افزایش بهره‌وری آب در نیروگاه‌های گرمایی

کاربرد فناوری نانو در صنعت آب -واحدهای صنعتی 

فناوری­های نوین در مدیریت و افزایش بهره­ وری آب در نیروگاه ­های گرمایی[1]

 

۱. فناوری نانو

طی دهه­های گذشته، مباحثی تحت عنوان “علوم و فناوری نانو” در حوزه تحقیقات و پژوهش­های پیشرفته به وجود آمده­اند که شامل ساخت، شناسایی، توصیف خواص و دستکاری ترکیبات مصنوعی با خواص کنترل شده در مقیاس نانو می­باشد. فناوری نانو، حوزه­های تحقیقاتی مختلفی چون شیمی، فیزیک، مهندسی، علم مواد، زیست شناسی و … را در بر می­گیرد که با توجه به پیشرفت­های اخیر در زمینه دستگاه­ها و همچنین روش­های بررسی خواص مواد در مقیاس نانو، این تحقیقات نیز شتاب بیشتری به خود گرفته است. این موضوع موجب شده که امروزه ترکیبات نانومقیاس کاربرد گسترده­ای در فرایندهای صنعتی پیدا کنند؛ کاربردی که می‌توان آن را مدیون خواص منحصر به فرد ایجاد شده در نانوساختارهای مختلف دانست.

 

2. آب و انرژی

امروزه سیستم­های آب و انرژی وابستگی بسیار شدیدی به یکدیگر پیدا کرده­اند؛ رابطه­ای که تحت عنوان “پیوند آب-انرژی[1]” شناخته می­شود و با توجه به افزایش تقاضا هم برای آب و هم برای انرژی بر اهمیت آن افزوده می‌شود. اهمیت این رابطه زمانی مشخص می­شود که بدانیم آب در تمامی طرح­های تولید انرژی (مخصوصا الکتریسیته) مورد استفاده قرار گرفته و نقش اساسی ایجاد می­کند. از طرف دیگر برای استخراج، انتقال، همچنین تضمین کیفیت آب و تصفیه فاضلاب،­ این انرژی است که نقش غیر قابل انکاری دارد. از همین رو درک این رابطه و کنترل متقابل هر دو مولفه در بخش­های مختلف از اهمیت ویژه­ای برخوردار است و می­تواند در بهینه سازی مصرف آب و انرژی موثر واقع شود.

شکل 1. پیوند آب-انرژی [1].

3. نیروگاه­های حرارتی

نیروگاه­ها در اصل محل تبدیل شکل­های مختلف انرژی مثل گرما یا انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی یا برق هستند. یکی از مهم­ترین انواع نیروگاه­ها، نیروگاه­های حرارتی هستند که از انرژی گرمایی برق تولید می­نمایند. در حال حاضر، حدود 80 درصد از برق مورد نیاز کشورهای مختلف توسط نیروگاه­های حرارتی که انواع مختلفی از نیروگاه­ها مثل نیروگاه­های اتمی و سیکل ترکیبی را نیز در­ بر­دارد، تولید می­شود. این نوع نیروگاه­ها به مقادیر بسیار زیادی آب نیاز دارند و هر ساله نزدیک به 40 درصد از کل آب‌های قابل استفاده بشر در دنیا توسط این نیروگاه­ها برداشت[2] می­شود که بخشی از آن از مصرف شده[3] و مابقی نیز بعد از انجام فرایند (عموما همراه با آلودگی) مجددا وارد منابع اولیه آب می‌شود. با توجه به کمبود منابع و بحران آب در بسیاری از مناطق، حجم بالای آبی که توسط این نیروگاه­ها برداشت می­شود، می­تواند زندگی آبزیان و همچنین منابع آب اطراف نیروگاه و در نتیجه زندگی انسان­ها را با خطراتی مواجه سازد. بنابراین مدیریت و افزایش بهره­وری آب در نیروگاه از اهمیت ویژه­ای برخوردار خواهد بود.

شکل 2. برج­های خنک کننده؛ اصلی­ترین محل استفاده آب در نیروگاه­ها [2].

