طراحی‌های کوره کراکینگ با صرفه‌جویی در مصرف انرژی که هزینه‌های خدماتی را کاهش می‌دهند

چگونه فناوری کوره شکست حرارتی صرفه‌جویی در مصرف انرژی تقاضای انرژی صنعتی را کاهش می‌دهد

درک بهره‌وری انرژی در تولید اتیلن از طریق فناوری‌های مدرن فورن شکست طراحی

مدل‌های جدیدتر کوره شکست با ویژگی‌هایی مانند فناوری راکتور سیمله (CRT) و لوله‌های تابنده بهتر طراحی شده، کارایی حرارتی را افزایش می‌دهند. بر اساس داده‌های اخیر از وزارت انرژی در سال 2023، این بهبودها مصرف سوخت را در مقایسه با سیستم‌های قدیمی‌تر تا 12 تا 18 درصد کاهش می‌دهند. این یعنی کاهش واقعی در انتشارات کربنی برای عملیات تولید اتیلن. مهندسان اکنون با استفاده از شبیه‌سازی‌های پیشرفته کامپیوتری به نام دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، دمای داخلی را به‌دقت تنظیم می‌کنند و از اتلاف حرارتی به حداقل می‌رسانند. دلیل اهمیت این موضوع بسیار ساده است – کوره‌های شکست به تنهایی حدود دو سوم کل انرژی مصرفی در یک کارخانه متوسط تولید اتیلن را مصرف می‌کنند.

چگونه سیستم‌های کوره شکست حرارتی صرفه‌جویی در مصرف انرژی تقاضای انرژی عملیاتی را تا 25 درصد کاهش می‌دهند

سیستم‌های صرفه‌جویی در مصرف انرژی از طریق سه مکانیسم ادغام‌شده، کاهش 25٪‌ای در نیاز به انرژی عملیاتی را محقق می‌کنند:

1. بازیابی حرارت دودکش (دستیابی به 92٪ راندمان در آخرین مدل‌ها)
2. اشتعال مراحله‌ای با کنترل اکسیژن
3. تنظیم مشعل با تطبیق در زمان واقعی با انتشارات
   بر اساس یک مطالعه 2024 IEA، این استراتژی‌ها به‌طور مجموع 2.1 تا 2.7 پتاژول انرژی در سال را در هر کوره کاهش می‌دهند—که معادل تأمین انرژی 45,000 خانه در یک سال است. این به معنی 25٪ کاهش در هزینه‌های عملیاتی برای واحدهایی است که فرآیندهای شکستن را به‌صورت مداوم انجام می‌دهند.

مطالعه موردی: بهبود بازده انرژی در یک واحد تولید اتیلن در ساحل خلیج

یکی از تولیدکنندگان برجسته اتیلن در سال 2022 شش کوره شکننده را با اجزای صرفه‌جویی‌کننده انرژی، از جمله عایق‌بندی الیاف سرامیکی و کنترل‌های احتراق مبتنی بر هوش مصنوعی به‌روزرسانی کرد. طی 18 ماه، این بهبودها به بهبودهای قابل‌مشاهده‌ای منجر شدند:

این نتایج، مزایای بهره‌وری و اقتصادی ارتقاءهای هدفمند از نظر کارایی را برجسته می‌کنند.

استراتژی انجام بازسازی کوره‌های قدیمی با اجزای صرفه‌جویی کننده در مصرف انرژی

یک رویکرد بازسازی فازی، بهره‌وری را به حداکثر می‌رساند:

1. مرحله پیش گرمایش : نصب لوله‌های سطح گسترده بخش کنوکسیون (بهبود 30 تا 40 درصدی انتقال حرارت)
2. مرحله کراکینگ : ارتقا به طرح‌های نازل مشعل تطبیقی (افزایش 15 درصدی بازدهی سوخت)
3. پس‌پردازش : اعمال مبدل‌های خط انتقال با مقاومت گرفتگی 0/5 میلی‌متری
   همان‌گونه که در گزارش AFE 2024 تأیید شده است، واحدها با استفاده از این راهبرد به بازگشت سرمایه کامل در مدت 3.7 سال دست می‌یابند، و زمان بازگشت سرمایه با ترکیب این روش با یارانه‌های دولتی انرژی پاک به 2.1 سال کاهش می‌یابد.

