چکیده

پساب صنعتی یکی از آلاینده‌های مهم در کلیه فعالیت‌های صنعتی است که باید به‌صورت اصولی مدیریت شود. تا علاوه بر جلوگیری از اثرات سوء آن، در مصرف منابع محدود آبی کشور نیز صرفه‌جویی شود. با توجه به تلفات حرارتی موجود در نیروگاه‌ها و مصرف بالای انرژی در فرآیندهای نمک‌زدایی، می‌توان با استفاده از آب‌شیرین‌کن حرارتی و بهره‌گیری از حرارت اتلافی موجود، بخشی از پساب تولیدی را بازیافت و در فرآیندهای مختلف استفاده کرد. در این پژوهش، یک سیستم آب‌شیرین‌کن حرارتی چند‌اثره همراه با تراکم بخار برای شیرین‌سازی پساب شیمیایی واحد 10 نیروگاه بخار ایرانشهر مدل‌سازی شده است که انرژی حرارتی آن از بلودان بویلر نیروگاه تامین می‌گردد. نتایج نشان می‌دهد که با استفاده از این سیستم در پیکربندی پیشنهادی (با 4 افکت)، می‌توان روزانه 63 مترمکعب آب شیرین با مصرف حدود 9 مترمکعب بخار اتلافی بویلر در روز، با نسبت عملکرد 1/7 تولید کرد که در مجموع می‌تواند 72 مترمکعب آب در روز را به چرخه آب دمین نیروگاه بازگرداند. همچنین هزینه تولید آب شیرین 45/1 دلار به ازای هر مترمکعب و کل هزینه سرمایه‌گذاری اولیه 232470 دلار برآورد شده است.

مقدمه

آب یکی از حیاتی‌ترین منابع طبیعی برای تداوم زندگی و توسعه پایدار در جهان به‌شمار می‌رود. سازمان جهانی بهداشت حداکثر مجاز TDS[1] در آب آشامیدنی را 500 ppm[2] تعیین کرده است، در حالی‌که بیش از 97 درصد منابع آبی زمین به دلیل شوری بالا غیرقابل استفاده‌اند. تنها 3 درصد آب‌ها شیرین‌اند که بیشتر آن در یخچال‌های طبیعی و سفره‌های زیرزمینی محبوس است و سهم منابع سطحی بسیار ناچیز است[1]. افزایش جمعیت، رشد صنعتی، و تغییرات اقلیمی باعث شده‌اند تا فشار بی‌سابقه‌ای بر منابع آبی وارد شود. در این میان، صنایع بزرگ به‌ویژه نیروگاه‌های حرارتی، از جمله مصرف‌کنندگان عمده آب هستند و مقادیر قابل‌توجهی پساب تولید می‌کنند که در صورت عدم مدیریت صحیح، می‌تواند به آلودگی محیط‌زیست، کاهش منابع آب شیرین و تهدید سلامت اکوسیستم‌ها منجر شود.

علاوه بر منابع آب شور، پساب‌های صنعتی نیز چالشی جدی در مدیریت منابع آبی محسوب می‌شوند. این جریان‌ها نه‌تنها سبب هدررفت آب می‌گردند، بلکه در صورت تخلیه مستقیم به محیط زیست، پیامدهای زیان‌باری ایجاد می‌کنند. به همین دلیل، بازیافت و تصفیه پساب‌ها با هدف استفاده مجدد و بازگرداندن آن‌ها به چرخه مصرف، اهمیتی اساسی دارد[2]. یکی از رویکردهای نوآورانه و پایدار در این زمینه، استفاده از آب‌شیرین‌کن‌های حرارتی با بهره‌گیری از حرارت اتلافی موجود در صنایع است. این روش، با استفاده از انرژی حرارتی کم‌ارزش یا مازاد (نظیر حرارت بلودان بویلر)، بدون نیاز به مصرف انرژی اضافی قابل توجه، امکان نمک‌زدایی از پساب و تولید آب شیرین قابل‌استفاده را فراهم می‌کند. در نیروگاه‌های برق، آب دورریز از بویلر بازیاب حرارت (1 تا 5% آب سیکل) که دارای کیفیت بالا (حداکثر 3500 ppm ناخالصی)[3] و دمای اشباع است، منبع مهمی از هدررفت آب و انرژی محسوب می‌شود. برآوردها نشان می‌دهد نیروگاه‌های بخاری، سیکل ترکیبی و گازی به ترتیب 700، 300 و 120 مترمکعب آب به ازای تولید 1000 مگاوات‌ساعت مصرف می‌کنند[4]. بنابراین بازیابی این آب دورریز از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی حائز اهمیت است.

