Nella ricerca di metodi per aumentare l'efficienza delle aziende del settore energetico, così come di altri impianti industriali che utilizzano attrezzature che bruciano combustibili fossili (caldaie a vapore, caldaie ad acqua calda, forni tecnologici, ecc.), la questione dell'utilizzo del potenziale dei fumi viene sollevata non per prima.
Nel frattempo, basandosi su norme di calcolo esistenti, sviluppate decenni fa, e sugli standard consolidati per la selezione dei principali indicatori di prestazione di tali attrezzature, le organizzazioni che le gestiscono perdono denaro, letteralmente lasciandolo andare nel camino, mentre peggiorano anche la situazione ecologica a livello globale.
Se, come il team di “”, ritenete che sia sbagliato perdere l’occasione di prendervi cura dell’ambiente e della salute degli abitanti della vostra città traendo vantaggio dal bilancio dell'azienda, leggete l'articolo su come trasformare i fumi in una risorsa energetica.
Esploriamo gli standard
Il parametro chiave che determina l'efficienza della caldaia è la temperatura dei gas di scarico. Il calore perso con i gas di scarico rappresenta una parte significativa di tutte le perdite termiche (insieme alle perdite di calore dovute alla combustione chimica e meccanica incompleta, alle perdite di calore per conduzione fisica dei materiali di scarto, e alle perdite di calore nell'ambiente circostante a causa del raffreddamento esterno). Queste perdite hanno un impatto decisivo sull'economicità del funzionamento della caldaia, riducendo la sua efficienza. Pertanto, comprendiamo che più bassa è la temperatura dei fumi, maggiore è l'efficienza della caldaia.
La temperatura ottimale dei gas di scarico per diversi tipi di combustibili e parametri operativi della caldaia è determinata sulla base di calcoli tecnico-economici sin dalle prime fasi della sua creazione. In questo contesto, il massimo utilizzo utile del calore dei gas di scarico viene tradizionalmente raggiunto aumentando le dimensioni delle superfici convettive di riscaldamento, nonché sviluppando le superfici post-combustione: economizzatori d'acqua e riscaldatori rigenerative dell'aria.
Ma anche nonostante l'introduzione di tecnologie e attrezzature per un recupero completo del calore, la temperatura dei gas di scarico secondo la normativa attualmente in vigore deve essere compresa nell'intervallo:
- 120-180 °C per caldaie a combustibile solido (a seconda dell'umidità del combustibile e dei parametri operativi della caldaia),
- 120-160 °C per caldaie a gasolio (a seconda del contenuto di zolfo in esso),
- 120-130 °C per caldaie a gas naturale.
I valori indicati sono stati definiti tenendo conto dei fattori di sicurezza ambientale, ma prima di tutto, sulla base dei requisiti di funzionalità e durata dell'attrezzatura.
Pertanto, la soglia minima è stabilita in modo tale da escludere il rischio di condensazione nella parte convettiva della caldaia e lungo il condotto (nei camini e nei tubi dei fumi). Tuttavia, per prevenire la corrosione non è affatto necessario sacrificare il calore che viene rilasciato nell'atmosfera anziché utilizzarlo per un lavoro utile.
Corrosione. Escludiamo i rischi
Non possiamo negare che la corrosione sia un fenomeno sgradevole, capace di compromettere la sicurezza operativa dell'impianto di caldaie e di ridurre notevolmente la sua vita utile.
Quando i fumi di scarico vengono raffreddati fino alla temperatura del punto di rugiada e oltre, si verifica la condensazione del vapore acqueo, insieme al quale si trasformano in stato liquido anche i composti NOx, SOx, che reagendo con l'acqua formano acidi che agiscono in modo distruttivo sulle superfici interne della caldaia. A seconda del tipo di combustibile bruciato, la temperatura del punto di rugiada acida può variare, così come la composizione degli acidi che si condensano. Il risultato, tuttavia, è uno: corrosione.
I gas di scarico delle caldaie alimentate a gas naturale sono principalmente composti dai seguenti prodotti di combustione: vapore acqueo (H2O), anidride carbonica (CO2), monossido di carbonio (CO) e idrocarburi combustibili non bruciati CnHm (gli ultimi due si generano durante la combustione incompleta del combustibile, quando il regime di combustione non è ottimizzato).
