ایران سومین کشور صاحب فناوری نانوآجرهای نیروگاهی؛ از وابستگی به اروپا تا خودکفایی
به گزارش ایسنا، آجرهای نیروگاهی یا آجرهای دیرگداز صنعتی از مهمترین مصالح در قلب نیروگاه‌ها، صنایع فولاد، پتروشیمی و پالایشگاه‌ها به شمار می‌آیند. این آجرها برخلاف آجرهای معمولی ساختمانی، برای تحمل دماهای بسیار بالا، شوک‌های حرارتی، فشار مکانیکی و خوردگی شیمیایی طراحی و ساخته می‌شوند. عملکرد صحیح آنها نقش مستقیمی در افزایش بازده نیروگاه، کاهش مصرف انرژی، جلوگیری از اتلاف حرارت و کاهش توقف‌های اضطراری دارد.
این محصولات در بخش‌های حیاتی نیروگاه از جمله بویلرها (دیگ‌های بخار)، کوره‌های احتراق، خطوط گاز داغ، مبدل‌های حرارتی و اتاق‌های احتراق توربین‌های گازی و بخاری به کار می‌روند. هرگونه ترک، فرسایش یا تخریب در آجرهای دیرگداز می‌تواند باعث کاهش راندمان، افزایش مصرف سوخت و حتی خطر انفجار یا آتش‌سوزی در واحد نیروگاهی شود.
فناوری ساخت آجرهای نیروگاهی طی دهه‌های اخیر با پیشرفت‌های چشمگیری همراه بوده است. امروزه شرکت‌های دانش‌بنیان ایرانی نیز توانسته‌اند با بومی‌سازی دانش تولید آجرهای آلومینایی، منیزیایی، سیلیسی و آجرهای ویژه توربین‌های گازی، جایگزین مناسبی برای نمونه‌های وارداتی ارائه دهند.
استفاده از نانوذرات، افزودنی‌های ضد شوک حرارتی و فرایندهای سینترینگ کنترل‌شده موجب شده است تا آجرهای ایرانی بتوانند تا دمای ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کنند و در چرخه‌های طولانی عملکرد پایداری داشته باشند.
در کنار این، توسعه فناوری‌های نوین مانند آجرهای کامپوزیتی، پوشش‌های نانوسرامیکی و طراحی سه‌بعدی آجرها با نرم‌افزارهای حرارتی پیشرفته مسیر تازه‌ای در بهبود مقاومت حرارتی و کاهش وزن این محصولات گشوده است. تولید آجرهای نیروگاهی دیگر صرفاً یک فعالیت سنتی در صنعت نسوز نیست، بلکه به حوزه‌ای دانش‌محور و فناورانه تبدیل شده که نقش مهمی در خودکفایی صنعتی، امنیت انرژی و توسعه صادرات محصولات دانش‌بنیان ایفا می‌کند.
به گفته کارشناسان، هر نیروگاه بزرگ سالانه به هزاران قطعه آجر دیرگداز نیاز دارد و طول عمر هر قطعه از این آجرها بسته به نوع مواد و شرایط کاری بین دو تا پنج سال است. از این رو، توان تولید و تعمیر سریع این قطعات در داخل کشور اهمیت زیادی در جلوگیری از خروج ارز و حفظ پایداری شبکه برق دارد.
دستیابی به فناوری آجرهای نسوز
برای تولید برق روش‌های مختلفی وجود دارد. از جمله این روش‌ها می‌توان به تولید برق به روش بادی، آبی، فسیلی و انرژی هسته‌ای اشاره کرد. تولید کل برق کشور، روزانه حدود ۶۵ هزار مگاوات است که ۵۵۰ درصد آن به روش فسیلی است. به این صورت که درمحفظه احتراق تعدادی مشعل وجود دارد که در اثرسوختن با گاز، گازوئیل و یا مازوت، حرارت ایجاد می‌شود و گازهای حاصل از احتراق، باعث گردش پره‌های توربین شده و در نهایت برق تولید می‌شود.
در ایران حدود ۱۵۰ توربین گازی V۹۴.۲ و V۹۳ کرافت و V۹۴.۳ وجود دارد که در محفظه احتراق این توربین‌ها آجرهای نسوز به‌کار می‌رود و مصرف سالیانه کشور حدود ۳۵ هزار قطعه است.
