MAZUT FLUE-GAS CLEANING DIGITAL TWIN // موردکاوی مهندسی دوقلوی دیجیتال

SECTION // 01

مرور کلی و مأموریت مهندسی سیستم (Overview)

سوخت مازوت سنگین (Mazut-380 / Heavy Fuel Oil) حاوی ۳.۵٪ گوگرد، ترکیبات آروماتیک پیچیده و خاکستر بالا است. سوزاندن این سوخت در نیروگاه‌های حرارتی مقادیر عظیمی از آلاینده‌های خطرناک شامل $SO_2$، $SO_3$، اکسیدهای نیتروژن ($NO_x$) و ذرات معلق فوق ریز ($PM_{10}$ و $PM_{2.5}$) تولید می‌کند.

هدف از ساخت این دوقلوی دیجیتال، ایجاد یک بستر مهندسی واقعی، مدل‌سازی رفتار ترمودینامیکی فرآیند FGD و ESP، پیش‌بینی تشکیل اسید سولفوریک در دمای نقطه شبنم اسیدی (Acid Dew Point)، و تست سناریوهای بحرانی بدون به خطر انداختن تأسیسات فیزیکی است.

SECTION // 02

مسئله مهندسی و شیمی گازهای خروجی (Engineering Problem)

در یک بویلر ۳۰۰ مگاواتی، نرخ جریان گاز خروجی از $1,200,000 \text{ Nm}^3/\text{h}$ فراتر می‌رود. غلظت $SO_2$ ورودی به بیش از $5,800 \text{ mg/Nm}^3$ می‌رسد که ۱۰ برابر بالاتر از استانداردهای سخت‌گیرانه زیست‌محیطی ($< 400 \text{ mg/Nm}^3$) است.

🔬 تعادل ترمودینامیکی و تبدیل کاتالیستی SO2 به SO3

$$2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{V}_2\text{O}_5} 2\text{SO}_3 \quad (\Delta H = -198 \text{ kJ/mol})$$ $$\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4 \quad (T_{\text{dew}} \approx 145^\circ\text{C})$$ اگر دمای دودکش قبل از WESP به زیر دمای نقطه شبنم اسیدی سقوط کند، اسید سولفوریک غلیظ در لوله‌ها و صفحات جمع‌آوری ته‌نشین شده و موجب خوردگی فاجعه‌بار بدنه می‌گردد.

SECTION // 03

پایپ‌لاین فضایی فرآیند ۸ مرحله‌ای (System Process Flow)

روی هر یک از مراحل زیر کلیک کنید تا متغیرهای ورودی/خروجی و مدل مهندسی آن در لحظه نمایان شود:

01 MAZUT COMBUSTION

02 SCR DeNOx

03 DRY ESP

04 WET FGD

05 MIST ELIMINATOR

06 WET ESP (WESP)

07 ID FAN

08 STACK / CEMS

SECTION // 04

معماری نرم‌افزاری شبیه‌ساز (Simulation Architecture)

این سیستم به جای یک شبیه‌ساز مونولیتیک، از یک معماری ماژولار مبتنی بر استیت‌های ایزوله مهندسی بهره می‌برد. هر بخش از خط فرآیند دارای مدل محاسباتی، پارامترهای پایستاری جرم-انرژی و شرایط شکست اختصاصی است:

export interface ProcessStream {
    temperature: number;      // °C
    pressure: number;         // Pa
    flowRate: number;         // Nm3/h
    composition: {
        so2: number;          // mg/Nm3
        so3: number;          // mg/Nm3
        nox: number;          // mg/Nm3
        pm10: number;         // mg/Nm3
        pm25: number;         // mg/Nm3
        o2: number;           // % vol
        co2: number;          // % vol
        nh3Slip: number;      // ppm
    };
    efficiency: number;       // 0 - 1.0
    pressureDrop: number;     // Pa
}
                

SECTION // 05

مدل‌های ریاضی محاسباتی (Process Models)

توابع محاسباتی دقیق موجود در کدهای سورس پروژه:

⚙ معادلات سینتیک و راندمان جذبی FGD و ESP

راندمان ESP براساس معادله Deutsch-Anderson: $$\eta_{\text{ESP}} = 1 - \exp\left(-\frac{w \cdot A}{Q}\right)$$ که در آن $w$ سرعت مهاجرت الکترواستاتیک ذرات ($0.12 \text{ m/s}$)، $A$ مساحت صفحات جمع‌آوری ($35,000 \text{ m}^2$) و $Q$ دبی گاز ورودی است.