4. آب در نیروگاه­های حرارتی

آب به طرق مختلف، تقریبا در تمام بخش­های یک نیروگاه مورد استفاده قرار می­گیرد و مولفه­های مختلفی ازجمله: نوع سیستم خنک کننده، کیفیت آب خام ورودی به سیستم، مسائل مربوط به مدیریت فاضلاب ایجاد شده، میزان مصرف آب یک نیروگاه را تحت تاثیر قرار می­دهند و بسته به نوع سوخت مصرفی در نیروگاه مسائلی همچون کیفیت زغال سنگ مصرفی، نوع سیستم دفع خاکستر[4]، نوع سیستم گوگرد زدایی[5]، نوع سیستم حذف مواد معدنی[6] و … نیز به مصرف آب در نیروگاه می­افزایند. در این میان بیش­ترین حجم ورودی آب به سیستم خنک کننده نیروگاه تعلق دارد که  بیش از 80 درصد از کل آب ورودی به نیروگاه را شامل می شود. از همین رو بیش­ترین تلاش­ها برای کاهش میزان مصرف آب در نیروگاه­ها به مسائل مربوط به سیستم خنک کننده اختصاص یافته است. همچنین باید توجه داشت که بازده تولید انرژی الکتریکی یا برق در نیروگاه­های حرارتی در بهترین حالت نزدیک به 40 درصد است و این بدین معناست که حجم زیادی از انرژی گرمایی ناشی از سوزاندن سوخت در نیروگاه­ها برای تولید برق مورد استفاده قرار نمی­گیرد. این انرژی استفاده نشده به سیستم خنک کننده منتقل شده و همراه با مصرف مقادیر زیادی آب از دست می­رود. در نتیجه می­توان گفت، هرچه بازده نیروگاه بالاتر باشد و یا گرمای وارد شده به برج خنک کننده کمتر باشد، مصرف آب آن کمتر خواهد بود.

شکل 3. شماتیک کلی از چرخه آب در نیروگاه حرارتی برای تولید الکتریسیته [3].

5. سیستم­های خنک کننده

هدف اصلی از به کارگیری سیستم­های خنک کننده در نیروگاه­ها، جذب کردن و حذف گرما از بخارات ایجاد شده برای تولید انرژی الکتریکی و تبدیل مجدد آن­ها به آب در چگالنده[7] می­باشد. بهترین حد واسط برای انتقال گرما در این سیستم­ها آب است و همین موضوع دلیل برداشت مقادیر عمده­ای از منابع آب توسط نیروگاه­هاست. در نتیجه هرچه هدر رفت انرژی در سیستم کمتر باشد، آب مصرفی در نیروگاه هم به واسطه نیاز کمتر به خنک سازی کاهش خواهد یافت. به طور کلی سه نوع سیستم خنک کننده در واحدهای نیروگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد:

الف) سیستم با حلقه باز[8] یا سیستم یک طرفه[9] (شکل 4)، ساده­ترین و ارزان­ترین نوع سیستم­های خنک کننده می‌باشد که نیاز به برداشت مقادیر زیادی آب، از منابع آب دارد؛ ولی در عوض تقریبا تمام آب وارد شده به سیستم را می‌توان مجددا با دمای اندکی بیشتر به منبع اولیه آب باز ­گرداند و فقط مقدار اندکی از آب وارد شده به سیستم طی تبخیر از دست می­رود. لازم به ذکر است که به دلیل برداشت آب بسیار زیاد این نوع سیستم­ها، میزان آلودگی حرارتی تولید شده توسط آن­ها و همچنین به جهت مدیریت بهتر منابع آب، سال­هاست در کشورهای پیشرفته دنیا مثل آمریکا به چنین سیستم­هایی اجازه ساخت داده نمی­شود.

شکل 4. شمای کلی سیستم خنک کننده با حلقه باز [4].

ب) سیستم با چرخه بسته[10]پرکاربردترین نوع سیستم خنک کننده می باشد که خود بر دو نوع است؛ برج­های خنک کننده مرطوب[11] و حوضچه­های خنک کننده[12]. برج­های خنک کننده مرطوب، بسیار متداول­تر از نوع دیگر هستند و در آن­ها آب خنک کننده بعد از عبور از چگالنده، از بالای برج خنک کننده به پایین پاشیده می­شود و این در حالی است که هم­زمان جریانی از هوای خنک نیز از پایین برج به سمت بالای آن ایجاد شده است (شکل 5-الف). بنابراین اساس خنک سازی توسط این نوع سیستم­ها انتقال حرارت از آب به هوا و همچنین تبخیر آب (مانند کولرهای آبی مورد استفاده در منازل) می­باشد. خنک سازی با استفاده از حوضچه­های خنک کننده نوع دیگری از این سیستم­هاست که در اساس شبیه به سیستم­های با حلقه باز است با این تفاوت که آب مستقیما از منبع وارد سیستم نمی­شود، بلکه یک حوضچه مصنوعی در کنار نیروگاه ایجاد می‌شود و آب از منبع وارد این حوضچه شده و سپس وارد چرخه سیستم خنک کننده نیروگاه می‌شود (شکل5-ب).

