مصرف انرژی و حفاظت از محیط‌ِزیست با کاهش انتشار گاز گلخانه­ای دی­‌اکسید ‌کربن تولیدی کوره ­بلند بوده است. درادامه برخی از مهم‌ترین و جدیدترین آنها به‌طور مختصر ذکر می­شود.

 ژانگ کی^[iv] و همکاران ( 2019) در پژوهشی بهینه­سازی مصرف ­انرژی را همراه با کاهش انتشار گاز دی­اکسید­کربن در بخش­های کک­سازی، آهن­سازی، آگلومراسیون، فولادسازی، نورد گرم و نیروگاه برق یک کارخانه فولادسازی مطالعه کرده‌اند. آنها به‌کمک روابط توازن جرم و حرارت، مدلی برای مصرف ­انرژی ارائه داده‌اند و تابع هدف این پژوهش حداقل‌کردن مصرف انرژی برای یک مجتمع تولید فولاد در­ نظر گرفته ­شده ­است. نتیجۀ بهینه­سازی 14% کاهش در مصرف ­انرژی و حدود 6% در انتشار گاز­ گلخانه­ای دی­اکسید­کربن بوده ­است.

 گریفین^[v] و همکاران ( 2019) در مقاله­ای تجزیه­ و تحلیل پتانسیل­های کاهش انرژی و انتشار گاز دی­اکسید­کربن را در صنعت فولاد همراه با فرصت­ها و چالش­های کاهش انرژی و دی­اکسید­کربن در صنعت فولاد و با تمرکز بر صنعت فولاد بریتانیا و ایرلند ­شمالی بررسی کرده­اند؛ اگرچه می‌توان نتایج به‌دست­آمده را برای تمام صنعت فولاد استفاده کرد. در این مطالعه با استفاده از بهترین تکنولوژی­های در‌دسترس با حداقل‌کردن اتلاف انرژی و بازیابی انرژی­ حرارتی در بخش­های کک­سازی، کنورتور، آگلومراسیون، نورد و استفاده از ظرفیت­های کاهش گاز خروجی کوره ­بلن،د میزان انتشار گاز گلخانه­ای دی­اکسید­کربن حداقل شده­ است. لی هیو^[vi]و همکاران( 2017) در پژوهشی بررسی و ارزیابی جریان انرژی و انتشار کربن در مجتمع‌های فولادسازی را براساس جریان مواد در فولادسازی منتخب با استفاده از قانون بقاءِ جرم و قانون ­اول­ ترمودینامیک دربارۀ انرژی و به‌کمک معادلات توازن مربوطه مدلی به‌نام تجزیه ­و تحلیل جریان مواد را معرفی کرده­اند. این مدل دارای سه لایۀ مواد ­اولیه، آهن و انرژی است. مقایسۀ خروجی مدل برای مقادیر انرژی، کربن و آهن لازم برای تولید یک تن فولاد خام با اندازه­گیری­های عملی بیانگر دقت مناسب مدل است. براساس نتایجِ مدل تولید، یک تن فولاد خام نیاز به 1/1 تن آهن دارد. همچنین مقدار مصرف انرژی و انتشار کربن برای تولید یک تن فولاد خام در چین بالاتر از شاخص­های جهانی ­است. کوراموچی^[vii]( 2017) در پژوهشی روند انتشار گاز دی­اکسیدکربن صنعت آهن­ و ­فولاد ژاپن را تا سال 2030 بررسی کرده‌اند. در این پژوهش با در نظر گرفتن قابلیت­های فرآیندی، محدودیت­های کاری و انعطاف در تغییر مقدار تولید، نقشۀ راهی برای کاهش دی­اکسیدکربن تولیدی در صنعت فولاد ژاپن ارائه شده است. در این مطالعه، با در نظر گرفتن سناریوهای مختلف برای کل ظرفیت تولید ژاپن و افزایش میزان مصرف قراضه و با ارائۀ مدلی به‌صورت کمی روند تولید دی­اکسید­کربن در صنعت فولاد ژاپن تا سال 2030 بررسی و پیش­بینی شده ­است. نتایج نشان می‌دهد مصرف قراضه ضمن اثر روی کاهش گاز دی­اکسیدکربن تولیدی، روی هزینۀ تولید هم تأثیر می‌‌گذارد. وان و همکاران^[viii] ( 2016) در مطالعه­ای میزان انتشار گاز دی­اکسیدکربن در صنعت آهن­ و فولاد چین را بررسی کرده‌اند و با ارائۀ یک روش محاسبۀ ابتکاری میزان تولید این گاز را به‌وسیلۀ واحدهای فولادسازی چین 1336میلیون تن در سال برآورد کرده­اند. همچنین اقداماتی­ را بررسی کرده‌اند که باعث کاهش میزان گاز دی­اکسیدکربن تولیدی می­شوند و در هزینۀ تولید تأثیر دارند. لی یو و همکاران^[ix]( 2015) در پژوهشی براساس تجزیه ­و تحلیل جریان انرژی و در نظر گرفتن بازدۀ کوره بلند^[x] (تابع هدف) و به‌کمک روابط ­کاری و معادلات ترمودینامیکی، تلفات انرژی کوره بلند را حداقل کردند. آنها هم‌چنین اثر غنی­سازیِ هوای­ دم و کاهش استفاده ازآگلومره و افزایش پودر­ زغال را روی بازده کوره بررسی کردند. واضح است افزایش بازدۀ تولید کوره ­بلند روی کاهش هزینۀ تولید اثر دارد. مویا و همکاران^[xi]( 2013) در مقاله­ای ظرفیت­های بهبود در بازدهی­ انرژی و انتشار دی­اکسیدکربن را در صنعت ­فولاد 27 کشور اتحادیۀ ­اروپا بررسی کردند. آنها هم‌چنین اقدامات اصلاحی را به‌کمک مدلی غیرخطی مطالعه کردند ­که با استفاده از بهترین تکنولوژی‌های دردسترس باعث کاهش مصرف انرژی و انتشار دی­اکسید­کربن در صنایع فولاد اروپا می‌شود. درنهایت میزان سرمایه­گذاری انجام این بهبودها و اثر آنها را برآورد کرده­اند. هله و همکاران^[xii]( 2011) در پژوهشی بهینه­سازی غیرخطی تولید فولاد را با استفاده از استراتژی­های کاری کوره ­بلندهای سنتی و جدید به­‌کمک حداقل­کردن هزینۀ تولید هر تن فولاد خام به­عنوان تابع­ هدف امکان‌سنجی کرده‌اند. درواقع این مسئله با استفاده از یک مدل غیرخطی و شبیه­سازی کامپیوتری و در نظر گرفتن محدودیت­های فرآیندی، مواد اولیه و چرخش دوبارۀ گاز خروجی کوره ­بلند بعد از جداکردن دی­اکسیدکربن ازنظر اقتصادی بهینه‌سازی شده است. نتیجۀ این بررسی چرخش دوبارۀ گاز خروجی را به کوره ­بلند اقتصادی نشان داده ­است. همچنین جداسازی دی­اکسیدکربن از گاز خروجی کوره باعث نیازنداشتن به شارژ مازوت شده و انتشار گازهای گلخانه­ای را کاهش داده­ است. وانگ و همکاران^[xiii]( 2008) یک مدل دوهدفه­ برای حداقل‌کردن هزینۀ ­تولید فولاد و مقدار گاز دی­اکسیدکربن تولیدی به‌وسیلۀ شارژ قراضه را در مجموعه کوره ­بلند کنورتور بررسی کرده‌اند. نتیجۀ این بررسی نشان داد که با افزایش قراضه در بار، میزان دی­اکسید­کربن تولیدی کاهش ولی هزینۀ تولید زیادتر می­شود. در این پژوهش محدودیت مقدار قراضه تا 25% بررسی و با اولویت کنورتور، قراضه در کنورتور و بخشی در کوره ­بلند اضافه شده ­است.

