Възстановяване на топлина от димни газове: екология с предимства

Когато се търсят начини за повишаване на ефективността на предприятията в енергийния сектор, както и на други промишлени съоръжения, които използват оборудване, което изгаря изкопаеми горива (парни, водогрейни котли, технологични пещи и др.), въпросът за използването на потенциала на димоотвода газове не се повдигат на първо място.

Междувременно, разчитайки на съществуващите стандарти за изчисление, разработени преди десетилетия, и установените стандарти за избор на ключови показатели за ефективност на такова оборудване, експлоатационните организации губят пари, буквално ги хвърлят в канализацията, като същевременно влошават екологичната ситуация в глобален мащаб.

Ако, като командата "Първи инженер“, смятате, че е грешно да пропуснете възможността да се погрижите за околната среда и здравето на жителите на вашия град с ползи за бюджета на предприятието, прочетете статията за това как да превърнете димните газове в енергиен ресурс.  

Изучаване на стандарти

Основният параметър, който определя ефективността на котелния агрегат, е температурата на димните газове. Топлината, загубена с отработените газове, представлява значителна част от всички топлинни загуби (заедно с топлинните загуби от химическо и механично недоизгаряне на гориво, загуби с физическа топлина от шлаки, както и изтичане на топлина в околната среда поради външно охлаждане). Тези загуби оказват решаващо влияние върху ефективността на котела, намалявайки неговата ефективност. Така разбираме, че колкото по-ниска е температурата на димните газове, толкова по-висока е ефективността на котела.

Оптималната температура на димните газове за различни видове гориво и експлоатационни параметри на котела се определя на базата на технико-икономически изчисления в най-ранния етап на неговото създаване. В същото време максималното полезно използване на топлината на отработените газове традиционно се постига чрез увеличаване на размера на конвективните нагревателни повърхности, както и развитието на опашни повърхности - водни економайзери, регенеративни въздушни нагреватели.

Но дори въпреки въвеждането на технологии и оборудване за най-пълно оползотворяване на топлината, температурата на димните газове, съгласно действащата нормативна документация, трябва да бъде в диапазона:

• 120-180 °C за котли на твърдо гориво (в зависимост от съдържанието на влага в горивото и работните параметри на котела),
• 120-160 °C за котли, работещи с мазут (в зависимост от съдържанието на сяра в него),
• 120-130 °C за котли на природен газ.

Посочените стойности се определят, като се вземат предвид факторите за безопасност на околната среда, но основно въз основа на изискванията за производителност и издръжливост на оборудването.

По този начин минималният праг е зададен така, че да елиминира риска от кондензация в конвективната част на котела и по-нататък по канала (в димоотводите и комина). Въпреки това, за да се предотврати корозията, изобщо не е необходимо да се жертва топлина, която се отделя в атмосферата, вместо да върши полезна работа.

Корозия. Елиминирайте рисковете

Ние не твърдим, че корозията е неприятно явление, което може да застраши безопасната работа на котелна инсталация и значително да съкрати предвидения й експлоатационен живот.

Когато димните газове се охлаждат до температурата на оросяване и по-ниска, възниква кондензация на водни пари, заедно с които съединенията на NOx и SOx преминават в течно състояние, което при реакция с вода образува киселини, които имат разрушителен ефект върху вътрешните повърхности на котела. В зависимост от вида на изгореното гориво температурата на киселинната точка на оросяване може да варира, както и съставът на киселините, утаени като кондензат. Резултатът обаче е същият - корозия.

Отработените газове на котлите, работещи на природен газ, се състоят главно от следните продукти на горене: водна пара (H2O), въглероден диоксид (CO2), въглероден оксид (CO) и неизгорели запалими въглеводороди CnHm (последните два се появяват при непълно изгаряне на горивото, когато режимът на горене не е регулиран).

Тъй като атмосферният въздух съдържа голямо количество азот, наред с други неща, азотните оксиди NO и NO2, наричани общо NOx, се появяват в продуктите на горенето, които имат вредно въздействие върху околната среда и човешкото здраве. Когато се комбинират с вода, азотните оксиди образуват корозивна азотна киселина.

При изгаряне на мазут и въглища в продуктите на горенето се появяват серни оксиди, наречени SOx. Отрицателното им въздействие върху околната среда също е широко изследвано и не подлежи на съмнение. Киселинният кондензат, образуван при взаимодействие с вода, причинява сярна корозия на нагревателните повърхности.

Традиционно температурата на димните газове, както е показано по-горе, се избира по такъв начин, че да предпази оборудването от киселинни утайки върху нагревателните повърхности на котела. Освен това температурата на газовете трябва да осигурява кондензация на NOx и SOx извън газовия път, за да се предпази не само самият котел, но и димоотводите с комина от корозионни процеси. Разбира се, има определени стандарти, ограничаващи допустимите концентрации на емисии на азотни и серни оксиди, но това по никакъв начин не отменя факта, че тези продукти на горене се натрупват в земната атмосфера и изпадат под формата на киселинни валежи на нейната повърхност .

Сярата, съдържаща се в мазута и въглищата, както и увличането на неизгорели частици от твърдо гориво (включително пепел) налагат допълнителни условия за пречистване на димните газове. Използването на системи за пречистване на газ значително увеличава цената и сложността на процеса на оползотворяване на топлината от димните газове, което прави такива мерки слабо привлекателни от икономическа гледна точка и често практически нерентабилни.