فرآیند نمک‌زدایی آب‌شور برای تولید آب شیرین به انرژی (گرمایی، مکانیکی یا الکتریکی) نیاز دارد. دسته‌بندی کلی این سیستم‌ها در شکل1 نمایش داده شده است.

شکیب و همکاران[6] در سال 1390 به مدل‌سازی و شبیه‌سازی بازیافت حرارت از چرخه توربین گاز نیروگاه خلیج فارس پرداختند و امکان بهره‌گیری از آن در یک سامانه آب‌شیرین‌کن چندمرحله‌ای (MED[1]) را بررسی کردند. آنها در این پژوهش تأثیر پارامترهای شوری آب و فشار بخار محرک (تأمین‌شده توسط بویلر بازیاب) بر عملکرد آب‌شیرین‌کن‌ها را مورد بررسی قرار دادند.

هرندی و همکاران [7]  در سال 2021 به مدل‌سازی و بهینه‌سازی چندهدفه سامانه نمک‌زدایی MED-TVC[2] در ترکیب با نیروگاه گازی مس سرچشمه با هدف بهره‌گیری از گرمای اتلافی پرداختند. یافته‌های آن‌ها نشان داد که دمای بخار ورودی بیشترین اثر را بر شاخص عملکرد سیستم (GOR[3]) در مقایسه با سایر پارامترها دارد.

عبدی‌ و همکاران[8] در سال 2023 سیستم آب‌شیرین‌کن MED-TVC را برای نصب در خلیج فارس مدلسازی و بهینه‌سازی کردند. یافته‌ها نشان داد که افزایش دمای آب ورودی و نرخ جریان بخار محرک باعث افزایش GOR سیستم می‌شود.

شاهونی و همکاران[9] در سال 2024 به بررسی و مدلسازی آب شیرین کن MED-TVC با استفاده از گرمای هدررفت (یا هیتر برقی) برای بهبود بازده سیستم ترکیبی را مورد بررسی قرار دادند.

بیشتر مطالعات گذشته بر نمک‌زدایی در مقیاس بزرگ و با استفاده از آب دریا یا آب‌های زیرزمینی در ترکیب با انرژی نیروگاه‌ها متمرکز بوده‌اند. در مقابل، این پژوهش به شیرین‌سازی پساب نیروگاه بخار ایرانشهر (واحد 10) پرداخته است؛ بدین منظور، بخار مورد نیاز واحد MED-TVC از انرژی اتلافی بلودان بویلرها تأمین شده و آب خنک‌کن سیستم نیز از بلودان برج خنک‌کننده فراهم گردیده است. علاوه بر آن، مدل‌سازی فنی و اقتصادی طرح با بهره‌گیری از نرم‌افزار متلب انجام گرفته است.

نیروگاه بخار ایرانشهر و توضیح فرایند

نیروگاه ایرانشهر، واقع در استان سیستان و بلوچستان، شامل نیروگاه بخار قدیمی با چهار واحد 64 مگاواتی و نیروگاه سیکل ترکیبی جدید با ظرفیت 484 مگاوات است. در این مطالعه، سه جریان پساب این نیروگاه مورد بررسی قرار گرفته و ویژگی‌های آن‌ها از جمله دبی، دما و TDS در شکل 2 ارائه شده است.