ژانگ و همکاران^[xiv]( 2011) در مطالعه­ای سیستم دانش­بنیان پشتیبان تصمیم­گیری را با بهینه­سازی مدل­ غیر­خطی هزینۀ تولید برای کوره ­بلند ارائه کرده­اند. در این مطالعه، آنالیز شیمیایی، قیمت مواد اولیه و کک ورودی مدل است. هم‌چنین میزان مصرف زغال و کک برای تولید هر تن چدن مذاب ثابت فرض می­شود. خروجی مدل، ترکیب بهینۀ مواد اولیۀ آهن­دار است که با نتایج تجربی در یک فولادسازی کشور چین مقایسه شده ­است. راسول و همکاران^[xv]( 2007) در مطالعه­ای با تجزیه ­و تحلیل عملکرد کوره ­بلند برای استفادۀ مؤثر از انرژی مدلی براساس معادلات بالانس جرم و انرژی ارائه داده­اند. آنها از یک فرمول تجربی برای ارزیابی تلفات کوره ­بلند استفاده کرده‌اند. براساس خروجی‌های مدل، افزایش دمای هوای دم، کاهش خاکستر کک و کاهش میزان سیلیس چدن­ باعث کاهش مصرف کک و افزایش بهره­وری کوره ­بلند می­شود. خروجی­های این مدل با نتایج عملی در یک کوره ­بلند در کشور هند راست­آزمایی شده است.

 ارتم و همکاران^[xvi]( 2006) در پژوهشی تجزیه و تحلیل توازن انرژی را در کوره ­بلند شمارۀ یک کارخانۀ اردمیر ترکیه براساس مدلی ژاپنی برای این کوره ­بلند بررسی کرده‌اند. آنها انرژی لازم برای فرآیند احیاء را از تفاوت کل انرژی ورودی از کل انرژی خروجی محاسبه کرده­اند.

 لارسون و همکاران^[xvii]( 2003) در پژوهشی اثر یک مدل بهینه­سازی مصرف انرژی را برای یک مجتمع فولادسازی بررسی کرده­ا‌ند؛ بدین‌ترتیب که ابتدا هریک از واحدهای کک­سازی، کوره­بلند، کنورتور، ریخته­گری و نیروگاه مدل شده­اند و سپس تابع هدفِ حداقل‌کردن انرژی مجتمع فولادسازی به‌وسیلۀ مدل برنامه­ریزی خطی تعریف شده ­است. درادامه شدت انرژی برای 8 حالتِ ترکیب مختلف شارژ مواد درکوره­ بلند و کنورتور بررسی و شبیه­سازی شده ­است. همچنین اثر بهینه‌کردن مصرف انرژی روی کاهش انتشار گاز دی‌اکسیدکربن بررسی شده است.

در مقاله­های بررسی‌شده، مطالعۀ ژانگ و همکاران (2011) در ارتباط با اثر ترکیب مواد اولیۀ ­آهن­دار کوره ­بلند روی هزینۀ ­تولید است و محدودیت­های زیر در آن دیده می­شود.

-     تمرکز بر کاهش هزینۀ مواد اولیه است؛ درصورتی‌که عامل اصلی اقتصادی در تولید، سود است. به عبارت دیگر کاهش هزینۀ مواد اولیه لزوماً به‌معنی افزایش سود نیست. در‌این‌خصوص نقش متغیرهایی نظیر بهره­وری یا مقدار تولید روزانه به‌ازاءِ واحد حجم کوره بلند و سایر هزینه‌های تولید نظیر هزینه­های اکسیژن، هوای دم و انرژی الکتریکی و شرایط و مقدار تولید محصولات جانبی گاز کوره بلند و سرباره در نظر گرفته نشده است.

-     مصرف کک در کوره بلند مقداری ثابت فرض شده است؛ اما درعمل مصرف کک تابعی از ترکیب مواد اولیۀ آهن­دار و سایر متغیرهای تولید است و با ثابت فرض­کردن مصرف کک، تقریبی بزرگ و غیرواقعی اعمال شده ­است.

-     میزان تزریق پودر زغال ثابت فرض شده­ و تزریق مازوت و گاز طبیعی بررسی نشده ­است. این مفروضات با شرایط واقعی­کار هم‌خوانی ندارد.

-     استفاده از قراضه­ و آهن­اسفنجی (مواد اولیۀ سازگار با محیط­زیست و کاهندۀ مصرف انرژی) بررسی و مدل­سازی نشده است.

در این پژوهش با توسعۀ مطالعه و مدل ژانگ و همکاران (2011) توابع هدف، حداکثر­کردن سود عملیاتی تولید و حداقل­کردن میزان انتشار گاز دی­اکسید­کربن تعریف شده­اند. هم‌چنین ضمن موازنۀ کامل جرم و انرژی در کوره ­بلند، متغیرهای ترکیب شمیایی مذاب، مقدار مواد آهن‌دار، کمک ذوب، کک مصرفی، اکسیژن و هوای دمِ لازم، دما، حجم و ترکیب ­شیمیایی گاز دهانه و ترکیب و مقدار سربارۀ تولیدی تابعی از متغیرهای تولید نظیر ترکیب شیمیایی و نسبت مواد اولیه در بار کوره ­بلند و دمای هوای­ دم هستند. هم‌چنین این متغیرها در تابع هدف و محدودیت‌ها استفاده می‌شوند. برای نخستین‌بار در این پژوهش استفادۀ هم‌زمان از هر سه سوخت مازوت، پودر زغال و گاز طبیعی در کنار کک، مدل­سازی شده ­است و آثار استفاده از آنها روی کاهش مصرف کک و افزایش سود تولید با مدل ارائه‌شده قابل بررسی است. همچنین در این مقاله علاوه بر محدودیت‌های ترکیب شیمیایی چدن و سرباره تولیدی، برای نخستین‌بار درجه حرارت منطقۀ جلوی فرم‌های کوره ‌­بلند و درجه حرارت گاز خروجی محدودیت‌های فنی در نظر گرفته شده­اند. درنتیجه میزان غنی­سازی هوای دم با اکسیژن هم محاسبه‌شدنی است.

مدل ریاضی پژوهش

 مدل این پژوهش یک مدل غیر­خطی بهینه­سازی است که از معادلات ترمودینامیک، روابط فرآیندی، توازن جرم و انرژی بهره می­گیرد. این مدل، سیستم پشتیبان تصمیم­گیری برای خرید و تدارک مواد اولیه است­ و برای بررسی اثر استفاده از مواد ­اولیۀ مختلف روی میزان انتشار دی­اکسیدکربن و ارزیابی سود تولید استفاده می‌شود. در شکل شمارۀ 1، کوره ­بلند نمایش داده شده ­است. ورودی­های کوره­ بلند شامل سنگ ­آهنِ­ درشت­دانه^[xviii]، آگلومره^[xix]، گندله^[xx]، آهن قراضه، آهن ­اسفنجی^[xxi]­، سنگ ­منگنز، کک، پودر ­زغال، مازوت، آهک­، مواد­ روان­­ساز، هوای ­دم و اکسیژن هستند. خروجی­های­ کوره­ بلند شامل چدن ­مذاب، سرباره و گاز خروجی کوره ­بلند هستند.

