بهینه سازی مشعل های کوره 1001 واحد ریفرمینگ شرکت پتروشیمی نوری جهت بهبود عملکرد,کاهش مصرف انرژی و کاهش آلاینده ها

هدف از انجام این پژوهش اجرای نتایج پروژه قبلی و اصلاح مشعلهای  کوره 1001 واحد ریفرمینگ شرکت پتروشیمی نوری جهت کاهش تلفات حرارتی، افزایش راندمان و بهینه سازی مصرف انرژی می باشد لذا برای این منظور با مدلسازی و شبیه سازی نرم افزاری مشعل های کوره 1001 واحد ریفورمینگ و انجام تحلیل های متعدد CFD و انتقال حرارت، تاثیر تغییر شکل هندسی نازل و دیفیوزر مشعلها بر نحوه احتراق و محصولات آلاینده احتراق به روش حل عددی بررسی گردید و سایز بهینه آنها جهت افزایش دمای احتراق و در نتیجه کاهش هوای اضافی، کاهش آلاینده ها و نهایتا کاهش مصرف سوخت کوره بدست آمد. با توجه به نتایج مدلسازی های مختلف، اندازه گیری و آنالیز گازهای خروجی در سایت و بررسی های مختلف تجربی، نقشه های مناسب تهیه و اقدام به ساخت نازل و دیفیوزر جدید گردید. پس از انجام عملیلتهای حرارتی مختلف، انجام تستهای آزمایشگاهی و کارگاهی کارکردی و فرایندی، تجهیزات جدید در سایت نصب و عملکرد آنها طی چند ماه مورد پایش و آنالیزهای دقیق قرار گرفت. نتایج حاصله بیانگر کاهش مصرف سوخت بین 17 تا 20 درصد و قرار گرفتن تمام آلاینده ها در محدوده استاندارد بود.

واژه‌های کلیدی: کوره, مشعل- نازل و دیفیوزر-بهینه سازی-کاهش مصرف انرژی- آلاینده ها

شرکت سهامی پتروشیمی برزویه بعنوان یکی از بزرگترین مجتمع های پتروشیمی تولید کننده مواد آروماتیک در جهان از جمله طرح های استراتژیک شرکت ملی صنایع پتروشیمی ایران بوده است که در منطقه ویژه اقتصادی انرژی پارس واقع در بندر عسلویه استان بوشهر در حاشیه شمالی خلیج فارس احداث شده است. یکی از واحدهای مهم این مجموعه، واحد ریفورمینگ می باشد که شامل کوره های مختلفی می باشد که در این مقاله به مدلسازی عددی و بررسی انتقال حرارت و تلفات حرارتی از دو کوره واحد ریفورمینگ پرداخته می شود تا بتوان ضمن بهینه سازی کارکرد آنها، میزان مصرف انرژی و تلفات حرارتی به حداقل برسد.

شکل 1: نمایی از شرکت پتروشیمی نوری (برزویه)

2- ضرورت و هدف از انجام پژوهش:

-    با توجه به اهمیت مصرف بهینه انرژی و از طرفی تلفات بسیار بالای انرژی از بخشهای مختلف کوره های واحد ریفرمینگ پتروشیمی نوری (برزویه) به منظور کاهش مصرف انرژی و در نتیجه کاهش قیمت تمام شده محصول

اصلاح و بهینه سازی ساختار مشعل ها جهت کاهش سوخت مصرفی

-    بهینه سازی ،کاهش مصرف انرژی و اصلاح عملکرد مشعل های کوره 1001 واحد ریفورمینگ

-    کاهش درصد هوای اضافی مشعل ها و جلوگیری از تلفات انرژی و کاهش آلاینده ها

-    اجرای نتایج حاصل از پروژه پژوهشی بررسی راههای مختلف کاهش تلفات حرارتی و بهینه سازی مصرف انرژی در کوره های واحد ریفرمینگ شرکت پتروشیمی نوری

—                         

—                        3- اقدامات انجام شده در این پژوهش

1.    بازدید از بخشهای مختلف کوره و مشعل ها و اجزا و تجهیزات آنها و انجام آزمایشات،

2.    اندازه گیری ها و تهیه داده ها و اطلاعات لازم

3.     بررسی میزان مصرف سوخت و آنالیز گازهای خروجی در حالتهای مختلف

4.    بررسی راهکارهای کاهش درصد هوای اضافی مشعل ها و جلوگیری از تلفات انرژی و لذا کاهش قیمت تمام شده محصول

