بهینه سازی مصرف سوخت
چکیده
با توجه به افزایش مصرف انرژی، محدود بودن منابع طبیعی، حرکت در راستای طرح توسعه پایدار و حفظ محیط زیست بایستی تا حد امکان از هدر رفتن و تلف شدن انرژی جلوگیری شود. در این تحقیق کارهایی که بایستی در این زمینه انجام بگیرد مورد بررسی قرار گرفته و نمونه‌هایی از کارهایی که می‌توان انجام داد به تفضیل ارائه شدهاند. از جمله کارهای علمی و کاربردی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: 1- استفاده از تکنولوژیهای جدید و مواد اولیه بهتر و سازگار با محیط زیست. 2- استفاده بهینه از مواد و بازیابی آنها در صنایع مختلف. 3- بهینه‌سازی واحدهای صنعتی و تولیدی. 4- بالا نگهداشتن قیمت انرژی. 5- یافتن کاربردهای جدید برای موادی که به وفور یافت می‌شوند و فعلاً کم مصرف هستند. 6- استفاده از انرژیهای نو و تجدیدپذیر. 7- آموزش مصرف انرژی به افراد از طریق رسانه‌های ارتباط جمعی. 8- توسعه فرهنگ عامه مردم در جهت مصرف کمتر و بهینه از انرژی.
مقدمه
کشور پهناور ایران دارای منابع و ذخایر بزرگ انرژی است. در حال حاضر تعداد 85 میدان نفتی کشف شده در کشور وجود دارد. از لحاظ ذخایر گازی، ایران دومین مقام را در جهان دارد. ذخایر گازی باقیمانده در ایران در حدود 2616 تریلیون متر مکعب میباشد. منابع دیگر انرژی مثل ذغال سنگ و … نیز در کشور وجود دارد. با توجه به افزایش مصرف انرژی، محدود بودن منابع طبیعی، حرکت در راستای طرح توسعه پایدار و حفظ محیط زیست بایستی تا حدامکان از هدر رفتن و تلف شدن انرژی جلوگیری شود. برای این منظور بایستی در زمینه استفاده بهینه از منابع انرژی در کشور قدم هایی برداشته شود.
واژه بهینه‌سازی ترجمه کلمه optimization است که در ریاضیات مفهوم خاص خود را دارد و در کشور ما نیز در زمینه های مختلف از جمله انرژی مورد استفاده قرار گرفته است. بهینه‌سازی مصرف انرژی برای یک فرایند می‌تواند به صورت موضعی (Local) و یا بصورت جامع (Global) برای یک سیستم که متشکل از چندین فرایند است، انجام شود[1]. بر اساس تئوری بهینه‌سازی، نتیجه بهینه‌سازی برای چندین فرایند به صورت جداگانه الزاما برابر با نتیجه بهینه‌سازی به صورت جامع نیست و بنابر تعریف، بهینه‌سازی به صورت جامع می‌تواند در برگیرنده ترکیبی از دو فرایند و یا چندین فرایند باشد. اعمال بهینه‌سازی بصورت جامع نیاز به درک صحیح دینامیک انرژی بری تجهیزات هر یک از فرایندها دارد و به مراتب پیچیده‌تر از به کارگیری روش بهینه سازی موضعی میباشد. روشهای کنترل که بر اساس دینامیک انرژی بری و نظارت بر تمامی فرایندها کار می‌کنند و یا تکنولوژیPinch که مبتنی بر اصل کاهش مصرف انرژی از طریق ترکیب فرایندها و یا Process integration است، از جمله روشهای بهینه سازی به صورت جامع هستند[2].
به غیر از تقسیم‌بندی روشهای بهینه‌سازی به موضعی و جامع، تقسیم‌بندی دیگری نیز وجود دارد که بر اساس هزینه های لازم برای انجام بهینه‌سازی میباشد و عبارتند از روشهای با هزینه پایین یا بدون هزینه، روشهای با هزینه متوسط و روشهای با هزینه بالا. از روشهای بدون هزینه می توان به موارد زیر اشاره کرد: انتخاب سوخت و یا حامل انرژی بهتر، تنظیم ساعات کاری، تنظیم نورپردازی، تنظیم دمای سیستم آبگرم، تنظیم فشار در سیستمهای هوای فشرده و [2]….
