شعار سال 97-1
 
  
جمعه 3 خرداد 1398   03:09:54
مقالات
12:281388/1/15 شنبه
بهينه سازي مصرف انرژي در کوره ها و ديگهاي بخار

روشهاي صرفه جويي در انرژي و مصرف سوخت : 

صرفه جويي در سوخت به طرق مختلف صورت مي پذيرد. روشهاي کم خرج مانند تنظيم دقيق ،مراقبت و نگهداري صحيح و روشهاي پرخرجي همچون نصب تاسيسات بازيافت حرارتي روي کوره، باعث کاهش سوخت مصرفي ميگردد. روشهاي موفقي که باعث اين صرفه جويي گرديده اند عبارتنداز:کاهش هواي اضافي، افزايش بازيافت حرارتي بخش جابجايي ،استفاده ار لوله هاي پره دار، پيش گرم کردن هواي احتراق .

هواي اضافي مهمترين عامل در بازده حرارتي است. با وجود اينكه كاربرد هواي اضافي زياد ،كنترل عمليات را ساده تر مي نمايد ولي ميزان سوخت مصرفي وبالطبع مخارج حاصله افزونتر خواهد شد. سوخت اضافي صرف گرم كردن هوا از دماي محيط تا دماي گازهاي داغ داخل كوره مي شود. امروزه با پيشرفت سيستمهاي كنترل كننده ، اكسيژن اضافي در گازهاي داغ را ميتوان به 2 الي 3 درصد تقليل داد. اگر مقدار اكسيژن اضافي از اين مقدار كمتر شود ، عمل احتراق ناقص صورت گرفته و دوده در محصولات احتراق مشاهده مي شود. احتراق ناقص بشدت دماي شعله را كاهش مي دهد و در نتيجه بازده كوره خيلي كم خواهد شد. لذا در سوختهاي گازي حتما بايد ميزان اكسيژن اضافي در بخش احتراق، معيار عملكرد كوره باشد. بنا به عرف طراحي ، در كوره هاي با مكش طبيعي (Natural Draft) ،معمولا براي سوخت گازي حدود 20% وبراي سوخت نفتي 25% هواي اضافي بكار برده ميشود. در كوره هاي با مكش اجباري (Forced Draft) بدليل كنترل دقيقتر ميزان هوا ، مقدار هواي اضافي برابر 15% براي سوخت گازي و 20% براي سوخت نفتي مي باشد.

امكان بازيافت حرارت از بخش جابجايي ، هنگامي كه دماي گازهاي داغ خيلي زياد باشد ، وجود دارد. اين عمل با افزايش تعداد رديف لوله ها در بخش جابجايي جهت افزايش سطح حرارتي امكان پذير است. نصب مبدلهاي حرارتي مكمل همچون پيش گرم كردن خوراك كوره ها و سوپر هيترهايي جهت تهيه بخار آب فوق اشباع در صنعت ، اغلب از نظر اقتصاذي مورد توجه ميباشد. بايد در نظر داشت كه افزايش سطوح حرارتي باعث كاهش دماي گازهاي داغ ودرنتيجه كاهش ميزان مكش وافت فشار گازها خواهد شد كه ممكن است به افزايش ارتفاع دودكش منتهي گردد.

با تعويض لوله هاي برهنه با لوله هاي پره دار، ميتوان بازده حرارتي كوره ها را تا 10% بهبود داد. اين عمل باعث كاهش دماي گازهاي داغ تا حدود 300*F مي شود. تعويض اين لوله ها باعث افزايش افت فشار گازهاي داغ و كاهش مكش ميگردد پس بايد مقدار مكش دودكش را دقيقا ارزيابي نمود.

پيش گرم كردن هواي احتراق نيز يكي ازطرق كاهش مصرف سوخت مي باشد. هرچه دماي گازهاي داغ دودكش كمتر باشد، افت حرارتي از طريق دودكش نيز كمتر خواهد بود. لذا با پيش گرم كردن هواي احتراق، دماي گازهاي داغ كاهش وبازده حرارتي كوره افزايش مي يابد. لازم به ذكر است كه اين سيستم باعث حرارت بيش از حد در برخي نقاط بخش تابشي و تشكيل اكسيدهاي ازت (Nox) بيشتري خواهد شد.


