Lorsqu'on cherche des moyens d'augmenter l'efficacité des entreprises du secteur de l'énergie, ainsi que d'autres installations industrielles qui utilisent des équipements brûlant des combustibles fossiles (chaudières à vapeur, à eau chaude, fours de transformation, etc.), la question de l'utilisation du potentiel des fumées les gaz ne sont pas soulevés en premier lieu.
Pendant ce temps, en s'appuyant sur les normes de calcul existantes élaborées il y a des décennies et les normes établies pour la sélection des indicateurs de performance clés de ces équipements, les organisations exploitantes perdent de l'argent, les jetant littéralement à l'égout, aggravant simultanément la situation environnementale à l'échelle mondiale.
Si, comme la commande "", vous pensez que c'est une erreur de rater l'opportunité de prendre soin de l'environnement et de la santé des habitants de votre ville avec des avantages pour le budget de l'entreprise, lisez l'article sur la façon de transformer les gaz de combustion en ressource énergétique.
Étudier les normes
Le paramètre clé qui détermine l’efficacité d’une chaudière est la température des fumées. La chaleur perdue avec les gaz d'échappement constitue une part importante de toutes les pertes de chaleur (avec les pertes de chaleur dues à la sous-combustion chimique et mécanique du carburant, les pertes de chaleur physique des scories, ainsi que les fuites de chaleur dans l'environnement dues au refroidissement externe). Ces pertes ont un impact déterminant sur le rendement de la chaudière, réduisant son rendement. Ainsi, on comprend que plus la température des fumées est basse, plus le rendement de la chaudière est élevé.
La température optimale des fumées pour différents types de combustibles et les paramètres de fonctionnement de la chaudière est déterminée sur la base de calculs techniques et économiques dès le début de sa création. Dans le même temps, l'utilisation utile maximale de la chaleur des gaz d'échappement est traditionnellement obtenue en augmentant la taille des surfaces de chauffage par convection, ainsi qu'en développant les surfaces arrière - économiseurs d'eau, aérothermes régénératifs.
Mais même malgré l'introduction de technologies et d'équipements pour la récupération de chaleur la plus complète, la température des fumées, selon la documentation réglementaire en vigueur, doit être comprise dans la fourchette :
- 120-180 °C pour les chaudières à combustible solide (en fonction de la teneur en humidité du combustible et des paramètres de fonctionnement de la chaudière),
- 120-160 °C pour les chaudières fonctionnant au fioul (en fonction de la teneur en soufre de celui-ci),
- 120-130 °C pour les chaudières au gaz naturel.
Les valeurs indiquées sont déterminées en tenant compte des facteurs de sécurité environnementale, mais principalement sur la base des exigences de performance et de durabilité de l'équipement.
Ainsi, le seuil minimum est fixé de manière à supprimer les risques de condensation dans la partie convective de la chaudière et plus loin le long du conduit (dans les conduits de fumées et la cheminée). Cependant, pour prévenir la corrosion, il n'est pas du tout nécessaire de sacrifier la chaleur, qui est libérée dans l'atmosphère au lieu d'effectuer un travail utile.
Corrosion. Éliminer les risques
Nous ne prétendons pas que la corrosion soit un phénomène désagréable qui peut compromettre le fonctionnement sûr d'une chaudière et réduire considérablement sa durée de vie prévue.
Lorsque les gaz de combustion sont refroidis jusqu'à la température du point de rosée et en dessous, la vapeur d'eau se condense, avec laquelle les composés NOx et SOx se transforment également en un état liquide qui, lorsqu'ils réagissent avec l'eau, forment des acides qui ont un effet destructeur sur les surfaces internes. de la chaudière. Selon le type de combustible brûlé, la température du point de rosée des acides peut varier, ainsi que la composition des acides précipités sous forme de condensat. Le résultat est cependant le même : la corrosion.
Les gaz d'échappement des chaudières fonctionnant au gaz naturel sont principalement constitués des produits de combustion suivants : vapeur d'eau (H2O), dioxyde de carbone (CO2), monoxyde de carbone (CO) et hydrocarbures inflammables imbrûlés CnHm (ces deux derniers apparaissent lors d'une combustion incomplète du combustible lorsque le mode combustion n'est pas réglé).
