Nella ricerca di modi per aumentare l'efficienza delle aziende del settore energetico e di altri impianti industriali che utilizzano attrezzature che bruciano combustibili fossili (caldaie a vapore, caldaie ad acqua, forni tecnologici, ecc.), la questione dell'uso del potenziale dei gas di scarico non viene sollevata in primo piano.
Tuttavia, basandosi su norme di calcolo esistenti sviluppate decenni fa e sugli standard consolidati per la scelta dei principali indicatori di prestazione di tali attrezzature, le organizzazioni operanti perdono denaro, letteralmente riversandolo nella tromba, danneggiando ulteriormente la situazione ambientale a livello globale.
Se, come il team «», ritieni sia sbagliato trascurare l'opportunità di prenderti cura dell'ambiente e della salute dei cittadini della tua città a beneficio del bilancio aziendale, leggi l'articolo su come trasformare i gas di scarico in una risorsa energetica.
Esploriamo gli standard
Un parametro chiave che determina l'efficienza di un'unità di 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 del combustibile, alle perdite di calore fisico dei ceneri e alle dispersioni di calore nell'ambiente a causa del raffreddamento esterno). Queste perdite hanno un impatto decisivo sull'economicità del funzionamento della caldaia, riducendo la sua efficienza. Pertanto, si comprende che più bassa è la temperatura dei gas di scarico, maggiore è l'efficienza della caldaia.
La temperatura ottimale dei gas di scarico per diverse tipologie di combustibile e parametri operativi della caldaia è determinata sulla base di calcoli tecnico-economici fin dalle prime fasi della sua progettazione. In questo contesto, il massimo uso utile del calore dei gas di scarico è tradizionalmente ottenuto attraverso l'aumento delle dimensioni delle superfici convettive di riscaldamento e lo sviluppo delle superfici di coda - economizzatori d'acqua e riscaldatori rigenerativi dell'aria.
Tuttavia, nonostante l'implementazione di tecnologie e attrezzature per il massimo recupero del calore, la temperatura dei gas di scarico, secondo la normativa vigente, deve essere compresa nell'intervallo:
- 120-180 °C per caldaie a combustibile solido (in base all'umidità del combustibile e ai parametri operativi della caldaia),
- 120-160 °C per caldaie a gasolio (in base al contenuto di zolfo),
- 120-130 °C per caldaie a gas naturale.
I valori indicati sono stati definiti tenendo conto dei fattori di sicurezza ambientale, ma primariamente in base ai requisiti di operatività e longevità delle attrezzature.
Pertanto, la soglia minima è impostata in modo da escludere il rischio di formazione di condensa nella parte convettiva della caldaia e lungo il condotto (nelle condutture e nel camino). Tuttavia, per prevenire la corrosione, non è necessario sacrificare il calore disperso nell'atmosfera, invece di utilizzarlo per lavoro utile.
Corrosione. Escludiamo i rischi
Non discutiamo, la corrosione è un fenomeno sgradevole, in grado di compromettere la sicurezza operativa di un impianto termico e ridurre significativamente la sua durata progettuale.
Quando i fumi di combustione vengono raffreddati alla temperatura del punto di rugiada o al di sotto, si verifica la condensazione del vapore acqueo, insieme alla quale si trasformano in stato liquido anche i composti NOx, SOx, che, reagendo con l'acqua, generano acidi che hanno un effetto 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 manifestano sotto forma di condensato. Tuttavia, il risultato è sempre lo stesso: 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 (questi ultimi due si presentano quando la combustione non è completa e 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, denominati collettivamente NOx, che hanno un effetto nocivo sull'ambiente e sulla salute umana. Combinandosi con l'acqua, gli ossidi di azoto formano acido nitrico, altamente corrosivo.
Durante la combustione di petrolio combustibile e carbone, si formano ossidi di zolfo, denominati SOx. Il loro impatto negativo sull'ambiente è ampiamente studiato e indiscutibile. Il condensato acido risultante dall'interazione con l'acqua provoca corrosione solforosa delle superfici di riscaldamento.
Tradizionalmente, la temperatura dei gas di scarico, come mostrato sopra, è selezionata in modo da proteggere l'apparecchiatura dalla caduta dell'acido sulle superfici riscaldate della caldaia. Inoltre, la temperatura dei gas deve garantire la condensazione di NOx e SOx al di fuori del condotto dei gas per proteggere non solo la caldaia stessa, ma anche i condotti e il camino da processi corrosivi. Ovviamente, esistono norme specifiche che limitano le concentrazioni ammissibili delle emissioni di ossidi di azoto e di zolfo, ma ciò non toglie affatto il fatto che questi prodotti della combustione si accumulano nell'atmosfera terrestre e si depositano sulla sua superficie come precipitazioni acide.
Il zolfo presente nel combustibile e nel carbone, insieme al trasporto di particelle non bruciate del combustibile solido (inclusa la cenere), impongono ulteriori condizioni per la pulizia 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 tali interventi poco attraenti dal punto di vista economico e spesso praticamente non remunerativi.
In alcuni casi, le autorità locali stabiliscono una temperatura minima per i gas di scarico all’uscita del camino per garantire una corretta dissipazione dei fumi e l’assenza di una fiammata visibile. Inoltre, alcune aziende potrebbero adottare questa pratica di propria iniziativa per migliorare la propria immagine, poiché il pubblico tende spesso a interpretare la presenza di una fiammata visibile come un segno di inquinamento ambientale, mentre l'assenza di fiammate può essere considerata un indicatore di produzione pulita.