گرماي احتراق يا ارزش حرارتي : Heat Of Combustion & Heating Value

ارزش حرارتي سوخت عبارت است ازمقدارانرژي كه در موقع سوختن كامل سوخت آزاد مي شود. سوختهاي حاوي ئيدروژن ،همواره دو ارزش حرارتي دارند بطوريكه اگر يك پوند سوخت دردماي 60*F محترق شده و محصولات احتراق تا 60*F سرد گردند، گرماي حاصله را ارزش حرارتي خالص (NHV) يا پائيني (LHV) مينامند. هرگاه بخار آب موجود درگازهاي احتراق را در 60*F تبديل به آب نمائيم، گرماي حاصله را ارزش حرارتي ناخالص (GHV) يا بالايي (HHV) مي گويند.

عموما ارزش حرارتي سوختهاي گازي را توسط يك كالريمتر درفشار ثابت ميتوان بطور دقيق تعيين نمود. اين ارزش حرارتي براي مواد خالص مشخص است وبراي سوختهايي كه تركيبي از چند ماده ميباشند ميتوان با توجه به ارزش حرارتي اجزاء ودرصد وزني آنها ، آن را محاسبه نمود. همچنين مكلر ( Mekler )روابط ساده اي جهت تخمين ارزش حرارتي خالص و ناخالص سوختهاي گازي برحسب چگالي Sp.Gr كه نسبت وزن مولكولي گاز به وزن مولكولي هوا است، پيشنهاد نموده است :

HHV = 17887+57.5 *API – 10220*So

LHV = HHV – 9720 * H (Btu/lb) " براي سوخت مايع ”


HHV = 215 + 1500 Sp.Gr

LHV = 155 + 1425 Sp.Gr (Btu/ft3) " براي سوخت گاز"


Sp.Gr = Specific Gravity of gas = Mw gas/ Mw air = Mw gas/ 29

So و H درصد وزني گوگرد و ئيدروژن ميباشد.


آناليز گازهاي داغ حاصل از احتراق :

شايعترين دستگاه آناليز محصولات احتراق ، دستگاه ارسات ميباشد. وليكن درصنعت از دستگاههاي خودكاري استفاده مي گردد كه بطور مداوم درصدهاي دي اكسيد كربن، منواكسيد كربن، اكسيژن ومواد سوختي را نشان مي دهند. اكثر اين دستگاهها تغييرات درصد مواد را بصورت آناليز خشك ارائه مي دهند.

جهت بدست آوردن رابطه بين درصد هواي اضافي وآناليز گاز خروجي از دودكش بطريق ذيل عمل مي شود:

معادله واكنش سوختن يك هيدروكربور بصورت زير مي باشد :

Cm Hn + ( m+n/4 ) O2 ----------à m CO2 + n/2 H2O

واگرسوخت بهمراه هواي اضافي (Exess Reactant) مصرف شده ودرصد هواي اضافي E باشد ، معادله سوختن بصورت زير خواهد بود : 100 * هواي لازم/ هواي اضافي = % E


Cm Hn + (m+n/4) (1/0.21) (1+ %E /100) AIR ------------à

m CO2 + n/2 H2O + 79/21 (m+n/4) (1+ %E /100) N2 + (m+n/4) ( %E /100) O2


معادله بالا براساس سوختن يك مول از يك سوخت درنظر گرفته شده وبنابراين مول گازهاي حاصل احتراق نيز بدست آمده است . براي ساده نمودن معادله ها ورسيدن به يك فرمول كلي بجاي m , n ازنسبت وزني ئيدروژن به كربن كه معادل n /12m = H/C ميباشد استفاده ميكنيم. دراينصورت جمع گازهاي حاصل چنين است :

SUM. = (m+n/4)(79/21 + %E /21) + m + n/2 بصورت WET

--------à SUM. = m(1+3n/12m)(79/21 + %E /21) +m(1+ 6n/12m)

حال با تقسيم مقدار CO2& O2 به كل مقدار گازهاي خروجي وتغييرشكل آنها، معادله هاي زير بدست مي آيد:

WET Basis

"مول" كل گازهاي خروجي = m{(1+3H/C)(79/21 + %E /21) + (1+6H/C)}

درصداكسيژن درگازهاي خروجي : %O2 =(1+3 H/C)%E *100/(1+3H/C)(79/21+%E/21)+(1+6H/C)

درصد دي اكسيد كربن درگازهاي خروجي : %CO2 = 100 / (1+3H/C)(79/21+ %E / 21) + (1+6H/C)

21/ %O2-1 79 + 21(1+6H/C)/1+3H/C / %E = : درصد هواي اضافي برحسب % O2

: %E = {21(100/ %CO2 – (1+6H/C)) / (1+3H/C)}-79 درصد هواي اضافي بر حسب % CO2


با توجه به اين فرمولها سه نتيجه كلي بدست مي آيد :

1- درصد هواي اضافي با مشخص بودن يكي از اجزاء گاز خروجي دودكش قابل محاسبه است.

