À la recherche de moyens d'améliorer l'efficacité des entreprises du secteur énergétique, ainsi que d'autres installations industrielles utilisant des équipements brûlant des combustibles fossiles (chaudières à vapeur, chaudières à eau, fours technologiques, etc.), la question de l'utilisation du potentiel des gaz d'échappement n'est pas soulevée en priorité.
Cependant, en s'appuyant sur des normes de calcul existantes, élaborées il y a des décennies, et sur des standards établis pour le choix des indicateurs clés de performance de ce type d'équipement, les organisations exploitantes perdent de l'argent en les laissant littéralement s'échapper dans les conduits, tout en aggravant la situation écologique à l'échelle mondiale.
Si, comme l'équipe de «», vous pensez qu'il est inacceptable de manquer l'opportunité de protéger l'environnement et la santé des habitants de votre ville tout en bénéficiant aux budgets des entreprises, lisez cet article sur comment transformer les gaz d'échappement en ressource énergétique.
Étudions les normes
Le paramètre clé déterminant le rendement de la chaudière est la température des gaz d'échappement. La chaleur perdue avec les gaz d'échappement représente une part significative de toutes les pertes thermiques (aux côtés des pertes de chaleur dues à la combustion incomplète du combustible, des pertes dues à la chaleur physique des scories, ainsi que des fuites thermiques dans l'environnement dues au refroidissement extérieur). Ces pertes ont un impact crucial sur l'efficacité économique du fonctionnement de la chaudière, réduisant son rendement. Ainsi, nous comprenons que plus la température des gaz d'échappement est basse, plus l'efficacité de la chaudière est élevée.
La température optimale des gaz d'échappement pour différents types de combustibles et paramètres de fonctionnement de la chaudière est déterminée sur la base de calculs techno-économiques dès les premières étapes de sa création. Dans ce cas, l'utilisation maximale de la chaleur des gaz d'échappement est traditionnellement atteinte par l'augmentation des surfaces de convection de chauffage, ainsi que par le développement des surfaces terminales : économiseurs d'eau et préchauffeurs de combustion.
Mais même avec l'introduction de technologies et d'équipements pour la récupération maximale de chaleur, la température des gaz d'échappement selon la documentation normative en vigueur doit se situer dans la plage suivante :
- 120-180 °C pour les chaudières à combustible solide (selon l'humidité du combustible et les paramètres opérationnels de la chaudière),
- 120-160 °C pour les chaudières à mazout (en fonction de la teneur en soufre),
- 120-130 °C pour les chaudières à gaz naturel.
Les valeurs indiquées sont déterminées en tenant compte des facteurs de sécurité environnementale, mais avant tout, en fonction des exigences de fonctionnement et de durabilité de l'équipement.
Ainsi, le seuil minimal est fixé de telle sorte qu'il exclue le risque de condensation dans la partie convective de la chaudière et plus loin dans le conduit (dans les conduits de gaz et la cheminée). Cependant, pour prévenir la corrosion, il n'est pas du tout nécessaire de sacrifier la chaleur qui est rejetée dans l'atmosphère au lieu d'effectuer un travail utile.
Corrosion. Éliminons les risques.
Nous ne débattons pas, la corrosion est un phénomène désagréable, pouvant menacer la sécurité de fonctionnement de l'installation de chaudière et réduire considérablement sa durée de vie prévue.
Lors du refroidissement des gaz de combustion à la température du point de rosée et en dessous, la condensation de la vapeur d'eau se produit, accompagnée de la transition à l'état liquide des composés NOx, SOx, qui, en réagissant avec l'eau, forment des acides, ayant un impact destructeur sur les surfaces internes de la chaudière. Selon le type de combustible brûlé, la température du point de rosée acide peut varier, tout comme la composition des acides qui se retrouvent sous forme de condensat. Le résultat, cependant, est le même : la corrosion.
Les gaz d'échappement des chaudières fonctionnant au gaz naturel se composent principalement des produits de combustion suivants : vapeur d'eau (H2O), dioxyde de carbone (CO2), monoxyde de carbone (CO) et hydrocarbures combustibles non brûlés CnHm (les deux derniers apparaissent lors de la combustion incomplète du combustible, lorsque le mode de combustion n'est pas réglé).