شکل 5. شمای کلی سیستم خنک کننده با چرخه بسته؛ الف) سیستم برج خنک کننده و ب) حوضچه خنک کننده [4].

ج) سیستم خنک کننده خشک[13] (شکل 6) که در آن به جای آب، از هوا به عنوان جریان خنک کننده استفاده می­شود و در نتیجه برداشت و مصرف آب در این سیستم برای خنک سازی به صفر می­رسد. البته با توجه به اینکه بازده انتقال حرارت هوا کمتر از آب است، این سیستم­های خنک کننده به سطح مقطع بسیار بزرگتری برای انتقال حرارت نیاز دارند، تا بتوانند گرمای اضافی سیستم را خارج کنند. همین موضوع باعث شده تا این نوع خنک کننده­ها 3 تا 4 برابر گرانتر از برج­های خنک کننده باشند و استفاده از آن­ها به مناطق خشک و بیابانی محدود شود.

شکل 6. شمای کلی سیستم خنک کننده خشک [4].

6. برج­های خنک کننده

همان گونه که اشاره شد برج­های خنک کننده متداول­ترین نوع سیستم­های خنک کننده در نیروگاه­ها هستند و با توجه به میزان مصرف آب توسط آن­ها، درک فرایندهایی که در برج­های خنک کننده انجام می­شود و کنترل پارامترهای مربوط به آن­ها در بهبود مصرف آب نیروگاه­ها از اهمیت ویژه­ای برخوردار خواهد بود. به طور کلی آب مورد استفاده در سیستم خنک کننده پس از عبور از چگالنده بخار و ورود به برج خنک کننده طی 3 فرایند اصلی از دست می­رود:

* تبخیر[14] که اساس خنک سازی در برج­های خنک کننده است و مقدار آب از دست رفته از طریق این فرایند کنترل نشده است. به ازای هر 10 درجه سانتیگراد کاهش دمای آب، یک درصد از آب در گردش به صورت بخار از دست می رود.

* آب رانده شده[15] که شامل قطرات ریز آب است که توسط جریان هوا از برج خنک کننده خارج می­شوند و حدود 2/0 درصد از کل آب موجود در چرخه خنک سازی می­باشد. این فرایند نیز کنترل نشده است و می‌توان با استفاده از تجهیزاتی به نام قطره برگردان[16] میزان آب هدر رفته در اثر این فرایند را کاهش داد.

* تخلیه آب[17] که فرایندی کنترل شده است و طی آن مقداری از آب موجود در چرخه خنک سازی به خاطر افزایش غلظت جامدات محلول و معلق (در اثر تبخیر آب در برج خنک کننده) از سیستم خارج می­شود. اگر این عمل انجام نشود، ممکن است مواد معدنی حل شده در آب در اجزای مختلف سیستم ایجاد رسوب[18] نمایند. البته می­توان با افزودن ترکیباتی که با نام بازدارنده رسوب[19] شناخته می­شوند و قادر هستند توانایی آب برای انحلال مواد معدنی (نقطه اشباع[20]) را افزایش دهند، فرایند تخلیه آب را به تعویق انداخت.

یکی از مهمترین پارامترهایی که میزان آب مصرفی در برج خنک کننده را بیان می­کند، چرخه های غلظت[21] نام دارد. فرض کنید نیمی از آب موجود در سیستم تبخیر شود که باعث دو برابر شدن غلظت مواد معدنی در آب می‌شود. اگر نقطه اشباع آب به گونه‌ای باشد که بیش از این توانایی انحلال مواد معدنی را نداشته باشد و مجبور باشیم مابقی آب را تخلیه کنیم (یعنی به ازای هر یک حجم آب تبخیر شده یک حجم آب نیز تخلیه شود)، گفته می­شود چرخه­های غلظت برابر 2 می‌باشد. به همین ترتیب اگر به ازای هر 2 حجم آب تبخیر شده یک حجم تخلیه شود (سه برابر شدن غلظت مواد معدنی و 33 درصد تخلیه) چرخه­های غلظت برابر با 3 خواهد بود. بنابراین هرچه مقدار این پارامتر بیشتر باشد، میزان هدر رفت آب از طریق تخلیه کاهش می­یابد. افزایش مقدار این پارامتر در عمل توسط بازدارنده­های رسوب انجام می­شود.