Poiché nell'aria atmosferica è presente una grande quantità di azoto, tra l'altro, nei prodotti della combustione si formano ossidi di azoto NO e NO2, genericamente chiamati NOx, che hanno un impatto negativo sull'ambiente e sulla salute umana. Combinandosi con l'acqua, gli ossidi di azoto formano acido nitrico corrosivamente attivo.
Durante la combustione di olio combustibile e carbone, negli prodotti della combustione si formano ossidi di zolfo, noti come SOx. Il loro impatto negativo sull'ambiente è stato ampiamente studiato e non è in discussione. Il condensato acido che si forma interagendo con l'acqua provoca corrosione solforosa delle superfici di scambio termico.
Tradizionalmente, la temperatura dei gas di scarico, come mostrato sopra, viene scelta in modo da proteggere le attrezzature dalla condensazione degli acidi sulle superfici di scambio termico della caldaia. Inoltre, la temperatura dei gas deve garantire la condensazione di NOx e SOx al di fuori del percorso dei gas, per proteggere non solo la caldaia, ma anche i condotti e il camino da processi corrosivi. Certo, ci sono normative specifiche che limitano le concentrazioni ammissibili delle emissioni di ossidi di azoto e zolfo, ma questo non annulla il fatto dell'accumulo di questi prodotti della combustione nell'atmosfera terrestre e della loro caduta sotto forma di depositi acidi sulla sua superficie.
Il contenuto di zolfo nell'olio combustibile e nel carbone, insieme al trasporto di particelle non bruciate di combustibile solido (incluso il cenere), impone ulteriori condizioni per la depurazione dei gas di scarico. L'uso di sistemi di depurazione dei gas aumenta notevolmente i costi e complica il processo di recupero del calore dai gas di scarico, rendendo simili interventi poco attraenti dal punto di vista economico e, spesso, praticamente non redditizi.
In alcuni casi, le autorità locali stabiliscono una temperatura minima dei gas di scarico all'uscita del camino per garantire una dispersione adeguata dei gas di scarico e l'assenza di una fiammata. Inoltre, alcune aziende possono adottare autonomamente questa pratica per migliorare la propria immagine, poiché il pubblico tende a interpretare la presenza di una fiammata visibile come un segno di inquinamento ambientale, mentre l'assenza di fiammata può essere vista come un segno di produzione pulita.
Tutto ciò porta al fatto che, in determinate condizioni meteorologiche, le aziende possono riscaldare appositamente i gas di scarico prima di immetterli nell'atmosfera. Tuttavia, comprendendo la composizione dei gas di scarico della caldaia, che funziona a gas naturale (già analizzato in dettaglio sopra), diventa evidente che il "fumo" bianco che esce dal camino (con una corretta regolazione della combustione) è per lo più vapore acqueo, che si forma come risultato della reazione di combustione del gas naturale nel bruciatore della caldaia.
La lotta contro la corrosione richiede l'uso di materiali resistenti ai suoi effetti negativi (questi materiali esistono e possono essere utilizzati in impianti che utilizzano come combustibile gas, prodotti petroliferi e persino rifiuti), oltre all'organizzazione della raccolta, del riciclo del condensato acido e del suo smaltimento.
Tecnologia
L'implementazione di un insieme di misure per ridurre la temperatura dei gas di scarico dietro la caldaia in un'azienda esistente assicura un aumento dell'efficienza di tutto l'impianto, che include l'unità caldaia, utilizzando principalmente la stessa caldaia (il calore prodotto al suo interno).
Il concetto di tali soluzioni, in sostanza, si riduce a un punto: in un'area della condotta dei fumi, prima del camino, viene installato uno scambiatore di calore che assorbe il calore dei gas di scarico attraverso un mezzo di raffreddamento (ad esempio, l'acqua). Quest'acqua può essere sia il fluido termico finale che deve essere riscaldato, sia un agente intermedio che trasferisce calore tramite attrezzature di scambio termico aggiuntive a un altro circuito.