В някои случаи местните власти определят минимална температура на димните газове в устието на комина, за да осигурят адекватно разпръскване на димните газове и липса на шлейф. Освен това някои фирми могат доброволно да възприемат такива практики, за да подобрят имиджа си, тъй като широката общественост често тълкува наличието на видим дим като знак за замърсяване на околната среда, докато липсата на дим може да се разглежда като знак за чистота. производство.

Всичко това води до факта, че при определени метеорологични условия предприятията могат специално да загряват димните газове, преди да ги пуснат в атмосферата. Въпреки че, разбирайки състава на отработените газове на котел, работещ с природен газ (той е обсъден подробно по-горе), става очевидно, че белият „дим“, който идва от комина (ако режимът на горене е правилно конфигуриран), е предимно водна пара, образувана в резултат на реакцията на изгаряне на природен газ в пещта на котела.

Борбата с корозията изисква използването на материали, които са устойчиви на нейните отрицателни ефекти (такива материали съществуват и могат да се използват в инсталации, които използват газ, петролни продукти и дори отпадъци като гориво), както и организацията на събиране, преработка на киселинни кондензат и неговото изхвърляне.

Технология

Въвеждането на набор от мерки за намаляване на температурата на димните газове зад котела в съществуващо предприятие осигурява повишаване на ефективността на цялата инсталация, която включва котелния агрегат, използвайки преди всичко самия котел (топлина генерирани в него).

Концепцията на такива решения по същество се свежда до едно нещо: в участъка на димоотвода до комина е монтиран топлообменник, който абсорбира топлината на димните газове с охлаждаща среда (например вода). Тази вода може да бъде или директно крайната охлаждаща течност, която трябва да се нагрее, или междинен агент, който пренася топлина чрез допълнително топлообменно оборудване към друга верига.

Схематичната диаграма е показана на фигурата:

Полученият кондензат се събира директно в обема на новия топлообменник, който е изработен от устойчиви на корозия материали. Това се дължи на факта, че температурният праг на точката на оросяване за влагата, съдържаща се в обема на отработените газове, се преодолява именно вътре в топлообменника. По този начин се използва полезно не само физическата топлина на димните газове, но и латентната топлина на кондензация на съдържащата се в тях водна пара. Самото устройство трябва да бъде проектирано по такъв начин, че дизайнът му да не осигурява прекомерно аеродинамично съпротивление и в резултат на това да влошава условията на работа на котелния агрегат.

Конструкцията на топлообменника може да бъде или конвенционален рекуперативен топлообменник, при който преносът на топлина от газове към течност става през разделителна стена, или контактен топлообменник, в който димните газове влизат в пряк контакт с вода, която се пръска от дюзи в техния поток.

За рекуперативен топлообменник решаването на проблема с киселинния кондензат се свежда до организирането на неговото събиране и неутрализиране. В случай на контактен топлообменник се използва малко по-различен подход, донякъде подобен на периодичното прочистване на циркулационната водоснабдителна система: с увеличаване на киселинността на циркулиращата течност определено количество от нея се поема в резервоара за съхранение, където обработва се с реагенти с последващо изхвърляне на вода в дренажната система или чрез насочване в технологичния цикъл.

Някои приложения на енергия от димни газове могат да бъдат ограничени поради разликите между температурата на газовете и специфичните изисквания за температура на входа на енергоемкия процес. Но дори и за подобни на пръв поглед безизходни ситуации е разработен подход, който разчита на качествено нови технологии и оборудване.

За да се повиши ефективността на процеса на оползотворяване на топлината от димните газове, в световната практика все повече се използват иновативни решения, базирани на термопомпи, като основен елемент на системата. В някои промишлени сектори (напр. биоенергия), такива решения се използват при повечето пуснати в експлоатация котли. Допълнителни спестявания на първични енергийни ресурси в този случай се постигат чрез използването не на традиционни електрически машини за компресиране на пара, а на по-надеждни и технологично напреднали абсорбционни термопомпи с литиев бромид (ABTH), които изискват топлина, а не електричество, за да работят (често това може да бъде неизползвана отпадна топлина, която присъства в изобилие в почти всяко предприятие). Тази топлина от отоплителен източник на трета страна активира вътрешния цикъл ABTH, който ви позволява да трансформирате наличния температурен потенциал на димните газове и да го прехвърлите в по-нагрята среда.

Резултат

Охлаждането на димните газове на котела с такива решения може да бъде доста дълбоко - до 30 и дори 20 °C от първоначалните 120-130 °C. Получената топлина е напълно достатъчна за загряване на вода за нуждите на химическата обработка на водата, подхранването, топлото водоснабдяване и дори отоплителната мрежа.

В този случай икономията на гориво може да достигне 5÷10%, а повишаването на ефективността на котелния агрегат може да достигне 2÷3%.

По този начин прилагането на описаната технология позволява решаването на няколко проблема наведнъж. Това:

• най-пълното и полезно използване на топлината на димните газове (както и латентната топлина на кондензация на водни пари),
• намаляване на емисиите на NOx и SOx в атмосферата,
• получаване на допълнителен ресурс - пречистена вода (която може да се използва полезно във всяко предприятие, например като захранване за отоплителни мрежи и други водни вериги),
• премахване на димната струя (става едва видима или изчезва напълно).

Практиката показва, че осъществимостта на използването на такива решения зависи преди всичко от:

• възможността за полезно оползотворяване на наличната топлина от димните газове,
• продължителност на използване на получената топлинна енергия за година,
• цената на енергийните ресурси в предприятието,
• наличието на превишаване на максимално допустимата концентрация на емисии за NOx и SOx (както и строгостта на местното законодателство в областта на околната среда),
• метод за неутрализиране на кондензат и възможности за по-нататъшното му използване.

Източник: www.habr.com