فایر هیترها به عنوان یکی از مهم‌ترین تجهیزات گرمایشی در صنایع پتروشیمی و شیمیایی شناخته می‌شوند. این تجهیزات نقش کلیدی در فرآیندهای صنعتی ایفا می‌کنند و به طور مستقیم در تأمین حرارت مورد نیاز برای گرم کردن سیالات فرآیندی مانند هیدروکربن‌ها به کار می‌روند. به دلیل تأثیر چشمگیر این تجهیزات بر مصرف انرژی، طراحی و بهره‌برداری بهینه از آن‌ها می‌تواند به کاهش هزینه‌های عملیاتی و افزایش بهره‌وری انرژی در صنایع منجر شود.
اهمیت فایر هیترها به حدی است که تقریباً در تمامی مجتمع‌های پتروشیمی حضور دارند و بدون وجود آن‌ها بسیاری از فرآیندهای شیمیایی امکان‌پذیر نخواهد بود. این تجهیزات علاوه بر تأمین حرارت، در بهینه‌سازی مصرف سوخت و کاهش آلایندگی نیز نقش دارند. استانداردهای طراحی و ساخت این دستگاه‌ها به‌طور دقیق تدوین شده است تا علاوه بر عملکرد مؤثر، از ایمنی و پایداری در کارکرد آن‌ها اطمینان حاصل شود.
در این مقاله، به بررسی جامع فایر هیترها پرداخته می‌شود. ابتدا نحوه عملکرد این تجهیزات و اجزاء مختلف آن‌ها توضیح داده می‌شود. سپس انواع مختلف فایرهیترها و نحوه طراحی آن‌ها با استانداردهای بین‌المللی مانند API-560 و ISO-13705 شرح داده خواهد شد. در نهایت، به بررسی اهمیت فایرهیترها در کاهش مصرف انرژی و نقش آن‌ها در صنایع پتروشیمی پرداخته می‌شود.
کارکرد فایر هیترچیست؟
در صنایع شیمیایی و واحدهای پتروشیمی، فایرهیترها برای گرم کردن سیال فرآیندی از جمله هیدروکربن‌ها به کار گرفته می‌شوند. در فایر هیترها، از حرارت حاصل از احتراق سوخت، مستقیماً برای این کار استفاده می‌گردد که دلیل نام‌گذاری آن‌ها نیز همین ویژگی است. فایر هیترها یکی از مهم‌ترین مصرف‌کننده‌های سوخت و انرژی در صنایع هستند به نحوی که 37% از کل انرژی مورد استفاده در صنایع تولیدی آمریکا در این تجهیزات مصرف می‌شود.
نحوه عملکرد فایر هیترها
یک فایر هیتر بسته به اندازه آن، دارای یک یا چندین مشعل است که با سوزاندن سوخت انرژی مورد نیاز آن را تأمین می‌کنند. در امتداد دیواره‌ها و داخل فایر هیتر تعداد زیادی لوله وجود دارند که سیال فرآیندی در داخل آن‌ها جریان پیدا می‌کند. سیال داخل لوله از طریق هر سه مکانیزم تابش، جابهجایی و رسانش حرارت تولید شده توسط مشعل‌ها را جذب کرده و به دمای مورد نظر می‌رسد.
قسمت‌های مختلف فایر هیتر
فایرهیترها تجهیزات نسبتاً بزرگی هستند که از اجزاء و بخش‌های متعددی تشکیل می‌شوند. این تجهیزات در انواع مختلفی طراحی و ساخته می‌شوند، ولی همگی به طور کلی عملکرد مشابهی داشته و بخش‌های اصلی آن‌ها مشابه یکدیگر است. در ادامه، مهم‌ترین قسمت‌های یک فایر هیتر معرفی می‌شوند.
مشعل
یکی از مهم‌ترین قسمت‌های فایرهیتر، مشعل یا مشعل‌های فایرهیترها است که در کف یا دیواره‌های فایر هیتر نصب می‌شوند و وظیفه سوزاندن سوخت به منظور تأمین حرارت مورد نیاز را بر عهده دارند. مشعل‌های فایر هیتر ممکن است از نوع جریان طبیعی یا جریان اجباری باشند.
