Al buscar formas de aumentar la eficiencia de las empresas del sector energético, así como de otras instalaciones industriales que utilizan equipos que queman combustibles fósiles (vapor, calderas de agua caliente, hornos de proceso, etc.), surge la cuestión del aprovechamiento del potencial de los gases de combustión. Los gases no aumentan en primer lugar.
Mientras tanto, al depender de los estándares de cálculo existentes desarrollados hace décadas y de los estándares establecidos para seleccionar los indicadores clave de desempeño de dichos equipos, las organizaciones operativas pierden dinero, literalmente arrojándolos por el desagüe, empeorando simultáneamente la situación ambiental a escala global.
Si, como el comando "“Si cree que está mal perder la oportunidad de cuidar el medio ambiente y la salud de los habitantes de su ciudad con beneficios para el presupuesto de la empresa, lea el artículo sobre cómo convertir los gases de combustión en un recurso energético.
Estudiar estándares
El parámetro clave que determina la eficiencia de una caldera es la temperatura de los gases de combustión. El calor perdido con los gases de escape constituye una parte importante de todas las pérdidas de calor (junto con las pérdidas de calor por la quema química y mecánica del combustible, las pérdidas con el calor físico de las escorias, así como las fugas de calor al medio ambiente debido al enfriamiento externo). Estas pérdidas inciden decisivamente en el rendimiento de la caldera, reduciendo su eficiencia. Así, entendemos que cuanto menor sea la temperatura de los gases de combustión, mayor será el rendimiento de la caldera.
La temperatura óptima de los gases de combustión para diferentes tipos de combustible y los parámetros de funcionamiento de la caldera se determina sobre la base de cálculos técnicos y económicos en la etapa más temprana de su creación. Al mismo tiempo, el aprovechamiento máximo del calor de los gases de escape se logra tradicionalmente aumentando el tamaño de las superficies de calentamiento por convección, así como desarrollando las superficies de cola: economizadores de agua, calentadores de aire regenerativos.
Pero incluso a pesar de la introducción de tecnologías y equipos para la recuperación más completa del calor, la temperatura de los gases de combustión, según la documentación reglamentaria vigente, debe estar en el rango:
- 120-180 °C para calderas de combustible sólido (dependiendo del contenido de humedad del combustible y de los parámetros de funcionamiento de la caldera),
- 120-160 °C para calderas que utilizan fueloil (dependiendo del contenido de azufre),
- 120-130 °C para calderas de gas natural.
Los valores indicados se determinan teniendo en cuenta factores de seguridad ambiental, pero principalmente en base a los requisitos de rendimiento y durabilidad del equipo.
Por tanto, el umbral mínimo se establece de forma que se elimine el riesgo de condensación en la parte convectiva de la caldera y más adelante a lo largo del conducto (en los conductos de humos y en la chimenea). Sin embargo, para prevenir la corrosión no es necesario sacrificar calor, que se libera a la atmósfera en lugar de realizar un trabajo útil.
Corrosión. Eliminar riesgos
No pretendemos que la corrosión sea un fenómeno desagradable que pueda poner en peligro el funcionamiento seguro de una instalación de caldera y acortar significativamente su vida útil prevista.
Cuando los gases de combustión se enfrían hasta la temperatura del punto de rocío o menos, se produce la condensación de vapor de agua, junto con la cual los compuestos de NOx y SOx pasan a un estado líquido que, al reaccionar con el agua, forman ácidos que tienen un efecto destructivo en el interior. superficies de la caldera. Dependiendo del tipo de combustible quemado, la temperatura del punto de rocío del ácido puede variar, así como la composición de los ácidos precipitados como condensado. El resultado, sin embargo, es el mismo: corrosión.
Los gases de escape de las 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 inflamables no quemados CnHm (los dos últimos aparecen durante la combustión incompleta del combustible cuando el modo de combustión no está ajustado).
