سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

بررسی تاثیر استفاده از گازهای دورریز واحد به عنوان سوخت در کوره ریفرمر متان بر تولید گاز سنتز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
آزاده میروکیلی
گروه مهندسی شیمی، دانشکده نفت گاز و پتروشیمی دانشگاه خلیج فارس
10.22034/jfnc.2026.552300.1445
چکیده
یکی از روش‎های صرفه‎جویی در مصرف سوخت کوره‎ها، استفاده از گازهای دورریز در مجتمع‎های پتروشیمی است. در کوره ریفرمینگ بخار آب پتروشیمی زاگرس جهت تولید گاز سنتز، 1252 کیلومول برساعت سوخت مصرف می‎شود که از این مقدار 115 کیلومول برساعت گاز متان است و باقی‎مانده از گازهای دورریز واحد استفاده می‎شود. این پژوهش به بررسی تأثیر تغییر ترکیب سوخت در کوره‌ی ریفرمر مجتمع پتروشیمی زاگرس بر عملکرد آن و تولید گاز سنتز می‌پردازد. با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، کوره و لوله‌های کاتالیستی به صورت سه‌بعدی شبیه‌سازی و با داده‌های صنعتی اعتبارسنجی شدند. پنج سناریو برای ترکیب سوخت با استفاده از گازهای فرآیندی دورریز تعریف و اثر آن‌ها تحلیل شد. نتایج نشان داد که با وجود ثبات نسبی دمای گاز خروجی کوره (حدود ۵± کلوین) به دلیل ارزش حرارتی مشابه سوخت‌ها، تغییر ترکیب سوخت تأثیر چشمگیری بر الگوی احتراق، طول شعله و سهم انتقال حرارت تابشی دارد. در سناریوهای با هیدروژن بیشتر، شعله کوتاه‌تر و انتقال حرارت جابجایی غالب شد، درحالی که افزایش سهم متان منجر به شعله بلندتر و سهم بالاتر انتقال حرارت تابشی شد. در نهایت، سناریوی پنجم که با کاهش ۱۶ درصدی مصرف گاز طبیعی و افزایش حدود ۲ درصدی تولید هیدروژن همراه بود، به عنوان ترکیب سوخت بهینه معرفی شد. این مطالعه نتیجه می‌گیرد که استفاده از گازهای فرآیندی دورریز به عنوان سوخت کوره نیازمند ملاحظات دقیقی است.

تازه های تحقیق

صرفه‌جویی در مصرف سوخت به یکی از مهم‌ترین چالش‌های بخش صنعت پتروشیمی است زیرا با کمبود سوخت‎های فسیلی و افزایش قیمت آن‎ها روبرو هستند. بخش قابل‌توجهی از انرژی مصرفی کشور در واحدهای فرآیندی مانند پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها و مجتمع‌های پتروشیمی به‌صورت حرارت در کوره‌ها و مشعل‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، که معمولاً راندمان حرارتی این تجهیزات کمتر از ۶۰ درصد است. بنابراین، صرفه‎جویی در مصرف سوخت و استفاده‌ی بهینه از انرژی در این بخش‌ها می‌تواند نقش تعیین‌کننده‌ای در کاهش هزینه‌های عملیاتی و کنترل آلاینده‌های زیست‌محیطی ایفا کند. بیشتر مطالعات انجام شده روی کوره‎های ریفرمر بر بهینه‎سازی مصرف سوخت و کاهش آلاینده‎ها و افزایش عملکرد حرارتی بوده است ]12-1[.

در سال‌های اخیر مطالعات متعددی در زمینه‌ی بهینه‌سازی مصرف سوخت و ارتقای راندمان حرارتی در کوره‌های صنعتی انجام گرفته است. تغییر ترکیب سوخت و بررسی اثر آن بر ویژگی‌های احتراق و آلاینده‌ها یکی از محورهای اصلی سمائی و همکاران [13] بوده است. در این مطالعه، عملکرد یک مشعل سرعت بالا متصل به کوره به‌صورت عددی با استفاده از نرم‌افزار انسیس[1] مورد بررسی قرار گرفت و تأثیر تغییر سوخت از متان به پروپان بر پارامترهای احتراقی تحلیل شد. نتایج نشان داد که با وجود کاهش دبی حجمی سوخت، ساختار شعله و ویژگی‌های احتراق به گونه‌ای تغییر می‌کند که همچنان عملکرد مشعل در محدوده‌ی مشعل‌های سرعت بالا باقی می‌ماند و در عین حال، میزان تولید اکسید نیتروژن (NOx) با سوخت پروپان افزایش یافته ولی در بازه‌ی کم‌ناکسی حفظ می‌شود. این نتایج اهمیت نوع سوخت و ترکیب آن را در کنترل کیفیت احتراق و بازده حرارتی کوره‌ها نشان می‌دهد.