شکل 1- ورودی­ها و خروجی­های کوره ­بلند

چدن ­مذاب، محصول اصلی تولید‌شده در کوره­ بلند است و حاوی حدود 94 % آهن و 4 تا 5 درصد کربن است. این ماده، ورودی به کنورتور اکسیژنی برای تولید فولاد است. سرباره و گاز کوره خروجی­های جانبی هستند. گاز خروجی دارای ارزش حرارتی حدود یک‌دهم گاز ­طبیعی است و برای تولید برق در نیروگاه استفاده می­شود. سرباره، مادۀ ­جانبی تولیدی است که به کارخانه­های سیمان و آسفالت فروخته می‌شود و مادۀ اولیه در تولید عایق­های صوتی و حرارتی است.

معرفی اندیس‌ها، نمادها و معادلات اصلی استفاده‌شده در مدل

در جدول 1 اندیس­های استفاده‌شده در این مطالعه معرفی شده­اند.

i: مادۀ اولیۀ iام در بار کوره ­بلند.

j: ترکیب شیمیایی jام در مواد اولیه و انرژی کوره­ بلند.

k : عنصر شیمیایی kام در ترکیب شیمیایی مواد اولیه و انرژی کوره ­بلند.

جدول 1- اندیس­ها

پارامترها

: در صد وزنی عنصر jام در مادۀ اولیۀ iام.

 : وزن ترکیب یا عنصرشیمیایی jام برحسب کیلوگرم در کل بار کوره، زغال و کک برای هر تن چدن ­مذاب­ تولیدی^[xxii] .

: وزن عنصر kام برحسب کیلوگرم در جمع کل بار کوره، زغال و کک برای هر تن چدن ­مذاب تولیدی.

: درصد وزنی مادۀ اولیۀ مرطوب i به وزن کل مواد اولیۀ ­آهن­دار بار کوره ­بلند.

: قطر بوتۀ کوره ­بلند برحسب متر.

  : تعداد فورم­های هوای دم کوره ­بلند.

: حجم مؤثر کوره­ بلند برحسب مترمکعب است.

: هزینه‌های ثابت سالانۀ تولید چدن برحسب تومان.

: قیمت هر کیلوگرم مادۀ اولیۀ iام برحسب تومان.

  : قیمت هر نرمال مترمکعب اکسیژن برحسب تومان.

  : قیمت هر نرمال مترمکعب گاز طبیعی برحسب تومان.

  : قیمت هر کیلوگرم کک خشک مصرفی برحسب تومان.

  : قیمت هر کیلوگرم مازوت مصرفی برحسب تومان.

  : قیمت هر کیلوگرم پودر زغال مصرفی برحسب تومان.

  : قیمت هر کیلوگرم سرباره تولیدی برحسب تومان.

  : قیمت هر کیلوگرم چدن­ مذاب تولید برحسب تومان.

: میزان سیلیس برحسب کیلوگرم برای هر تن چدن ­مذاب تولیدی.

: میزان آهن خالص یک تن چدن مذاب، برابر 945 کیلوگرم در هر تن چدن مذاب تولیدی.

λ: ضریب بازیابی چدن مذاب، معادل با 963/..

: ضریب تصفیه.

: دمای ناحیۀ احیاءِ وستیت کوره ­بلند برحسب کلوین.

: درجه حرارت گاز خروجی کوره ­بلند برحسب سانتی­گراد.

: دمای هوای دم برحسب کلوین.

: ارزش حرارتی هر نرمال مترمکعب گاز کوره ­بلند برحسب کیلوژول.

: حد پایین ارزش حرارتی هر نرمال مترمکعب گاز طبیعی برحسب کیلوژول.

: درصد خاکستر کک.

: درصد خاکستر زغال.

: در صد وزنی عنصر jام در کک.

: در صد وزنی عنصر jام در پودر زغال.

CSR: استحکام کک پس از واکنش.

η: بهره‌وری کوره ­بلند برحسب تن تولید چدن مذاب بر مترمکعب حجم کوره ­بلند در روز.

: آنتالپی مادۀ x در دمای t درجه کلوین.

: آنتالپی ساخت عنصر مرکب x از عناصر تشکیل‌دهندۀ آن در دمای t درجه کلوین.

متغیر­ها

: درصد وزنی مادۀ اولیۀ خشک i به وزن کل مواد اولیۀ ­آهن­دار بار کوره ­بلند.

: میزان تزریق اکسیژن برای غنی­سازی هوای دم برحسب نرمال مترمکعب برای هر تن چدن­ مذاب تولیدی.

: میزان مصرف هوای دم برحسب نرمال مترمکعب برای هر تن چدن ­مذاب تولیدی.

: میزان مصرف حجم گاز طبیعی برحسب نرمال مترمکعب برای هر تن چدن ­مذاب تولیدی.

: میزان مصرف پودر زغال برحسب کیلوگرم برای هر تن چدن ­مذاب تولیدی.

: میزان مصرف مازوت برحسب کیلوگرم برای هر تن چدن مذاب تولیدی.

: میزان مصرف کک خشک برحسب کیلوگرم برای هر تن چدن مذاب تولیدی.

جدول 2- روابط اصلی حاکم بر مدل­سازی

ادامه جدول 2- روابط اصلی حاکم بر مدل­سازی

محاسبۀ میزان انتشار دی­اکسیدکربن

میزان انتشار گاز دی­اکسید­کربن کارگاه­های جانبی تولیدکنندۀ مواد ­اولیه کوره­ بلند با رابطۀ (45) ارائه می­شود.

میزان انتشار کل گاز دی­اکسید­کربن ناشی از کوره­ بلند و کارگاه­های تولید­کنندۀ کک و مواد ­آهن­دار کوره­ بلند به­صورت رابطۀ (46) نوشته می­شود که میزان انتشار گاز دی­اکسید­کربن هر کارگاه از روابط (41) تا (44) محاسبه و جایگزین می‌شود.

توابع هدف مدل

تابع هدف سود عملیاتی سالیانۀ تولید چدن مذاب کوره ­بلند با  ازطریق رابطۀ شماره (47) نمایش داده می­شود که با مدیریت نسبت ترکیب مواد آهن­دار و انرژی ورودی کوره ­بلند باید بیشینه شود و تابع هدف میزان انتشار کل ­گاز دی­اکسید­کربن کوره ­بلند و کارگاه­های جانبی تهیه­کننده مواد ­اولیۀ ­آهن­دار و کک با  به‌وسیلۀ روابط شمارۀ (48) و (49) نمایش داده می­شود که با تغییر نسبت ترکیب مواد آهن­دار و انرژی ورودی کوره­ بلند، باید میزان انتشار کل گاز گلخانه­ای دی­اکسید­کربن ناشی از تولید چدن کوره ­بلند و کارگاه­های تولید‌کنندۀ مواد ­آهن­دار و کک کوره ­بلند حداقل شود.