شکل 7. اجزای داخلی، نحوه عملکرد و انواع مکانیسم­های از دست رفتن آب در یک برج خنک کننده [5].

7. فناوری­ها و راه حل­های نوین جهت افزایش بهره­وری آب در برج­های خنک کننده

7.1. بازدارنده­ رسوب پیشرفته و نانومقیاس

همان­گونه که اشاره شد، برای افزایش نقطه اشباع آب، همچنین افزایش چرخه­های غلظت و در نتیجه کاهش مقدار تخلیه آب در برج­های خنک کننده از ترکیباتی به نام بازدارنده رسوب استفاده می­شود. متداولترین بازدارنده­های رسوب مورد استفاده در سیستم خنک سازی، ترکیبات فسفاته و پلیمرها هستند که در بهترین شرایط نهایتا قادرند 5 تا 7 چرخه غلظت ایجاد نمایند. اخیرا برخی شرکت­های فعال در زمینه طراحی برج­های خنک کننده تحقیقات گسترده­ای در زمینه افزایش تعداد چرخه­های غلظت با استفاده از ترکیبات بازدارنده رسوب پیشرفته (مخصوصا نانوذرات) انجام داده‌اند. همچنین این شرکت‌ها چندین اختراع را نیز در این زمینه به ثبت رسانیده‌اند که تعداد چرخه­های غلظت را بیش از 10 تا 15 چرخه و در موردی نیز به 50 چرخه رسانده­اند (نزدیک به 90 درصد کاهش هدر رفت آب) [6, 7].

شکل 8. رسوبات ایجاد شده در پکینگ داخلی برج خنک کننده که می توان با استفاده از ترکیبات بازدارنده رسوب و بالا بردن نقطه اشباع آب، ایجاد شدن آن­ها را به تعویق انداخت [8].

7.2. استفاده از نانوسیال­ها^[22] برای افزایش انتقال حرارت

نانوسیال­ها که مخلوطی از سیال (معمولا مایع) و نانوذرات با غلظت پایین هستند، خواص منحصر به فردی دارند که آن­ها را مستعد استفاده جهت انتقال گرما می­نماید. مطالعه بر روی انتقال حرارات نانوسیال­ها تقریبا حوزه جدیدی از پژوهش­های علمی می­باشد و بنابراین دور از انتظار نیست که استفاده صنعتی از آن­ها در ابتدای راه و در حال تکامل باشد. با این حال چند شرکت­ فعال در حوزه ساخت تجهیزات خنک کننده استفاده از نانوسیال­ها را برای افزایش خصلت انتقال حرارت مایعات را شروع نموده­اند و در حال توسعه به کارگیری آن­ها برای محصولات آینده خود هستند. بر اساس اطلاعات ارائه شده توسط برخی شرکت­ها استفاده از نانوسیال­ها در سیستم خنک سازی می­تواند میزان مصرف آب در نیروگاه­های حرارتی را تا 20 درصد کاهش دهد که نشان دهنده توانایی بالقوه نانوسیال­ها در انتقال حرارت است [9].

7.3. استفاده از سیستم خنک کننده هیبرید شده با تکنولوژی ترموسیفون[23]

امروزه برخی شرکت­ها در حال توسعه نوعی سیستم خنک کننده هیبریدی (استفاده از دو سیستم به طور همزمان) هستند که در آنها آب داغ خارج شده از چگالنده قبل از ورود به برج خنک کننده وارد بخشی به نام ترموسیفون ­شده و در آنجا مقدار از گرمای خود را از دست می­دهد و بعد به برج خنک کننده منتقل می­شود. ترموسیفون در اصل از یک پدیده فیزیکی استفاده می‌کند که در اثر اختلاف دانسیته میان سیال گرم و سیال سرد و همچنین با کمک نیروی جاذبه، یک جریان همرفتی ایجاد می نماید و نیازی به اعمال نیروی خارجی (پمپ) ندارد. تکنولوژی ترموسیفون (شکل 9) نیز از همین پدیده بهره برده و در آن یک جریان دائمی از سیال گرم (آب گرم ورودی) به سمت فن­های خنک کننده رفته بعد از انتقال گرما و کاهش دما وارد بخش سرد شده و از سیستم خارج می­شود و به برج خنک کننده انتقال می یابد. با استفاده از این سیستم میزان هدر رفت آب نزدیک به 75 درصد کاهش خواهد یافت [10]. لازم به ذکر است که تحقیقات گسترده­ای نیز برای استفاده از نانوسیال­ها در این سیستم انجام شده و برخی شرکت­ها نیز در حال تجاری سازی آن هستند.