جذب شیمیایی در Wet FGD: $$\text{SO}_2 + \text{CaCO}_3 + \frac{1}{2}\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O} \downarrow + \text{CO}_2$$

SECTION // 08

آزمایشگاه تزریق خطای صنعتی (Failure Scenario Lab)

یکی از خطاهای بحرانی زیر را تزریق کنید تا دینامیک تغییرات بلادرنگ راندمان، فشار و آلاینده‌های خروجی دودکش را مشاهده نمایید:

وضعیت نرمال کارخانه (Optimal Base)

SO₂ خروجی: 184 mg/Nm³ (استاندارد)

ذرات معلق PM: 8.4 mg/Nm³

افت فشار کل: 2,420 Pa

راندمان کل: 98.8 %

وضعیت پس از تزریق خطا (Failure State)

SO₂ خروجی: 184 mg/Nm³

ذرات معلق PM: 8.4 mg/Nm³

افت فشار کل: 2,420 Pa

راندمان کل: 98.8 %

SECTION // 09

پایش پیوسته آلاینده‌ها (Continuous Emission Monitoring - CEMS)

ماژول `calculateCems()` بر روی دودکش نهایی استقرار یافته و پارامترهای آلایندگی را با الزامات سازمان حفاظت محیط زیست و استانداردهای جهانی مقایسه می‌کند. در صورت فراتر رفتن میانگین ساعتی از حدود مجاز، سیستم سیگنال هشدار سطح ۲ و تریگر قطع تزریق سوخت سنگین را صادر می‌کند.

SECTION // 11

پشته فناوری (Technology Stack)

TypeScript / JavaScript ES6+ Three.js WebGL Engine Numerical Solvers (ODE/PDE) Industrial SCADA CSS UI Vite Build Pipeline

SECTION // 13

آنچه در این پروژه ساختم (What I Built)

• فرمول‌بندی معادلات ترمودینامیکی و سینتیک شیمیایی: استخراج و کدنویسی مستقل معادلات احتراق مازوت، تبادل یونی در اسکرابر مرطوب و باردارسازی الکترواستاتیک ذرات.
• معماری نرم‌افزاری ماژولار: پیاده‌سازی ۸ ماژول محاسباتی مجزا به همراه موتور هماهنگ‌کننده `plantSimulationEngine.ts`.
• محیط سه‌بعدی تعاملی Three.js: مدل‌سازی کامل پلنت صنعتی، پایپینگ، برج‌های جذب و جریان ایرودینامیک گاز.
• سیستم تزریق خطای صنعتی: امکان شبیه‌سازی بلادرنگ فالت‌های مکانیکی/الکتریکی و مشاهده زنجیره خرابی در خروجی دودکش.

SECTION // 14

کاربردهای صنعتی (Potential Applications)

۱. شبیه‌ساز آموزشی اپراتورهای نیروگاهی (OTS): آموزش سناریوهای بحرانی و ترابل‌شوتینگ خط گاز بدون ریسک عملیاتی.
۲. پیش‌بینی مصرف مواد شیمیایی: بهینه‌سازی تزریق دوغاب سنگ آهک ($CaCO_3$) و آمونیاک ($NH_3$) براساس بار بویلر.
۳. اسکرابرهای دریایی (Marine EGCS): پایش و طراحی سیستم‌های تصفیه گاز موتور کشتی‌های غول‌پیکر حامل مازوت.

Mazut Flue-Gas Cleaning Digital Twin