Enhancement of thermal efficiency of a natural gas furnace in a petrochemical plant

Abstract

Çalışma iki kısımdan oluşmaktadır. İlk kısmında İzmir'de bir petrokimya fabrikasında mevcut bulunan aromatik hidrokarbon fırının ısıl veriminin arttırılması hedeflenmiştir. Sistemde yer alan mevcut hava ön-ısıtıcısı (APH) ile baca gazı çıkış sıcaklığı 259C'ye düşürülebilmektedir. Verimin arttırılması için bu sıcaklığın daha da düşürülmesi gereklidir. Bu amaçla iki yöntem ele alınmıştır: 1) Mevcut APH'de alan artışı, 2) APH sonrasına konulacak atık ısı kazanı (WHB). Yapılan hesaplamalar sonucunda ilk yöntemin ekonomik açıdan uygun bulunmadığı görülmüş, kayda değer yakıt tasarrufunun ancak çok yüksek alan artışlarıyla sağlanabileceği sonucuna varılmıştır. Öte yandan ikinci yöntemde; tesisin ihtiyacına yönelik miktarda düşük-orta basınçlı buhar üretiminin APH'ye kıyasla toplamda daha küçük ısı transfer alanı gerektirdiği ve sistemin toplam veriminin bu yöntemle daha düşük maliyetlerle, daha yüksek değerlere çıkabileceği tespit edilmiştir. Çalışmanın 2. kısmında ise gerçek işletme verileri kullanılarak sistemin klasik ve ileri ekserji analizi yapılmıştır. Fırının klasik ekserji verimi % 41.4 olarak hesaplanmış; ileri ekserji veriminin ise yapılacak uygun modifikasyonlarla ancak % 52.4'e çıkabileceği görülmüştür. Hava önısıtıcısının ekserji verimi % 37.0 olarak bulunmuş, ileri ekserji analizinde kaçınılabilir kayıpların belirlenmesiyle birimin ekserji veriminin % 83.5'e çıkabileceği sonucuna varılmıştır. Aynı şekilde alternatif atık ısı kazanı için klasik ekserji verimi % 45.7 iken ulaşabileceği maksimum ekserji verimi % 62.8 olarak hesaplanmıştır.

This study consists two parts. In the first part, it was aimed to improve the thermal efficiency of an aromatic hydrocarbon furnace placed in a petrochemical plant located in Aliağa, İzmir. Exit temperature of the flue (stack) gas is being descreased to 259 °C by an air preheater (APH) existing in the plant. To increase the system effciency this temperature should be further decreased. For this purpose, two processes were investigated. 1) Increasing heat transfer area of existing APH, 2) placing a waste heat boiler after APH and it was seen that first method was not economically appropriate, since the remarkable fuel saving can only be achieved in very high area increase. In the second process, producing medium-low pressure steam, requires less heat transfer area in comparison with the first process and thermal efficiency of the combined system attains higher values with lower costs. In the second part of the study, the system was investigated from the second law of thermodynamics point of view. Conventional exergy efficiency of the furnace was calculated as 41.4%. By appling advanced exergy analysis, exergy efficiency of the unit can be increased up to 52.4% with suitable modifications. Conventional exergy efficiency of the air preheater was found as 37.0% and it was concluded that by improving working conditions and determining avoidable irreversibilities, the exergy efficiency of APH can be increased up to 83.5%. Likewise, for WHB, it was seen that conventional exergy efficieny was 45.7% and advanced exergy efficiency was 62.8%.