В търсене на начини за повишаване на ефективността на енергийния сектор, както и на други промишлени обекти, използващи оборудване, което изгаря изкопаеми горива (парни, водогрейни котли, технологични печки и др.), въпросът за използването на потенциала на димните газове не се поставя на първо място.
Междувременно, опирайки се на съществуващите норми за изчисление, разработени преди десетилетия, и утвърдените стандарти за избор на ключови показатели за работа на подобно оборудване, експлоатиращите организации губят пари, буквално изпускайки ги в тръбата, и в същото време влошавайки екологичната обстановка в глобален мащаб.
Ако, както екипът на «», вие считате, че е неправилно да оставяте възможността да се погрижите за околната среда и здравето на жителите на вашия град с полза за бюджета на предприятието, прочетете статията за това как да превърнете димните газове в енергийни ресурси.
Изучаваме стандартите
Ключовият параметър, определящ КПД на котелната установка, е температурата на отработените газове. Топлината, която се губи с отработените газове, представлява значителна част от всички топлинни загуби (наред с загубите на топлина от химичното и механичното недогоряване на горивото, загубите с физическото топло на шлаките, както и течовете на топлина в околната среда в резултат на външно охлаждане). Тези загуби оказват решаващо влияние върху икономичността на работа на котела, като намаляват неговото КПД. Така осъзнаваме, че колкото по-ниска е температурата на димните газове, толкова по-висока е ефективността на котела.
Оптималната температура на отработените газове за различни видове горива и работни параметри на котела се определя на основата на технико-икономически изчисления на самия ранен етап от неговото създаване. При това максимално полезното използване на топлината на отработените газове традиционно се постига чрез увеличаване на размерите на конвективните повърхности на нагряване, а също така и развитието на хвостовите повърхности – водни икономайзерни устройства, регенеративни въздухоуправители.
Но дори и при внедряване на технологии и оборудване за най-пълна утилизация на топлината, температурата на отработените газове съгласно действащата нормативна документация трябва да бъде в диапазона:
- 120-180 °С за котли на твърдо гориво (в зависимост от влажността на горивото и работните параметри на котела),
- 120-160 °С за котли на мазут (в зависимост от съдържанието на сяра в него),
- 120-130 °С за котли на природен газ.
Посочените стойности са определени с оглед на факторите на екологичната безопасност, но преди всичко, в съответствие с изискванията за работоспособност и дълговечност на оборудването.
Така минималният праг се задава по такъв начин, за да се изключи рискът от кондензация в конвективната част на котела и по-нататък в тракта (в газходовете и комина). Все пак, за предотвратяване на корозията, не е необходимо да се жертва топлината, която се извежда в атмосферата вместо да бъде използвана полезно.
Корозия. Изключваме рисковете.
Не оспорваме, корозията е неприятно явление, способно да застраши безопасната работа на котелната инсталация и значително да съкрати предвидения за нея експлоатационен срок.
При охлаждане на димните газове до температурата на точката на роза и под, настъпва кондензация на водните пари, заедно с които преминават в течна форма и съединенията NOx, SOx, които, встъпвайки в реакция с вода, образуват киселини, разрушително въздействащи на вътрешните повърхности на котела. В зависимост от типа на изгаряното гориво, температурата на киселинната точка на роза може да бъде различна, както и съставът на киселините, които се отделят под формата на кондензат. Резултатът, все пак, е един – корозия.
Изходящите газове на котлите, работещи на природен газ, основно се състоят от следните продукти на горенето: водни пари (Н2О), въглероден диоксид (СО2), въглероден оксид (СО) и неизгорели горими въглеводороди СnHm (последните два се появяват при непълно изгаряне на горивото, когато режимът на горене не е настроен).
Тъй като в атмосферния въздух се съдържа голямо количество азот, сред другото, в продуктите на горенето се появяват оксиди на азота NO и NO2, обобщено наричани NOx, които вредят на околната среда и здравето на хората. Свързвайки се с вода, оксидите на азота образуват корозионно активна азотна киселина.
При изгарянето на мазут и въглища в продуктите на горенето се образуват оксиди на серния, наречени SOx. Нейното негативно въздействие върху околната среда също е широко изследвано и не подлежи на съмнение. Киселинният кондензат, образуващ се при взаимодействие с водата, предизвиква сернистата корозия на повърхностите на нагревателите.
Традиционно, температурата на излизащите газове, както беше показано по-горе, се избира така, че да защити оборудването от образуването на киселина на повърхностите на нагревателя на котела. Освен това, температурата на газовете трябва да осигури кондензация на NOx и SOx извън газовия тракт, за да защити не само самия котел, но и газопроводите и комина от корозионни процеси. Разбира се, съществуват определени норми, ограничващи допустимите концентрации на изхвърлянето на оксиди на азота и серния, но това не отменя факта за натрупването на тези продукти на горенето в атмосферата на Земята и падането им под формата на киселинни дъждове върху повърхността ѝ.
Сярата, съдържаща се в мазута и въглищата, както и отнасянето на незабелени частици твърдо гориво (включително пепел) поставят допълнителни изисквания за пречистването на димните газове. Използването на системи за газоочистка значително увеличава разходите и усложнява процеса на оползотворяване на топлината от димните газове, което прави подобни мерки малко привлекателни от икономическа гледна точка, а често и практически неокупаеми.
В някои случаи местните власти определят минимална температура на димните газове в устията на тръбите с цел осигуряване на адекватно разсейване на излизащите газове и отсъствие на димна факла. Освен това, някои предприятия могат по собствена инициатива да прилагат подобна практика за подобряване на имиджа си, тъй като широката общественост често интерпретира наличието на видима димна факла като признак на замърсяване на околната среда, докато отсъствието на димна факла може да се разглежда като признак на чисто производство.