در این تحقیق کارهایی که می‌تواند در زمینه کاهش مصرف انرژی مفید واقع شود در چند گروه دسته‌بندی شده و در هر مورد مثالهایی که از روشهای گفته شده استفاده کرده‌اند و نتیجه مطلوب گرفته‌اند بیان شده است.
پیشنهادات برای کاهش مصرف انرژی
کارهایی که می‌توان برای کاهش مصرف انرژی پیشنهاد داد به شرح زیر می‌باشند.
1- استفاده از تکنولوژیهای جدید و مواد اولیه بهتر و سازگار با محیط زیست
یکی از مواردی که باعث کاهش مصرف انرژی می شود استفاده از تکنولوژیهای جدید و مواد اولیه با کیفیت بالا میباشد. اکثر واحدهایی که در کشور وجود دارند قدیمی بوده و نشتیهای زیادی در قسمتهای مختلف آنها وجود دارد یا راندمان آنها پایین است و بعضی وقتها کیفیت محصولات تولیدی قابل قیاس با مشابه‌های خارجی نیست. لذا بهتر است در مورد صنایع موجود در کشور بررسیهای علمی و دقیق‌تر انجام گیرد تا واحدهایی که انرژی بالایی مصرف می‌کنند شناسایی شوند و در راه تغییر فرایند و کارهای دیگر اقدام شود. از جمله کارهایی که در کشورهای مختلف در این زمینه انجام شده‌است می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1-1- استفاده از MDEA (متیل دی اتانل آمین) در صنایع پالایش گاز و شیرین‌سازی آن: در صورت استفاده از این ماده، ظرفیت واحد بالا، انرژی مورد نیاز کم و در نتیجه کاهش سرمایه‌گذاری را باعث می‌شود. این آمینها می‌توانند تا غلظتهای بالای 50% مورد استفاد قرار گیرند ولی آمینهای خیلی خورنده مثل MEA و DEA حداکثر تا غلظتهای به ترتیب 15 و 30% می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. آمینهای بر پایه MDEA در غلظتهای بالا فعالیت بیشتری برای حذف گازهای اسیدی دارند. بنابراین هر گالن از محلول حجم بالایی از گاز را تصفیه خواهد کرد. همچنین اپراتورها می‌توانند جریان برگشتی را کم کنند و در نتیجه توان کمتری برای کار پمپها لازم است. همچنین در ریبویلر به خاطر اینکه انرژی کمتری برای شکستن پیوند بین آمین و گاز اسیدی لازم است، انرژی کمتر مصرف می شود. انتخاب پذیری بالای MDEA باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود و نیز به علت خاصیت خورندگی کم آن، طول عمر تجهیزات افزایش می‌یابد و هزینه‌های نگهداری نیز کمتر می شود. برای مثال واحدی را در نظر بگیرید که از حلال MDEA برای تصفیه MM scfd 60 گاز طبیعی و حذف سولفید هیدروژن تا کمتر از ppm 4 استفاده می‌کند. در این حالت 9 میلیون Btu بر ساعت انرژی مصرف می شود. اگر از DEA استفاده شود برای تصفیه MM scfd 45 مقدار انرژی مصرفی 16 میلیون Btu بر ساعت خواهد بود. مشاهده می شود که در استفاده از MDEA، 33% گاز بیشتر با 56% انرژی کمتر تصفیه می‌شود و در صورت تبدیل واحد از DEA به MDEA، ظرفیت واحد از 75 به 90 افزایش می‌یابد ]3[. خوشبختانه در پالایشگاه گاز در عسلویه نیز از این ماده استفاده می‌شود.
1-2- استفاده از لامپهای گوگردی: که در محیطهای شهری و هم صنعتی کاربرد خوبی دارند و از لامپهای فلورسنت روشنایی بیشتر و بازده بیشتری دارند. از جمله ایرادهای این محصولات، سمی بودن ترکیبات گوگرد در اثر شکستن و آلوده کردن محیط زیست است. بنابراین آنها در یک محفظه شیشه‌ای محکم تعبیه شدهاند ]4[.
