En la búsqueda de maneras de mejorar la eficiencia de las empresas del sector energético, así como de otras instalaciones industriales que utilizan equipos que queman combustibles fósiles (calderas de vapor, calderas de agua caliente, hornos tecnológicos, etc.), la cuestión del aprovechamiento del potencial de los gases de escape no se plantea en primer lugar.
Mientras tanto, basándose en las normas de cálculo existentes, desarrolladas hace décadas, y en los estándares establecidos para la selección de indicadores clave de rendimiento de dicho equipo, las organizaciones que lo operan están perdiendo dinero, literalmente echándolo por la chimenea, mientras empeoran la situación ecológica a nivel global.
Si, al igual que el equipo de «», considera que es incorrecto perder la oportunidad de cuidar el medio ambiente y la salud de los ciudadanos de su ciudad, mientras se beneficia el presupuesto de la empresa, lea el artículo sobre cómo convertir los gases de escape en un recurso energético.
Estudiamos los estándares
El parámetro clave que determina la eficiencia del equipo de caldera es la temperatura de los gases de escape. El calor perdido con los gases de escape representa una parte significativa de todas las pérdidas térmicas (junto con las pérdidas de calor debido a la combustión química y mecánica incompleta del combustible, las pérdidas de calor por la física de las cenizas, así como las fugas de calor al entorno circundante debido al enfriamiento exterior). Estas pérdidas tienen un impacto decisivo en la rentabilidad de la operación de la caldera, reduciendo su eficiencia. Así, entendemos que cuanto menor sea la temperatura de los gases de escape, mayor será la eficiencia de la caldera.
La temperatura óptima de los gases de escape para diferentes tipos de combustible y parámetros operativos de la caldera se determina en función de cálculos técnico-económicos en la fase más temprana de su creación. En este sentido, la máxima utilización útil del calor de los gases de escape se logra tradicionalmente mediante el aumento de las dimensiones de las superficies de caldeo por convección, así como el desarrollo de superficies posteriores: economizadores de agua, precalentadores de aire regenerativos.
Pero incluso a pesar de la implementación de tecnologías y equipos para la recuperación más completa del calor, la temperatura de los gases de escape, de acuerdo con la normativa vigente, debe estar en el rango de:
- 120-180 °C para calderas de combustible sólido (dependiendo de la humedad del combustible y los parámetros operativos de la caldera),
- 120-160 °C para calderas de fuelóleo (dependiendo del contenido de azufre en el mismo),
- 120-130 °C para calderas de gas natural.
Los valores indicados se han definido considerando factores de seguridad ambiental, pero sobre todo, de acuerdo con los requisitos de operatividad y durabilidad del equipo.
Así, el umbral mínimo se establece de manera que se excluya el riesgo de condensación en la parte convectiva de la caldera y más adelante en la canalización (en los conductos de gases y la chimenea). Sin embargo, para prevenir la corrosión no es necesario sacrificar el calor que se expulsa a la atmósfera en lugar de realizar un trabajo útil.
Corrosión. Excluimos riesgos.
No se disputa, la corrosión es un fenómeno desagradable que puede poner en riesgo la operación segura de la instalación de la caldera y reducir significativamente su vida útil asignada.
Al enfriar los gases de combustión a la temperatura del punto de rocío y por debajo, se produce la condensación de los vapores de agua, junto con los cuales se convierten en estado líquido los compuestos de NOx y SOx, que, al reaccionar con el agua, forman ácidos que afectan destructivamente las superficies internas de la caldera. Dependiendo del tipo de combustible utilizado, la temperatura del punto de rocío ácido puede variar, al igual que la composición de los ácidos que precipitan en forma de condensado. No obstante, el resultado es el mismo: corrosión.
Los gases de escape de calderas que funcionan con gas natural se componen principalmente de los siguientes productos de combustión: vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos inquemados CnHm (los dos últimos aparecen durante la combustión incompleta del combustible, cuando el régimen de combustión no está ajustado).