شکل 9. سیستم خنک کننده ترموسیفون، آب گرم قبل از ورود به برج خنک کننده وارد ترموسیفون می­شود و بدین ترتیب یک سیستم خنک کننده هیبریدی تشکیل خواهد شد [11].

 

7.4. سیستم خنک کننده خشک غیر مستقیم با استفاده از ترکیبات تغییر فاز محصور شده[24]

با توجه به ضعیف­تر بودن انتقال حرارت در سیستم­های خنک کننده خشک که از هوا به جای آب، جهت خنک سازی استفاده می نمایند، ارائه راهکارهای نوین برای افزایش کارایی این سیستم­ها می­تواند موجب افزایش استفاده از آنها در واحدهای نیروگاهی شود. یکی از این راهکارهای نوین جهت این امر، استفاده از برخی نانوذرات خاص به نام ترکیبات تغییر فاز محصور شده می­باشد. این ترکیبات دارای توانایی در جذب، ذخیره سازی کوتاه مدت و آزاد سازی گرما هستند که نحوه عملکرد آنها در شکل 12 قابل مشاهده است. اخیرا یک شرکت آمریکایی از این ترکیبات پیشرفته در مبدل­های حرارتی استفاده نموده و یک سیستم خنک کننده خشک غیر مستقیم را طراحی نموده است که در نیروگاه­های مختلف و شرایط اقلیمی مختلف نیز قابل استفاده است [12].

شکل12. نحوه عملکرد ترکیبات تغییر فاز محصور شده با تغییر دما [13].

8. تخمین هزینه­ها

قاعدتا استفاده از فناوری­­های پیشرفته در حوزه­های مختلف نیازمند پرداخت هزینه­ای متناسب با آن فناوری خواهد بود. در سال­های اخیر همگام با رشد سریع فناوری­ها، تجاری سازی آن­ها نیز به نوبه خود گسترش قابل توجهی داشته است. میزان و مقیاس تجاری سازی یک فناوری و همچنین میزان رواج یافتن آن رابطه مستقیمی با قیمت تمام شده آن دارد؛ موضوعی که در رابطه با فناوری­های ذکر شده در این گزارش نیز صادق است. در ادامه به جهت مقایسه بهتر فناوری­های ارائه شده با فناوری­های متداول، قیمت تمام شده هر کدام نیز با یکدیگر مقایسه خواهد شد.

در حال حاضر و با توجه به انواع مختلف بازدارنده­های رسوب موجود در بازار، به ازای هر یک تن از مواد بازدارنده رسوب متداول باید بین 350 تا 6000 دلار (بسته به نوع ترکیب) هزینه نمود در حالی­که هزینه لازم برای بازدارنده­های رسوب پیشرفته بین 3000 تا 7500 دلار می­باشد که نشان از تفاوت اندک میان قیمت آنهاست؛ آن هم در شرایطی که بازدارنده های پیشرفته و نانومقیاس هنوز در ابتدای راه هستند و در حال توسعه می باشند.

همان­طور که اشاره شد، جهت بهبود کارایی سیستم انتقال حرارت در برخی سیستم­ها از نانوسیال­ها بهره گرفته می­شود که هزینه­ای بین 120 تا 250 دلار به ازای هر لیتر به همراه خواهد داشت در حالی­که هزینه سیال­های انتقال حرارت سنتی بین 20 تا 100 دلار به ازای هر لیتر است.

سیستم خنک کننده هیبرید شده با ترموسیفون در حال حاضر مراحل پایانی توسعه و تجاری سازی را طی می‌کند و هنوز قیمت و هزینه راه­اندازی آن نامشخص است. طبق آمار ارائه شده توسط شرکت ثبت کننده حق اختراع این سیستم تاکنون نزدیک به 3 میلیارد دلار بر روی این طرح سرمایه گذاری انجام شده است.