Étant donné que l'air atmosphérique contient entre autres une grande quantité d'azote, les oxydes d'azote NO et NO2, collectivement appelés NOx, apparaissent dans les produits de combustion, qui ont un effet néfaste sur l'environnement et la santé humaine. Lorsqu'ils sont combinés avec de l'eau, les oxydes d'azote forment de l'acide nitrique corrosif.
Lors de la combustion du fioul et du charbon, des oxydes de soufre appelés SOx apparaissent dans les produits de combustion. Leur impact négatif sur l’environnement a également fait l’objet de nombreuses recherches et ne fait aucun doute. Le condensat acide formé lors de l'interaction avec l'eau provoque une corrosion soufrée des surfaces chauffantes.
Traditionnellement, la température des fumées, comme indiqué ci-dessus, est choisie de manière à protéger l'équipement des précipitations acides sur les surfaces chauffantes de la chaudière. De plus, la température des gaz doit assurer la condensation des NOx et des SOx en dehors du parcours des gaz afin de protéger non seulement la chaudière elle-même, mais également les conduits de fumée avec la cheminée des processus de corrosion. Bien entendu, il existe certaines normes limitant les concentrations admissibles d'émissions d'oxydes d'azote et de soufre, mais cela n'annule en rien le fait que ces produits de combustion s'accumulent dans l'atmosphère terrestre et tombent sous forme de précipitations acides à sa surface. .
Le soufre contenu dans le fioul et le charbon, ainsi que l'entraînement des particules imbrûlées de combustible solide (notamment les cendres) imposent des conditions supplémentaires pour l'épuration des fumées. L'utilisation de systèmes de purification de gaz augmente considérablement le coût et la complexité du processus d'utilisation de la chaleur des gaz de combustion, ce qui rend de telles mesures peu attractives d'un point de vue économique et souvent pratiquement non rentables.
Dans certains cas, les autorités locales fixent une température minimale des gaz de combustion à l'embouchure de la cheminée pour garantir une dispersion adéquate des gaz de combustion et l'absence de panache. De plus, certaines entreprises peuvent adopter volontairement de telles pratiques pour améliorer leur image, puisque le grand public interprète souvent la présence d'un panache de fumée visible comme un signe de pollution environnementale, tandis que l'absence de panache de fumée peut être considérée comme un signe de propreté. production.
Tout cela conduit au fait que, dans certaines conditions météorologiques, les entreprises peuvent chauffer spécialement les gaz de combustion avant de les rejeter dans l'atmosphère. Cependant, en comprenant la composition des gaz d'échappement d'une chaudière fonctionnant au gaz naturel (elle est discutée en détail ci-dessus), il devient évident que la « fumée » blanche qui sort de la cheminée (si le mode de combustion est correctement configuré) est principalement vapeur d'eau formée à la suite de 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 (de tels matériaux existent et peuvent être utilisés dans des installations utilisant du gaz, des produits pétroliers et même des déchets comme combustible), ainsi que l'organisation de la collecte, du traitement des déchets acides. condensat et son élimination.
Technologie
L'introduction d'un ensemble de mesures visant à réduire la température des fumées derrière la chaudière dans une entreprise existante garantit une augmentation de l'efficacité de l'ensemble de l'installation, qui comprend la chaudière, en utilisant avant tout la chaudière elle-même (la chaleur généré dedans).
Le concept de telles solutions se résume essentiellement à une chose : un échangeur de chaleur est installé dans la section du conduit de fumée jusqu'à la cheminée, qui absorbe la chaleur des fumées avec un fluide de refroidissement (par exemple de l'eau). Cette eau peut être soit directement le liquide de refroidissement final qui doit être chauffé, soit un agent intermédiaire qui transfère la chaleur via un équipement d'échange de chaleur supplémentaire vers un autre circuit.
Le diagramme schématique est présenté dans la figure :
Le condensat résultant est collecté directement dans le volume du nouvel échangeur de chaleur, constitué 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 d'échappement est précisément dépassé à l'intérieur de l'échangeur de chaleur. Ainsi, on utilise utilement non seulement la chaleur physique des fumées, mais aussi la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau qu'ils contiennent. L'appareil lui-même doit être conçu de manière à ce que sa conception n'offre pas de résistance aérodynamique excessive et, par conséquent, détériore les conditions de fonctionnement de la chaudière.