در صورت استفاده از مشعل‌های جریان طبیعی، هوای مورد نیاز احتراق در مشعل با استفاده از مکش طبیعی فایر هیتر تأمین می‌شود. این مکش طبیعی در اثر نیروی شناوری و اختلاف چگالی گازهای داخل فایر هیتر با هوای محیط بیرون ایجاد می‌گردد و وابسته به ارتفاع و دمای گازهای داخل هیتر است. در مشعل‌های با جریان اجباری، از فن برای ایجاد جریان هوا استفاده می‌شود. در بخش‌های بعد توضیحات بیشتری در خصوص انواع فایرهیترها از نظر نحوه ایجاد جریان هوا و محصولات احتراق ارائه شده است.
مشعل‌های مورد استفاده در فایرهیترها ممکن است به صورت افقی یا عمودی در کف محفظه احتراق یا روی دیواره‌ها نصب شوند. چهار حالت متداول نصب مشعل در فایر هیترها در شکل زیر نشان داده شده است.
مشعل‌های سری RFGB رادمن به طور ویژه برای استفاده در فایر هیترها طراحی شده‌اند به نحوی که با انتشار ناکس بسیار پایین، شعله‌ای متناسب با نیاز این تجهیزات فراهم می‌کنند تا از برخورد شعله با دیواره و آسیب‌های ناشی از آن پیشگیری شود. این مشعل‌ها در سایزهای مختلف قابل تولید بوده و در حالت جریان طبیعی می‌توانند تا MW 8 ظرفیت داشته باشند. همچنین قابلیت استفاده از آن‌ها در حالت جریان اجباری وجود دارد که در این صورت ظرفیت‌های بالاتری را نیز پوشش دهند.
بخش حرارت تابشی (Radiant Section)
در بخش تابشی فایر هیتر، اولین مرحله از انتقال حرارت از شعله مشعل‌ها به سیال فرآیندی انجام می‌گیرد. این قسمت از لوله‌های متعددی تشکیل می‌شود که به صورت افقی، عمودی یا مارپیچ در اطراف مشعل‌ها قرار می‌گیرند و توسط یک دیواره نسوز و عایق محصور می‌گردند. مکانیزم غالب انتقال حرارت در این بخش، مکانیزم تابشی است و حرارت عمدتاً از طریق تابش ناشی از شعله داغ به لوله‌ها منتقل می‌شود. بسته به طراحی فایر هیتر، حدود %85-55 حرارت مورد نیاز در این قسمت دریافت می‌شود.
بخش حرارت جابهجایی (Convection Section)
در قسمت حرارت جابهجایی، مکانیزم اصلی انتقال حرارت از نوع جابهجایی است و نام‌گذاری آن نیز بر همین اساس انجام گرفته است. این بخش از یک مجموعه لوله تشکیل می‌شود که پس از بخش تابشی و به صورت عمود بر مسیر عبور گازهای داغ حاصل احتراق قرار می‌گیرند. سیال فرآیندی ابتدا وارد لوله‌های بخش حرارت جابهجایی شده و قبل از ورود به لوله‌های بخش تابشی، در این قسمت پیش‌گرم می‌شود. محصولات احتراق خروجی بخش تابشی که هنوز دارای دمای بالایی هستند، در این قسمت مقداری از انرژی خود را از دست می‌دهند. در نتیجه، دمای آن‌ها به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.
سپر حرارتی(Shield Section) یا بخش شوک (Shock Section)
بین دو بخش حرارت جابهجایی و تابشی چند ردیف لوله قرار می‌گیرند که از لوله‌های قسمت حرارت جابهجایی در برابر تابش مستقیم شعله محافظت می‌کنند. این قسمت سپر حرارتی نامیده می‌شود.
بریچینگ (Breeching) و دودکش
محصولات احتراق پس از عبور از روی کویل بخش حرارت جابهجایی، به سمت دودکش هدایت می‌شوند و از طریق دودکش به اتمسفر تخلیه می‌شوند. قسمت واسط بین بخش حرارت جابهجایی و دودکش، بریچینگ نامیده می‌شود.
دیواره‌ها
لایه خارجی دیواره‌ها عموماً از ورق‌های فولادی ساخته می‌شود. در سمت داخل، دیواره‌ها و کف دارای لایه‌ای از مواد نسوز و عایق هستند تا علاوه بر مقاوت در برابر حرارت شدید و دمای بالای داخل فایر هیتر، میزان هدررفت انرژی را به حداقل برسانند.