در طرح پیشنهادی (شکل 3)، بخار بلودان بویلر به‌عنوان ورودی به آب‌شیرین‌کن وارد می‌شود و پساب واحد 10 (آب شور ورودی) مستقیماً به افکت‌های سیستم تزریق می‌گردد. در همین حال، بلودان برج‌های خنک‌کننده که به کندانسور وارد می‌شوند، تنها به منظور تأمین سرمایش کندانسور مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اعتبار سنجی

برای تأیید نتایج مدل‌سازی، صحت‌سنجی با استفاده از داده‌های رفرنس [10] انجام شده است. نتایج حاصل از مدلسازی در شکل 4 آورده شده است. خطای کمتر از 2 درصد برای پارامترهای عملکردی نشان دهنده دقت مدلسازی می‌باشد.

نتیجه گیری

با در نظر گرفتن ویژگی‌های متفاوت پساب‌های نیروگاه (دبی، دما و TDS) برای هر جریان، یک نمودار جریانی در مدل پیشنهادی ترسیم شده است که در شکل 5 ارائه می‌گردد. این نمودار نشان‌دهنده نحوه تعامل و مسیر حرکت هر جریان در چارچوب مدل طراحی‌شده است.

از آنجایی که بخار مورد نیاز واحد آب‌شیرین‌کن از حرارت تلف‌شده نیروگاه تأمین می‌گردد، در فرآیند مدل‌سازی هزینه‌ای برای آن در نظر گرفته نشده است. با این حال، جهت تحلیل واقع‌بینانه‌تر، هزینه تولید بخار بر اساس قیمت‌های مختلف گاز (داخلی، صادراتی و بازار آمریکا) محاسبه شده و اثر آن بر بهای تمام‌شده آب بررسی شده است. علاوه بر این، به منظور مقایسه، هزینه بخار گزارش‌شده در مطالعه العبیدی و همکاران [11] نیز مدنظر قرار گرفته است(شکل 6).

مطابق نتایج شکل 6، به دلیل قیمت پایین گاز صنایع داخلی، سهم آن در هزینه تولید آب ناچیز بوده و امکان تولید آب با بهای کمتر (47/1 دلار بر مترمکعب) را فراهم می‌کند؛ در مقابل، استفاده از گاز با نرخ متوسط بازار آمریکا موجب افزایش هزینه تولید به حدود11/2 دلار بر مترمکعب می‌گردد.

علاوه بر این، می توان به نتایج زیر نیز اشاره نمود:

• ظرفیت سیستم به‌طور مستقیم توسط میزان آب خنک‌کننده در دسترس، یعنی دبی آب بلودان برج‌های خنک‌کننده، تعیین می‌شود.
• یکی از محدودیت‌های اصلی در عملکرد سیستم، حداکثر غلظت مجاز پساب خروجی است که بر اساس ضوابط نیروگاه  ppm 10000 تعیین شده است. این شرط، منجر به کاهش نسبت بازیابی و در نتیجه محدود شدن بهره‌برداری بهینه از سیستم می‌گردد.
• برآوردها نشان می‌دهد که هزینه تولید آب شیرین در صورت اعمال نرخ بهره‌ 7 درصد حدود 45/1دلار و با در نظر گرفتن نرخ بهره 23 درصد نزدیک به 9/2 دلار به ازای هر مترمکعب خواهد بود.
• در این روش، بخار تقطیرشده نیز قابلیت بازگشت به چرخه آب دمین نیروگاه را دارد. بنابراین، علاوه بر 63 مترمکعب آب تولیدی آب‌شیرین‌کن، حدود 9 مترمکعب بخار میعان‌شده نیز بازیابی می‌شود و در مجموع روزانه نزدیک به 72 مترمکعب آب به چرخه آب دمین نیروگاه افزوده می‌گردد.

مراجع

[1]    H. Ghaedi, E. Abedini, and A. N. M. Ansari, “Thermoeconomic analysis of seawater desalination methods in Bandar Abbas power plant,” J. Brazilian Soc. Mech. Sci. Eng., vol. 44, no. 11, p. 559, 2022.