Dado que el aire atmosférico contiene una gran cantidad de nitrógeno, entre otros, en los productos de combustión aparecen óxidos de nitrógeno NO y NO2, en conjunto denominados NOx, que afectan negativamente al medio ambiente y a la salud humana. Al combinarse con agua, los óxidos de nitrógeno forman ácido nítrico corrosivamente activo.
Al quemar fuel oil y carbón, en los productos de combustión aparecen óxidos de azufre, denominados SOx. Su impacto negativo en el medio ambiente también ha sido ampliamente investigado y no está en duda. El condensado ácido que se forma al interactuar con el agua provoca corrosión ácida en las superficies de calentamiento.
Tradicionalmente, la temperatura de los gases de escape, como se indicó anteriormente, se elige de tal manera que proteja el equipo de la caída de ácido en las superficies de calentamiento de la caldera. Además, la temperatura de los gases debe permitir la condensación de NOx y SOx fuera del conducto de gases para proteger no solo la caldera en sí, sino también los conductos de gas y la chimenea de los procesos de corrosión. Por supuesto, existen ciertas normativas que limitan las concentraciones permitidas de emisiones de óxidos de nitrógeno y azufre, pero esto no elimina el hecho de la acumulación de estos productos de combustión en la atmósfera terrestre y su precipitación en forma de deposiciones ácidas en su superficie.
El azufre presente en el fuel oil y el carbón, así como la pérdida de partículas sólidas no quemadas (incluyendo cenizas), imponen condiciones adicionales para la limpieza de los gases de combustión. La aplicación de sistemas de purificación de gases encarece y complica considerablemente el proceso de recuperación del calor de los gases de combustión, haciendo que tales medidas sean poco atractivas desde el punto de vista económico y, a menudo, prácticamente no rentables.
En algunos casos, las autoridades locales establecen una temperatura mínima de los gases de combustión en la salida de la chimenea con el fin de asegurar una adecuada dispersión de los gases de escape y la ausencia de una antorcha de humo. Además, algunas empresas pueden, por iniciativa propia, adoptar esta práctica para mejorar su imagen, ya que el público en general a menudo interpreta la presencia de una antorcha de humo visible como un signo de contaminación ambiental, mientras que la ausencia de una antorcha de humo puede considerarse como un signo de producción limpia.
Todo esto lleva a que, en ciertas condiciones climáticas, las empresas puedan calentar intencionadamente los gases de escape antes de liberarlos a la atmósfera. Sin embargo, entendiendo la composición de los gases de escape de la caldera que funciona con gas natural (el cual se desglosa en detalle más arriba), se hace evidente que el "humo" blanco que sale de la chimenea (con el ajuste adecuado del modo de combustión) consiste principalmente en vapor de agua, que se forma como resultado de la reacción de combustión del gas natural en la cámara de combustión de la caldera.
Luchar contra la corrosión requiere el uso de materiales que sean resistentes a sus efectos negativos (existen tales materiales y se pueden utilizar en instalaciones que usan gas, productos del refinado de petróleo e incluso residuos como combustible), así como la organización de la recolección, el procesamiento del condensado ácido y su eliminación.
Tecnología
La implementación de un conjunto de medidas para reducir la temperatura de los gases de escape detrás de la caldera en una instalación existente garantiza un aumento en la eficiencia general de toda la unidad que incluye el equipo de caldera, utilizando principalmente la propia caldera (el calor producido en ella).
La esencia de tales soluciones se reduce a una sola idea: en la sección del conducto de gases antes de la chimenea se instala un intercambiador de calor que capta el calor de los gases de escape mediante un medio de enfriamiento (por ejemplo, agua). Esta agua puede ser, tanto el portador de calor final que necesita ser calentado, como un agente intermedio que transfiere calor a través de equipo adicional de intercambio térmico a otro circuito.