استاندارد طراحی فایر هیتر
فایرهیترهای مورد استفاده در صنایع نفت و گاز مطابق استاندارد API-560 یا معادل آن ISO-13705 طراحی می‌شوند. این استاندارد الزامات و توصیه‌هایی در زمینه طراحی، جنس اجزاء، ساخت، بازرسی، آزمایش و آماده‌سازی این تجهیزات ارائه می‌نماید.
برای آشنایی بیشتر با استاندارد ISO-13705 و جزئیات آن، لطفاً به صفحه مربوط به استاندارد ISO-13705 مراجعه کنید.
همچنین رویه توصیه شده API-RP-535 یکی از متداول‌ترین اسناد مورد استفاده در طراحی مشعل‌های مورد استفاده در فایر هیترها است که مجموعه‌ای از توصیه‌ها و پیشنهادهای فنی را در خصوص این مشعل‌ها ارائه می‌کند.
انواع ساختمان فایر هیتر
فایرهیترها از نظر پیکربندی سازه و لوله‌های بخش تابشی در انواع مختلفی طراحی و ساخته می‌شوند. پیکربندی سازه فایر هیتر ممکن است به شکل استوانه‌ای یا مکعبی باشد و لوله‌های بخش تابشی می‌توانند به صورت افقی، عمودی، مارپیچ یا قوس‌دار نصب شوند. نمونه‌هایی از انواع ساختمان فایر هیترها در شکل زیر نشان داده شده است.
جریان هوا و محصولات احتراق در فایر هیترها
فایر هیترها از نظر نحوه ایجاد جریان هوا و گازهای داغ داخل محفظه به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
جریان طبیعی (Natural Draft): متداول‌ترین طراحی فایرهیترها است که برای ایجاد جریان نیازی به فن ندارد. در این روش، به دلیل چگالی کمتر گازهای داخل هیتر نسبت به هوای محیط، نیروی شناوری موجب ایجاد جریان از پایین به بالا می‌شود. این پدیده که به عنوان اثر دودکشی نیز شناخته می‌شود هوا را از پایین (ورودی مشعل‌ها) مکش کرده و محصولات احتراق را از خروجی دودکش که بالاترین نقطه فایر هیتر است خارج می‌کند. شدت مکش هوا وابسته به دمای گازهای داخل هیتر و ارتفاع آن است.
جریان اجباری (Forced Draft): در این روش، هوا با استفاده از یک فن از محیط مکش شده و به ورودی مشعل‌ها دمیده می‌شود. فن در این حالت، فن FD نامیده می‌شود.
جریان القایی (Induced Draft): در فایرهیترهای با جریان القایی، یک فن هوا را از خروجی هیتر مکش کرده و به داخل اتمسفر تخلیه می‌کند. به فن مورد استفاده در این حالت، فن ID گفته می‌شود.
جریان متعادل (Balanced Draft): این فایرهیترها یک فن FD در ورودی، و یک فن ID در خروجی دارند که هر دو به ایجاد جریان گاز و هوا در هیتر کمک می‌کنند.
اهمیت فایر هیتر در فرآیندهای گرمایشی صنایع پتروشیمی
فایرهیترها یکی از اجزاء اساسی در صنایع شیمیایی و پتروشیمی هستند که سهم بزرگی از انرژی مصرفی در صنعت متعلق به آن‌هاست و لذا بهینه‌سازی آن‌ها می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر مصرف انرژی داشته باشد. در این تجهیزات با سوزاندن گاز طبیعی، گازوئیل و … حرارت تولید شده و سیال فرآیندی مورد نظر گرم می‌شود. فایرهیترها از نظر ساختمان، نحوه قرارگیری لوله‌ها و چگونگی ایجاد جریان هوا دارای انواع مختلفی هستند. به طور کلی، بخش‌های اصلی یک فایر هیتر شامل مشعل‌ها، بخش تابشی، سپر حرارتی، بخش جابهجایی، بریچینگ و دودکش می‌شود.
مشعل‌های سری RFGB رادمن یکی از بهترین گزینه‌ها برای استفاده در فایرهیترهای واحدهای صنعتی هستند که به طور ویژه برای استفاده در این تجهیزات طراحی شده‌اند. این مشعل‌ها علاوه بر طراحی دقیق به منظور تشکیل شعله مناسب، ناکس بسیار کمی تولید کرده و از نظر میزان آلایندگی نیز وضعیتی بسیار بهتر از مشعل‌های قدیمی دارند.