Lo schema principale è presentato nell'immagine:
La raccolta del condensato che si forma avviene direttamente all'interno del nuovo scambiatore di calore, realizzato con materiali resistenti alla corrosione. Ciò è dovuto al fatto che la temperatura di condensazione per l'umidità contenuta nei gas di scarico viene superata proprio all'interno dello scambiatore di calore. In questo modo, non viene utilizzato solo il calore fisico dei gas di scarico, ma anche il calore latente di condensazione dei vapori d'acqua in essi contenuti. L'apparecchiatura deve essere progettata in modo tale da non creare eccessiva resistenza aerodinamica e, come conseguenza, un deterioramento delle condizioni di funzionamento dell'unità caldaia.
La struttura del dispositivo di scambio termico può presentarsi come un normale scambiatore di calore recuperativo, in cui il trasferimento di calore dai gas al liquido avviene tramite una parete divisoria, oppure come uno scambiatore di calore a contatto, in cui i gas di scarico entrano direttamente in contatto con l'acqua, che viene spruzzata da ugelli nel loro flusso.
Per uno scambiatore di calore recuperativo, la soluzione al problema del condensato acido si riduce all'organizzazione della sua raccolta e neutralizzazione. Nel caso di uno scambiatore di calore a contatto, si applica un approccio leggermente diverso, simile alla purga periodica del sistema di acqua di riciclo: con l'aumento dell'acidità del liquido che circola, una certa quantità di esso viene prelevata in un serbatoio di accumulo, dove viene trattata con reagenti e successivamente smaltita nella rete fognaria, oppure destinata a un ciclo tecnologico.
Le applicazioni energetiche dei gas di scarico possono essere limitate a causa della differenza tra la temperatura dei gas e le esigenze per una certa temperatura in ingresso nel processo di consumo di energia. Tuttavia, anche per tali situazioni apparentemente senza via d'uscita, è stato sviluppato un approccio che si basa su tecnologie e attrezzature qualitativamente nuove.
Per migliorare l'efficienza del processo di recupero del calore dai gas di scarico, nella pratica mondiale vengono sempre più spesso adottate soluzioni innovative basate su pompe di calore. In alcuni settori dell'industria (ad esempio, nella bioenergia), tali soluzioni sono utilizzate nella maggior parte delle caldaie messe in servizio. Il risparmio ulteriore di risorse energetiche primarie in questo caso è ottenuto non attraverso l'uso di tradizionali macchine elettriche a vapore, ma di pompe di calore ad assorbimento bromuro-litio (ABT), che necessitano non di energia elettrica, ma di calore (spesso questo può essere calore sprecato non utilizzato, che è abbondante praticamente in qualsiasi impresa). Questo calore da una fonte di riscaldamento esterna attiva il ciclo interno dell'ABT, consentendo di convertire il potenziale termico dei gas di scarico e trasferirlo a mezzi più riscaldati.
Risultato
Il raffreddamento dei gas di scarico della caldaia con l'uso di soluzioni simili può essere piuttosto profondo - fino a 30 e persino 20 °C dai 120-130 °C iniziali. Il calore ottenuto è più che sufficiente per riscaldare l'acqua per le esigenze del trattamento chimico dell'acqua, dell'integrazione, dell'acqua calda sanitaria e persino delle reti di riscaldamento.
Il risparmio di combustibile può arrivare dal 5 al 10%, mentre l'aumento dell'efficienza del generatore di calore può raggiungere il 2-3%.
Pertanto, l'implementazione della tecnologia descritta consente di affrontare simultaneamente più compiti. Questo è:
- un utilizzo massimo e utile del calore dei gas di scarico (nonché del calore nascosto della condensazione del vapore acqueo),
- una riduzione del volume delle emissioni di NOx e SOx nell'atmosfera,
- ottenere una risorsa aggiuntiva - acqua purificata (che troverà utili applicazioni in qualsiasi impianto, ad esempio come integrazione delle reti di riscaldamento e di altri circuiti idrici),
- eliminazione della fiammata (che diventa appena visibile o scompare del tutto).
La pratica dimostra che la convenienza di applicare soluzioni simili dipende soprattutto da:
- la possibilità di utilizzare utilmente il calore dei gas di scarico disponibili,
- la durata dell'utilizzo dell'energia termica ottenuta nell'anno,
- il costo delle risorse energetiche nell'azienda,
- la presenza di un superamento della concentrazione massima consentita delle emissioni di NOx e SOx (e anche dalla severità della legislazione ecologica locale),
- il metodo di neutralizzazione della condensa e le opzioni per il suo ulteriore utilizzo.
Fonte: habr.com