Étant donné que l'air atmosphérique contient une grande quantité d'azote, parmi d'autres, des oxydes d'azote NO et NO2, globalement appelés NOx, apparaissent dans les produits de combustion, nuisibles à l'environnement et à la santé humaine. En se combinant avec l'eau, les oxydes d'azote forment un acide nitrique corrosif.
Lorsque du mazout et du charbon sont brûlés, des oxydes de soufre, appelés SOx, apparaissent dans les produits de combustion. Leur impact négatif sur l'environnement est également largement étudié et incontesté. Le condensat acide formé lors de l'interaction avec l'eau provoque une corrosion sulfureuse des surfaces de chauffe.
Traditionnellement, la température des gaz d'échappement, comme indiqué précédemment, est choisie de manière à protéger l'équipement contre le dépôt d'acide sur les surfaces de chauffe de la chaudière. De plus, la température des gaz doit garantir la condensation des NOx et des SOx en dehors du conduit gaz, afin de protéger non seulement la chaudière elle-même, mais aussi les conduits et la cheminée contre les processus corrosifs. Bien sûr, il existe certaines normes limitant les concentrations autorisées des émissions d'oxydes d'azote et de soufre, mais cela ne remet pas en question le fait que ces produits de combustion s'accumulent dans l'atmosphère terrestre et se déposent sous forme de précipitations acides à sa surface.
Le soufre présent dans le mazout et le charbon, ainsi que l'émission de particules non brûlées de combustible solide (y compris les cendres), imposent des conditions supplémentaires pour le traitement des gaz d'échappement. L'utilisation de systèmes de dépollution des gaz augmente considérablement les coûts et complique le processus de récupération de chaleur des gaz d'échappement, rendant de telles initiatives peu attrayantes d'un point de vue économique et souvent pratiquement non rentables.
Dans certains cas, les autorités locales établissent une température minimale des gaz d'échappement à la sortie du tuyau afin d'assurer une dispersion adéquate des gaz d'échappement et d'éviter la formation d'un panache de fumée. De plus, certaines entreprises peuvent de leur propre initiative adopter cette pratique pour améliorer leur image, car le grand public interprète souvent la présence d'un panache de fumée visible comme un signe de pollution, tandis que l'absence de panache peut être perçue comme un indicateur de production propre.
Tout cela conduit au fait que, par certaines conditions météorologiques, les entreprises peuvent chauffer délibérément les gaz d'échappement avant de les rejeter dans l'atmosphère. Cependant, en comprenant la composition des gaz sortants d'une chaudière fonctionnant au gaz naturel (qui a été détaillée ci-dessus), il devient évident que la "fumée" blanche qui sort du tuyau (lorsque le mode de combustion est correctement réglé) est principalement de la vapeur d'eau formée par la réaction de combustion du gaz naturel dans la chaudière.
La lutte contre la corrosion nécessite l'utilisation de matériaux résistants à ses effets négatifs (ces matériaux existent et peuvent être utilisés dans les installations alimentées par gas, produits dérivés du pétrole ou même déchets), ainsi que l'organisation de la collecte, du traitement du condensat acide et de son élimination.
Technologie
La mise en œuvre d'un ensemble de mesures pour réduire la température des gaz d'échappement après la chaudière dans une entreprise existante garantit une augmentation du rendement de l'ensemble de l'installation, dont fait partie l'agrégat de chaudière, en utilisant, en premier lieu, la chaudière elle-même (la chaleur produite en elle).
Le concept de ces solutions se résume à un seul point : un échangeur de chaleur est monté sur la section de tuyauterie avant le conduit d'échappement, absorbant la chaleur des gaz d'échappement par un fluide de refroidissement (par exemple, de l'eau). Cette eau peut servir soit directement de fluide caloporteur final à chauffer, soit d'agent intermédiaire transmettant la chaleur par l'intermédiaire d'un équipement d'échange de chaleur supplémentaire à un autre circuit.
Le schéma fonctionnel est présenté sur l'illustration :
La collecte du condensat formé se produit directement dans le volume du nouvel appareil d'échange de chaleur, qui est fabriqué à partir de matériaux résistants à la corrosion. Cela est dû au fait que le seuil de température du point de rosée pour l'humidité contenue dans le volume des gaz sortants est franchi précisément à l'intérieur de l'échangeur de chaleur. Ainsi, non seulement la chaleur physique des gaz d'échappement est utilisée efficacement, mais aussi la chaleur latente de condensation des vapeurs d'eau qu'ils contiennent. L'appareil lui-même doit être conçu de manière à ce que sa construction ne génère pas de résistance aérodynamique excessive, ce qui pourrait détériorer les conditions de fonctionnement de l'agrégat de chaudière.