سود عملیاتی سالیانۀ تولید = ( درآمد فروش چدن + درآمد فروش سرباره + درآمد فروش گاز کوره ) – ( هزینۀ مصرف مواد اولیه + هزینۀ مصرف کک + هزینۀ مصرف پودر زغال + هزینۀ مصرف مازوت + هزینۀ مصرف گاز طبیعی + هزینۀ مصرف اکسیژن ) - هزینۀ ثابت تولید

برای تولید سالیانه کوره ­بلند 350 روز کاری در نظر گرفته شده ­است. بهره­وری کوره ­بلند با η نمایش داده می­شود و مقدار تولید روزانه به‌ازاءِ واحد حجم کوره بلند تعریف می­شود و به تمام ورودی­ها وابسته است. با‌توجه‌به روابط (13) ، (14) ، (22) ، (23) و (28) و معادلات  ،  ،  و  در جدول (2)، توابع  تا  را به‌صورت زیر نوشته می‌شود.

میزان مصرف کک و میزان هوای دم، ورودی‌های کوره بلند هستند که تابع سایر ورودی­ها مانند میزان مصرف پودر زغال، گاز طبیعی ، مازوت، آگلومره، سنگ ­آهن درشت‌دانه، آهن ­اسفنجی، قراضه، دمای هوای دم و اکسیژن هستند و با توابع  و  زیر نمایش داده می­شود.

هم‌چنین میزان تولید گاز کوره ­بلند و انتشار گاز دی­اکسید­کربن به ترکیب شارژ کوره و سوخت‌های هیدروکربنی وابسته است و به‌ترتیب با تابع  و تابع  بیان می­شوند.

هدف این است که براساس روابط فرآیندی، معادلات توازن جرم و انرژی و قوانین ترمودینامیکی در فرآیند کار کوره ­بلند، مدلی برای عملکرد کوره­ بلند، محاسبۀ بیشینۀ سود­ عملیاتی و کمینۀ انتشارِ کُل گاز گلخانه­ای دی­اکسید­کربن ارائه شود.

محدودیت­ها

محدودیت­های ناشی از توازن انرژی ورودی به کوره و خروجی از کوره، تعادل بین مواد ورودی کوره و مواد خروجی کوره، حداکثر مجاز قراضه و آهن ­اسفنجی در بار، حداکثر امکان تأمین ماهیانۀ مواد اولیه، محدودیت­های فرآیند کوره ­بلند و روابط بین متغییرها هستند.

: مقدار خرید ماهیانۀ ممکن مادۀ اولیۀ iام.

  : مقدار مصرف ماهیانۀ ممکن مادۀ اولیۀ iام.

: حد پایین درجۀ قلیایی سرباره.

  : حد بالای درجۀ قلیایی سرباره.

: حد پایین عنصر j در چدن مذاب برحسب کیلوگرم در تن چدن مذاب.

  : حد بالای عنصر j در چدن مذاب برحسب کیلوگرم در تن چدن مذاب.

: حد پایین درصد مادۀ آهن‌دار i در ترکیب مواد آهن‌دار.

  : حد بالای درصد مادۀ آهن‌دار i در ترکیب مواد آهن‌دار.

: حداکثر درجه حرارت شعله برحسب سانتی‌گراد.

میزان عنصر jام در بار مواد باید بین مقادیر حداقل و حداکثری باشد.

میزان عنصر jام در چدن مذاب با لحاظ اتلاف طی فرآیند تولید، باید در محدودۀ مجاز باشد.

باتوجه‌به محدودیت­های فنی و فرآیندی برای کار مناسب کوره باید درجۀ قلیایی سربارۀ کوره بلند بین حداقل 1 و حداکثر 1/1 باشد.

درصد سهم هر مادۀ آهن‌دارِ ترکیب شارژ کوره بین دو محدودیت حداقل و حداکثر است.

حاصل‌جمع درصدهای مواد اولیۀ ­آهن‌دار شارژ به کوره­ بلند، 100 است.

میزان مصرف گاز طبیعی در کوره بلند بین صفر تا 110 نرمال مترمکعب بر هر تن چدن تولیدی است .

درجه حرارت شعلۀ جلوی فرم‌ها باید بزرگ‌تر یا مساوی 2050 درجه سانتی‌گراد باشد.

درجه حرارت گاز خروجی کوره بلند باید بزرگ‌تر یا مساوی 110 درجه سانتی‌گراد باشد.

میزان غنی‌سازی هوای دم با اکسیژن بین صفر تا حداکثر 10% است.

میزان تزریق پودر زغال بین صفر تا حداکثر 150 کیلوگرم برای تولید یک تن چدن است.

میزان تزریق مازوت بین صفر تا حداکثر 90 کیلوگرم برای تولید یک تن چدن است.

حل مدل و جواب بهینه

مدل غیرخطی مدلی است که تابع ­هدف یا یک یا چند محدودیتی در یک مدل برنامه­ریزی، تابعی غیرخطی از متغییرهای تصمیم­گیری باشد. مدل این پژوهش به‌علت روابط غیرخطی ارائه‌شده برای توابع هدف و محدودیت­های این پژوهش، مدلی غیرخطی است. درحالت‌کلی یک مدل غیرخطی به‌صورت زیر در نرم­افزار متلب ارائه می­شود.

Min f (x)

s.t.           C (x) ≤ 0

                  C_eq(x)= 0

                   Ax ≤ b

                    x=

                   lb≤ X ≤ ub

که] X = [  بردار متغیر بهینه، f(x) تابع هدف، lb و ub بردارهای ستونی حدود پایین و بالا بردار متغیر X ، b و  بردارهای ستونی، C(x) و Ceq(x) توابع غیرخطی بردار متغییر بهینه ، A و Aeq ماتریس هستند. برای حل این مدل از الگوریتم درون­یابی و تابع fmincon استفاده می­‌شود. این تابع برای یافتن حداقلِ یک تابع چند متغیرۀ غیرخطیِ محدود‌شده استفاده می­شود. الگوریتم اشاره‌شده در بالا از بردار حدس اولیه از جواب ) ( به‌عنوان نقطۀ اولیه استفاده می­کند. شکل کلی تابع fmincon در متلب به‌صورت زیر است.

[Xopt, fopt]=fmincon (‘fun’, X0, A, b, Aeq, beq, lb, ub,’nonlcon’)

که X0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,’nonlcon’ ورودی­های تابع fmincon هستند وnonlcon محدودیت­های غیرخطی است. جواب بهینه در Xopt و مقدار کمینۀ تابع هدف در fopt ارائه می­شود. برای سهولت کاربر، اطلاعات ورودی ازطریق اکسل وارد و متلب این اطلاعات را از اکسل می­خواند. هم‌چنین نتایج اجرای مدل علاوه بر متلب در اکسل هم ارائه می­‌شود. اطلاعات ورودی شامل ترکیب شیمیایی کلیۀ مواد ­اولیۀ بار کوره بلند، قیمت هر کیلوگرم مواد اولیه، ترکیب ­شیمیایی و پارامترهای فنی حامل‌های انرژی کک، پودر زغال، مازوت و گاز طبیعی، قیمت هر واحد حامل‌های انرژی، مشخصات فنی اصلی کوره بلند، حداکثر میزان ممکن تهیه و خرید مواد اولیه و انرژی در بازار، هزینه­های ثابت تولید شامل هزینه­های مدیریت، پرسنلی، برق، آب، تعمیرات، ترکیب شیمیایی چدن تولیدی، محدودیت عناصر موجود در چدن تولیدی، قیمت فروش هر کیلو چدن، قیمت فروش هر کیلو سربارۀ تولیدی، قیمت هر واحد اکسیژن و قیمت هر واحد هوای دم تولیدی، حدود درجۀ ­قلیایی، درجه ­حرارت گاز خروجی کوره ­بلند، درجه حرارت شعله هستند. مدل در تعدادی m-file نرم‌افزار متلب نوشته و به‌کمک دستور fmincon بهینه­سازی انجام می­شود. خروجی­های مدل شامل مقدار سود بهینۀ عملیاتی تولید برای هر کیلوگرم چدن مذاب تولیدی، حجم انتشار گاز دی­اکسیدکربن برای هر تن چدن مذاب تولیدی، درصد و مقدار ترکیب بهینۀ مواد اولیه و حامل‌های انرژی هستند.