در محفظه احتراق توربین، ابتدا به کمک احتراق یک سوخت، هوای گرم ایجاد شده، سپس این گاز بر روی پره‌های توربین هدایت می‌شود. درجه حرارت محفظه در حدود ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد است و در مواضعی از محفظه احتراق درجه حرارت دیواره تا حدود ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد.
از این رو بلوک‌های نسوزی که در دیواره اتاق احتراق بالای سر توربین‌ها که به سرامیک‌های محفظه احتراق توربین‌های گازی موسومند، نصب شده‌اند، دارای آستر نسوز هستند و چندین وظیفه مهم برعهده دارند:
۱-باید فضای لازم برای احتراق را تأمین و محصول احتراق را در این فضا حبس کنند.
۲- توانایی تطابق سریع با تغییرات دما و یا به عبارتی توان مقاومت در برابر شوک حرارتی را داشته باشند. از طرفی باید مقاومت شیمیایی در شرایط درجه حرارت بالا و گازهای خورنده را تأمین کنند.
۳- بتوانند در مقابل نیروهای اعمال شده و خصوصاً اثر سایشی و فرسایشی آن ایستادگی کنند.
سوخت مورد استفاده در نیروگاه‌ها تأثیر زیادی بر دوام و عملکرد مواد نسوز دارد، به گونه‌ای که خاکستر و ترکیبات گوگرددار موجود در سوخت می‌توانند پس از احتراق، موادی با نقطه ذوب پایین و سیالیت بالا روی سطح آجرهای نسوز یا درون تخلخل‌های آنها ایجاد کنند که به‌تدریج موجب تخریب و فرسایش آجرها می‌شود.
همچنین گازهای حاصل از احتراق در اثر تماس مستقیم با سطح داغ آجر و تبادل حرارتی مداوم، باعث بروز واکنش‌های شیمیایی و فیزیکی می‌شوند که در نهایت به شیشه‌ای شدن یا تغییر ساختار سطح آجر منجر می‌شود.
در صورتی‌که از گازوئیل به‌عنوان سوخت استفاده شود، ترکیباتی مانند اکسید آهن (Fe₂O₃)، اکسید وانادیوم (V₂O₅)، اکسید پتاسیم (K₂O) و اکسید سدیم (Na₂O) می‌توانند واکنش‌های شیمیایی مخربی با مواد نسوز ایجاد کنند. به همین دلیل، کنترل مداوم مقدار این عناصر در سوخت برای جلوگیری از آسیب به نسوزها ضروری است.
به‌طور کلی، سرامیک‌ها و آجرهای نسوزی که در محفظه احتراق توربین‌های گازی به‌کار می‌روند، وظیفه هدایت گازهای داغ حاصل از احتراق به سمت توربین را بر عهده دارند. از این رو، کیفیت و پایداری حرارتی آنها اهمیت بسیار بالایی دارد و کوچکترین تغییر در ترکیب یا مقاومت آنها می‌تواند عملکرد کل سامانه را تحت‌تأثیر قرار دهد.
از این رو فناوران یکی از شرکت‌های دانش بنیان در حالی کار خود را برای این محصول استراتژیک نیروگاهی آغاز کردند که کشورمان ایران، در شرایط تحریم به‌سر می‌برد و تولید آجرهای دیرگداز مصرفی در نیروگاه‌های کشور تنها در انحصار دو شرکت بزرگ اروپایی و امریکایی بود. این شرکت توانست از طریق دستیابی به گزارش‌های فنی زیمنس، تحقیق و توسعه داخلی و همچنین مهندسی معکوس نمونه‌های خارجی اقدام به تولید آجرهای دیرگداز در توربین‌های گازی طرح زیمنس نیروگاه‌های برق کشور با استفاده از فناوری نانو و به روش فوق سرمایش کند.
همین طور با موفق شدن در آزمایشگاه‌های بین‌المللی و پس از عقد قرارداد با شرکت‌هایی مثل نیروگاه دماوند و نیروگاه یزد و ایسین، وارد بازار داخل شد.
