排ガス熱回収: メリットのあるエコロジー

エネルギー分野の企業や、化石燃料を燃焼させる機器 (蒸気、温水ボイラー、プロセス炉など) を使用するその他の産業施設の効率を高める方法を模索する場合、煙道の可能性を利用することが問題となります。そもそもガスが発生しません。

その一方で、数十年前に開発された既存の計算基準や、そのような機器の主要性能指標を選択するための確立された基準に依存していると、運営組織は損失を被り、文字通りドブに捨てられ、同時に地球規模で環境状況を悪化させています。

コマンドのように「最初のエンジニア「企業の予算を活用して環境と住民の健康に配慮する機会を逃すのは間違っていると思うなら、排ガスをエネルギー資源に変える方法に関する記事を読んでください。」  

勉強基準

ボイラーユニットの効率を決定する重要なパラメータは、排ガスの温度です。 排気ガスによって失われる熱は、すべての熱損失の重要な部分を占めます（燃料の化学的および機械的過燃焼による熱損失、スラグからの物理的熱による損失、および外部冷却による環境への熱漏洩も含まれます）。 これらの損失はボイラーの効率に決定的な影響を与え、効率を低下させます。 したがって、排ガス温度が低いほどボイラーの効率が高くなることがわかります。

さまざまな種類の燃料とボイラーの動作パラメータに最適な排ガス温度は、製造の非常に初期段階での技術的および経済的計算に基づいて決定されます。 同時に、排気ガス熱の最大限の有効利用は、伝統的に、対流加熱面のサイズを大きくすることと、水エコノマイザーや再生空気ヒーターなどの尾翼面の開発によって達成されます。

しかし、最も完全な熱回収のための技術や装置が導入されたにもかかわらず、現在の規制文書によれば、排ガスの温度は次の範囲内になければなりません。

• 固体燃料ボイラーの場合は 120 ～ 180 °C (燃料の水分含有量とボイラーの動作パラメータによって異なります)、
• 燃料油を使用するボイラーの場合は 120 ～ 160 °C (燃料中の硫黄含有量に応じて)、
• 天然ガスボイラーの場合は 120 ～ 130 °C。

表示された値は環境安全係数を考慮して決定されますが、主に機器の性能と耐久性の要件に基づいています。

したがって、最小閾値は、ボイラーの対流部分およびさらにダクトに沿った (煙道および煙突内) での凝縮のリスクを排除するような方法で設定されます。 しかし、腐食を防ぐために熱を犠牲にする必要はまったくありません。熱は有益な仕事をする代わりに大気中に放出されます。

腐食。 リスクを排除する

私たちは、腐食がボイラー設備の安全な運転を危険にさらし、意図された耐用年数を大幅に短縮する可能性がある不快な現象であると主張するわけではありません。

排ガスが露点温度以下に冷却されると、水蒸気の凝縮が発生し、同時に NOx および SOx 化合物が液体状態になり、水と反応すると内部に破壊的な影響を与える酸を形成します。ボイラーの表面。 燃焼する燃料の種類に応じて、酸の露点温度、および凝縮物として沈殿する酸の組成が異なる場合があります。 しかし、結果は同じであり、腐食です。

天然ガスを使用して稼働するボイラーの排ガスは、主に次の燃焼生成物で構成されています: 水蒸気 (H2O)、二酸化炭素 (CO2)、一酸化炭素 (CO)、および未燃の可燃性炭化水素 CnHm (後者の XNUMX つは燃料の不完全燃焼中に発生します)モード燃焼は調整されません）。

大気中には窒素などが多量に含まれているため、燃焼生成物中に窒素酸化物NOやNO2（総称してNOxと呼ばれます）が発生し、環境や人の健康に悪影響を及ぼします。 窒素酸化物は水と結合すると、腐食性の硝酸を形成します。

重油や石炭を燃焼させると、燃焼生成物中にSOxと呼ばれる硫黄酸化物が発生します。 環境に対するそれらの悪影響も広く研究されており、疑いの余地はありません。 水との相互作用時に形成される酸性凝縮物は、加熱面の硫黄腐食を引き起こします。

従来、燃焼排ガス温度は、上に示したように、ボイラーの加熱面での酸の析出から機器を保護するように選択されてきました。 さらに、ボイラー自体だけでなく煙突のある煙道も腐食プロセスから保護するために、ガスの温度はガス経路の外側で NOx と SOx が確実に凝縮するようにする必要があります。 もちろん、窒素酸化物と硫黄酸化物の排出の許容濃度を制限する特定の基準はありますが、これは、これらの燃焼生成物が地球の大気中に蓄積し、酸性の沈殿物の形で地球の表面に降下するという事実を決して否定するものではありません。 。

燃料油や石炭に含まれる硫黄、および固形燃料の未燃粒子（灰を含む）の混入により、排ガスの浄化に追加の条件が課せられます。 ガス精製システムの使用は、煙道ガスからの熱を利用するプロセスのコストと複雑さを大幅に増加させ、そのような手段は経済的な観点からあまり魅力的ではなく、多くの場合実際には利益が得られません。