5.    بررسی نازل مشعل ها، ساختار و شکل شعله و احتراق ( طول، عرض، ارتفاع، رنگ و شکل شعله)

6.بهینه سازی، بهبود عملکرد، کاهش تلفات انرژی و افزایش راندمان حرارتی مشعل های کوره 1001 واحد ریفرمینگ

7.    بررسی شرایط مکش هوا از دریچه ورودی هر مشعل، مقدار بازشدگی دریچه ها، مقدار مکش و فشار گاز و هوای ورودی، اندازه گیری خلاء و مقایسه کلیه مقادیر با داده های  طراح و سازنده

8.    بررسی آسیب دیده گی سر مشعل ، باز کردن مشعل های معیوب، رفع نواقص بر اساس نقشه ساخت و در مدار قراردادن مجدد

9.    تنظیم نهائی مشعل ها با شرایط حداکثر میزان منوکسید کربنppm 100 ، کاهش هوای اضافی و قرار دادن سایر آلاینده ها در محدوده استاندارد ارائه جدول جدید و بهینه بهره برداری در شرایط بهینه جدید

10.مقایسه میزان مصرف انرژی و سوخت و نیز منحنی حرارتی کوره قبل و بعد از اصلاح و ارائه گزارش  

4-خلاصه بخش بررسی و مطالعات

با توجه به اینکه این پروژه اجرای نتایج پروژه " بررسی راههای مختلف کاهش تلفات حرارتی و بهینه سازی مصرف انرژی در کوره های واحد ریفرمینگ شرکت پتروشیمی نوری " بوده لذا مطالعات و بررسی های کتابخانه ای در پروژه قبلی انجام گردید. از نتایج حاصله (جدول 1 و2 ) مشخص گردید که راندمان مشعلها بیش از حد پایین در نظر گرفته شده است که این باعث کارکرد بسیار نامناسب مشعلها شده است. بنابراین مشکل اصلی، طراحی نامناسب مشعل ها، دریچه بزرگ ورود هوا، قطر نامناسب نازل و دیفیوزر، عدم کارکرد مشعل ها در ظرفیت مناسب و ارتفاع پایین شعله ها می باشد.

 جدول 1: اطلاعات و مشخصات مشعل های کوره 1001

      شکل 2: نمایی از کوره 1001 پتروشیمی نوری                   

جدول 2: اطلاعات و مشخصات عملکردی مشعل های کوره 1001

—  

—  

—  —با توجه به اطلاعات مندرج در Data sheet کوره ها و مقایسه آن با Duty مورد نیاز هر کوره و نیز شواهد عملی (از قبیل ارتفاع شعله و فشار سوخت پشت هر مشعل) و نتایج مدلسازی ها در پروژه قبلی، می توان گفت که ظرفیت اغلب مشعل ها، بطور نا متعارفی، بالاتر از نیاز کوره هاست.

—فشار سوخت پشت مشعل ها باید 1.5 barg باشد که در بهترین حالت نمی توان آنرا بالاتر از 0.7 barg  قرار داد.

—بهترین نقطه کار برای یک مشعل، بین 80-95% ظرفیت آن است. در حالیکه مشعل های موجود، با ظرفیت حدود 50% در حال کار هستند.

—

— 

—     شکل 3: نمایی از اشکالات نازل و دیفیوزر مشعل ( هم مرکز نبودن، گرفتگی و رسوب و بسته شدن سوراخها)

—   کارکرد مشعل ها در ظرفیت پایین، موارد زیر را در بر دارد:

1- ارتفاع شعله پایین می آید و شعله پخش می شود               2-برخورد شعله به قسمت های پایین لوله ها زیاد می شود.

