ارائه‌کننده: علی عاشوری

استاد راهنما اول: دکتر محمد ضابطیان

استاد راهنما دوم: مرحوم دکتر کیومرث مظاهری

استاد مشاور: دکتر شهرام کرمی

استاد ناظر داخلی اول: دکتر مهدی معرفت

استاد ناظر داخلی دوم: دکتر محمد مهدی هیهات

استاد ناظر خارجی اول: دکتر مقداد صفاری‌پور

استاد ناظر خارجی دوم: دکتر احسان هوشفر

تاریخ: 1405/02/15

ساعت: 09:00

مکان: مجازی

چکیده:

این پژوهش به طراحی بهینه کوره‌های پیش‌گرم صنعتی فولاد پرداخت و چالش‌های احتراق شعله‌ای مرسوم شامل توزیع ناهمگن دما، اکسیداسیون شدید شمش‌ها، مصرف سوخت بالا و انتشار زیاد NOx و CO را بررسی کرد. رژیم احتراق MILD (احتراق بدون شعله) با بازچرخش شدید گازهای داغ، رقیق‌سازی اکسیژن و پخش واکنش‌ها، گرمایش یکنواخت، کاهش آلاینده‌ها و تقویت انتقال تشعشعی را فراهم می‌آورد. مطالعات پیشین عمدتاً آزمایشگاهی بودند و این پژوهش به مقیاس صنعتی توجه ویژه داشت. پژوهش حاضر کوره ۶۰ تنی شرکت ماشین‌سازی اراک با ظرفیت ۶٫۹۷ مگاوات را با جایگزینی رژیم متداول توسط MILD طراحی کرد. اهداف شامل توزیع دمای یکنواخت شمش‌ها (۱۳۷۰–۱۴۷۰ کلوین)، کاهش اکسیداسیون، کنترل آلاینده‌ها زیر استانداردهای بین‌المللی، شار حرارتی یکنواخت و افزایش راندمان حرارتی بود. نوآوری اصلی در بررسی هم‌زمان برهم‌کنش میدان سرعت، دما و واکنش‌پذیری با هندسه کوره، موقعیت شمش‌ها، آرایش ورودی‌ها، زاویه و قطر درگاه‌ها و نسبت هم‌ارزی است.

نوآوری فرعی شامل طراحی مشعل چرخشی (با توان بالا، حجم احتراق بیشتر و نرخ گرمایش بالاتر) و انتخاب مکانیزم شیمیایی بهینه بود. با بررسی مکانیزم‌های مختلف کاهش یافته و جزئی برای کوره‌های مختلف احتراق بدون شعله، مکانیزم‌های شیمیایی کاهش‌یافته Luca (16) و Cazères (36) برای پیش‌بینی رژیم MILD انتخاب شدند؛ زیرا زمان اجرا را به‌طور چشمگیری کاهش دادند (۵–۱۰ برابر کمتر از GRI 3.0) و دقت بالایی در پیش‌بینی دما، CO و NOx نشان دادند. Luca (16) برای شبیه‌سازی‌های پیچیده و اولیه، و Cazères (36) برای مواردی که پیش‌بینی دقیق NOx ضروری است، پیشنهاد می‌شود. مقیاس کردن کوره از ۱۰ کیلووات آزمایشگاهی به ۷ مگاوات صنعتی با روش زمان ماند ثابت، توزیع دمایی یکنواخت و دمای قطعات در محدوده هدف را تأیید کرد. کوره مرجع شعله‌دار دارای اکسیژن بالا (تا ۷٫۱%)، اکسیداسیون شدید و آلاینده‌های فراتر از استاندارد بود.

 با بهینه‌سازی آرایش ورودی/خروجی، کاهش قطر خروجی‌ها و تنظیم نسبت هم‌ارزی به ۱٫۰۵، اکسیژن موضعی زیر ۱% رسید، اکسیداسیون حذف شد، آلاینده‌ها کاهش چشمگیری یافت () و معیارهای ، HRR، Kv رژیم کاملاً MILD را تأیید کرد. همچنین، شاخص‌های زیست‌محیطی مانند میزان CO₂ تولیدی در تمامی حالت‌ها زیر مقادیر مجاز استانداردهای EPA قرار گرفته و بدین ترتیب، پایداری محیط‌زیستی سیستم به اثبات رسیده است. چیدمان بهینه قطعات اختلاف دما را به زیر ۳۰–۳۳ درجه سلسیوس محدود نمود. در بخش طراحی مهندسی، عایق چندلایه دمای خارجی را زیر  نگه داشت و مشعل چرخشی شعله پایدار ایجاد کرد. مرحله پیش‌گرمایش نشان داد مشعل چرخشی نهایی در توان ۲۱ کیلووات و نسبت ≈۱٫۲ زمان گرمایش سقف از  به  را به ۱۴۷ دقیقه رساند.

تحلیل تصاویر RGB، طیف‌سنجی و هیستوگرام‌ها احتراق کامل‌تر را تأیید کرد. در بخش تجربی این رساله، دستیابی به رژیم احتراق MILD (احتراق بدون شعله) یکی از مهم‌ترین دستاوردها و نقطه اوج آزمایش‌ها بود. این رژیم زمانی محقق شد که پس از پیش‌گرمایش طولانی‌مدت کوره با مشعل چرخشی نهایی (در توان حدود ۲۱ کیلووات و نسبت هم‌ارزی نزدیک به ۱٫۲)، دمای سقف کوره به حدود  رسید. مقایسه نشان داد احتراق بدون شعله با سهم 95% انتقال تشعشعی در ابتدای گرمایش کوره (در مقابل 60% در حالت شعله‌ای)، زمان گرمایش را از 80 دقیقه به 25 دقیقه کاهش می‌دهد و راندمان حرارتی و اگزرژی را به‌طور قابل توجهی ارتقا می‌بخشد. این پژوهش امکان‌پذیری فنی و عملی احتراق بدون شعله را در مقیاس صنعتی فولاد تأیید کرد و راهکاری پایدار برای کاهش شدت کربن و افزایش بهره‌وری ارائه داد.