چون مدل­سازی براساس معادلات توازن جرم و انرژی و قوانین ترمودینامیک و روابط بسیار دقیق فرآیندی انجام شده ­است، جواب مدل دقیق است. برای ارائۀ یک حل عملی، داده­های کوره ­بلند شمارۀ ­3 ذوب­ آهن (که کوره­بلندی مدرن و با اتوماسیون بالا است) به مدل­ اعمال و جواب­ بهینه­ محاسبه شده ­است. بدین­ترتیب که ابتدا ورودی‌های مدل (شامل ترکیب شیمیایی مواد اولیه، پارامترهای فنی کوره ­بلند مانند مشخصات هندسی و تعداد فرم‌های هوا، قیمت‌های مواد اولیه و انرژی، حدود بالا و پایین محدودیت‌های فنی، محدودیت تأمین مواد اولیه آهن­دار که 136 هزار تن در ماه آگلومره، 37600 تن در ماه گندله و 55200 تن در ماه سنگ آهن­ درشت­دانه هستند) در اکسل وارد شده­اند و برنامۀ مدل در نرم­افزار متلب برای سه حالت اجرا شده ­است. در حالت 1 (که کار معمول وغیر­بهینه است)، 30 درصد از بار مواد اولیه ­آهن­دار، سنگ ­آهن و 70 درصد بقیه ­آگلومره است و از کک و گاز طبیعی برای تأمین انرژی و انجام واکنش­های احیاء استفاده می­شود. مقدار سود عملیاتی­ 1820 ریال برای هر کیلو تولید ­است و میزان انتشار کل­ گاز دی­اکسیدکربن برابر 1035نرمال مترمکعب برای هر تن چدن ­مذاب معادل 2034 کیلوگرم دی­اکسید­کربن برای هر تن­ چدن­ مذاب است. درحالت 2، تابع هدف  یعنی سود تولید در نرم­افزار متلب اجرا می­شود و خروجی­های مدل، سود بیشینه هر کیلوگرم چدن مذاب تولیدی را 2460 ریال، میزان انتشار کل گاز ­گلخانه­ای دی­اکسید­کربن را 934 ترمال ­مترمکعب برای هر تن­ چدن ­مذاب معادل 1835 کیلوگرم دی­اکسید­کربن برای هر تن­ چدن ­مذاب، ترکیب بهینۀ مواد آهن­دار کوره ­بلند شامل 24 % سنگ­آهن، 59 % آگلومره، 16 % گندله و ترکیب­ انرژی کوره ­بلند 150 کیلوگرم پودر زغال، 56 نرمال­ متر­مکعب گاز طبیعی و 320 کیلوگرم کک را برای تولید هر تن ­چدن­ مذاب محاسبه و ارائه می­دهد. در مقایسه با سود 1820 ریال برای ترکیب کار معمول غیربهینه 640 ریال سود اضافی برای هر کیلو تولید چدن حاصل می شود که 300 ریال این سود متعلق به ترکیب بهینۀ­ مواد ­اولیۀ آهن­دار و 340 ریال دیگر از ترکیب بهینۀ ­انرژی حاصل می­شود و این 640 ریال سود اضافی هر کیلو تولید برای 5/3 میلیون تن تولید در سال یعنی افزایش 2240 میلیارد ریال منافع اقتصادی در سال است.

*******************************************************************

Optimization date : 01-Aug-2019

Optimization Algorithm : interior-point:

 Hot Metal Unit Cost (Toman/kg) ............. = 965.3892

 Hot Metal Unit Profit (Toman/kg) ............................. = 246.7303

 CO2 emisson only by BF top gas..= 325.0268 (Nm3/ton HM)  ....... 638.4456(kg/ton HM)

 Total CO2 emisson =933.9653 (Nm3/ton HM). ......... 1834.5747(kg/ton HM)

Productivity (ton/m3)/Day .......... = 2.4218

 Sinter  = 59.4418(%) .............. 962.5879(kg/ton HM)

 Pellet  = 16.4315(%) .............. 266.0888(kg/ton HM)

 Lump Ore = 24.1267(%) .............. 390.7027(kg/ton HM)

 DRI   = 0(%) .............. 0(kg/ton HM)

 Scrap  = 0(%) .............. 0(kg/ton HM)

 Mn Ore  (kg/ton HM) = 0.029565

 Limestone (kg/ton HM) = 0.021414

 Dolomite (kg/ton HM) = 0

 Quartzite (kg/ton HM) = 0.13369

 O2 Enrichment (M3/ton HM) ............. = 7.4129

 Natural Gas Consumption (Nm3/ton HM) .. = 56.5034

 Pulverized Coal Consumptiom (kg/ton HM) = 149.981

 Oil Consumptiom (kg/ton HM) ........... = 0

 Coke weight Dry (kg/ton HM) ........... = 323.2943

Weight of Burden & Slag:

