В търсене на начини за повишаване на ефективността на предприятията в енергийния сектор и други индустриални обекти, които използват съоръжения, изгарящи fósилни горива (паровидни, водогрейни котли, технологични пещи и т.н.), въпросът за използването на потенциала на димни газове не се поставя на първо място.
Междувременно, опирайки се на съществуващите норми за разчет, разработени преди десетки години, и установените стандарти за избор на ключови показатели за работа на подобно оборудване, експлоатиращите организации губят пари, буквално изхвърляйки ги в тръбата, като едновременно влошават екологичната обстановка в глобален мащаб.
Ако, както и екипът на «», смятате, че е неправилно да пропуснете възможността да се погрижите за околната среда и здравето на жителите на вашия град, в полза на бюджета на предприятието, прочетете статията за това как да превърнете димните газове в енергийен ресурс.
Изучаваме стандартите
Ключовият показател, определящ КПД на котелното устройство, е температурата на отработените газове. Топлината, загубена с отработените газове, представлява значителна част от всички топлинни загуби (наред с загубите на топлина от химическото и механично недоизгаряне на горивото, загуби от физическата топлина на шлаковете, както и загуби на топлина в околната среда поради външно охлаждане). Тези загуби оказват решаващо влияние върху икономичността на работата на котела, намалявайки неговия КПД. Следователно, разбираме, че колкото по-ниска е температурата на димните газове, толкова по-висока е ефективността на котела.
Оптималната температура на отработените газове за различни видове гориво и работни параметри на котела се определя на основата на технико-икономически разчети на самия най-ранен етап от създаването му. В същото време, максимално полезното използване на топлината на отработените газове традиционно се постига чрез увеличаване на размерите на конвективните повърхности за нагряване, а също и чрез развитие на хвостовите повърхности – водни икономайзери, регенеративни нагреватели на въздуха.
Но дори и при внедряването на технологии и оборудване за най-пълна утилизация на топлината, температурата на отработените газове според действащата нормативна документация трябва да бъде в диапазона:
- 120-180 °C за котли на твърдо гориво (в зависимост от влажността на горивото и работните параметри на котела),
- 120-160 °C за котли на мазут (в зависимост от съдържанието на сяра в него),
- 120-130 °C за котли на природен газ.
Посочените стойности са определени с оглед на факторите за екологична безопасност, но най-вече, в зависимост от изискванията за работоспособност и дълготрайност на оборудването.
Минималният праг е зададен по такъв начин, че да се изключи рискът от кондензация в конвективната част на котела и по-нататък в тракта (в газоходите и комина). Въпреки това, за предотвратяване на корозия не е задължително да се жертва топлината, която се изхвърля в атмосферата, вместо да се използва за полезна работа.
Корозия. Избягваме рисковете
Неоспоримо, корозията е неприятно явление, способно да постави под заплаха безопасната работа на котелното съоръжение и съществено да скъси определения му експлоатационен срок.
При охлаждане на димните газове до температура на точката на росата и по-ниско, настъпва кондензация на водна пара, заедно с която преминават в течна форма и съединения NOx, SOx, които, реагирайки с вода, образуват киселини, разрушително въздействащи на вътрешните повърхности на котела. В зависимост от типа гориво, температурата на киселинната точка на росата може да бъде различна, както и състава на киселините, образуващи се като кондензат. Резултатът, обаче, е един и същ - корозия.
Газовете на котлите, работещи на природен газ, основно се състоят от следните продукти на горенето: водна пара (H2O), въглероден диоксид (CO2), монооксид на въглерода (CO) и незгорели въглеводороди CnHm (последните две се появяват при непълно изгаряне на горивото, когато процесът на горене не е настроен).
Понеже в атмосферния въздух има голямо количество азот, в продуктите на горенето се появяват оксиди на азота NO и NO2, обобщено наричани NOx, които имат пагубно въздействие върху околната среда и здравето на човека. Комбинирайки се с вода, оксидите на азота образуват корозионно активна азотна киселина.
При изгаряне на мазут и въглища в продуктите на горенето се образуват оксиди на сер sulfur, известни като SOx. Негативното им въздействие върху околната среда е обширно проучено и не подлежи на съмнение. Киселинният кондензат, образуван при взаимодействието с вода, причинява сернист корозия на повърхностите на нагревателите.
Традиционно температурата на отработените газове, както беше показано по-горе, се избира по такъв начин, че да защити оборудването от падане на киселина върху повърхностите на нагревателя на котела. Освен това температурата на газовете трябва да осигури кондензация на NOx и SOx извън газовия тракт, за да се защити не само самият котел, но и газоотводите с комина от корозионни процеси. Разбира се, съществуват определени норми, които ограничават допустимите концентрации на емисии на оксиди на азота и сер sulfur, но това не отменя факта за натрупването на тези продукти на горенето в атмосферата на Земята и тяхното сыпление под форма на киселинни валежи на нейната повърхност.
Сярният оксид, съдържащ се в мазута и въглищата, както и носенето на неизгорени частици от твърдото гориво (включително пепел) налагат допълнителни условия за почистване на димните газове. Приложението на системи за пречистване на газ може значително да увеличи разходите и да усложни процеса на рециклиране на топлината на димните газове, което прави подобни мерки слабо привлекателни от икономическа гледна точка и често почти неосъществими.