2- با افزايش درصد هواي اضافي، درصد اكسيژن در گازهاي خروجي افزايش مي يابد .

3- با افزايش درصد هواي اضافي، درصد CO2 درگازهاي خروجي كاهش مي يابد .



انرژي هاي اتلافي :

در اين قسمت با توجه به روابط بين درصد هواي اضافي وآناليز گازهاي خروجي قسمت قبل، روشي را جهت بدست آوردن بازدهي بويلرها به روش غير مستقيم دنبال مي كنيم. انرژي هاي اتلافي يك بويلر عبارتند از :

1- اتلاف انرژي توسط گازهاي خروجي از دودكش ( FLUE GAS ) :

گازهاي خروجي از دودكش عبارتند از، گازهاي CO2 حاصل از احتراق ، اكسيژن O2 كه بصورت اضافي جهت بهتر سوختن سوخت وارد شده است و نيتروژن N2 كه توسط هوا وارد شده و بي هيچ تغييري با گرفتن حرارت خارج مي شود. علاوه بر اين گازها، بخار آب نيز در گازهاي خروجي از دودكش وجود دارد كه قسمتي از آن، بخارآب حاصل ازاحتراق وقسمت ديگرآن بخارآبي است كه در هواي ورودي بصورت رطوبت نسبي وجود دارد.

اتلاف انرژي توسط گازهاي خروجي از دودكش بطريق زير محاسبه ميشود .

الف – اتلاف گازهاي خشك ( O2 , N2 , CO2 ) : (L1)

براي محاسبه اتلاف ها، يك دما را بعنوان مبناي سنجش انتخاب مي كنند. اين دما معمولا دماي محيط (Ambient) مي باشد. بنابراين اتلاف انرژي توسط گازهاي خروجي عبارت است از ، انرژي اضافي كه اين گازها نسبت به دماي محيط دارا ميباشندوازرابطه Q = m Cp ^T محاسبه ميشود.براي گازهاي خشك ميتوان ازيك Cp متوسط كه حدود 0.24 Btu/lb*F است استفاده نمود. بنابراين اتلاف انرژي توسط گازهاي خشك بقرار زير است:

L1 = 0.24 ( جرم گاز خشك خروجي )( دماي گاز خروجي _ دماي محيط )

ب – اتلاف انرژي توسط بخار آب حاصل از احتراق : (L2)

براي محاسبه اين اتلاف، درنظرميگيريم كه آب توليدي دردماي محيط به بخار تبديل شده وسپس اين بخار به دماي دودكش رسيده است. بنابراين داريم : ( Cp بخارآب برابر 0.46 Btu/lb*F ميباشد ).

L2 = جرم بخار آب { 1080 + 0.46( دماي گاز خروجي _ دماي محيط )}

ج – اتلاف انرژي توسط بخار آب همراه هوا : (L3)

براي بدست آوردن مقدار رطوبت هوا بايستي درصد رطوبت نسبي و دماي محيط را داشته باشيم. با مشخص بودن اين دو مقدار مي توان از معادله زير درصد مولي رطوبت بدست آورد .

درصد مولي رطوبت : Y= درصد رطوبت نسبي *{0.08+2.81*10 توان -7*( دماي محيط *F)به توان 3.25}

14.7- درصدرطوبت نسبي {0.08+2.81*10 توان -7*(دماي محيط *F)توان 3.25}

وزن آب ورودي توسط هوا : Wa = 18 * Y * ( وزن هواي ورودي )

بنابراين اتلاف انرژي توسط بخار آب موجود در هوا بصورت زير مي باشد.

L3 = 0.46 *Wa *( دماي گاز خروجي از دودكش _ دماي محيط )

2- اتلاف انرژي توسط تابش از ديواره ها : L4))

اين اتلاف معمولا به مقدار بار حرارتي يك كوره وبه سطوح آن بستگي دارد كه در منحني هاي ASME بيان شده است. مي توان با داشتن بار حرارتي كوره از معادله زير استفاده نمود :

L 4 = 10 به توان (0.62 – 0.1824 log Q) Q = Duty mmBtu / HR

اين مقدار معمولا ماكزيمم حدود % 2 از انرژي مي باشد.

3- اتلاف هاي نا خواسته : (L5)

علاوه بر اتلافهايي كه ذكر شد، ممكن است بطرق ديگري نيز از قبيل نشتي هوا از ديواره هاي كوره و 000 اتلافهايي وجود داشته باشد كه به شرايط ديگ بخار بستگي داشته ودرمحاسبات بازدهي بايستي منظور شود. (معمولا 1 ~ 2 درصد )

محاسبه اتلاف ها :

جهت بدست آوردن اتلافهاي ذكر شده،اساس كار رايك پوند سوخت درنظر گرفته ومحاسبات را انجام مي دهيم.