Всичко това води до това, че при определени метеорологични условия предприятията могат умишлено да нагряват димните газове преди да ги изпуснат в атмосферата. Въпреки това, разбирате състава на изхвърлените газове от котела, работещ на природен газ (който е подробно разгледан по-горе), става очевидно, че белият "дим", който излиза от комина (при правилна настройка на режима на горене), всъщност е предимно водни пари, образувани в резултат на реакцията на горене на природния газ в котелната камера.
Борбата с корозията изисква използването на материали, устойчиви на нейното негативно влияние (такива материали съществуват и могат да се прилагат в инсталации, използващи газ, продукти от рафиниране на нефт и дори отпадъци), както и организиране на събиране, преработка на кисел кондензат и неговото обезвреждане.
Технология
Внедрението на комплекс от мерки за намаляване на температурата на димните газове зад котела в съществуващо предприятие осигурява увеличаване на КПД на цялата инсталация, в която е включен котелният агрегат, използвайки най-вече самия котел (топлината, генерирана в него).
Концепцията на такива решения, по същество, се свежда до едно: на участъка газопровода преди димната тръба се инсталира топлообменник, който абсорбира топлината на димните газове с помощта на охлаждаща среда (например, вода). Тази вода може да бъде както директно крайният топлоносител, който трябва да се нагрее, така и междинен агент, който предава топлина чрез допълнително топлообменно оборудване на друга верига.
Основната схема е показана на изображението:
Събирането на образувания кондензат става директно в обема на новия топлообменен апарат, който е изработен от корозионно-устойчиви материали. Това е обусловено от факта, че температурата на точката на роса за влагата, съдържаща се в обема на изхвърлените газове, се преодолява именно вътре в топлообменника. По този начин, полезно се използва не само физическата топлина на димните газове, но и скритата топлина на кондензацията на съдържащите се в тях водни пари. Самият апарат трябва да бъде проектиран така, че конструкцията му да не създава прекомерно аеродинамично съпротивление и, в следствие на това, да не влошава условията на работа на котелния агрегат.
Конструкция на топлообменния апарат може да бъде или обикновен рекуперативен топлообменник, при който преносът на топлина от газовете към течността става чрез разделителна стена, или контактния топлообменник, при който димните газове влизат в директен контакт с водата, която се разпръсква от дюзи в техния поток.
За рекуперативния топлообменник решаването на проблема с киселинния кондензат се сведе до организиране на неговото събиране и неутрализиране. В случай на контактния топлообменник подходът е малко по-различен и напомня по нещо на периодичното изпразване на системата за оборотна водоснабдяване: с увеличаване на киселинността на циркулиращата течност, известно количество от нея се отнема в акумулаторен съд, където се обработва с реагенти с последваща утилизация на водата в дренажната канализация или насочване на нея в технологичния цикъл.
Отделните приложения на енергията от димните газове могат да бъдат ограничени поради разликата между температурата на газовете и нуждите от определена температура на входа на енергийно потребяващия процес. Въпреки това, и за такива, на пръв поглед безизходни ситуации, е разработен подход, който се основава на качествено нови технологии и оборудване.
С цел повишаване на ефективността на процеса по утилизация на топлината от димните газове в световната практика като ключов елемент на системата все по-често се прилагат иновационни решения на базата на термопомпи. В определени сектори на промишлеността (например в биоенергетиката) такива решения се прилагат на повечето въвеждани в експлоатация котли. Допълнителна икономия на първични енергийни ресурси в този случай се постига благодарение на използването на нетрадиционни парокомпресионни електрически машини, а на по-надеждни и технологични абсорбционни бромисто-литиеви термопомпи (АБТН), на които им е необходимо не електричество, а топлина (често това може да бъде неизползвано излишно топло, което е в изобилие на почти всяко предприятие). Такова топло от външен отоплителен източник активизира вътрешния цикъл на АБТН, който позволява преобразуването на разполагаемия температурен потенциал на напускащите газове и неговото предаване на по-нагряти среди.
Резултат
Охлаждането на изходящите газове от котела с прилагането на подобни решения може да бъде доста дълбоко – до 30 и дори 20 °С от първоначалните 120-130 °С. Получената топлина напълно е достатъчна, за да загрее водата за нуждите на химическата водоподготовка, за подпитка, горещо водоснабдяване и дори за топлоснабдяване.
Спестяването на гориво в този случай може да достига 5÷10 %, а повишаването на КПД на котелния агрегат – 2÷3 %.
По този начин внедряването на описаната технология позволява решаването на няколко задачи едновременно. Това е:
- максимално пълно и полезно използване на топлината от димните газове (както и на скритата топлина от кондензацията на водните пари),
- намаляване на обема на емисиите NOx и SOx в атмосферата,
- получаване на допълнителен ресурс – пречистена вода (която ще намери полезно приложение в всяко предприятие, например, за подпитка на топлоснабдителната мрежа и други водни контури),
- елиминиране на димния факел (той става едва различим или изчезва напълно).
Практиката показва, че целесъобразността на прилагането на подобни решения зависи преди всичко от:
- възможността за полезна утилизация на наличната топлина от димните газове,
- продължителността на използване на получената топлинна енергия в годината,
- цената на енергийните ресурси в предприятието,
- наличието на превышение на пределно допустимата концентрация на емисии по NOx и SOx (както и от строгостта на местното екологично законодателство),
- способа за неутрализиране на кондензата и възможностите за по-нататъшното му използване.
Източник: habr.com