نوآوری‌های اصلی در راستای افزایش کارایی در عملیات کوره‌های کراکینگ

پیش گرمایش هوا در گازهای دودکش: افزایش بازیابی حرارتی و کارایی کوره

پیش‌گرمایش هوا برای احتراق گازهای دودکشی می‌تواند حدود 85 درصد از انرژی گرمایی هدر رفته را ضبط کند، که این امر با استفاده از بازیاب‌ها یا مبادله‌کننده‌های حرارتی صفحه‌ای، هوای ورودی را تا دمای بین 250 تا 400 درجه سانتی‌گراد گرم می‌کند. نتیجه چیست؟ کاهش قابل توجه در نیاز به سوخت، معمولاً حدود 15 تا 20 درصد، بدون اینکه به کارایی احتراق آسیبی برسد. برای عملیات بزرگ‌مقیاس مانند تولید اتیلن که در آن دماها از 1000 درجه سانتی‌گراد فراتر می‌رود، حتی بهبودهای کوچک هم اهمیت دارند. داده‌های موجود در صنعت نشان می‌دهند که هر 50 درجه افزایش دیگر در دمای هوا قبل از گرم شدن، به معنای کاهش حدود 3 تا 4 درصدی در مصرف گاز طبیعی مورد نیاز است. این صرفه‌جویی‌ها با گذشت زمان جمع می‌شوند و سیستم‌های پیش‌گرمایش را به یک سرمایه‌گذاری جذاب برای واحدهای صنعتی که به دنبال کاهش هزینه‌ها و بهبود پایداری هستند، تبدیل می‌کند.

بهینه‌سازی مبدل خط انتقال خوراک و فرآورده (TLE) برای حداکثر بازیابی حرارت

سیستم‌های پیشرفته TLE، با کاهش دمای خروجی به ۴۰۰–۴۵۰ درجه سانتی‌گراد (از ۵۵۰–۶۰۰ درجه سانتی‌گراد)، ۵۰–۶۰ درصد از گرمای گاز پیرولیز را بازیابی می‌کنند– این در حالی است که در مدل‌های قدیمی این میزان ۳۵–۴۰ درصد بوده است. این امر نیاز به صادرات بخار را در واحدهای اتیلن‌سازی یک میلیون تنی به میزان ۲۵–۳۰ تن در ساعت کاهش می‌دهد و هزینه‌های انرژی را به ازای هر تن اتیلن تولیدی به میزان ۲٫۸–۳٫۵ دلار کاهش می‌یابد.

مواد پیشرفته و کنترل احتراق در طراحی کوره‌های کرکینگ اتیلن با انتشارات کم

آلیاژهای مقاوم در برابر دمای بالا مانند 25Cr-35Ni-Nb همراه با قطعات ریخته‌گری‌شده با تیمار خاص می‌توانند استرس شدید حرارتی را حتی در دمای حدود 1150 درجه سانتی‌گراد تحمل کنند. این قابلیت در واقع عمر سیم‌پیچ‌ها را قبل از نیاز به تعویض افزایش می‌دهد و معمولاً 18 تا 24 ماه خدمات‌دهی اضافی فراهم می‌کند. وقتی این مواد با سیستم‌های احتراق پیشرفته ترکیب شوند که با استفاده از سنسورهای نوری، شعله را به‌صورت زنده نظارت کرده و در صورت لزوم مخلوط هوا و سوخت را تنظیم می‌کنند، کارایی احتراقی نزدیک به 99.8 درصد را فراهم می‌کنند. علاوه بر این، این سیستم‌ها انتشار اکسید نیتروژن مضر را به‌طور قابل توجهی کاهش می‌دهند و سطح آن را به کمتر از 80 میلی‌گرم در متر مکعب نرمال پایین می‌آورند. این میزان انتشار، حدود یک‌سوم کمتر از آلودگی تولیدی توسط مشعل‌های استاندارد است.