الف – اتلاف گازهاي خشك ( L1) :

L1 = 0.24( جرم گاز خشك )( دماي گاز خروجي _ دماي محيط )

با توجه به معادله كلي سوختن يك هيدروكربن، جرم گاز خشك بطريق زير محاسبه ميشود :

جرم گاز خشك = جرم هواي ورودي + جرم سوخت _ جرم بخار آب

جرم سوخت = 1 lb Mw سوخت = 12m + n

جرم هواي ورودي = ( m+n/4)(1+ E/100) /0.21 *29 /(12m+n) =11.508(1+3H/C)(1+E)/(1+H/C)

جرم بخار آب = ( n/2 * 18) /(12m+n) = (9* H/C) / ( 1+H/C)

جرم گاز خشك = 1+11.508(1+E) + (24.524(1+E) -8) * H/C / (1+H/C)

اگر دماي محيط را با Ta ودماي گازهاي خروجي از دودكش را با Ts نشان دهيم، معادله اتلاف انرژي توسط گازهاي خشك بصورت زير بدست مي آيد.( برحسب *F )

L1 = 0.24{(12.508+11.508 %E) + (26.524+34.524 %E) * H/C} *(Ts-Ta) / (1+H/C)


ب – اتلاف انرژي توسط بخار حاصل از احتراق ( L2 ) :

L2 = جرم بخارآب ( 1080+0.46 ( دماي گاز خروجي – دماي محيط )

جرم بخار آب = 9 H/C / 1+ H/C

--------------à L2 = 9 H/C (1080 + 0.46( Ts-Ta)) / (1+H/C)


ج – اتلاف انرژي توسط بخار همراه هوا ( L3 ) :

با جانشين كردن مقدار جرم هواي ورودي بر حسب نسبت H/C درمعادله زير، اين اتلاف بدست مي آيد :

L3 = 0.46* Wa* ( Ts – Ta )

-------------à L3 = 3.286 *Y*(1+3H/C)(1+ %E)(Ts-Ta) / (1+H/C)


د – اتلافهاي تابش ديواره هاواتلافهاي ناخواسته به نوع سوخت بستگي ندارد وتغييري درمعادله L4 نياز نيست.


محاسبه بازدهي يا راندمان ديگهاي بخار :

با توجه به معادله هاي بدست آمده براي اتلاف ها، راندمان را از معادله زير بدست مي آورند.

% Eff. = HHV – ( L1+L2+L3+L4+L5 )*100 / HHV

OR % Eff. = LHV – ( L1 +L2+L3+L4+L5 )*100 / LHV

= 100 – ( % L1+ % L2+ % L3+ % L4+ % L5 )

تعيين H/C :

نسبت H/C براي تركيب چند سوخت به روش زير محاسبه مي شود :

Xi = Wi / SUM. Wi : نسبت وزني سوخت i

Hi = (H/C)i / [1+(H/C)i] : مقدار ئيدروژن دريك پوند سوخت i

1 / [1+(H/C)i] : Ci =مقداركربن دريك پوند سوخت i

H/C = SUM. Xi Hi / SUM. Xi Ci : نسبت H/C براي تركيب چند سوخت

Data هاي لازم جهت محاسبه بازدهي ديگهاي بخار :

مواردي كه در جهت بررسي بازدهي ديگهاي بخار به آنها نياز مي باشد عبارتند از: آزمايش گازهاي خروجي از دودكش، تست كروماتوگراف از سوخت مصرفي ديگهاي بخار، دماي محيط (Ta) ، دماي گاز دودكش (Ts) ،درصد رطوبت نسبي درهنگام تست گازهاي دودكش وبار ( LOAD) بويلر درهمان زمان مشخص ميباشد.


جهت مثال، تستهايي كه از BOILER `B` دريك زمان معين گرفته شده اند، به قرار زيرند :

Ta : 37*C & Ts : 337*C & % رطوبت نسبي : 60 & LOAD : 25 ton/hr

CO2 : 4.8 & O2 : 12.4 & CO : 0.6 & N2 : 82.2

همچنين تست كروماتوگرافي بعمل آمده از سوخت ديگهاي بخار ( L.P.Fuel Gas) ومحاسبات آن بشرح زير مي باشد. ( براي تعيين H/C كل سوخت )

Component Formula(CmHn) mole% mass%(Xi) H/Ci وزني `H`: Xi*H/C /1+H/C `C` : Xi*1 /1+H/C

