Bei der Suche nach Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz in der Energiebranche sowie in anderen Industrien, die fossile Brennstoffe verbrennen (z.B. Dampfkessel, Heizkessel, Prozessöfen usw.), wird das Potenzial der Abgase zunächst oft nicht in den Vordergrund gestellt.
Allerdings verlieren Betreiber, die sich auf bestehende Berechnungsnormen stützen, die seit Jahrzehnten entwickelt wurden, und auf gängige Standards zur Auswahl von Leistungskennzahlen, im wahrsten Sinne des Wortes Geld, indem sie es durch den Schornstein entlassen und gleichzeitig die globale ökologische Situation verschlechtern.
Wenn auch Sie, wie das Team der „“, es als falsch erachten, die Chance auszulassen, etwas für die Umwelt und die Gesundheit der Bürger Ihrer Stadt zu tun, während das Budget Ihres Unternehmens profitiert, lesen Sie den Artikel darüber, wie Sie Abgase in Energieressourcen umwandeln können.
Wir untersuchen Standards
Ein entscheidender Parameter, der den Wirkungsgrad von Kesselanlagen bestimmt, ist die Temperatur der Abgase. Die Wärme, die durch die Abgase verloren geht, macht einen wesentlichen Teil aller Wärmeverluste aus (neben den Verlusten durch chemische und mechanische Unvollständigkeit der Verbrennung, den Verlusten durch die physikalische Wärme der Schlacken sowie Wärmeverlusten an die Umgebung aufgrund äußerer Kühlung). Diese Verluste haben einen entscheidenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Kesselbetriebs und verringern dessen Wirkungsgrad. Daher ist klar, dass je niedriger die Temperatur der Abgase ist, desto höher die Effizienz des Kessels ist.
Die optimale Temperatur der Abgase für verschiedene Brennstoffe und Betriebsparameter des Kessels wird auf Grundlage technischer und wirtschaftlicher Berechnungen bereits in der frühesten Phase seiner Erstellung festgelegt. Dabei wird eine maximale Nützlichkeit der Wärme aus den Abgasen traditionell durch die Vergrößerung der konvektiven Erwärmungsflächen sowie durch die Entwicklung von Nachheizflächen – Wasserwärmetauschern und regenerativen Luftvorwärmern – erreicht.
Trotz der Implementierung von Technologien und Ausstattungen zur optimalen Nutzung der Wärme muss die Temperatur der Abgase gemäß den geltenden Normen im Bereich von liegen:
- 120-180 °C für feste Brennstoffe (je nach Feuchtigkeit des Brennstoffs und den Betriebsparametern des Kessels),
- 120-160 °C für Heizölkessel (abhängig vom Schwefelgehalt),
- 120-130 °C für Erdgasheizkessel.
Diese Werte berücksichtigen Umweltaspekte, basieren jedoch in erster Linie auf den Anforderungen an die Betriebssicherheit und Langlebigkeit der Geräte.
Der Mindestwert wird so festgelegt, dass das Risiko der Kondensatbildung im konvektiven Teil des Kessels und anschließend im gesamten Trakt (in den Abgasleitungen und Schornsteinen) ausgeschlossen wird. Um Korrosion zu vermeiden, ist es jedoch nicht erforderlich, die Wärme, die in die Atmosphäre abgegeben wird, zu opfern, anstatt nützliche Arbeit zu verrichten.
Korrosion. Risiken ausschließen
Wir stimmen zu, dass Korrosion ein unangenehmes Phänomen ist, das die sichere Funktion einer Kesselanlage gefährden und ihre Lebensdauer erheblich verkürzen kann.
Wenn die Abgase auf die Taupunkttemperatur abgekühlt werden oder darunter, kommt es zur Kondensation von Wasserdampf, wobei auch NOx- und SOx-Verbindungen in flüssiger Form übergehen. Diese reagieren mit Wasser und bilden Säuren, die zerstörerisch auf die Innenflächen des Boilers wirken. Abhängig von der Art des verbrannten Brennstoffs kann die Temperatur des Säuretaupunkts variieren, ebenso wie die Zusammensetzung der Säuren, die als Kondensat ausfallen. Das Ergebnis ist jedoch immer dasselbe – Korrosion.
Die Abgase von Gasboilern bestehen hauptsächlich aus folgenden Verbrennungsprodukten: Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten brennbaren Kohlenwasserstoffen CnHm (die letzten beiden entstehen bei unvollständiger Verbrennung des Brennstoffs, wenn der Brennprozess nicht optimiert ist).
Da die Atemluft einen hohen Stickstoffgehalt aufweist, entstehen in den Abgasen unter anderem die Stickoxide NO und NO2, zusammenfassend als NOx bezeichnet, die schädliche Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit des Menschen haben. In Verbindung mit Wasser bilden die Stickoxide die korrosiv wirkende Salpetersäure.