Tutto ciò porta al fatto che, in determinate condizioni meteorologiche, le aziende possono riscaldare intenzionalmente i gas di scarico prima di immetterli nell’atmosfera. Tuttavia, comprendendo la composizione dei gas di scarico di una caldaia alimentata a gas naturale (già analizzata in dettaglio sopra), diventa evidente che il «fumo» bianco che esce dal camino (con la giusta regolazione della combustione) è per lo più vapore acqueo generato dalla reazione di combustione del gas naturale nel forno 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 gas, prodotti della raffinazione del petrolio e anche rifiuti come combustibile), oltre alla creazione di sistemi per la raccolta, il trattamento e lo smaltimento del condensato acido.
Tecnologia
L'implementazione di un insieme di misure per ridurre la temperatura dei fumi dopo la caldaia nell'impianto esistente aumenta l'efficienza di tutta la centrale, che include l'unità della caldaia, utilizzando, prima di tutto, la caldaia stessa (il calore prodotto al suo interno).
Il concetto di tali soluzioni si riduce essenzialmente a uno: in una sezione del condotto gas prima della canna fumaria viene installato uno scambiatore di calore, che assorbe il calore dei fumi tramite un fluido di raffreddamento (ad esempio, acqua). Questa acqua può essere sia l'agente termico finale che deve essere riscaldato, sia un agente intermedio che trasferisce il calore tramite attrezzature di scambio termico aggiuntive a un altro circuito.
Lo schema principe è mostrato nella figura:
La raccolta della condensazione si verifica direttamente all'interno del nuovo scambiatore di calore, realizzato in materiali resistenti alla corrosione. Questo è dovuto al fatto che la soglia di temperatura del punto di rugiada per l'umidità presente nei gas di scarico viene superata proprio all'interno dello scambiatore. In questo modo, non solo il calore fisico dei fumi viene sfruttato utilmente, ma anche il calore latente di condensazione del vapore acqueo contenuto in essi. Lo stesso apparecchio deve essere progettato in modo da non causare resistenza aerodinamica eccessiva e, di conseguenza, il deterioramento delle condizioni operative dell'unità caldaia.
La struttura dello scambiatore di calore può essere sia un normale scambiatore di calore rigenerativo, dove il trasferimento di calore dai gas al liquido avviene attraverso una parete separatrice, sia uno scambiatore di calore a contatto, in cui i fumi di scarico entrano direttamente in contatto con l'acqua, che viene spruzzata da ugelli nel loro flusso.
Per il recuperatore di calore, la soluzione al problema della condensazione acida consiste nell'organizzazione della sua raccolta e neutralizzazione. Nel caso del scambiatore di calore a contatto, si applica un approccio leggermente diverso, simile alla soffiatura periodica del sistema di approvvigionamento idrico: all'aumentare dell'acidità del liquido circolante, una certa quantità viene prelevata in un serbatoio di accumulo, dove avviene il trattamento con reagenti e la successiva smaltimento dell'acqua nella fognatura, oppure nel ciclo tecnologico.
Applicazioni separate dell'energia dei fumi di combustione possono essere limitate a causa della differenza tra la temperatura dei fumi e le esigenze di una temperatura specifica all'ingresso del processo energetico. Tuttavia, anche per tali situazioni apparentemente senza 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 dei fumi nei sistemi industriali, oggi vengono sempre più frequentemente utilizzate soluzioni innovative basate su pompe di calore. In alcuni settori industriali, come la bioenergia, queste soluzioni sono impiegate nella maggior parte delle caldaie messe in servizio. Ulteriori risparmi di risorse energetiche primarie vengono raggiunti utilizzando pompe di calore assorbenti a bromuro di litio (ABT), più affidabili e tecnologiche, al posto delle tradizionali macchine elettriche a compressione di vapore; queste ultime richiedono energia elettrica per funzionare, mentre le ABT utilizzano calorico, spesso recuperabile da calore inutilizzato presente in abbondanza in quasi tutti gli stabilimenti. Questo calore proveniente da una fonte di riscaldamento esterna attiva il ciclo interno delle ABT, consentendo di convertire il potenziale termico dei gas di scarico e trasferirlo a mezzi più caldi.
Risultato
Il raffreddamento dei fumi di scarico della caldaia mediante soluzioni simili può essere piuttosto profondo – fino a 30 e persino 20 °C a partire da iniziali 120-130 °C. Il calore ottenuto è sufficiente per riscaldare l'acqua per le esigenze della preparazione chimica dell'acqua, dell'integrazione, della fornitura di acqua calda e persino per la rete di riscaldamento.
Il risparmio di combustibile può raggiungere il 5÷10 %, mentre l'efficienza dell'aggregato della caldaia può aumentare del 2÷3 %.
Pertanto, l'implementazione della tecnologia descritta consente di risolvere contemporaneamente diverse problematiche. Queste includono:
- il massimo sfruttamento utile del calore dei fumi di scarico (nonché il calore latente della condensazione dei vapori d'acqua),
- la riduzione delle emissioni di NOx e SOx nell'atmosfera,
- l'ottenimento di una risorsa aggiuntiva – acqua purificata (che troverà applicazione in qualsiasi impresa, ad esempio come integrazione per la rete di riscaldamento e altri circuiti idrici),
- l'eliminazione della fiamma di scarico (che diventa appena visibile o scompare del tutto).
La pratica dimostra che la fattibilità dell'uso di soluzioni simili dipende principalmente da:
- la possibilità di un utilizzo utile del calore disponibile dei fumi di scarico.
- durata di utilizzo dell'energia termica ottenuta nell'anno,
- costo delle risorse energetiche nell'azienda,
- presenza di superamento della concentrazione massima consentita per le emissioni di NOx e SOx (e la severità della legislazione ambientale locale),
- metodo di neutralizzazione della condensa e opzioni per un suo utilizzo futuro.
Fonte: habr.com