Nitrogen N2 1.16 1.17 - - درواكنش شركت نمي كنند

Dioxid carbon CO2 1.03 1.63 - - -

Methan CH4 54.38 31.29 0.33 7.764 23.526

Ethan C2H6 18.57 20.03 0.25 4.006 16.024

Propane C3H8 14.90 23.58 0.22 4.252 19.328

Iso-butane C4H10 3.31 6.90 0.21 1.198 5.702

N-butane C4H10 4.24 8.84 0.21 1.534 7.306

Iso-pantane C5H12 1.27 3.29 0.20 0.548 2.742

N-pantane C5H12 0.68 1.76 0.20 0.293 1.467

Hegzan C6H14 0.30 0.93 0.194 0.151 0.779

Heptan + C7H16 0.16 0.58 0.19 0.093 0.487

100 lb mole 100 lbm 19.839 lbm 77.361 lbm


--------------à H/C = 0.256 براي كل سوخت

كل جرم سوخت : m = SUM. (mole % * Mw) =2780.68

& Mw ave. = m / n = 2780.68 /100 = => Mw ave. = 27.81

همچنين : Hi = 19.839 & 0.19839 *27.81 = 5.52 و 5.52/1 = 5.52 تعداد ئيدروژن

& Ci = 77.361 & 0.77361 *27.81 = 21.52 و 21.52/12 = 1.79 تعداد كربن

======è FORMULA : C 1.79 H 5.52 فرمول كلي سوخت مصرفي بويلر

با توجه به اين فرمول مشخص است كه اين سوخت مصرفي به هيدروكربن اتان نزديكتر مي باشد .

اما جهت بدست آوردن ارزش حرارتي سوخت مصرفي بطريق زير عمل مي كنيم :

Specific gravity gas = Mw gas / Mw air = 27.81 / 29 = 0.96

طبق روابط Mekler for fuel gas :

NHV OR LHV = 155 + 1425 Sp.G = 1523 Btu /ft3

GHV OR HHV = 215 + 1500 Sp.G = 1655 Btu /ft3

طبق جداول خواص ئيدروكربن ها : ارزش حرارتي خالص ارزش حرارتي ناخالص

Btu/ft3 Btu/lb Btu/ft3 Btu/lb

متان 910 21540 1011 23920

اتان 1619 20450 1770 22350


پس با در نظر گرفتن خواص سوخت اتان ، ارزش حرارتي سوخت فوق عبارت است از :

NHV OR LHV = 19237 Btu/lb

GHV OR HHV = 20898 Btu/lb

براي تعيين درصد Exess Air از فرمول قبلي بر حسب % O2 استفاده مي كنيم(درحالت Dry Basis ).

% E = [79+( 21/1+3H/C)] / [21/ O2-1] ====è % E = 49.34

= m[(1+3H/C)(79/21 + %E /21)+1] = 21.13 mole كل گازهاي خروجي بر حسب مول( Dry Basis )


تعيين انرژي هاي اتلافي :

FOR 1 lb fuel gas :

L1 = 0.24 * [(12.508 + 11.508 %E) + (26.524+ 34.524 %E)*H/C]*(Ts – Ta) / 1+H/C

======è L1 = 3027


L2 = 9 * 0.256/1.256 ( 1080 + 0.46 ( 638.6 – 98.6 ))

======è L2 = 2436.8


درصد مولي رطوبت : Y = 0.6 * [ 0.08+ 2.81*10 توان -7 *(98.6) توان 3.25 ]

14.7- 0.6*[ 0.08+2.81*10 توان -7 *(98.6)توان 3.25]

======è Y = 0.04

L3 = 3.286 * 0.04 * [ (1+ 3*0.256)(1+ 0.4936) / 1.256 ] * ( 638.6 - 98.6 )

======è L3 = 149.2

با در نظر گرفتن 0.5% اتلاف انرژي توسط تابش از ديواره ها و 0.5% اتلاف هاي ناخواسته ، داريم :

====== è L4 = 0.5% & L5 = 0.5%

با اين شرح درصد اتلاف انرژي براي L1 & L2 & L3 بدين قرار مي باشد :

L1 = 3027*100 / 19237 ====è L1 = 15.8%

L2 = 2436.8*100 / 19237 ====è L2 = 12.7%

L3 = 149.2*100 / 19237 ==== è L3 = 0.8%


=è Eff.% =100-( L1+L2+L3+L4+L5)== è LHV Eff.% = 70 %راندمان بويلر


تهيه وتنظيم: پرويزشفيعي 

شرکت پالايش گاز فجرجم فروردين 1388

تاریخ به روز رسانی:.


مجری سایت : شرکت سیگما