Bei der Verbrennung von Heizöl und Kohle entstehen die als SOx bezeichneten Schwefeloxide in den Abgasen. Ihre negative Wirkung auf die Umwelt ist ebenfalls gut erforscht und unbestreitbar. Die bei der Reaktion mit Wasser entstehende saure Kondensat sorgt für sulfide Korrosion von Heizflächen.
Traditionell wird die Temperatur der Abgase, wie oben gezeigt, so gewählt, dass die Ausrüstung vor der Ablagerung von Säuren auf den Heizflächen des Boilers geschützt wird. Darüber hinaus muss die Temperatur der Gase die Kondensation von NOx und SOx außerhalb des Gastraktes gewährleisten, um nicht nur den Boiler selbst, sondern auch die Abgase und den Schornstein vor Korrosionsprozessen zu schützen. Natürlich gibt es bestimmte Normen, die die zulässigen Konzentrationen von Stickstoff- und Schwefeloxiden regulieren, aber das mindert keineswegs die Ansammlung dieser Verbrennungsprodukte in der Erdatmosphäre und ihre Ablagerung in Form von sauren Niederschlägen auf der Erdoberfläche.
Der im Heizöl und Kohle enthaltene Schwefel sowie der Transport unverbrennbarer Partikel festen Brennstoffs (einschließlich Asche) stellen zusätzliche Anforderungen an die Reinigung der Abgase. Der Einsatz von Gasreinigungssystemen erhöht die Kosten erheblich und verkompliziert den Prozess der Wärmeverwertung der Abgase, was solche Maßnahmen aus wirtschaftlicher Sicht wenig attraktiv und oft praktisch unrentabel macht.
In einigen Fällen legen lokale Behörden eine Mindesttemperatur der Abgase am Schornstein fest, um eine adäquate Verteilung der Abgase zu gewährleisten und das Auftreten eines Rauchschwades zu vermeiden. Darüber hinaus können einige Unternehmen aus eigenem Antrieb solche Praktiken anwenden, um ihr Image zu verbessern, da die breite Öffentlichkeit das Vorhandensein eines sichtbaren Rauchschwades oft als Hinweis auf Umweltverschmutzung interpretiert, während das Fehlen eines Rauchschwades als Zeichen für saubere Produktion angesehen werden kann.
All dies führt dazu, dass Unternehmen unter bestimmten Wetterbedingungen bewusst die Abgase vor dem Ausstoß in die Atmosphäre erwärmen. Wenn man die Zusammensetzung der Abgase eines auf Erdgas betriebenen Kessels versteht (wie oben detailliert beschrieben), wird klar, dass der weiße „Rauch“, der aus dem Schornstein kommt (bei richtiger Einstellung des Verbrennungsmodus), größtenteils aus Wasser-dampfen besteht, die durch die Verbrennung von Erdgas im Kessel entstehen.
Der Kampf gegen Korrosion erfordert den Einsatz von Materialien, die gegenüber ihren negativen Auswirkungen resistent sind (solche Materialien existieren und können in Anlagen verwendet werden, die Gas, Produkte aus der Erdölverarbeitung und sogar Abfälle als Brennstoff nutzen), sowie die Organisation der Sammlung, Aufbereitung und Entsorgung von saurem Kondensat.
Technologie
Die Implementierung eines Maßnahmenpakets zur Senkung der Abgastemperatur hinter dem Kessel in einem bestehenden Betrieb erhöht den Wirkungsgrad der gesamten Anlage, die aus dem Kesselaggregat besteht, wobei in erster Linie der Kessel selbst (die in ihm erzeugte Wärme) genutzt wird.
Das Konzept solcher Lösungen beruht im Wesentlichen auf einem Punkt: Im Gasweg vor dem Schornstein wird ein Wärmeübertrager installiert, der die Wärme der Abgase von einem Kühlmedium (zum Beispiel Wasser) aufnimmt. Dieses Wasser kann sowohl direkt das Endwärmeträgermedium sein, das beheizt werden muss, als auch ein intermediärer Agent, der Wärme durch zusätzliches Wärmeübertragungsgerät an einen anderen Kreislauf überträgt.
Das grundlegende Schema ist in der Abbildung dargestellt:
Die Sammlung des kondensierenden Wassers erfolgt direkt im Volumen des neuen Wärmetauschers, der aus korrosionsbeständigen Materialien gefertigt ist. Dies liegt daran, dass der Temperaturbereich der Taupunkttemperatur für die Feuchtigkeit in den Abgasen genau im Inneren des Wärmetauschers überschritten wird. So wird nicht nur die physikalische Wärme der Abgase optimal genutzt, sondern auch die latente Wärme der darin enthaltenen Wasserdämpfe. Das Gerät selbst muss so ausgelegt sein, dass seine Konstruktion keinen übermäßigen aerodynamischen Widerstand aufweist und somit die Betriebsbedingungen der Heizungsaggregate nicht verschlechtert werden.