تولید آجر نسوز با روش فریزینگ
روش تولید برای این محصول در ایران منحصربه فرد است و با استفاده از فناوری نانو و به روش فوق سرمایش تولید می‌شود. از مشخصات فنی محصول می‌توان به تحمل دمایی ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد، تخلخل ۱۶ درصد، دانسیته ۲.۹ تا ۳، مقاومت به خوردگی بالا و قابلیت استفاده در محیط‌های اسیدی و بازی بالا اشاره کرد.
این آجر همچنین قابلیت و مقاومت به شوک حرارتی بالای ۴۰ بار با سیکل حرارتی مورد نظر استاندارد آجرهای زیمنس که از دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد به داخل آب سرد روان را دارند، داراست. مقاومت مکانیکی ۱۲ مگاپاسکال، تلورانس ابعادی حداکثر ۰.۲ میلی‌متر، طول عمر کارکرد ۳۳۰۰۰ ساعت کارکرد و مقاومت به اکسیداسیون بالا از دیگر ویژگی‌های این محصول به شمار می‌رود.
این آجرها در داخل محفظه احتراق نصب می‌شوند که دقیقاً بالای سر پره‌های توربین قرار دارند، ضمن آنکه حرارت نوک مشعل گاهاً به ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد، بر این اساس آجرهای نیروگاهی به شدت در معرض تنش‌های مکانیکی ناشی از حرکت پره‌های توربین و یا شوک‌های حرارتی ناشی از سرد و گرم کردن محفظه احتراق قرار دارند.
این آجرها دارای ابعاد بسیار دقیقی هستند. هر وجه آنها دارای پخ‌ها، شیارها، شیب‌ها و قوس‌های متفاوتی هستند که هر یک دارای کاربرد متفاوتی هستند. اگر تکه کوچکی از این آجرها کنده شود و به پره توربین برخورد کند، می‌تواند خسارات چند صد میلیارد تومانی و همچنین خسارات جانی غیرقابل جبرانی را ایجاد کند.
روش تولید آجرهای نیروگاهی به‌دلیل حساسیت بالای آن از دانش فنی بالایی برخوردار است. این آجرها باید علاوه بر تحمل درجه حرارت‌های بالا، تحمل شوک حرارتی، فرسایش‌شیمیایی و سایش ناشی از گازهای حاصل احتراق و همچنین تحمل تنش‌های ترمومکانیکی را داشته باشند.
دقت ابعادی این آجرها به‌گونه‌ای است که اندازه‌گیری زوایای آن با استفاده از CMM و یا ابزارهای دقیق پیشرفته صورت می‌گیرد.
این شرکت موفق شد آجرهای نیروگاهی را تولید کند که پس از دریافت تائیدیه از آزمایشگاه‌های بین‌المللی و با کمک شرکت توانیر و پژوهشگاه نیرو و پس از نصب در چند نیروگاه و دریافت نامه‌های رضایت‌مندی در وندورلیست توانیر قرار گرفته و در حال حاضر این آجرها را به سراسر کشور عرضه می‌شود.
پیشگیری از خسارت ۹۰۰ میلیاردی
یکی دیگر از چالش‌های نیروگاه‌ها آسیب‌های ایجاد شده به پره‌های توربین ناشی از کنده شدن آجرهای محفظه است؛ شکستگی و ریزش این آجرها روی پره‌ها، باعث وارد آمدن خسارت‌های بالایی به توربین‌ها می‌شود.
فناوران این شرکت برای اولین بار در کشور و منطقه، موفق به تولید آجرهای نسوز یا دیرگداز نانویی شدند که می‌تواند سلامت پره‌های توربین را تضمین کند.
محمد حسین‌زاده، مدیرعامل این شرکت دانش‌بنیان به اهمیت تولید آجرهای نسوز در این شرکت اشاره کرد و گفت: پره‌هایی که درگیر احتراق هستند، در سه ردیف پشت سر هم قرار دارند که هر کدام از این ردیف‌ها دارای ارزش ۳۰۰ میلیارد تومانی هستند. زمانی که یکی از این پره‌ها دچار آسیب شود، به دلیل چرخش توربین، چند پره دیگر را نیز تخریب می‌کند. از این رو چنانچه به دلیل شکست آجرها، هر سه ردیف پره‌های توربین برخورد کند، خسارت وارد شده به نیروگاه‌ها به رقمی بالغ بر ۹۰۰ میلیارد تومان خواهد رسید.