La conception de l'appareil d'échange de chaleur peut être soit un échangeur de chaleur récupératif ordinaire, où le transfert de chaleur des gaz vers le liquide se fait par une paroi séparatrice, soit un échangeur de chaleur à contact, dans lequel les gaz d'échappement entrent directement en contact avec l'eau, qui est pulvérisée par des buses dans leur flux.
Pour l'échangeur de chaleur récupératif, la solution pour le condensat acide consiste à organiser sa collecte et sa neutralisation. En revanche, pour l'échangeur de chaleur à contact, une approche légèrement différente est appliquée, semblable à un purge périodique du système de réapprovisionnement en eau : au fur et à mesure que l'acidité du liquide circulant augmente, une certaine quantité est prélevée dans un réservoir de stockage, où elle est traitée avec des réactifs avant d'être évacuée dans les eaux usées, ou réintégrée dans le cycle technologique.
Les applications individuelles de l'énergie des gaz d'échappement peuvent être limitées en raison de la différence entre la température des gaz et les exigences de température pour le processus énergivore. Cependant, même pour ces situations apparemment bloquées, une approche a été développée, s'appuyant sur des technologies et des équipements qualitativement nouveaux.
Dans le but d'améliorer l'efficacité du processus de valorisation de la chaleur des gaz d'échappement, des solutions innovantes basées sur des pompes à chaleur sont de plus en plus souvent utilisées dans le monde comme élément clé du système. Dans certains secteurs industriels (par exemple, dans la bioénergie), ces solutions sont mises en œuvre dans la majorité des chaudières mises en service. Des économies supplémentaires de ressources énergétiques primaires sont réalisées en utilisant non pas des machines électriques à compression de vapeur traditionnelles, mais des pompes à chaleur à absorption bromure de lithium (PABT) plus fiables et technologiques, qui nécessitent de la chaleur pour fonctionner (cela peut souvent être une chaleur résiduelle inutilisée, abondante dans pratiquement toutes les entreprises). Cette chaleur provenant d'une source de chauffage externe active le cycle interne de la PABT, permettant de convertir le potentiel thermique des gaz d'échappement et de le transférer à des milieux plus chauds.
Résultat
Le refroidissement des gaz d'échappement de la chaudière grâce à de telles solutions peut être assez profond – jusqu'à 30, voire 20 °C, à partir de 120-130 °C. La chaleur obtenue est amplement suffisante pour préchauffer l'eau destinée aux besoins de traitement chimique, de remplissage, d'approvisionnement en eau chaude et même pour les réseaux de chaleur.
L'économie de carburant peut atteindre 5 à 10 %, tandis que l'augmentation du rendement de l'installations de chaudière peut être de 2 à 3 %.
Ainsi, la mise en œuvre de la technologie décrite permet de résoudre plusieurs problèmes simultanément. Il s'agit de :
- l'utilisation aussi complète que possible de la chaleur des gaz de combustion (ainsi que de la chaleur cachée de la condensation de la vapeur d'eau),
- la réduction des émissions de NOx et de SOx dans l'atmosphère,
- l'obtention d'une ressource supplémentaire – d'eau purifiée (qui peut être utilisée dans n'importe quelle entreprise, par exemple comme remplissage des réseaux de chaleur et d'autres circuits d'eau),
- l'élimination du faisceau de fumée (il devient à peine visible ou disparaît complètement).
La pratique montre que la pertinence de l'utilisation de telles solutions dépend d'abord de :
- la possibilité de valoriser la chaleur des gaz d'échappement,
- la durée d'utilisation de l'énergie thermique obtenue au cours de l'année,
- le coût des ressources énergétiques dans l'entreprise,
- la présence d'un dépassement de la concentration maximale autorisée des émissions de NOx et de SOx (ainsi que la rigueur de la législation environnementale locale),
- la manière de neutraliser le condensat et les options pour son utilisation par la suite.
Source : habr.com