[1] ANSYS

کلیدواژه‌ها
ریفرمینگ بخار
کوره
سوخت
هیدروژن
انرژی تابشی
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigation of the effect of using unit waste gases as a fuel in a methane reformer furnace on syngas production

نویسنده English

Azadeh Mirvakili
Chemical Engineering Department, Faculty of Petroleum, Gas and Petrochemical Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, Iran 75169-13817
چکیده English

One of the effective methods for reducing fuel consumption in furnaces is the utilization of surplus gases in petrochemical complexes. In the steam methane reforming furnace of Zagros Petrochemical Plant, 1252 kmol/h of fuel is consumed for syngas production of which 115 kmol/h is methane and the remainder consists of surplus process gases. This study investigates the effect of changing the fuel composition in the reformer furnace of Zagros Petrochemical Complex on its performance and syngas production. The furnace and catalytic tubes were simulated using computational fluid dynamics (CFD) and validated against industrial data. Five scenarios for the fuel composition using surplus process gases were defined and analyzed. Results showed that while the furnace outlet gas temperature remained stable (within ±5 K) due to similar fuel lower heating values, changing the fuel composition significantly impacted the combustion pattern, flame length, and radiative heat transfer proportion. Scenarios with a higher hydrogen fraction produced a shorter flame where convective heat transfer was dominant. In contrast, increasing the methane content resulted in a longer flame and a higher share of radiative heat transfer. Consequently, Case 5, with a 16% reduction in natural gas consumption and an approximately 2% increase in hydrogen production, was identified as the optimal fuel composition. This study concludes that using surplus process gases as furnace fuel requires careful consideration.

کلیدواژه‌ها English

Steam reforming
furnace
fuel
hydrogen
radiative energy

در این پژوهش اثر تغییر ترکیب سوخت کوره ریفرمر واحد متانول بر عملکرد حرارتی کوره و رفتار واکنش‌های ریفرمینگ داخل لوله‌ها مورد بررسی قرار گرفت. شش سناریوی مختلف شامل شرایط عملیاتی، شرایط طراحی و چهار حالت پیشنهادی بر اساس استفاده از گازهای جانبی واحد (گاز پرج، گاز انبساطی و گاز مازاد) شبیه‌سازی و مقایسه شدند.

نتایج نشان داد که به دلیل نزدیکی ارزش حرارتی پایین سوخت‌ها، دمای گاز خروجی کوره در تمامی سناریوها در محدوده‌ای محدود (حدود ±5 کلوین) باقی می‌ماند. با این حال، ترکیب سوخت اثر قابل‌توجهی بر طول شعله، توزیع حرارت بین مکانیسم‌های تابشی و همرفتی، و در نهایت بر دما و ترکیب گاز درون لوله‌ها دارد. سناریوهای حاوی هیدروژن بیشتر (مانند 2 و 3) موجب افزایش دمای سطح لوله‌ها در ناحیه پایین‌تر و کوتاه شدن طول شعله شدند. این پدیده به‌واسطه واکنش‌پذیری بالای هیدروژن و غالب شدن انتقال حرارت همرفتی رخ داده و اثر نامطلوبی بر توزیع واکنش ریفرمینگ در طول لوله دارد. در مقابل، افزایش سهم متان (سناریو 5) موجب افزایش طول شعله و گسترش انتقال حرارت تابشی شد که مصرف متان و تولید هیدروژن را در بخش ابتدایی لوله‌ها افزایش داد.

از نظر بهره‌وری انرژی، نتایج نشان داد که مصرف گاز طبیعی در سناریوهای 4، 5 و 6 به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌یابد. به‌ویژه در سناریوی 5، کاهش 16 درصدی مصرف گاز طبیعی همراه با افزایش 2 درصدی تولید هیدروژن ثبت شد. این امر نشان می‌دهد که جایگزینی گازهای جانبی واحد متانول می‌تواند علاوه بر کاهش مصرف خوراک اصلی، به بهبود عملکرد فرآیند ریفرمینگ نیز کمک کند. در نهایت، مقایسه شرایط طراحی (سناریو 6) با سایر حالات نشان داد که نقش ضرایب تابشی کوره در تعیین شرایط حرارتی بسیار پررنگ‌تر از تغییر ترکیب سوخت است؛ به‌طوری‌که حتی در ترکیب‌های مشابه، افزایش ضرایب نشر می‌تواند منجر به افزایش بیشتر دما و مصرف متان شود.

به‌طور کلی، می‌توان نتیجه گرفت که بهره‌گیری از گازهای جانبی در ترکیب سوخت کوره ریفرمر نه تنها امکان کاهش مصرف گاز طبیعی را فراهم می‌آورد، بلکه می‌تواند به بهبود بازدهی تولید هیدروژن منجر شود. با این حال، انتخاب ترکیب بهینه باید با در نظر گرفتن توازن میان طول شعله، مکانیزم‌های انتقال حرارت و شرایط واکنش ریفرمینگ انجام گیرد تا ضمن کاهش هزینه‌های عملیاتی، پایداری و کارایی فرآیند تضمین شود.