—   3- افزایش دمای لوله ها بخصوص در بخشهای پایینی             4-پروفایل دمایی غیر یکنواخت و نامناسب کوره

—   5- درصد هوای اضافی بالا می رود.                                    6- اتلاف حرارتی بالا و در نتیجه مصرف سوخت زیاد

5- مدلسازی و تحلیل نرم افزاری

نازل و دیفیوزر مشعل های کوره 1001 واحد ریفورمینگ به کمک نرم افزار فلوئنت، مدلسازی و شبیه سازی نرم افزاری گردید (شکل 4) و با تحلیل های متعدد CFD و انتقال حرارت، تاثیر تغییر شکل هندسی نازل و دیفیوزر مشعلها بر نحوه احتراق و محصولات آلاینده احتراق به روش حل عددی بررسی گردید که نتایج آن در شکلهای 5 و 6 نشان داده شده است. نهایتا سایز بهینه آنها جهت افزایش دمای احتراق و در نتیجه کاهش هوای اضافی، کاهش آلاینده ها و نهایتا کاهش مصرف سوخت کوره بدست آمد (شکل 7).

—     

شکل 4: نمائی از نازل و دیفیوزر مدلسازی شده جهت تحلیلهای نرم افزاری

— 

—      

—شکل 5: کانتورهای توزیع دمای مشعل ها حین کارکرد

—  

—شکل 6: نتایج مربوط به تغییرات گازهای حاصل از احتراق و دمای شعله برای سایزهای مختلف نازل و دیفیوزر

شکل 7: نمودار توزیع دما در عایق دیواره کوره و در طول لوله ها

   نتایج مربوط به تغییرات گازهای حاصل از احتراق و دمای شعله برای سایزهای مختلف نازل و دیفیوزر در شکل 6 نشان داده شده است. ضمنا  نمودار توزیع دما در عایق دیواره کوره و در طول لوله ها در حالت شرایط اولیه در شکل7 نشان داده شده است.  بر اساس نتایج حاصله سایز بهینه نازل و دیفیوزر تعیین گردید

6- بررسی میزان تاثیر هوای اضافی:

      بهترین حالت احتراق استفاده از هوای استوکیومتری می باشد اما بدلیل عدم فرصت کافی برای اختلاط سوخت و هوا در مشعل نیاز به هوای اضافی می باشد و افزایش هوای اضافی باعث اتلاف حرارت و کم شدن دمای شعله خواهد شد برطبق استاندارد کوره ها، میزان هوای اضافی برای سوخت گازی 10-30%، پیشنهاد می شود. همانگونه که در جداول نیز مشخص است دما و اتلاف حرارت در کوره ها با حل عددی با 20 درصد هوای اضافی در مقایسه با نتایج سایت با 70 تا 100درصد هوای اضافی و حتی بیشتر، میزان تاثیر اعمال هوای اضافی به مشعل را نشان داده است.

از مقایسه میزان مصرف انرژی و سوخت و همچنین تلفات حرارتی در حالت طراحی و حالت بهره برداری فعلی، مشخص می گردد که میزان مصرف سوخت در مشعل ها با وجود اینکه کوره ها با حداکثر ظرفیت در زمان بررسی کار نمی کردند ولی میزان مصرف از حداکثر قابلیت نهایی کارائی کوره ها نیز بیشتر است که این بیانگر کارکرد نامناسب مشعل ها و درصد بسیار زیاد هوای اضافی مصرفی و لذا اتلاف بسیار حرارت می باشد که در نتایج آنالیز گازهای خروجی نیز تایید کننده این مطلب می باشد. لذا لازم است به آنالیز دقیق گازهای احتراق و همچنیین بررسی مشعل ها و رفع عیب آنها پرداخته شود.

7- خلاصه اقدامات اجرائی پژوهش

با همکاری پرسنل محترم واحد پژوهش، تعمیرات، خدمات فنی و فرایند ریفورمینگ پتروشیمی نوری، نازل و دیفیوزر جذیذ طراحی و ساخته شده در کوره 1001 نصب و نتایج مربوطه به شرح ذیل ارائه می شود. در جدول 3 اطلاعات ثبت شده کوره مشاهده می شود که بیانگر مصرف بالای سوخت و بیشتر از مقدار طراحی می باشد. در جدول 4 نیز آنالیز گازهای حاصل از احتراق قبل و بعد از تنظیم آورده شده که بیانگر  کاهش درصد هوای اضافی و مقدار آلاینده ها می باشد. نتایج آخرین تنظیمات کوره و آنالیزهای گرفته شده در جدول 5 آمده است و با نظر به بهبود شکل شعله بعد از اصلاح مشعلها (شکل 9) . نتایج پایش دقیق کوره، کاهش حدود 20% مصرف سوخت ثبت گردید.