وی تاکید کرد: این وضعیت در حالی است که پره‌ها در داخل کشور تولید نمی‌شود و تهیه آنها با مشکلات زیادی همراه است.
به گزارش ایسنا، برای تولید این قطعه آجرها، مواد اولیه مختلف با دانه بندی‌های متفاوت با نانو ذراتی چون نانو ذرات «آلومینا» و «سیلیکا» با هم ترکیب شده و در داخل قالب ریخته می‌شود که در این لحظه، فرایند هموژناسیون اتفاق افتاده و مواد در داخل قالب روی میز ویبره پرس می‌شوند.
حسین‌زاده وجه تمایز آجرهای نسوز این شرکت با سایر محصولات مشابه در کشور را در کاربرد فناوری نانو عنوان می‌کند و چنین ادامه می‌دهد: تولید این محصول در فریزر و در تونل انجماد و در دمای بسیار پایین حدود منفی ۷۰ درجه سانتیگراد آغاز می‌شود، ضمن آنکه از نیتروژن مایع با دمای منفی ۱۹۶ درجه سانتیگراد در این فرآیند استفاده می‌شود.
مدیرعامل این شرکت، مرحله فریزینگ را مهمترین قسمت کار می‌داند و اضافه می‌کند: بعد از بسته شدن پیچ‌های قالب، قالب‌های حاوی آجر به تونل انجماد حاوی نیتروژن مایع فرستاده می‌شوند. در این زمان، پدیدهایی اتفاق می‌افتد که در آن، مواد تمایل دارند در اثر سرمایش منبسط شوند، اما وجود قالب، مانع شده و نیروی عکس‌العمل قالب به بدنه از هر طرف وارد شده و فرایند فشردگی آجرها رخ می‌دهد و مواد داخل قالب داخل فریزر دچار ژلاسیون می‌شوند.
در فرایند ژلاسیون، ترکیبات محکم در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند که همین امر، بافت آجر را مانند زنجیر در کنار هم قرار می‌دهد و این امر موجب خواهد شد که آجر در برابر ریزش، پوسته شدن و شکستگی مستحکم شود.
در سال‌ها پیش، تأمین آجرهای مخصوص توربین‌ها از طریق واسطه و با قیمت‌های بسیار بالا به کشور وارد می‌شد که فرایندهای آن به دلیل تحریم‌ها و محدودیت‌های جهانی، واردات این محصولات استراتژیک را مشکل‌ساز کرده بود، از این رو این شرکت نسبت به بومی‌سازی و افزایش ظرفیت تأمین آن اقدام کرد.
تولید آجرهای نسوز و دیرگدازی تنها در انحصار دو شرکت بزرگ اروپایی «زیمنس» آلمان و «جنرال الکتریک» آمریکا بود و با تولید آجرهای نسوز توسط این شرکت دانش‌بنیان، ایران به سومین کشور دارنده این دانش فنی تبدیل شد.
مدیر این شرکت عنوان کرد که ما موفق شدیم با دستیابی به گزارش‌های فنی شرکت «زیمنس» که برترین تولیدکننده آجرهای دیرگداز نانویی در دنیاست و نیز تحقیق و توسعه داخلی و مهندسی معکوس نمونه‌های خارجی، آجرهای دیرگداز و نسوز قابل استفاده در توربین‌های گاز طرح زیمنس نیروگاه‌های برق کشور را با استفاده از فناوری نانو و به روش فوق سرمایش تولید کنیم و نیروگاه‌ها را از خسارت‌های میلیارد تومانی نجات دهیم.
وی طول عمر این آجرها را ۳۳ هزار ساعت (حدود ۵ سال) می‌داند و یادآور می‌شود که در این مدت، با سرکشی‌ها و بررسی‌های دوره‌ای، فرایند نگهداری نیروگاهی انجام می‌شود تا پیش از بروز مشکل و وارد آمدن آسیب به پره‌های توربین، تعویض صورت گیرد.
انتهای پیام
Authors: صاحب‌خبران - جدیدترین و آخرین اخبار ایران و جهان - علمی-فناوری