[1] Yu, Z., Cao, E., Wang, Y., Zhou, Z., & Dai, Z. “Simulation of natural gas steam reforming furnace”. Fuel Processing Technology, 87(8), 695-704,2006.
[2] Aguirre, A. “Computational fluid dynamics modeling and simulation of steam methane reforming reactors and furnaces” (Doctoral dissertation, UCLA), 2017.
[3] Quirino, P. P., Amaral, A., Pontes, K. V., Rossi, F., & Manenti, F. “Modeling and simulation of an industrial top-fired methane steam reforming unit”. Industrial & Engineering Chemistry Research, 59(24), 11250-11264,2020.
Papkov, V., & Pashchenko, D. “CFD-modeling of steam methane reforming via particle-resolved and pseudo-homogeneous models: comparative analysis with experimental verification”. Fuel, 393, 134906, 2025.
[4] Amini, A., Bagheri, A. A. H., Sedaghat, M. H., & Rahimpour, M. R. “CFD simulation of an industrial steam methane reformer: Effect of burner fuel distribution on hydrogen production”. Fuel, 352, 129008, 2023.
[5] Tran, A., Aguirre, A., Durand, H., Crose, M., & Christofides, P. D. “CFD modeling of a industrial-scale steam methane reforming furnace”. Chemical Engineering Science, 171, 576-598, 2017.
[6] Mehrotra, V., Rosendall, B., Heath, A., & Berkoe, J. “CFD Modeling of Steam Methane Reformer”. In ASME Pressure Vessels and Piping Conference (Vol. 46598, pp. 119-124), 2002.
[7] Tutar, M., Üstün, C. E., Campillo-Robles, J. M., Fuente, R., Cibrián, S., Arzua, I., ... & López, G. A. “Optimized CFD modelling and validation of radiation section of an industrial top-fired steam methane reforming furnace”. Computers & Chemical Engineering, 155, 107504, 2021.
[8] Kumar, A., Baldea, M., & Edgar, T. F. “A physics-based model for industrial steam-methane reformer optimization with non-uniform temperature field”. Computers & Chemical Engineering, 105, 224-236, 2017.
[9] Zamaniyan, A., & Taghi Zoghi, A. “Software development for simulation of reformer furnace”. Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering, 25(4), 55–71, 2006.
[10] Mirvakili, A. “Investigation the effect of emissivity coefficient changing and ceramic coating utilization on the synthesis gas production of steam methane reformer”. Fuel and Combustion, 17(4), 93-112, 2025.
[11] Khajeh Amiri, A., Khajeh Amiri, M. “Two-dimensional heterogeneous simulation of a catalytic reactor for methane steam reforming”. Iranian Journal of Chemical Engineering, 18(103), 32-40, 2019. (in Persian)
[12] Ahmadi, M., Rostami, S. “Investigation of the effect of fuel type change on combustion quality of a high-velocity burner connected to a furnace”. Fuel and Combustion, 17(3), 45-56, 2021. (in Persian)
[13] Karimi, H., Rezaei, M. “Investigation of operational parameter variations to improve hydrogen unit furnace performance for reducing fuel, steam, and energy consumption”. Fuel and Combustion, 17(2), 61-72, 2022. (in Persian)
[14] Samaei, L., Valipour, S., Adeli Koodehi, A. “Investigation of the effect of fuel type change on combustion quality of a high-velocity burner connected to a furnace”. 19th Conference on Computational Fluid Dynamics, 2021. (in Persian)
 [15] Airaksinen, S., Karjalainen, M., Tang, J., & Porter, D. “Utilization of hydrogen fuel in reheating furnace and its effect on oxide scale formation of low-carbon steels”. International Journal of Hydrogen Energy, 49(60), 46652–46666, 2024.
[16] Raei, B., Abbaspour, D., Shahraki, F., “Feasibility Study on the Change of Fuel System and Dual-Fuel Burners in Oil Refinery Furnace”, World Applied Programming, Vol (3), Issue (6), 212-218, June 2013.
[17] Shram, V. G., Shushenacheva, M. A., Kovaleva, M. A., Lysyannikova, N. N., Lysyannikov, A. V., & Kravtsova, E. G. , “A method of reducing the amount of fuel gas during operation of the oil-fire furnaces”. Journal of Physics: Conference Series, 1399(5), 055007, 2019.
[18] Lee, C. L., & Jou, C. J. G. “Saving fuel consumption and reducing pollution emissions for industrial furnace”. Fuel processing technology, 92(12), 2335-2340, 2019.
[19] Semenov, Y. S., Mozharenko, N. M., Gorupakha, V. V., Shumel’chik, E. I., Nasledov, A. V., & Kuznetsov, A. M. “Effect of the fuel, raw materials, and process conditions on the behavior of temperature change in a blast-furnace lining”. Metallurgist, 59(3–4), 290–299, 2015.
[20] Mirvakili, A., Hamoudi, S., Jamekhorshid, A., Gholipour, M., & Karami, R. “CFD simulation and optimization of turning different waste gases into energy in an industrial steam methane reformer”. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 147, 104939, 2023.