Dado que el aire atmosférico contiene una gran cantidad de nitrógeno, entre otras cosas, en los productos de combustión aparecen óxidos de nitrógeno NO y NO2, denominados colectivamente NOx, que tienen un efecto perjudicial sobre el medio ambiente y la salud humana. Cuando se combinan con agua, los óxidos de nitrógeno forman ácido nítrico corrosivo.
Cuando se queman fuel oil y carbón, aparecen óxidos de azufre llamados SOx en los productos de la combustión. Su impacto negativo sobre 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 por azufre en las superficies calefactoras.
Tradicionalmente, la temperatura de los gases de combustión, como se muestra arriba, se selecciona de tal manera que proteja el equipo de la precipitación ácida en las superficies calefactoras de la caldera. Además, la temperatura de los gases debe garantizar la condensación de NOx y SOx fuera del recorrido del gas para proteger no sólo la propia caldera, sino también los conductos de humos con la chimenea de los procesos de corrosión. Por supuesto, existen ciertas normas que limitan las concentraciones permitidas de emisiones de óxidos de nitrógeno y azufre, pero esto no niega de ninguna manera el hecho de que estos productos de combustión se acumulan en la atmósfera terrestre y caen en forma de precipitación ácida sobre su superficie. .
El azufre contenido en el fueloil y el carbón, así como el arrastre de partículas no quemadas de combustible sólido (incluidas las cenizas), imponen condiciones adicionales para la purificación de los gases de combustión. El uso de sistemas de purificación de gases aumenta significativamente el costo y la complejidad del proceso de utilización del calor de los gases de combustión, lo que hace 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 boca de la chimenea para garantizar una dispersión adecuada de los gases de combustión y que no haya columnas. Además, algunas empresas pueden adoptar voluntariamente estas prácticas para mejorar su imagen, ya que el público en general suele interpretar la presencia de una columna de humo visible como un signo de contaminación ambiental, mientras que la ausencia de una columna de humo puede verse como un signo de limpieza. producción.
Todo esto lleva al hecho de que, bajo determinadas condiciones climáticas, las empresas pueden calentar especialmente los gases de combustión antes de liberarlos a la atmósfera. Aunque, al comprender la composición de los gases de escape de una caldera que funciona con gas natural (esto se analiza en detalle anteriormente), resulta obvio que el "humo" blanco que sale de la chimenea (si el modo de combustión está configurado correctamente) es en su mayor parte vapor de agua formado como resultado de la reacción de combustión del gas natural en el horno de la caldera.
La lucha contra la corrosión requiere el uso de materiales resistentes a sus efectos negativos (tales materiales existen y pueden usarse en instalaciones que utilizan gas, productos petrolíferos e incluso desechos como combustible), así como la organización de la recolección, procesamiento de ácidos. Condensado y su eliminación.
Tecnología
La introducción de un conjunto de medidas para reducir la temperatura de los gases de combustión detrás de la caldera en una empresa existente garantiza un aumento en la eficiencia de toda la instalación, que incluye la unidad de caldera, utilizando, en primer lugar, la propia caldera (el calor generado en él).
El concepto de este tipo de soluciones se reduce esencialmente a una cosa: en la sección del conducto de humos hasta la chimenea se instala un intercambiador de calor que absorbe el calor de los gases de combustión con un medio refrigerante (por ejemplo, agua). Esta agua puede ser directamente el refrigerante final que debe calentarse o un agente intermedio que transfiere calor a través de equipos de intercambio de calor adicionales a otro circuito.
El diagrama esquemático se muestra en la figura:
El condensado resultante se acumula directamente en el volumen del nuevo intercambiador de calor, que está fabricado con materiales resistentes a la corrosión. Esto se debe al hecho de que el umbral de temperatura del punto de rocío para la humedad contenida en el volumen de los gases de escape se supera precisamente en el interior del intercambiador de calor. De este modo, no sólo se aprovecha de forma útil el calor físico de los gases de combustión, sino también el calor latente de condensación del vapor de agua contenido en ellos. El aparato en sí debe diseñarse de tal manera que su diseño no proporcione una resistencia aerodinámica excesiva y, como resultado, deteriore las condiciones de funcionamiento de la unidad de caldera.