[2]      P. Ahmadi, S. Khanmohammadi, F. Musharavati, and M. Afrand, “Development, evaluation, and multi-objective optimization of a multi-effect desalination unit integrated with a gas turbine plant,” Appl. Therm. Eng., vol. 176, p. 115414, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115414.

[3]      م. قلی نژاد, ع. کربلایی اکبری, ا. پورعلی, and م. عمیدپور, “امکان سنجی فنی و تأثیر زیست محیطی بازیابی آب و حرارت از آب دورریز شده بویلرهای بازتاب حرارت سیکل های ترکیبی با به کارگیری یک سیستم بازیاب,” 1392, undefined, تهران. [Online]. Available: https://civilica.com/doc/305440

[4]      ن. شاله, “واکاوی مصرف آب نیروگاه های خراسان و راهکارهای بهبود,” 1397, undefined, تهران. [Online]. Available: https://civilica.com/doc/855159

[5]      J. J. Feria-Díaz, M. C. López-Méndez, J. P. Rodríguez-Miranda, L. C. Sandoval-Herazo, and F. Correa-Mahecha, “Commercial thermal technologies for desalination of water from renewable energies: A state of the art review,” Processes, vol. 9, no. 2, pp. 1–22, 2021, doi: 10.3390/pr9020262.

[6]      س. شکیب, م. عمیدپور, ع. اسماعیلی, and س. حسینی, “تحلیل ترمودینامیکی کوپلینگ آب شیرین کن چند مرحله ای تبخیری با واحدهای گازی نیروگاه خلیج فارس جهت برآورد میزان تولید آب شیرین,” 1390, تهران. [Online]. Available: https://civilica.com/doc/156287

[7]      H. B. Harandi, A. Asadi, M. Rahnama, Z.-G. Shen, and P.-C. Sui, “Modeling and multi-objective optimization of integrated MED–TVC desalination system and gas power plant for waste heat harvesting,” Comput. Chem. Eng., vol. 149, p. 107294, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2021.107294.

[8]      M. Abdi-Khanghah, B. Bazooyar, M. Gonbadi, and K. C.-W. Wu, “Design and optimization of MED-TVC desalination plant using mathematical modeling coupled with response surface methodology,” J. Taiwan Inst. Chem. Eng., vol. 153, p. 105187, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.jtice.2023.105187.

[9]      R. Shahouni, M. Abbasi, M. Kord, and M. Akrami, “Modelling and optimising of MED-TVC seawater desalination plants assisted with electric heaters,” Water Resour. Ind., vol. 32, p. 100262, 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.wri.2024.100262.

[10]    I. S. Al-Mutaz and I. Wazeer, “Development of a steady-state mathematical model for MEE-TVC desalination plants,” Desalination, vol. 351, pp. 9–18, 2014, doi: 10.1016/j.desal.2014.07.018.

[11]    M. A. Al-Obaidi, G. Filippini, F. Manenti, and I. M. Mujtaba, “Cost evaluation and optimisation of hybrid multi effect distillation and reverse osmosis system for seawater desalination,” Desalination, vol. 456, pp. 136–149, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.01.019.

[12]    “united states natural gas price.” Accessed: Sep. 13, 2023. [Online]. Available: https://www.eia.gov/dnav/ng/hist/n3035us3m.htm

[13]    W, “no title.” Accessed: Aug. 25, 2023. [Online]. Available: https://www.ifcmiran.asia/fa/market-data/commodities-prices/natgas

[14]    Ir, “no title.” Accessed: Aug. 25, 2023. [Online]. Available: https://www.globalpetrolprices.com/Iran/natural_gas_prices/

---

[1] Total Dissolved Solids (TDS)

[2] Part per million (ppm)

[3] Multi-effect distillation (MED)

[4] Multi-effect distillation with thermal vapor compression (MED-TVC)

[5] Gain Output Ratio (GOR)