1-3- استفاه از شیشه‌های دوجداره، پنجره‌های PVC و عایق کردن درز پنجره‌ها: عامل اتلاف گرما و سرما در منازل در زمستان و تابستان پنجره‌ها هستند که محل تعبیه، تعداد و نوع آن مهم است. در این زمینه مدل‌سازیهای کامپیوتری و شبیه‌سازیهایی انجام شده‌است. جدیدترین این تحقیقات، تکنولوژی DOE-2.1E است که مفیدترین شبیه‌سازی بوده است.
در این زمینه همچنین می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
استفاده از میکرو ویو برای گرم کردن مواد شیمیایی که علاوه بر کاهش مصرف انرژی، سازگار با محیط زیست نیز میباشد ]5[.
تولید اتیلن گلیکول و پروپیلن گلیکول به روشی که حداقل انرژی را مصرف می کند. با استفاده از این روش 32 تریلیون بی‌تی‌یو انرژی صرفه‌جویی می‌شود ]6[.
2- استفاده بهینه از مواد و بازیابی آنها در صنایع مختلف
در بیشتر صنایع کشور به خاطر ناقص انجام گرفتن واکنشها، قدیمی بودن دستگاهها، تکنولوژیهای قدیمی و تخصصی نبودن مسئولیتها مواد با ارزش زیادی در پسابهای واحدها وارد شده و دور ریخته می‌شوند. در این زمینه هم می‌توان با انجام تحقیقات لازم اقدام به بازیابی این مواد کرد. از کارهای انجام گرفته در این زمینه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
2-1- بازیابی فلزات با ارزش از کاتالیزورهای مستعمل: سالیانه مقدار زیادی از کاتالیزورهای مورد استفاده در صنایع پالایشگاهی و پتروشیمی‌ها به صورت مستعمل انبار می‌شوند که دارای فلزات با ارزشی همچون پلاتین، کبالت، مولیبدن و … می‌باشند. این فلزات قابل بازیابی بوده و بازیافت آنها از لحاظ اقتصادی نیز مقرون به صرفه است و با احداث واحدی می‌توان این کار را انجام داد. در کشورهای مختلف شرکتهایی وجود دارند که به این کار مشغول هستند ]7[.
2-2- بازیابی و استفاده مجدد متانول مصرفی: سالانه حدود 198 میلیون کیلوگرم متانول سمی در آمریکا تولید می شود. برای مثال در واحد خالص‌سازی پروکسید هیدروژن FMC توانسته‌اند با استفاده از روش تقطیر بخار تا 90% متانول را از پساب بازیابی کنند. استفاده از این روش باعث کاهش تولید پسابهای حاوی متانول در حدود 2/2 میلیون پوند بر سال با کاهش مصرف انرژی در حدود 2/19 بیلیون Btu بر سال شده است. بعلاوه این سیستم باعث شده است تا شرکت FMC در هزینه عملیاتی سالیانه‌اش 5/1 میلیون دلار صرفه‌جویی کند. شواهد نشان می دهد که در جاهای دیگر نیز می خواهند از این تکنولوژی استفاده کنند ]8[.
2-3- مصرف بهینه مواد اولیه در صنایع کاغذسازی: معمولا برای ساخت یک تن کاغذ حدود 2 تا 5/3 تن درخت یا چوب مرغوب لازم است. صنایع کاغذسازی در جهان پنجمین مصرف کنده صنعتی انرژی هستند. آب نقش مهمی در صنایع کاغذسازی دارد و بطور عمده‌ای آب در این صنعت مصرف می‌شود که خود باعث آلودگی آب و هوا می شود. به همین دلیل تولید کنندگان کاغذ در فکر راهی برای کاستن از انرژی مورد استفاد و آلودگی کمتر هستند.