الکتریفیکاسیون و یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر در کوره‌های کراکینگ مدرن

چگونه الکتریفیکاسیون کوره‌های کراکینگ بخار (کوره‌های الکتریکی) به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک می‌کند

کوره‌های الکتریکی ترکیبی با جایگزین کردن مشعل‌های گازی سنتی با عناصر گرمایشی که به جای سوختن سوخت‌های فسیلی از برق استفاده می‌کنند، کار می‌کنند. بر اساس تحقیقات منتشر شده در سال 2016 توسط لِختنبُهمر و همکارانش، این کوره‌های الکتریکی زمانی که با منابع انرژی تجدیدپذیر کار می‌کنند، می‌توانند مصرف سوخت‌های فسیلی در فرآیندهای کرکینگ بخار را تقریباً 90 درصد کاهش دهند. این تغییر برای کارخانه‌های شیمیایی منطقی است، چرا که تولید اتیلن را از دست قیمت‌های نوسانی گاز طبیعی خارج می‌کند و در عین حال انتشارات مستقیم ناشی از دودکش‌های کارخانه را کاهش می‌دهد. برای شرکت‌هایی که می‌خواهند عملیات خود را سبز کنند بدون اینکه بهره‌وری خود را کاهش دهند، این فناوری مزایای واقعی را از نظر محیط زیستی و اقتصادی فراهم می‌کند.

یکپارچه‌سازی انرژی تجدیدپذیر در عملیات کوره‌های الکتریکی ترکیبی

کوره‌های الکتریکی به‌عنوان بارهای انعطاف‌پذیر عمل می‌کنند که با تنظیم نرخ گرمایش الکتریکی به میزان ±15 درصد در عرض پنج دقیقه، ثبات شبکه را با تطبیق با خروجی متغیر باد و خورشید حفظ می‌کنند. این قابلیت در آزمایش‌های تعادل‌سازی شبکه اروپا به‌خوبی نشان داده شده است، به‌گونه‌ای که این قابلیت به عملیات صنعتی اجازه می‌دهد به‌صورت یکپارچه با سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر همراه شوند.

هماهنگی تقاضای متغیر کوره‌های ترکیبی با عرضه انرژی تجدیدپذیر

سه راهکار کلیدی یکپارچه‌سازی انرژی تجدیدپذیر را افزایش می‌دهند:

• تاخیر زمانی در فرآیند ترکیب : ذخیره مواد اولیه گرم‌شده برای تاخیر در فرآوری در زمان کمبود انرژی تجدیدپذیر
• منابع حرارتی ترکیبی : ترکیب گرمایش الکتریکی با ذخیره حرارتی نمک مذاب (ظرفیت 8 تا 12 ساعته)
• مشارکت در پاسخ به تقاضا : کاهش خودکار مصرف برق در زمان بحران شبکه با حفظ دمای ایمن کوره

مطالعه موردی: پروژه آزمایشی کوره الکتریکی در اسکاندیناوی که انتشار CO₂ را 90% کاهش داد

یک کارخانه شیمیایی اسکاندیناوی یک کراکر نفتا را با 48 مگاوات سیم‌پیچ‌های گرمادهی الکتریکی که با انرژی بادی از ساحل تأمین می‌شد، بازسازی کرد. سیستم به دستاوردهای زیر دست یافت:

اگرچه ورودی‌های متغیر باد وجود داشت، سیستم ثبات ۹۸٪ بازده اتیلن را حفظ کرد و این امر امکان‌پذیری تکنیکی کراکینگ با انرژی تجدیدپذیر را نشان داد.

مسیرهای کاهش شدید کربن برای گرمایش صنعتی نیازمند چنین نوآوری‌هاست تا بتوانند به اهداف کربن خنثی دست یابند و در عین حال قابلیت اطمینان تولید را تضمین کنند.