 Burden (kg/ton HM) .................... = 1619.3794

 Slag (kg/ton HM) ...................... = 315.4078

 Flame temperature (°C) ................ = 2050.025

 Top gas temperature (°C) .............. = 305.4718

 Top gas Heat value (kcal/Nm3) ......... = 934.2786

 Topgas_volume (Nm3/ton HM) ............ = 1503.0899

 CO2 ratio in top gas (%) .............. = 0.21624

 CO ratio in top gas (%) ............... = 0.24784

 H2 ratio in top gas (%) ............... = 0.06148

 Blast air Consumptiom (Nm3/ton HM) .................. = 982.9035

 Maximum Blast air Production by Power Plant (Nm3/min) = 3400

Elapsed Total time (read & write & Optimization & Plot) : 00:00:23

*******************************************************************

شکل 2- نمونه ای از خلاصه نتایج محاسبه‌شده با نرم‌افزار متلب برای تابع هدف

درحالت 3 تابع هدف  یعنی انتشار کل گاز­دی­اکسید­کربن کمینه می­شود و در جواب بهینه نسبت به حالت 1 بخشی از مواد اولیۀ­ آهن دار با گندله و قراضه و سهمی از کک با پودر ­زغال جایگزین شده ­است و ترکیب بهینۀ مواد آهن­دار کوره ­بلند 8/41%آگلومره، 13% گندله، 19% سنگ­ آهن و 25% قراضه و مقدار انتشار کل دی­اکسید­کربن 639 نرمال مترمکعب به‌ازاءِ هر تن ­تولید چدن معادل 1255 کیلوگرم دی­اکسید­کربن برای هر تن­ چد ن­مذاب است و هر کیلوگرم چدن تولیدی 163 تومان محاسبه­ شده ­است. در شکل 3 نتایج محاسبات نرم‌افزار متلب برای جواب ­بهینۀ انتشار گاز دی­اکسید­کربن ارائه شده ­است. از مقایسۀ جواب­های بهینه توابع هدف Z2 وZ1 تفاوت سود­ عملیاتی دو تابع هدف 725 ریال برای هر کیلو تولید نتیجه می­شود؛ یعنی برای حداقل‌کردن انتشار گاز گلخانه­ای دی­اکسیدکربن باید برای هر کیلو تولید حدود 34% از سود بیشینه فاصله گرفت. این به­دلیل پرداخت هزینۀ بیشتر برای خرید مواد اولیۀ ­آهن­دار سازگار با محیط‌زیست (مانند قراضه و آهن­ اسفنجی) است. شکل 3 نمونه‌ای از جواب بهینۀ تابع هدف Z1 محاسبه‌شده با کدنویسی متلب را نشان می‌دهد که با الگوریتم درون‌یابی و یک سیستم رایانه­ای دارای پردازندۀ 60/2 گیگاهرتزی 64 بیتی و 4 گیگا بایت حافظه RAM در مدت 23 ثانیه اجرا شده است.

بحث و تحلیل­ حساسیت

در شکل 3 براساس خروجی مدل، نتایج تحلیل حساسیتِجایگزین‌کردن آگلومره با آهن ­اسفنجی بر میزان مصرف کک در کوره­ بلند شماره 3 نشان داده­ شده­ است. ملاحظه می­شود با افزایش میزان جایگزینی آگلومره، مصرف کک با شیب تندی کاهش می­یابد. در مقادیر بیشتر از 18 درصد آهن­اسفنجی، افت نامحسوسی در شیب کاهش مصرف کک دیده می­شود. علت کاهش مصرف کک با افزایش مقدار آهن­اسفنجی، تفاوت درخور توجه درصد Fe موجود در آهن ­اسفنجی (% 06/80) نسبت به آگلومره (% 26/55) و وجود مقدار زیاد آهن­ فلزی در آهن ­اسفنجی است. با افزایش درصد آهن ­اسفنجی دربار مواد آهن­دار، درصد آهنِ ­بار و درصد آهن­ فلزی آن افزایش می­یابد. علت تغییر شیب در 18 درصد آهن ­اسفنجی رسیدن درجۀ ­قلیایی سرباره به حداقل­ مجاز و نیاز به افزایش سنگ ­آهک برای جبران این کاهش است.

شکل 3- تأثیر جایگزینی آگلومر آهن اسفنجی در بار مواد آهن‌دار کوره ‌بلند بر میزان مصرف کک

همان‌گونه‌که در شکل 4 دیده می­شود تا 8 درصد درجۀ ­قلیایی ثابت مانده است. علت کاهش شارژ کوارتزیت است که برای کاهش درجۀ قلیایی استفاده می‌شود تا اینکه کوارتزیت در 8 درصد آهن­ اسفنجی به صفر می­رسد. در مقادیر 8 تا 18 درصد آهن اسفنجی با افزایش مصرف آهن ­اسفنجی درجۀ ­قلیایی کاهش می­یابد و در 18 درصد، درجۀ ­قلیایی به حداقل مقدار مجاز خود کاهش می­یابد. در مقادیر بیشتر از 18 درصد، برای کنترل درجۀ ­قلیایی سنگ­ آهک به کوره ­بلند شارژ می‌شود. هم‌چنین انتظار می‌رود برای تأمین انرژی تکلیس سنگ ­آهک در ناحیۀ احیاءِ وستیت کوره­ بلند، مصرف کک افزایش یابد و تغییر جزئی شیبِ شکل مصرف کک نیز ناشی از همین است.

شکل 4 - تأثیر جایگزینی آگلومره با آهن ­اسفنجی در بار مواد آهن‌دار کوره ‌بلند بر درجۀ قلیایی سرباره کوره بلند

در شکل 5 تغییرات سود حاصل از تولید یک تن چدن بر اثر جایگزینی آگلومره با آهن­ اسفنجی نشان داده شده است. مشاهده می­شود با افزایش درصد آهن ­اسفنجی سود کاهش می­یابد و نرخ کاهش سود در دو نقطۀ 8 درصد و 18 درصد آهن ­اسفنجی افزایش می­یابد. علت اصلیِ کاهش سود، اختلاف درخور توجه قیمت آهن ­اسفنجی در مقایسه با آگلومره است. برخلاف اینکه جایگزینی آگلومره با آهن ­اسفنجی سبب افزایش بهره­وری و کاهش مصرف کک می‌شود، تأثیر اختلاف قیمت این دو ماده بر میزان سود بیشتر است. علت تشدید نرخ کاهش سود در 8 درصد آهن­ اسفنجی، لزوم شارژ سنگ منگنز درشت دانه به کوره ­بلند از مقادیر بیش از 8 درصد آهن ­اسفنجی برای جبران افت منگنز به کمتر از محدودیت پایینی منگنز چدن مذاب است. لازم به ذکر است آگلومره حاوی 12/1 درصد اکسید منگنز است که این میزان در آهن ­اسفنجی صفر است. تغییر شیب تغییرات سود در 18 درصد آهن ­اسفنجی نیز ناشی از افزایش نرخ مصرف کک است که قبلاً دربارۀ آن بحث شده است.

تغییرات انتشار دی­اکسید­کربن برحسب مقدار جایگزینی آگلومره با آهن ­اسفنجی در خروجی کوره­ بلند 3 در شکل 6 نشان داده­ شده ­است. براین‌اساس انتشار دی­اکسیدکربن با افزایش درصد آهن­ اسفنجی کاهش می­یابد. در مقادیر بیش از 18 درصد آهن ­اسفنجی، نرخ کاهش تولید دی­اکسیدکربن کاهش نامحسوسی را از خود نشان می­دهد؛ زیرا با افزایش جایگزینی آگلومره با آهن­ اسفنجی، درصد آهن فلزیِ بار، افزایش و مصرف کک کاهش می­یابد. افزایش مقدار آهن فلزی در بار کوره بلند به‌معنی کاهش نسبت (O/Fe) در بار کوره ­بلند است. کاهش مقدار کک به‌معنی کاهش حجم گاز ورودی از ناحیۀ احیاءِ وُستیت به منطقه احیاءِ هماتیت^[xxiii] است. با در نظرگرفتن این نکته که درصد دی­اکسیدکربن این گاز ثابت است، نتیجه می­شود مقدار دی­اکسیدکربن ورودی از ناحیۀ احیاءِ وُستیت به منطقۀ احیاءِ هماتیت کاهش می­یابد. از سوی دیگر با کاهش نسبت (O/Fe) در این ناحیۀ ذکر­شده، از درصد هماتیت موجود در این ناحیه کاسته می­شود؛ بنابراین حجم دی­اکسیدکربن تولیدی در این ناحیه بر اثر واکنش هماتیت با منواکسیدکربن و تولید وُستیت و دی­اکسیدکربن کاهش می­یابد. تغییر جزئی شیبِ نرخ کاهش دی­اکسیدکربن در مقادیر بیش از 18 درصد آهن ­اسفنجی، ناشی از کاسته‌شدن از نرخ کاهش مصرف کک در این ناحیه است.