9. شرکت­های فعال در زمینه فناوری­های نوین بهبود مصرف آب در نیروگاه

شرکت‌های بسیار زیادی در حوزه طراحی و فروش سیستم­های نیروگاهی و به خصوص سیستم­های خنک کننده فعالیت دارند که از میان آن­ها برخی به تحقیق و توسعه فناوری­های نوین جهت بهبود مصرف آب در نیروگاه­ها پرداخته­ و در همین راستا محصولاتی را به بازار ارائه کرده­اند یا در حال تجاری سازی فناوری خود می باشند.

شاید بتوان بهترین و منحصر به فرد­ترین محصول در حوزه بازدارنده­های رسوب نوین را محصولی تحت عنوان CWT3 [25] دانست که توسط شرکت آمریکایی TERLYN به بازار عرضه می­شود و قادر است با افزایش تعداد چرخه­های غلظت به عدد 50، میزان هدر رفت آب طی فرایند تخلیه در برج خنک کننده را تا 90 درصد کاهش دهد. استفاده از این نوع بازدارنده در یک برج خنک کننده 1000 تنی می تواند سالانه نزدیک به 6/7 میلیون گالن از میزان آب مصرفی بکاهد و موجب کاهش نزدیک به 68 هزار دلاری هزینه­ها در هر ماه شود.

شکل 13. محصول CWT3 ارائه شده توسط شرکت Terlyn با رساندن تعداد چرخه­های غلظت به عدد 50 بخش عمده­ای از هدر رفت آب در برج خنک کننده را کاهش می­دهد [14].

از دیگر شرکت­های فعال در حوزه ترکیبات بازدارنده رسوب می توان به شرکت Pure Water Solution اشاره کرد که در حال توسعه یک بازدارنده بر پایه فناوری نانو برای رسوبات کلسیم تحت عنوان Nano_sorb gold می­باشد. این محصول با استفاده از نانوذرات طلا، یون­های کلسیم را به کریستال­های کلسیم تبدیل می­کند که بسیار پایدار هستند و توانایی چسبیدن به لوله­ها را ندارند. این محصول قادر است بازده سیستم­های انتقال حرارت با جلوگیری از تشکیل رسوبات کلسیم بر روی آن­ها تا حد زیادی افزایش دهد. تاثیر استفاده از این بازدارنده در شکل زیر قابل مشاهده است که نشان دهنده عدم ایجاد رسوب روی سطح عنصر گرم کننده بعد از 3 هفته در حضور این بازدارنده رسوب است؛ در حالی­که در عدم حضور بازدارنده در همین بازه زمانی بر روی عنصر گرم کننده رسوبات کلسیم ایجاد می­شود.

شکل14. بررسی عملکرد بازدارنده رسوب Nano_sorb gold در طی بازه زمانی 3 هفته؛ الف) روز اول و قبل از شروع آزمایش، ب) بعد از گذشت 3 هفته و عدم استفاده از بازدارنده بر روی عنصر گرم کننده رسوبات کلسیم ایجاد شده است، ج) بعد از  گذشت 3 هفته و در حضور بازدارنده هیچ رسوبی ایجاد نشده است [15].

همانگونه که ذکر شد، یکی از راه­های افزایش میزان انتقال حرارت در چگالنده بخار، استفاده از نانوسیال­هاست و که اخیرا بسیار مورد توجه واقع شده است و تحقیقات گسترده­ای را به خود منعطف نموده است. یکی از این تحقیقات که توانسته به مرحله تجاری سازی برسد و به زودی راهی بازار خواهد شد، شامل استفاده از نانوذرات سرامیکی عامل­دار شده با توانایی تغییر فاز برای تولید یک نانو سیال با کارایی بالاست که توسط محققان آزمایشگاه ANL [26] معرفی شده و موسسه مطرح EPRI [27] سرمایه­گذاری و تجاری­ سازی آن را به عهده گرفته است. طبق برنامه ارائه شده توسط موسسه سرمایه گذار، این فناوری سال 2016 وارد بازار خواهد شد و می تواند تا 20 درصد مصرف آب در برج­های خنک کننده را کاهش دهد.

شکل 15. استفاده از نانوسیال بر پایه نانوذرات سرامیکی با قابلیت تغییر فاز برای انتقال حرارت [9].