В някои случаи местните власти определят минимална температура на димните газове в устията на тръбите с цел осигуряване на адекватно разсейване на отработените газове и отсъствие на димна факела. Освен това, някои предприятия могат по собствена инициатива да прилагат подобна практика за подобряване на имиджа си, тъй като широка общественост често интерпретира наличието на видим димен факел като признак на замърсяване на околната среда, докато отсъствието на димна факела може да се разглежда като признак на чисто производство.
Всичко това води до това, че при определени метеорологични условия предприятията могат нарочно да затоплят димните газове преди да ги изпуснат в атмосферата. Въпреки това, разбирайки състава на изпускаемите газове на котела, работещ на природен газ (който е подробно описан по-горе), става очевидно, че белият «дим», който излиза от тръбата (при правилна настройка на режима на горенето), е предимно водни пари, образуващи се в резултат на реакцията на горене на природния газ в котела.
Борбата с корозията изисква използването на материали, устойчиви на нейното негативно въздействие (такива материали съществуват и могат да се използват в установки, използващи газ, продукти от рафинерията и дори отпадъци), както и организация на събирането, преработката на киселия кондензат и неговата утилизация.
Технология
Внедряването на комплекс от мерки за намаляване на температурата на димните газове след котела в съществуващото предприятие осигурява увеличаване на КПД на цялата установка, в която влиза котелният агрегат, най-вече, като се използва самият котел (топлината, генерирана в него).
Концепцията на такива решения, по същество, се свежда до едно: в участъка на газопровода преди димната тръба се монтира топлообменник, който възприема топлината на димните газове с охлаждаща среда (например, вода). Тази вода може да бъде както директно крайният топлоносител, който трябва да се затопли, така и междинен агент, който предава топлината чрез допълнително топлообменническо оборудване на друг контур.
Принципната схема е представена на изображението:
Събирането на образуващия се кондензат се извършва непосредствено в обема на новия топлообменен апарат, който е изработен от корозионно-устойчиви материали. Това е обусловено от факта, че температурният праг на точката на кондензация за влагата, съдържаща се в обема на изпускаемите газове, се преодолява именно вътре в топлообменника. По този начин, 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 разчетен по такъв начин, че неговата конструкция да не предизвиква прекомерно аеродинамично съпротивление и, следователно, да влошава условията на работа на котелния агрегат.
Конструкция на топлообменното устройство може да бъде или обикновен рекуперативен топлообменник, където преносът на топлина от газовете към течността става чрез разделителна стена, или контактно топлообменник, при който димните газове директно контактстват с водата, която е разпръсната чрез喷嘴 в техния поток.
За рекуперативния топлообменник решаването на проблема с киселинния кондензат се свежда до организиране на неговото събиране и неутрализиране. При контактния топлообменник се прилага малко по-различен подход, който до известна степен наподобява периодичното изпускане на системата за рециркулация на водата: с увеличаване на киселинността на циркулиращата течност, известно количество от нея се взима в натрупващ резервоар, където се обработва с реагенти, последвано от утилизацията на водата в дренажната канализация или насочването й в технологичния цикъл.
Отделни приложения на енергията от димните газове могат да бъдат ограничени поради разликата между температурата на газовете и нуждите от определена температура на входа на процеса на енергийна консумация. 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 на оползотворяване 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 отделни сектори на промишлеността (например, в биоенергетиката) такива решения се използват при повечето новопостроени котли. Допълнителната икономия на първични енергийни ресурси в този случай се постига чрез използването на нетрадиционни парокомпресионни електрически машини, а не по-надеждни и технологични абсорбционни бромисто-литиеви термопомпи (АБТН), които за работа изискват не електрическа енергия, а топлина (често това може да бъде неупотребяваното отпадъчно топло, което изобилства в почти всяко предприятие). Такова топло от външен източник активизира вътрешния цикъл на АБТН, който позволява преобразуването на наличния температурен потенциал на отработените газове и предаването му на по-нагрявани среди.
Резултат
Охлаждането на отработените газове на котела с подобни решения може да бъде достатъчно дълбоко – до 30 и дори 20 °C от първоначалните 120-130 °C. Получената топлина е напълно достатъчна, за да се загрее вода за нуждите на химическата подготовка на вода, допълването, горещото водоснабдяване и дори за топлинните мрежи.
Икономията на гориво при това може да достигне 5÷10 %, а увеличаването на КПД на котелното агрегат – 2÷3 %.
Така внедрението на описаната технология позволява да се решат 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 на NOx и SOx в атмосферата,
- получаване на допълнителен ресурс – пречистена вода (която ще намери полезно приложение в всяко предприятие, например за допълване на топлинните мрежи и други водни контури),
- ликвидиране на димния факел (той става едва забележим или изчезва напълно).
Практиката показва, че целесъобразността на прилагането на подобни решения в най-голяма степен зависи от:
- възможността за полезна утилизация на наличната топлина от димните газове,
- продължителността на използването на получената топлинна енергия в годината,
- цената на енергийните ресурси в предприятието,
- наличието на превишение на допустимата концентрация на емисии по NOx и SOx (както и от строгостта на местното екологично законодателство),
- начините за неутрализиране на кондензата и вариантите за неговото по-нататъшно използване.
Източник: habr.com