3- بهینه‌سازی و مدل کردن واحدهای صنعتی و افزودن تجهیزات اضافی
در این زمینه می‌توان با انجام تغییراتی در واحد و یا اضافه کردن تجهیزاتی و یا انجام کارهایی مثل شبیه‌سازی، مدل‌سازی و کنترل واحدها در مصرف کمتر انرژی، کیفیت بالای محصولات و حداقل کردن هزینه‌ها قدم برداشت. در اغلب واحدهای شیمیایی که واکنشهای شیمیایی صورت می‌گیرد برای بهینه کردن انرژی باید سعی شود که واکنشها تا حد امکان در جهت کامل شدن پیش بروند و از دیگر پارامترها هم مدیریت انرژی است که با مشاهدات و کنترلهای خود می‌تواند فرایندهای پیچیده صنعتی را در جهت بهینه شدن پیش ببرد (مثل انتخاب سیستم، پارامترهای فرایند که باید نشان داده شوند، تجهیزات اندازه‌گیری که باید استفاده شوند و … ). پارامترهای دیگری مثل برنامه کمکهای مالی دولت از دیگر راهکارهای بهینه‌سازی انرژی است. یک اصل کلی برای بهتر شدن کنترل فرایندها این است که کیفیت باید بهتر شود. در 30 سال گذشته به دلیل تمهیداتی که در زمینه محیط زیست و همچنین بازدهی انرژی صورت گرفته، تقریبا مصرف انرژی نصف شده است. در زیر به چند مورد از کارهای انجام شده در این زمینه اشاره می‌شود:
3-1- بهینه‌سازی مصرف انرژی در برجهای تقطیر: در صنعت نفت، برج تقطیر یا واحد تقطیر یکی از کلیدی‌ترین واحدهای مصرف کننده انرژی است که به وسیله شبیه‌سازیها و مدلهای کامپیوتری می‌توان مصرف انرژی را در این بخش به حالت بهینه درآورد. امروزه کاهش مصرف انرژی در عملیات تقطیر در کاهش قیمت تمام شده محصولات بیشتر موثر است ]9[. با توجه به روشهای مختلف موجود می‌توان کلیه فعالیتها در این رابطه را به سه گروه تقسیم‌بندی کرد.
الف- روشهایی که سرمایه مورد نیاز آنها کم است: مثل جریان برگشتی به برج، محل ورودی خوراک، بهبود در تعمیرات و روشهای تعمیراتی، فشار داخل برج (فشار عامل مهمی است که با توجه به دمای آب خنک کننده در دسترس جهت میعان بخارات بالاسری انتخاب می‌گردد. عملیات تقطیر در فشارهای پایین مطلوبتر است. پس در فصل زمستان و فصل بارانی بعلت کاهش دمای محیط و افت دمای برج آب خنک کننده می‌توان فشار برج را کاهش داد).
ب- روشهای با سرمایه‌گذاری متوسط: مثل استفاده از روشهای بازیافت اتلاف حرارتی، عایق کاری، جابجایی سینی‌ها با تجهیزات موثر مشابه ( آکنده های با کارایی بیشتر، با ارتفاع معادل کمتر و افت فشار کمتر).
ج- روشهای با سرمایه‌گذاری بالا: این روشها منجر به بازیافت انرژی زیادتری نسبت به دو مرحله قبل می‌شوند که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد. بهینه‌سازی یا تعویض سیستم کنترل و ابزار دقیق، میعان دو مرحلهای در بخش بالا سری ( در این روش مرحله اول جهت حصول به میعان کافی برای جریان برگردان انجام می‌گیرد و مرحله دوم جهت خنک کردن و استصال محصول کافی مورد استفاده واقع می‌شود).
3-2- اضافه کردن تجهیزاتی برای برای بازیابی انرژی: در بیشتر صنایع می‌توان با افزودن تجهیزاتی انرژی قابل ملاحظه‌ای را بازیابی کرد که از جمله آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
3-2-1- استفاده از توربو اسکرابرها در خروجی دودکشهای صنعتی: این دستگاه به طور همزمان ذرات ریز را می‌گیرد، گاز SO2 را جذب می‌کند و حرارت گازهای خروجی را بازیابی می‌کند. این سیستم شامل فیلتری است که در حین عمل احتراق که گازها به همراه دود در حال خارج شدن از دودکش هستند SO2 را جذب می‌کند و گرمای آن را هم از طریق سنسورهای گیرنده حساس گرما به قسمتهای دیگر دستگاه که نیاز به انرژی گرمایی دارند، می‌رساند ]10[.