場合によっては、地方自治体が煙道ガスの適切な分散とプルームの発生を確保するために、煙突の口に最低煙道ガス温度を設定することがあります。 さらに、一部の企業は自社のイメージを向上させるためにそのような慣行を自発的に採用する可能性があります。これは、一般大衆が目に見える煙柱の存在を環境汚染の兆候と解釈することが多く、一方、煙柱の存在がないことがクリーンの兆候とみなされる可能性があるためです。生産。

これらすべてが、特定の気象条件下では、企業が排ガスを大気中に放出する前に特別に加熱できるという事実につながります。 天然ガスで動作するボイラーの排気ガスの組成を理解すると（詳細は上で説明します）、煙突から出る白い「煙」（燃焼モードが正しく設定されている場合）のほとんどが、ボイラー炉内での天然ガスの燃焼反応の結果として生成される水蒸気。

腐食と戦うには、その悪影響に耐性のある材料の使用（そのような材料は存在し、ガス、石油製品、さらには廃棄物を燃料として使用する施設でも使用できます）の使用と、酸性物質の収集と処理の組織化が必要です。凝縮液とその処分。

Технология

既存の企業でボイラーの後ろの煙道ガスの温度を下げるための一連の対策を導入すると、まずボイラー自体（熱）を利用して、ボイラーユニットを含む設備全体の効率が確実に向上します。その中で生成されます）。

このようなソリューションの概念は、基本的に XNUMX つのことに要約されます。熱交換器が煙突までの煙道部分に設置され、冷却媒体 (水など) で排ガスの熱を吸収します。 この水は、加熱する必要がある最終冷却剤として直接使用することも、追加の熱交換装置を介して別の回路に熱を伝達する中間媒体として使用することもできます。

概略図を次の図に示します。

結果として生じる凝縮水は、耐食性材料で作られた新しい熱交換器の容積内に直接収集されます。 これは、排気ガスの量に含まれる水分の露点温度閾値が熱交換器内で正確に克服されるという事実によるものです。 したがって、排ガスの物理的熱だけでなく、排ガスに含まれる水蒸気の凝縮潜熱も有効に利用されます。 装置自体は、その設計により過度の空気力学的抵抗が生じ、その結果、ボイラーユニットの動作条件が悪化しないように設計する必要があります。

熱交換器の設計は、ガスから液体への熱伝達が隔壁を介して行われる従来の蓄熱式熱交換器、または燃焼排ガスが水と直接接触し、水が噴霧される接触熱交換器のいずれかにすることができます。ノズルが流れの中にあります。

蓄熱式熱交換器の場合、酸性凝縮水の問題を解決するには、その収集と中和を組織化する必要があります。 接触熱交換器の場合、循環水供給システムの定期的なパージに似た、少し異なるアプローチが使用されます。循環液の酸性度が増加すると、その一定量が貯蔵タンクに取り込まれます。それは試薬で処理され、その後排水システムに水を廃棄するか、技術サイクルに水を送り込むことによって処理されます。

排ガスエネルギーの特定の用途は、ガスの温度とエネルギー消費プロセスの入口における特定の温度要件との違いにより制限される場合があります。 しかし、そのような一見行き止まりに見える状況でも、質的に新しい技術や機器に依存するアプローチが開発されています。

排ガス熱回収プロセスの効率を高めるために、ヒートポンプをベースにした革新的なソリューションがシステムの重要な要素として世界の実践でますます使用されています。 特定の産業分野 (バイオエネルギーなど) では、このようなソリューションは、委託されたボイラーの大部分で使用されています。 この場合、一次エネルギー資源のさらなる節約は、従来の蒸気圧縮電気機械ではなく、動作に電気ではなく熱を必要とする、より信頼性が高く技術的に進んだ吸収臭化リチウム ヒート ポンプ (ABTH) を使用することによって達成されます (多くの場合、これはほとんどすべての企業に大量に存在する未使用の廃熱の可能性があります）。 サードパーティの熱源からのこの熱は、内部の ABTH サイクルを活性化し、これにより、排ガスの利用可能な温度ポテンシャルを変換し、より加熱された環境に移動させることができます。

結果

このようなソリューションを使用したボイラー排ガスの冷却は、最初の30〜20℃から最大120℃、さらには130℃まで非常に深くなる可能性があります。 得られる熱は、化学水処理、補給、給湯、さらには暖房ネットワークのニーズに合わせて水を加熱するのに十分です。

この場合、燃料の節約は5÷10%に達し、ボイラーユニットの効率の向上は2÷3%に達する可能性があります。

したがって、説明した技術を実装すると、いくつかの問題を一度に解決できます。 これ：

• 排ガスの熱（および水蒸気の凝縮潜熱）の最も完全かつ有益な利用、
• 大気中へのNOxおよびSOx排出量の削減、
• 追加の資源 - 精製水（暖房ネットワークや他の水回路への供給など、あらゆる企業で有効に使用できます）を入手します。
• 煙プルームの除去（煙がほとんど見えなくなるか、完全に消えます）。

実践によれば、このようなソリューションの使用の実現可能性は主に次の要素に依存します。

• 排ガスから得られる熱を有効利用できる可能性、
• 年間の受け取った熱エネルギーの使用期間、
• 企業のエネルギー資源のコスト、
• NOx および SOx の最大許容排出濃度を超える排出物の存在 (および地域の環境法の厳しさ)、
• 凝縮液を中和する方法とそのさらなる使用のためのオプション。

出所： habr.com