شکل5- تأثیر جایگزینی آگلومره با آهن ­اسفنجی در بار مواد آهن‌دار کوره ‌بلند بر میزان سود تولید

شکل 6- تأثیر جایگزینی آگلومره با آهن ­اسفنجی در بار مواد آهن‌دار کوره ‌بلند بر میزان انتشار گاز دی­اکسید کربن

در شکل 7 تحلیل حساسیتِ تأثیر جایگزینی سنگ­آهن با آهن­اسفنجی در کوره­ بلند شمارۀ 3 ذوب ­آهن روی مصرف ککِ زیر شارژ اولیۀ 70 درصد آگلومره و 30 درصد سنگ ­آهن با استفاده از برنامۀ مدل نشان داده شده است. آهن اسفنجی مطالعه‌شده حاوی 06/80 درصد آهن و 55/9 درصد FeO بوده است. با افزایش میزان جایگزینی سنگ ­آهن، مصرف کک کاهش می­یابد. همان‌گونه‌که در معادلات مصرف کک نشان داده شده است، مصرف کک تابعی از نسبت (O/Fe) در ناحیۀ احیاءِ وُستیت است و با کاهش این نسبت مصرف کک نیز کاهش می­یابد. در‌صورتی­که بار مواد آهن­دار کوره بلند حاوی آهن فلزی نباشد، اکسیدهای آهن در ناحیۀ احیاءِ وُستیت به‌صورت FeO_0.947 است؛ بنابراین نسبت (O/Fe) برابر با 06/1 است. درصورتی­که بخشی از مواد آهن­دار کوره ­بلند را آهن ­فلزی تشکیل دهد، آهن ­فلزی وارد ناحیۀ احیاءِ وُستیت می‌شود و درنتیجه نسبت (O/Fe) در این ناحیه کاهش می­یابد. چون نسبت (O/Fe) در آهن­ اسفنجی استفاده‌شده برابر با 058/0 است با افزایش مصرف آن در بار کوره ­بلند به‌جای سنگ­آهن، میزان مصرف کک نیز کاهش می­یابد.

شکل 7 - تأثیر جایگزینی سنگ ­آهن با آهن­ اسفنجی در بار مواد آهن‌دار کوره ‌بلند بر میزان مصرف کک

شکل8 نشان‌دهندۀ نتایج تحلیل تأثیر میزان جایگزینی سنگ ­آهن با آهن ­اسفنجی بر میزان سود حاصل از تولید یک کیلوگرم چدن در کوره ­بلند به‌کمک مدل است. این شکل نشان می­دهد، با وجود افزایش بهره­وری و کاهش میزان مصرف کک در اثر جایگزین‌کردن سنگ­ آهن با آهن­ اسفنجی، سود حاصل از تولید هر کیلوگرم چدن به‌علت اختلاف شدید قیمت سنگ ­آهن با آهن­اسفنجی کاهش می‌یابد. در شکل 9 تأثیر میزان جایگزینی سنگ آهن ­اسفنجی در بار مواد آهن‌دار کوره­ بلند روی میزان انتشار دی­اکسیدکربن خروجی کوره­ بلند به‌ازاءِ هر تن چدن تولیدی نشان داده شده است. علتِ کاهش انتشار گاز دی­اکسیدکربن به دو علت زیر نسبت داده شده است.

 الف- کاهش مصرف کک به‌ازاءِ تولید یک چدن مذاب که سبب میزان تولید گاز در ناحیۀ احیاءِ وُستیت می­‌شود؛ با‌توجه‌به اینکه نسبت دی­اکسیدکربن به منواکسیدکربن در گاز خروجی کوره ­بلند از ناحیۀ احیاءِ وستیت برابر با 7/0 به 3/0 است، با کاهش میزان تولید گاز مقدار دی­اکسیدکربن تولیدی در این ناحیه نیز کاهش می­یابد.

ب- مقدار هماتیت در بار مواد آهن­دار به‌ازاءِ هر تن چدن تولیدی در اثر جایگزینی سنگ ­آهن با آهن ­اسفنجی کاهش می‌یابد. با‌توجه‌به اینکه واکنش احیاءِ هماتیت به وستیت در دهانۀ کوره ­بلند به‌کمک منواکسیدکربن به‌صورت ذیل انجام می‌شود، با کاهش مقدار هماتیت مقدار دی­اکسیدکربن تولیدی در دهانۀ کوره ­بلند نیز کاهش می‌یابد.

 Fe₂O₃ + 0.947 CO = 1.894 FeO_0.947 + 0.947 CO₂

بررسی اعتبار مدل

باتوجه‌به ماهیت مدل که شامل ورودی­های متعددی است و هر ورودی شامل پارامترهای عملی مختلفی است که خروجی­های خاص خود را تولید می­کند، مدل باید با ورودی­های عملی مشخص اعتبارسنجی شود. این ­کار برای کوره ­بلند مدرن شمارۀ 3 ذوب ­آهن انجام شد. ابتدا تابع ­هدف حداکثر­کردن سود (  )، سپس تابع هدف حداقل‌کردن انتشار گاز­ گلخانه­ای دی­اکسید­کربن (  ) اجرا و نتایج حاصل از آن آزمایش شد. جواب بهینۀ ترکیب مواد ­اولیۀ ­آهن­دار با تابع هدف حداکثر­کردن سود شامل 29 % سنگ آهن، 52% آگلومره، 20% گندله، سود بیشینه هر کیلوگرم چدن مذاب تولیدی 1980 ریال و میزان انتشار کل دی­اکسید­کربن 1979 کیلوگرم بر تن چدن تولیدی است. جواب بهینۀ ترکیب مواد ­اولیۀ ­آهن­دار با تابع هدف حدقل‌کردن میزان انتشار گاز دی­اکسید­کربن شامل 25% آهن ­اسفنجی، 23% سنگ ­آهن، 16% گندله، 36% آگلومره است. سود تولید 1430ریال برای هر کیلوگرم چدن ­تولیدی و میزان انتشار کل دی­اکسید­کربن کوره­بلند 1792 کیلوگرم بر تن چدن تولیدی است. در دو حالت ذکرشده، با‌توجه‌به شرایط آزمایش در ذوب آهن منابع تأمین انرژی فقط کک و گاز طبیعی هستند. مقایسۀ پیش­بینی­های مدل و نتایج­ تجربی در جداول زیر، نشان‌دهندۀ دقت بسیار زیاد مدل است و علت اختلاف کوچک بین سود محاسباتی مدل و مقدار ارائه‌شده به‌وسیلۀ بخش اقتصادی ذوب ­آهن وجود تفاوت بین خروجی­های مدل و مقادیر تجربی برای مصرف کک، اکسیژن، گاز طبیعی، هوای­ دم و مواد آهن­دار است. با‌توجه‌به اطلاعات جدول­های (3) و (4) این اختلاف برای کک، اکسیژن و هوای ­دم بیشتراست.

جدول 3- تابع هدف حداکثرکردن سود تولید (Z₁)

جدول 4- تابع هدف حداقل‌کردن میزان انتشار کل دی­اکسید­کربن ( )

درادامه دلایل تفاوت خروجی­های مدل و نتایج عملی بررسی می­شود.