موسسه EPRI که یکی از شناخته شده­ترین موسسات آمریکایی فعال در حوزه پژوهش­های نوین و کاربردی در زمینه انرژی الکتریکی است که سرمایه گذاری­های کلانی نیز در راستای افزایش بهره­وری بخش­های مختلف واحد­های نیروگاهی انجام می­دهد. یکی از مهمترین فعالیت­های این موسسه ارائه فناوری­های نوین جهت سیستم­های خنک سازی مخصوصا برج­های خنک کننده و همچنین ارائه راه­کارهای پیشرفته برای کاهش مصرف آب در این بخش می­باشد. این موسسه همچنین سرمایه گذاری­های متعددی بر روی طرح­های دیگری مانند سیستم­های هیبرید شده با ترموسیفون و… نیز انجام داده است که برخی به صورت تجاری در بازار موجود هستند و برخی دیگر هم مانند نانوسیال ذکر شده در حال توسعه و تجاری سازی هستند [16].

دیگر موسسه آمریکایی که فعالیت گسترده­ای در حوزه فناوری­های نوین در بخش انرژی مخصوصا واحد­های نیروگاهی و سیستم­های خنک کننده دارد، موسسه دولتی ARPA-E [28] است که مستقیما زیر نظر وزارت انرژی آمریکا فعالیت می­کند. این موسسه نیز در پروژه­های زیادی سرمایه گذاری­های کلان انجام می­دهد که یکی از مهمترین آنها در حوزه سیستم­های خنک کننده خشک با فناوری ­های نوین است و با عنوان ARID [29] شناخته می‌شود. این پروژه چندین زیر مجموعه دارد و شامل سرمایه گذاری بالغ بر 45 میلیون دلاری است [12].

همان­طور که اشاره شد، سیستم­های هیبرید شده با ترموسیفون قادرند تا حد زیادی مصرف آب در برج­های خنک کننده را کاهش دهند. حق اختراع این تکنولوژی در ابتدا توسط شرکت Johnson Controls و در سال 2011 به ثبت رسیده است که در مراحل نهایی تجاری­سازی در مقیاس صنعتی را پشت سر می­گذارد [17].

شکل 16. نمونه اولیه[30] از خنک کننده ترموسیفون ساخته شده توسط شرکت Johnson Controls که در سال 2013 به صورت هیبرید در نیروگاه Bowen آمریکا مورد آزمایش قرار گرفته است [11].

10. فعالیت‌های داخل کشور

با توجه به مسئله بحران آب در کشور و همچنین حجم بالای انرژی تولیدی در نیروگاه‌ها، پرداختن به بحث بهره‌وری آب در صنایع نیروگاهی به‌ویژه با رویکرد استفاده مجدد از آب‌های مصرف شده امری ضروری به نظر می‌رسد. متخصصان در نیروگاه‌ها با اعمال شرایط مختلف کنترل شیمیایی و مهندسی تا حد امکان به بهبود بهره‌وری از آب می‌پردازند و در کشور نیز واحدهای صنعتی – تجاری متعددی به تولید و تامین مواد شیمیایی و تجهیزات مورد نیاز پرداخته‌اند. با این حال لازم به ذکر است که علی‌رغم تحقیقات دانشگاهی گسترده در زمینه نانو و شیمی آب و همچنین نانوسیال‌ها، گزارش مستدلی مبنی بر وجود شرکت‌های فعال در این زمینه یافت نگردید. البته شرکت­هایی در زمینه تهیه، تولید و تامین مواد شیمیایی مورد نیاز نیروگاه­ها در داخل کشور فعال هستند که از میان آن­ها می­توان به موارد زیر اشاره نمود:

شرکت «توچال شیمی» یکی از تولید کنندگان داخلی مواد بازدارنده رسوب و خوردگی برج­های خنک کننده می­باشد و چندین محصول مختلف در این زمینه به بازار ارائه می­نماید. محصولات بازدارنده این شرکت بر پایه ترکیبات مختلفی از جمله فسفونیت­ها و پلیمرها است که برای pH های مختلف قابل ارائه می­شوند. از دیگر محصولات این شرکت می­توان به مواد شیمیایی رسوب زدا، ضد میکروب و مواد شیمیایی مورد استفاده در دیگ­های بخار (بویلرها) اشاره نمود [18].

شرکت «رسوب­گیری» دیگر شرکت داخلی فعال در زمینه تولید و تامین مواد شیمیایی مورد استفاده در سیستم­های در برج­های خنک کننده و دیگ­های بخار و همچنین سیستم‌های تصفیه و به‌سازی آب می­باشد و در این زمینه محصولات مختلفی ارائه می­نماید [19].