Die Konstruktion des Wärmetauschers kann entweder ein gewöhnlicher regenerativer Wärmetauscher sein, bei dem der Wärmetransfer von Gasen zu Flüssigkeiten durch eine Trennwand erfolgt, oder ein Kontaktwärmetauscher, in dem die Abgase direkt mit dem Wasser in Kontakt kommen, das durch Düsen in ihren Strom versprüht wird.
Für einen rekaptierenden Wärmeübertrager besteht die Lösung für das Problem der sauren Kondensate darin, deren Sammlung und Neutralisierung zu organisieren. Bei einem Kontaktwärmeübertrager wird hingegen ein ganz anderer Ansatz verfolgt, der in mancher Hinsicht mit der periodischen Entlüftung des Rückwassersystems vergleichbar ist: Wenn die Acidität der zirkulierenden Flüssigkeit zunimmt, wird ein Teil davon in einen Sammelbehälter abgezogen, wo sie mit Reagenzien behandelt und anschließend entweder in die Abwasserkanalisation entsorgt oder in den technologischen Zyklus geleitet wird.
Bestimmte Anwendungen der Energie aus Abgasen können aufgrund des Unterschieds zwischen der Temperatur der Gase und den Anforderungen an eine bestimmte Eingangstemperatur im energienutzenden Prozess eingeschränkt sein. Für solche scheinbar ausweglosen Situationen wurde jedoch ein Ansatz entwickelt, der auf qualitativ neuen Technologien und Ausrüstungen basiert.
Um die Effizienz der Wärmeabfuhr aus Abgasen zu steigern, kommen in der globalen Praxis zunehmend innovative Lösungen auf der Basis von Wärmepumpen als zentrale Bestandteile von Systemen zum Einsatz. In bestimmten Industriesektoren, wie der Bioenergie, werden solche Lösungen bei den meisten neu in Betrieb genommenen Kesseln eingesetzt. Dabei wird eine zusätzliche Einsparung der primären Energieressourcen erreicht, indem nicht traditionelle dampfkraftbetriebene elektrische Maschinen, sondern zuverlässigere und technologisch fortschrittlichere absorptive bromid-lithium Wärmepumpen (ABTN) verwendet werden, die für ihren Betrieb keine elektrische Energie, sondern Wärme benötigen (häufig kann dies ungenutzte Abwärme sein, die in nahezu jedem Unternehmen in Übermaß vorhanden ist). Diese Wärme eines externen Heizungsanlagens aktiviert den internen Zyklus der ABTN, wodurch das vorhandene Temperaturpotenzial der Abgase umgewandelt und auf wärmere Medien übertragen werden kann.
Ergebnis
Die Kühlung der Abgase eines Boilers mit solchen Lösungen kann durchaus tiefgreifend sein – bis zu 30 und sogar 20 °C von anfänglichen 120-130 °C. Die gewonnene Wärme ist ausreichend, um Wasser für die chemische Wasseraufbereitung, die Nachspeisung, die Warmwasserversorgung und sogar für die Fernwärme zu erhitzen.
Die Kraftstoffeinsparung kann dabei 5-10 % erreichen, während der Wirkungsgrad der Kesselaggregate um 2-3 % steigt.
Somit ermöglicht die Einführung der beschriebenen Technologie die gleichzeitige Lösung mehrerer Aufgaben. Dazu gehören:
- die möglichst vollständige und nützliche Nutzung der Wärme der Abgase (sowie der latenten Wärme der Wasserdampfkondensation),
- die Reduzierung der NOx- und SOx-Emissionen in die Atmosphäre,
- die Gewinnung einer zusätzlichen Ressource – gereinigtem Wasser (das in jedem Unternehmen sinnvoll genutzt werden kann, beispielsweise zur Nachspeisung von Fernwärmenetzen und anderen Wasserkreisläufen),
- die Beseitigung des Rauchfackels (sie wird kaum sichtbar oder verschwindet ganz).
Die Praxis zeigt, dass die Sinnhaftigkeit solcher Lösungen in erster Linie von der Möglichkeit der nützlichen Verwertung der vorhandenen Wärme der Abgase abhängt.
- die Möglichkeiten der sinnvollen Nutzung der Abwärme von Abgasen,
- Nutzungsdauer der gewonnenen Wärmeenergie im Jahr,
- Kosten der Energiequellen im Unternehmen,
- Vorhandensein einer Überschreitung der zulässigen Emissionskonzentration für NOx und SOx (sowie der Strenge der lokalen Umweltgesetzgebung),
- Methode zur Neutralisierung des Kondensats und Möglichkeiten seiner weiteren Verwendung.
Quelle: habr.com