El diseño del intercambiador de calor puede ser un intercambiador de calor recuperativo convencional, en el que la transferencia de calor de los gases al líquido se produce a través de una pared divisoria, o un intercambiador de calor de contacto, en el que los gases de combustión entran en contacto directamente con el agua, que es rociada por boquillas en su flujo.
Para un intercambiador de calor recuperativo, resolver el problema del condensado ácido se reduce a organizar su recolección y neutralización. En el caso de un intercambiador de calor de contacto, se utiliza un enfoque ligeramente diferente, algo similar a la purga periódica del sistema de suministro de agua en circulación: a medida que aumenta la acidez del líquido en circulación, una cierta cantidad se lleva al tanque de almacenamiento, donde se trata con reactivos y luego se vierte agua al sistema de drenaje o se dirige al ciclo tecnológico.
Ciertas aplicaciones de la energía de los gases de combustión pueden verse limitadas debido a las diferencias entre la temperatura de los gases y los requisitos de temperatura específicos en la entrada del proceso que consume energía. Sin embargo, incluso para situaciones aparentemente sin salida, se ha desarrollado un enfoque que se basa en tecnologías y equipos cualitativamente nuevos.
Para aumentar la eficiencia del proceso de recuperación de calor de los gases de combustión, en la práctica mundial se utilizan cada vez más soluciones innovadoras basadas en bombas de calor como elemento clave del sistema. En determinados sectores industriales (por ejemplo, la bioenergía), este tipo de soluciones se utilizan en la mayoría de las calderas puestas en servicio. En este caso, se logran ahorros adicionales en recursos de energía primaria mediante el uso no de máquinas eléctricas tradicionales de compresión de vapor, sino de bombas de calor de absorción de bromuro de litio (ABTH), más confiables y tecnológicamente avanzadas, que requieren calor en lugar de electricidad para funcionar (a menudo esto puede ser calor residual no utilizado, que abunda en casi cualquier empresa). Este calor de una fuente de calefacción de terceros activa el ciclo ABTH interno, que le permite transformar el potencial de temperatura disponible de los gases de escape y transferirlo a ambientes más cálidos.
resultado
El enfriamiento de los gases de combustión de las calderas con estas soluciones puede ser bastante profundo: hasta 30 o incluso 20 °C respecto de los 120-130 °C iniciales. El calor resultante es suficiente para calentar agua para las necesidades de tratamiento químico del agua, reposición, suministro de agua caliente e incluso la red de calefacción.
En este caso, el ahorro de combustible puede alcanzar el 5÷10% y el aumento de la eficiencia de la caldera puede alcanzar el 2÷3%.
Así, la implementación de la tecnología descrita permite solucionar varios problemas a la vez. Este:
- el aprovechamiento más completo y beneficioso del calor de los gases de combustión (así como del calor latente de condensación del vapor de agua),
- reducción de las emisiones de NOx y SOx a la atmósfera,
- obtener un recurso adicional: agua purificada (que puede usarse de manera útil en cualquier empresa, por ejemplo, como alimento para redes de calefacción y otros circuitos de agua),
- eliminación de la columna de humo (se vuelve apenas visible o desaparece por completo).
La práctica demuestra que la viabilidad de utilizar este tipo de soluciones depende principalmente de:
- la posibilidad de utilizar de forma útil el calor disponible procedente de los gases de combustión,
- duración del uso de la energía térmica recibida por año,
- el costo de los recursos energéticos en la empresa,
- la presencia de exceder la concentración máxima permitida de emisiones de NOx y SOx (así como la severidad de la legislación ambiental local),
- un método para neutralizar el condensado y opciones para su uso posterior.
Fuente: habr.com