1.  وجود خطا در سیستم‌های اندازه­گیری وزن کک و باسکول‌های توزین پاتیل چدن، اندازه­گیری ترکیب شیمیایی مواد اولیه و آهک، یکی دیگر از عوامل مؤثر بُروز خطا در محاسبات مصرف کک با مدل و تفاوت آن با شرایط عملی است.
2.  خطا در آنالیز گاز طبیعی و وجود هیدروژن در گاز طبیعی در میزان مصرف اکسیژن و به‌تبع آن هوای ­دم کوره ­بلند تأثیر می‌گذارد. با‌توجه‌به اینکه آنالیز گاز طبیعی به‌صورت مرتب اندازه­گیری نمی­شود، تعییرات آن باعث خطای محاسباتی­ می‌شود و خطای اندازه­گیری در وزن مذاب، دبی هوای دم و اکسیژن سبب اختلاف در نتایج مدل و واقعی می‌شود.
3. گازهای احیاءکننده از فضای خالی بین دانه­های کک و بار آهن­دار عبور می­کنند. اگر توزیع کک و بار آهن­دار یکنواخت نباشد بخشی از این گازها بدون تماس مؤثر با سطح بار آهن­دار از دهانۀ کوره خارج می­شوند که باعث بهره­وری CO کمتر می‌شود و به­تبع آن مصرف کک از مقادیر محاسبه‌شده با مدل کمی بیشتر است. هم‌چنین فشار دهانۀ پایین کوره موجب کاهش زمان ماند این گازها در کوره می­شود که فرصت احیاءِ مواد آهن­دار را پیدا نمی­کنند و بهره­وری عملی گاز CO دهانه کمتر از مقدار محاسبه‌شده و مصرف کک ­افزایش می‏یابد.
4. محدودیت احیاءپذیری مواد آهن­دار و نفوذ گاز از بین لایه­های احیاء­شده در سطوح مواد آهن­دار از عوامل تأثیرگذار بر سرعت احیاء است؛ بنابراین بخشی از هماتیت در ناحیۀ احیاءِ هماتیت به همین دلیل وارد ناحیۀ احیاءِ وستیت می­شود و نسبت (O/Fe) در این ناحیه در شرایط عملی اندکی بیشتر از محاسبۀ نرم‌افزار مدل است و این باعث افزایش مصرف کک می­شود.
5.  مهم‌ترین علت اختلاف نتایج مدل و نتایج عملی اندازه­گیری‌شده برای مصرف هوای دم کوره بلند، اختلاف مصرف واقعی و محاسبه‌شده کک در کوره بلند با مدل است؛ زیرا هرچه مصرف کک بیشتر شود، مصرف هوای دم افزایش می­یابد.
6. محدودیت احیاءپذیری مواد آهن­دار کوره بلند سبب می­شود نسبت (O/Fe) در ناحیۀ احیاءِ وستیت نسبت به شرایط تئوریک افزایش یابد. این مسئله باعث به‌ هم خوردن توازن اکسیژن در این ناحیه می­شود.

جدول 5- قیمت مواد و حامل‌های انرژی در سال 1397 دریافت­شده از بخش مالی ­و اقتصادی ذوب ­آهن

نتیجه­گیری

امروزه توسعۀ پایدار صنعت فولاد بدون توجه به فضای ­­رقابتی ­تولید، استانداردها و مخاطرات زیست­محیطی ممکن نیست. در این پژوهش برای پشتیبانی­ تدارک ­و خرید مواد ­اولیۀ کوره ­بلندهای هر کارخانۀ فولادسازی، مدلی براساس حداکثر­کردن سود عملیاتی ­تولید یا حداقل­کردن انتشار گاز گلخانه­ای دی­اکسید­کربن کوره ­بلند و کارگاه­های تأمین‌کنندۀ مواد ­اولیۀ ­آهن­دار و کک کوره ­بلند ارائه و برای داده­های کوره ­بلند شمارۀ 3 ذوب­ آهن­ا صفهان در نرم‌افزار متلب اجرا شد. درادامه خروجی­های مدل با نتایج عملی اعتبارسنجی شد. مدل معرفی‌شده علاوه بر محاسبۀ ترکیب بهینۀ مواد آهن­دار برای حصول حداکثرِ ­سود تولید یا حداقل‌کردن انتشار گاز ­دی­اکسید­کربن، قادر است برای هر ترکیب و آنالیز شیمیایی دیگری از مواد اولیۀ ­آهن‌دار کوره بلند سود تولید کند و مصارف مهمی مانند کک، انرژی، هوای­ دم، اکسیژن و میزان انتشار دی­اکسیدکربن را پیش­بینی کند. به‌کمک مدل این پژوهش هزینۀ کک و انرژی لازم برای کوره ­بلند و اثر استفاده از قراضه و آهن ­اسفنجی در کوره­ بلند با‌توجه‌به ممیزات محیط اقتصادی کشور روی سود ­تولید و میزان انتشار گاز دی­اکسیدکربن پیش­بینی می‌شود. به‌طور عملی به‌کمک این مدل هر کارخانۀ فولادسازی با فن­آوری کوره ­بلند قادر است نوع و مقدار مواد اولیۀ لازم برای کوره ­بلندها را با‌توجه‌به محدودیت‌های عرضه در بازار طوری تدارک کند که بیشترین سود تولید و یا کمترین میزان انتشار گاز دی­اکسید­کربن حاصل شود؛ بنابراین خرید مواد اولیه براساس این مدل نسبت به خرید سنتی منافع اقتصادی و زیست‌محیطی زیادی دارد. برمبنای قیمت‌های جدول (5) برای مواد­ و انرژی کوره ­بلند و براساس­ تحلیل ­حساسیت خروجی­های مدل نتیجه می­شود جایگزین‌کردن بخشی از کک و انرژی با گاز­طبیعی و پودر زغال باعث کاهش انتشار دی­اکسید­کربن و افزایش سود تولید است. استفاده از آهن ­اسفنجی با وجود مزایایی که در کاستن مصرف­ کک، کاهش انتشار گاز گلخانه­ای دی­اکسیدکربن و افزایش بهره­وری کوره ­بلند دارد در بار مواد اولیۀ کوره ­بلند توجیه اقتصادی ندارد؛ زیرا استانداردهای سخت­گیرانه زیست­محیطی کشور دربارۀ انتشار گازهای ­گلخانه‌ای مانند کشورهای اروپایی ارتقاء نیافته است و قیمت سنگ ­آهن با حذف یارانه­های دولتی به‌شدت افزایش می‌یابد. گزینه­های مواد آهن­دار کوره ­بلند فقط شامل سنگ ­آهن، آگلومره و گندله هستند. موضوعات زیر برای پژوهش­های آتی برای افزایش دقت مدل بهینه­سازی سود تولید پیشنهاد می‌شود.

1- بررسی نحوۀ توزیع بار مواد اولیه در دهانۀ کوره بلند روی مصرف مواد اولیه، کک، بهره‌وری و سود تولید.

2- بررسی اثر جدا‌کردن دی­اکسیدکربن از گاز خروجی کوره ­بلند، چرخش و استفادۀ دوباره آن روی انتشار گاز گلخانه­ای دی­اکسید­کربن و سود تولید

3- بررسی تأثیر سیستم اتوماسیون سطح 2 روی مصرف مواد اولیه، کک، بهره‌وری و سود تولید.