El esquema principal se presenta en la figura:
La recolección del condensado que se forma tiene lugar directamente en el volumen de un nuevo aparato intercambiador de calor, que está fabricado de materiales resistentes a la corrosión. Esto se debe a que el umbral de temperatura del punto de rocío para la humedad contenida en los gases de escape se supera precisamente dentro del intercambiador de calor. Así, no solo se utiliza el calor físico de los gases de escape, sino también el calor latente de la condensación del vapor de agua que contienen. El aparato debe ser diseñado de tal manera que su estructura no cause resistencia aerodinámica excesiva y, como consecuencia, empeore las condiciones de funcionamiento del equipo de caldera.
La estructura del intercambiador de calor puede ser un intercambiador de calor recuperativo convencional, donde la transferencia de calor de los gases a los líquidos ocurre a través de una pared separadora, o un intercambiador de calor de contacto, en el que los gases de escape entran en contacto directo con el agua, que se atomiza mediante boquillas en su flujo.
Para el intercambiador de calor recuperativo, resolver el problema del condensado ácido se reduce a organizar su recogida y neutralización. En el caso del intercambiador de calor de contacto, se aplica un enfoque algo diferente, similar a la purga periódica del sistema de agua de reciclaje: a medida que aumenta la acidez del líquido circulante, se extrae una cierta cantidad a un tanque de acumulación, donde se trata con reactivos y luego se destina al desagüe, o se dirige al ciclo tecnológico.
Las aplicaciones individuales de la energía de los gases de escape pueden estar limitadas debido a la diferencia entre la temperatura de los gases y las necesidades de una temperatura específica en la entrada del proceso consumidor de energía. Sin embargo, incluso para situaciones que parecen ser callejones sin salida, se ha desarrollado un enfoque que se basa en tecnologías y equipos de calidad innovadora.
Con el objetivo de aumentar la eficiencia del proceso de recuperación del calor de los gases de escape, en la práctica mundial se utilizan cada vez más soluciones innovadoras basadas en bombas de calor como elemento clave del sistema. En ciertos sectores de la industria (por ejemplo, en bioenergética), tales soluciones se aplican en la mayoría de las calderas puestas en funcionamiento. Ahorros adicionales de recursos energéticos primarios se logran al usar máquinas eléctricas de compresión de vapor no convencionales, sino bombas de calor de bromuro de litio absorbentes (ABTN), que requieren calor para funcionar (a menudo se puede utilizar calor residual que está disponible en exceso en casi cualquier empresa). Este calor de una fuente externa activa el ciclo interno de la ABTN, permitiendo transformar el potencial térmico de los gases de escape y transferirlo a medios más calentados.
Resultado
El enfriamiento de los gases de escape de la caldera utilizando soluciones como estas puede ser bastante profundo, llegando a 30 e incluso 20 °C desde los 120-130 °C iniciales. El calor generado es suficiente para calentar agua para las necesidades de tratamiento químico del agua, alimentación, suministro de agua caliente e incluso redes de calefacción.
El ahorro de combustible puede alcanzar entre el 5 y el 10%, mientras que el aumento de la eficiencia del equipo de caldera se sitúa entre el 2 y el 3%.
Así, la implementación de la tecnología descrita permite abordar varias tareas a la vez. Estas son:
- el uso máximo y útil del calor de los gases de escape (así como del calor oculto de la condensación del vapor de agua),
- la reducción de las emisiones de NOx y SOx a la atmósfera,
- la obtención de un recurso adicional: agua limpia (que encontrará aplicaciones útiles en cualquier empresa, por ejemplo, como alimentación de redes de calefacción y otros circuitos de agua),
- la eliminación de la antorcha de humo (se hace apenas visible o desaparece por completo).
La práctica demuestra que la viabilidad de aplicar soluciones como estas depende principalmente de:
- la posibilidad de utilizar de manera útil el calor disponible de los gases de escape,
- la duración del uso de la energía térmica producida a lo largo del año,
- el costo de los recursos energéticos en la empresa,
- la existencia de un excedente de la concentración máxima permitida de emisiones de NOx y SOx (así como de la severidad de la legislación ambiental local),
- el método de neutralización del condensado y las opciones para su posterior uso.
Fuente: habr.com