تعادل بین هزینه و پایداری در انتقال به کوره کراکینگ با صرفه‌جویی در انرژی

هزینه سرمایه‌گذاری در مقابل صرفه‌جویی بلندمدت در مصرف انرژی در سیستم‌های کوره پیشرفته

هزینه اولیه این کوره‌های پیشرفته صرفه‌جویی در مصرف انرژی حدود 15 تا 25 درصد بیشتر از مدل‌های معمولی است که امروزه در بازار موجود هستند. اما چیزی که این مدل‌ها را شایسته توجه می‌کند، صرفه‌جویی قابل توجه در طول زمان است. این سیستم‌ها موجب کاهش 20 تا 35 درصدی هزینه‌های سالانه سوخت و نگهداری می‌شوند، به‌طوری که بیشتر شرکت‌ها سرمایه خود را در عرض سه تا هفت سال به دست می‌آورند. بر اساس گزارش‌های اخیر صنعتی از سال 2024، کارخانه‌هایی که تجهیزات خود را با فناوری بهتر بازیابی گرما به‌روز کرده‌اند، در هر سال حدود 2.8 میلیون دلار صرفه‌جویی کرده‌اند و سرمایه خود را پس از حدود 54 ماه بهره‌برداری به دست آورده‌اند. علاوه بر این، مزایای دیگری نیز وجود دارد. طراحی ماژولار این امکان را برای ارتقاءهای آینده فراهم می‌کند که به راحتی انجام شوند، در حالی که ویژگی‌هایی مانند نرم‌افزار نگهداری پیشگویانه و فناوری‌های پیشرفته دیجیتال دوگانه (دیجیتال توئین)، کمک می‌کنند تا عملیات به‌صورت روان انجام شود و خاموشی‌های غیرمنتظره را در برخی موارد تا 40 درصد کاهش دهند.

کاهش فلرینگ (سوزاندن گاز) و مصرف اضافی سوخت از طریق تنظیم دقیق مشعل

کنترل‌های مشعل که توسط هوش مصنوعی محرکه می‌شوند به‌صورت خودکار با تغییرات در کیفیت خوراک و شرایط کوره تطبیق پیدا می‌کنند، این امر موجب کاهش ۳۰ تا ۵۰ درصدی وقوع شعله‌وری و هدررفت سوخت شده است، همان‌طور که در آزمایش‌های میدانی مشاهده شده است. دقت بهبودیافته همچنین باعث کاهش ۱۸ تا ۲۲ درصدی نشت متان می‌گردد، بدون اینکه دمای‌های لازم برای شکستن شیمیایی (cracking) را تحت تأثیر قرار دهد، چیزی که در آزمایش‌های ساحل خلیج مکزیک در سال گذشته تأیید شده است. همین تحقیق نشان داد که پس از به‌کارگیری این سیستم‌های احتراق پویا، واحدهای صنعتی سالانه حدود ۱۲ هزار تن معادل دی‌اکسید کربن از دست داده‌اند. برای بهره‌برداران واحدهایی که با مقررات زیست‌محیطی سخت‌گیرانه‌تری مواجه هستند، این پیشرفت‌های فناوری امکان رعایت استانداردها را آسان‌تر کرده و از پرداخت جریمه‌های گزاف کربنی که از هر تن ۱۲۰ تا ۱۸۰ دلار متغیر است جلوگیری می‌کند.

‫سوالات متداول‬

مزیت اصلی فناوری کوره‌های شکستن انرژی-پس‌انداز کننده چیست؟

فناوری کوره ترکیبی با صرفه‌جویی در مصرف انرژی به‌طور قابل‌توجهی مصرف سوخت و انتشار کربن را کاهش می‌دهد و باعث افزایش کارایی در تولید اتیلن می‌شود.

کوره‌های ترکیبی صرفه‌جویی در مصرف انرژی چگونه منابع انرژی تجدیدپذیر را ادغام می‌کنند؟

کوره‌های ترکیبی الکتریکی به جای مشعل‌های گازی سنتی از عناصر گرمایشی الکتریکی که با منابع تجدیدپذیر کار می‌کنند استفاده می‌کنند و به‌طور چشمگیری وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهند.

مزایای اقتصادی به‌روزرسانی کوره‌های ترکیبی چیست؟

به‌روزرسانی کوره‌های ترکیبی می‌تواند به صرفه‌جویی قابل‌توجه در هزینه‌های سوخت و نگهداری منجر شود و بسیاری از شرکت‌ها بازگشت سرمایه را در مدت سه تا هفت سال مشاهده می‌کنند.