La conception de l'échangeur de chaleur peut être soit un échangeur de chaleur à récupération conventionnel, dans lequel le transfert de chaleur des gaz au liquide s'effectue à travers une paroi de séparation, soit un échangeur de chaleur à contact, dans lequel les gaz de combustion entrent directement en contact avec de l'eau, qui est pulvérisée par buses dans leur flux.
Pour un échangeur de chaleur récupérateur, résoudre le problème des condensats acides revient à organiser leur collecte et leur neutralisation. Dans le cas d'un échangeur de chaleur à contact, une approche légèrement différente est utilisée, quelque peu similaire à la purge périodique du système d'alimentation en eau de circulation : à mesure que l'acidité du liquide en circulation augmente, une certaine quantité de celui-ci est introduite dans le réservoir de stockage, où elle est traitée avec des réactifs avec évacuation ultérieure de l'eau dans le système de drainage, ou en la dirigeant vers le cycle technologique.
Certaines applications de l'énergie des fumées peuvent être limitées en raison des différences entre la température des gaz et les exigences spécifiques de température à l'entrée du procédé consommateur d'énergie. Cependant, même dans de telles situations apparemment sans issue, une approche a été développée qui s'appuie sur des technologies et des équipements qualitativement nouveaux.
Afin d'augmenter l'efficacité du processus de récupération de chaleur des fumées, des solutions innovantes basées sur des pompes à chaleur sont de plus en plus utilisées dans la pratique mondiale en tant qu'élément clé du système. Dans certains secteurs industriels (ex : bioénergie), de telles solutions sont utilisées sur la majorité des chaudières mises en service. Dans ce cas, des économies supplémentaires en ressources énergétiques primaires sont réalisées grâce à l'utilisation non pas de machines électriques traditionnelles à compression de vapeur, mais de pompes à chaleur à absorption au bromure de lithium (ABTH) plus fiables et technologiquement avancées, qui nécessitent de la chaleur plutôt que de l'électricité pour fonctionner (souvent cela il peut s'agir de chaleur résiduelle inutilisée, présente en abondance dans presque toutes les entreprises). Cette chaleur provenant d'une source de chaleur tierce active le cycle interne ABTH, qui permet de transformer le potentiel de température disponible des fumées et de le transférer vers des environnements plus chauffés.
Résultat
Le refroidissement des gaz de combustion des chaudières à l'aide de telles solutions peut être assez profond - jusqu'à 30 et même 20 °C par rapport aux 120-130 °C initiaux. La chaleur dégagée est largement suffisante pour chauffer l'eau pour les besoins de traitement chimique de l'eau, d'appoint, de fourniture d'eau chaude et même du réseau de chaleur.
Dans ce cas, les économies de combustible peuvent atteindre 5÷10 % et l'augmentation de l'efficacité de la chaudière peut atteindre 2÷3 %.
Ainsi, la mise en œuvre de la technologie décrite permet de résoudre plusieurs problèmes à la fois. Ce:
- l'utilisation la plus complète et la plus bénéfique de la chaleur des fumées (ainsi que de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau),
- réduction des émissions de NOx et SOx dans l’atmosphère,
- obtenir une ressource supplémentaire - l'eau purifiée (qui peut être utilement utilisée dans toute entreprise, par exemple pour alimenter les réseaux de chaleur et autres circuits d'eau),
- élimination du panache de fumée (il devient à peine visible ou disparaît complètement).
La pratique montre que la faisabilité de l'utilisation de telles solutions dépend principalement de :
- la possibilité d'une utilisation utile de la chaleur disponible des gaz de combustion,
- durée d'utilisation de l'énergie thermique reçue par an,
- le coût des ressources énergétiques dans l'entreprise,
- la présence d'un dépassement de la concentration maximale admissible d'émissions de NOx et de SOx (ainsi que la sévérité de la législation environnementale locale),
- une méthode de neutralisation du condensat et des options pour son utilisation ultérieure.
Source: habr.com