جدول 3: اطلاعات مربوط به کارکرد کوره در روزها و شرایط مختلف قبل از تغییر

شکل 8:  نمایی از دستگاه آنالایزر مورد استفاده

8- آنالیز اقتصادی

   بر اساس قیمت گاز تحویلی به مجتمع های پتروشیمی و کاهش مصرف سوخت به طور میانگین از 150 نرمال متر مکعب در ساعت به 118 نرمال متر مکعب در ساعت، هزینه صرف جویی شده از محل مصرف سوخت سالیانه کوره 1001 حدودا:

000,000,450ریال می باشد که اگر کاهش هزینه های مربوط به تعمیرات، افزایش عمر مشعل، کوره و لوله ها و کاهش آلاینده ها و ... به آن اضافه کرد می توان ادعا نمود که کمتر از یک سال مبلغ کل پروژه برگشت خواهد داشت.

جدول 4: آنالیز گازهای حاصل از احتراق قبل و بعد از تنظیم

جدول 5 : نتایج آخرین تنظیمات کوره و آنالیزهای گرفته شده

شکل 9 : تصویر از شکل شعله قبل و بعد از اصلاح مشعلها

9- بحث و نتیجه گیری

نتایج نهایی این پژوهش به شرح ذیل می باشد:

-    کاهش حدودا 20 درصدی مصرف سوخت، کاهش تلفات انرژی، افزایش راندمان حرارتی و بهینه سازی مصرف انرژی در کوره 10001 واحد ریفرمینگ پتروشیمی نوری

-    کاهش آلاینده ها و قراردادن تمام آنها در محدوده استاندارد با تنظیم دقیق مشعل ها

-    حذف تلفات حرارتی در نتیجه کاهش قیمت تمام شده محصول و سودآوری

-    بررسی و تعیین دقیق مشکلات مشعل ها، رفع عیوب و اصلاح

10- تشکر و قدردانی

این تحقیق با حمایت شرکت پتروشیمی نوری (برزویه) توسط شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی و با همکاری شرکت شعله صنعت انجام گردید لذا از زحمات مدیریت محترم و کلیه کارشناسان و مسئولین واحد تحقیق و توسعه,  واحد بازرسی فنی, خدمات فنی و تعمیرات, فرایند و همچنین همکاران تیم انرژی و مکانیک گروه پژوهشهای فنی شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی و کارشناسان محترم شرکت شعله صنعت تشکر و قدردانی می شود.

مهدی حمزه ای¹,   حسین پارسا ²,  عبدالمجید خاکسار³

مراجع

[1] Fernandes & Francis, “Combined conductive and radiative heat transfer in an absorbing, emitting and scattering cylindrical medium”, J. of heat transfer , vol.104,November 1982

[2]  Incropera, Frank P, Dewett, David P (2002). Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4th .

[3] T.F. Smith, Z.F. Shen and A.M. Alturki, ”Radiative and convective in cylindrical enclosure for a real gas”, J. of heat transfer, vol.107, May 1985

[4] Chang, S.L., “ Computation of Radiation Heat Transfer in Diesel Combustion” ,SAE, No: ٨٣١٣٣٢,١٩٨٣.

[5] Collins, M.W.,Stasiek, J., “The Application of Transformational Zone Method to The Calculation of Radiation Heat Transfer”, INT-J-Heat-Fluid-Flow, Vol. ١٣, No. ٤, pp. ٣٨٠-٣٨٩, ١٩٩٢.

[6] Siegel, R, Howell, J.R., “Thermal Radiation Heat Transfer”, ١٩٩٢.

[7] Blunsdon, C.A, Malalasekera, W.M.G, Dent, J.C, “Application of the Discrete Transfer Model of Radiation in a CFD Simulation of Diesel E ngine Combustion and Heat Transfer”, SAE, No:٩٢٢٣٠٥,١٩٩٢.

[8]Tsai, J.R., Özisik, M.N., “Trannsient, Conbined Conduction and Radiation in an Absorbing, Emitting and Isotropically Scattering Solid Cylinder, J-Applied Phisics”, Vol. ٦٤, No. ٨, pp.٣٨٢٠-٣٨٢٤, ١٩٨٨.

[9] Hottel, H.C, Sarofim, A,F, “Radiation Transfer”, McGraw-Hill, ١٩٦٧.