11. نتیجه گیری

یکی از مهمترین بخش­های نیروگاه­های حرارتی سیستم خنک کننده آن­ها می­باشد که سالانه میزان بسیار زیادی از منابع آب شیرین را برداشت کرده و مصرف می­کنند. با توجه به مساله بحران آب در سال­های اخیر، کاهش آب مصرفی در نیروگاه­ها می­تواند هم بخشی از نگرانی­های عمومی برای تامین منابع آب آشامیدنی را مرتفع سازد و هم ادامه فعالیت این واحد­ها را در شرایط کم آبی میسر سازد. در این راستا توسعه، تجاری سازی و استفاده از فناوری­های نوین می­تواند به افزایش بهره­وری مصرف آب در سیستم خنک کننده واحدهای نیروگاهی و افزایش بازده تولید انرژی آن­ها کمک شایانی نماید. این مساله در کشورهای پیشرفته به طور جدی پیگیری شده و هر سال بر حجم محصولات و تحقیقات انجام شده در این زمینه افزوده می­شود. در حالی­که در کشور ما توجه به این مساله بسیار ناچیز بوده است و هر ساله وخامت مساله بحران آب گسترش می­یابد. این موضوع نمایانگر نیاز جدی به سرمایه گذاری در حوزه مدیریت منابع آب و افزایش بهره­وری مصرف آب در بخش­های مختلف از جمله واحدهای نیروگاهی می­باشد.

 

 

 

 

 

11. مراجع
12. http://www.sustainablecampus.cornell.edu/initiatives/water-energy-nexus-study.
13. http://www.theneweconomy.com/strategy/siw-water-is-precious-its-time-to-advance-our-thinking-around-it.
14. http://www.mae.wvu.edu/~smirnov/mae320/figs/F8-1.jpg.
15. Delgado Martín, A., Water Footprint of Electric Power Generation: Modeling its use and analyzing options for a water-scarce future. 2012, Massachusetts Institute of Technology.
16. http://www.hamon.com/medias/upload/images/NaturalDraft(5).jpg.
17. Van, D.W.A., et al., Evaporative recirculation cooling water system, method of operating an evaporative recirculation cooling water system and a method of operating a water deionizing system. 2014, Google Patents.
18. http://www.terlyntech.com/blowdown.html.
19. http://www.bluegrasskesco.com/img/Calcium%20Carbonate%20in%20Cooling%20Tower–%20Filling.JPG.
20. http://mydocs.epri.com/docs/publicmeetingmaterials/6-11-2012/Nanocooling-Fact-Sheet.pdf.
21. http://www.google.com/patents/US20110289951.
22. http://texasiof.ceer.utexas.edu/PDF/Documents_Presentations/Conferences/Kathey%20June–%2010%202013/11%20JCI%20Thermosyphon%20cooling%2030612.pdf.
23. http://arpa-e.energy.gov–/sites/default/files/documents/files/ARID%20Project%20Descriptions_FINAL.pdf.
24. http://www.microteklabs.com/images/how-Encapsulated-PCMs-work.jpg.
25. http://www.terlyntech.com/performance.html.
26. http://pure-watersolutions.com/nansorb_gold.pdf.
27. www.epri.com.
28. http://www.johnsoncontrols.com/.
29. http://www.tochalshimi.ir.
30. http://www.watertekno.com/.

——————

[1] Water-Energy Nexus

[2] Withdraw

[3] Consumption

[4] Ash disposal system

[5] Desulfurization system

[6] Demineralization system

[7] Condenser

[8] Open-loop

[9] Once-through

[10] Closed-cycle

[11] Wet cooling towers

[12] Cooling ponds

[13] Dry cooling

[14] Evaporation

[15] Drift

[16] Drift Eliminator

[17] Blow-down

[18] Scaling

[19] Scale inhibitor

[20] Saturation point

[21] Cycles of concentration

[22] Nanofluids

[23] Thermosyphon Cooler Hybrid System (TCHS)

[24] Encapsulated Phase-Change Materials (EPCM)

[25] Cooling Water Treatment

[26] Argonne National Laboratory

[27] Electrical Power Research Institute (EPRI)

[28] Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E)

[29] Advanced Research In Dry cooling (ARID)

[30] Prototype

——————————

[1] Thermal Power Plants

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• گروه ترویج صنعتی آب

بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================