3-2-2- استفاده از تکنولوژی HBT (Hydro Ball Technics) برای مبدلهای لوله-پوسته: در مبدلهای لوله-پوسته، در قسمتهای مختلف خواه ناخواه مقداری انرژی گرمایی به هدر می‌رود. تحقیقات نشان داده است که هرچه ضخامت لوله‌ها بیشتر و درصد مکش هم بیشتر شود گرمای بیشتری در این واحدها به هدر می‌رود. پس هم باید روی طراحی و هم استحکام و دوام این قسمتها برای بهینه‌سازی انرژی دقت بالایی منظور شود. یکی دیگر از موارد، رسوب ناخالصیها درون لوله‌هاست که این خود سرعت انتقال گرما را کاهش می‌دهد و ما مجبور هستیم انرژی بیشتری مصرف کرده و بازدهی کمتری داشته باشیم. در این موارد هم اتلاف توان بیشتری داریم و هم زمان برای واکنش شیمیایی و عملیات زیادتر از حد معمول می‌شود. در تکنولوژی HBT توپهای اسفنجی در درون لوله‌های کندانسور نصب می‌شود تا ناخالصیهای سیال در حال گردش را بگیرد و حکم یک فیلتر را دارد و از ته نشین شدن و رسوب این مواد در بدنه داخلی لوله جلوگیری می‌کند و بنابراین ریت حرارتی خوبی داریم و از هدر رفتن انرژی جلوگیری می شود. این مواد براحتی قابل جداسازی هستند و نصب و برداشتن آنها هم کار سختی نیست. از مزایای این تکنولوژی می‌توان به این موارد اشاره کرد: درصد بیشتر تبدیل انرژی، بازده بیشتر تجهیرات عمل کننده، جلوگیری از خوردگی لوله‌های کندانسور، امکان ساختن کندانسورهایی با لوله هایی طویلتر در جریانهای شیمیایی.
ضمناً این سیستم با کنترل PLC-GSM کار می‌کند. در حین عملیات هیچ دستگاهی از کار نمی‌افتد. به هیچ پمپی نیاز نیست و کمبود آب برای فرایند حس نمی شود ]11[.
3-2-3- بازیابی حرارت از گازهای حاصل از دودکشها: برای این منظور یک روش استفاده از مبدلهای حرارتی است. این مبدلها مستقیما در داخل دودکش بویلر قرار داده می‌شوند و از انرژی حرارتی گازهای حاصل از احتراق برای گرم کردن آب ورودی بویلر استفاده می‌کنند و دمای آنرا از 180 درجه فارنهایت به 298 درجه می‌رسانند و دوباره وارد ریبویلر می‌کنند. شکل (1) انرژی بازیابی شده و صرفه‌جویی در مصرف سالیانه سوخت را نشان می‌دهد. شکل (2) شمای کلی بویلر دارای قسمت بازیابی حرارت از گازهای دودکش را نشان می دهد. مبدل حرارتی در این حالت economizer گفته می‌شود. برای نصب اینها، لوله‌کشی، شیرها و تجهیزات کنترلی لازم است. economizer یک مبدل حرارتی گاز به مایع است ]12[.
شکل 1- انرژی بازیابی شده و صرفه‌جویی در مصرف سالیانه سوخت بر حسب بخار تولیدی
شکل 2-کلی بویلر دارای قسمت بازیابی حرارت از گازهای دودکش
4- بالا نگه داشتن قیمت انرژی
اگر انرژی که افراد و صنایع مختلف استفاده می‌کنند قیمت بالایی داشته باشد، در مصرف آن دقت خواهد شد. برای این منظور می‌توان بنزین را که مصرف زیادی در کشور دارد و تقریبا به اندازه کشور چین (که چندین برابر کشور ما جمعیت دارد) مصرف می‌شود به دو قیمت فروخت (تا حد معقولی با قیمت مناسب و بعد از آن با قیمت گرانتر) یا برای وسایل نقلیه عمومی با قیمت ارزانتر در مقایسه با وسایل نقلیه شخصی، تا مردم تشویق شوند از وسایل نقلیه عمومی استفاده کنند. البته این هم مستلزم این است که ناوگان حمل و نقل شهری و جاده‌ای منظم کار کنند. در مصرف آب، برق و گاز منازل نیز می‌توان برای مصارف مختلف قیمتهای مختلفی در نظر گرفت و افرادی را که کم مصرف می‌کنند تشویق و واحدها و افرادی را که ار حد معقول خیلی بیشتر مصرف می‌کنند جریمه کرد.
5- یافتن کاربردهای جدید برای موادی که فعلا کاربرد خاصی ندارند
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 11 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله بهینه سازی مصرف سوخت
