Bij het zoeken naar manieren om de efficiëntie in de energiesector en andere industriële objecten te verhogen, waar apparatuur wordt gebruikt die fossiele brandstoffen verbrandt (zoals stoom-, waterverwarmingsketels, en procesovens), komt de vraag naar het benutten van de potentie van rookgassen niet op de eerste plaats.
Ondertussen verliezen exploitatie-organisaties geld door zich te baseren op bestaande berekeningsnormen die tientallen jaren geleden zijn ontwikkeld en op de gevestigde standaarden voor het kiezen van de belangrijkste prestatie-indicatoren voor dergelijke apparatuur. Ze laten letterlijk geld de pijp uitstromen, terwijl ze tegelijkertijd de ecologische situatie op mondiale schaal verslechteren.
Als u, net als het team van "", het verkeerd vindt om de kans om voor het milieu en de gezondheid van de inwoners van uw stad te zorgen, met voordelen voor de begroting van het bedrijf, te verwaarlozen, lees dan het artikel over hoe u rookgassen in een energiebron kunt omzetten.
We bestuderen de normen
De belangrijkste parameter die de efficiëntie van de ketelinstallatie bepaalt, is de temperatuur van de uitgaande gassen. De warmte die verloren gaat met de uitgaande gassen vormt een aanzienlijk deel van alle warmteverliezen (naast de verliezen door chemische en mechanische onvolledige verbranding van brandstof, verliezen door de fysieke warmte van slakken, evenals warmteverlies in de omgeving door externe koeling). Deze verliezen hebben een cruciale invloed op de economische werking van de ketel en verlagen zijn efficiëntie. Zo begrijpen we dat hoe lager de temperatuur van de rookgassen, des te hoger de efficiëntie van de ketel.
De optimale temperatuur van de uitgaande gassen voor verschillende soorten brandstoffen en bedrijfsparameters van de ketel wordt vastgesteld op basis van technische en economische berekeningen in het allereerste stadium van zijn creatie. Daarbij wordt het maximaal nuttig gebruik van de warmte van de uitgaande gassen traditioneel bereikt door de grootte van de convectieve verwarmingsoppervlakken te vergroten, evenals de ontwikkeling van achterste oppervlakken - waterbesparende apparaten, regeneratieve luchtverwarmers.
Maar zelfs met de implementatie van technologieën en apparatuur voor de meest volledige benutting van warmte, moet de temperatuur van de uitgaande gassen volgens de geldende regelgeving binnen het volgende bereik liggen:
- 120-180 °C voor vaste brandstofketels (afhankelijk van de vochtigheid van de brandstof en de operationele parameters van de ketel),
- 120-160 °C voor stookolieketels (afhankelijk van de zwavelinhoud),
- 120-130 °C voor aardgasgestookte ketels.
De genoemde waarden zijn vastgesteld met inachtneming van ecologische veiligheidsfactoren, maar in de eerste plaats op basis van de vereisten voor de werking en levensduur van de uitrusting.
De minimale drempel wordt zo ingesteld dat het risico op condensatie in het convectiegedeelte van de ketel en verderop in de leidingen (in de rookkanalen en schoorsteen) wordt uitgesloten. Echter, om corrosie te voorkomen, is het niet noodzakelijk om warmte op te offeren die in de atmosfeer wordt afgegeven in plaats van nuttig werk te verrichten.
Corrosie. Risico's uitsluiten
We ontkennen niet dat corrosie een onaangenaam fenomeen is dat de veilige werking van de ketelinstallatie in gevaar kan brengen en de levensduur ervan aanzienlijk kan verkorten.
Bij het afkoelen van rookgassen tot de dauwpunttemperatuur en lager, vindt condensatie van waterdamp plaats, samen met de overgang van NOx- en SOx-verbindingen naar de vloeibare fase, die, in reactie met water, zuren vormen die destructief inwerken op de binnenoppervlakken van de ketel. Afhankelijk van het type brandstof dat wordt verbrand, kan de temperatuur van het zure dauwpunt variëren, evenals de samenstelling van de zuren die als condensaat neerslaan. Het resultaat is echter altijd corrosie.
De uitlaatgassen van ketels die op aardgas draaien, bestaan voornamelijk uit de volgende verbrandingsproducten: waterdamp (H2O), kooldioxide (CO2), koolmonoxide (CO) en onvergunde brandbare koolwaterstoffen CnHm (de laatste twee verschijnen bij onvolledige verbranding van brandstof, wanneer het brandregime niet goed is afgesteld).
Doordat er in de atmosferische lucht grote hoeveelheden stikstof aanwezig zijn, verschijnen stikstofoxiden NO en NO2, algemeen aangeduid als NOx, in de verbrandingsproducten, die schadelijk zijn voor het milieu en de menselijke gezondheid. Door te reageren met water vormen stikstofoxiden ook corrosief actieve salpeterzuur.
Bij de verbranding van stookolie en kolen ontstaan in de verbrandingsproducten oxiden van zwavel, aangeduid als SOx. De negatieve impact ervan op het milieu is grondig bestudeerd en staat buiten kijf. Het zure condensaat dat ontstaat bij de interactie met water veroorzaakt sulfide-corrosie van verwarmingsoppervlakken.
Traditioneel wordt de temperatuur van de uitlaatgassen, zoals hierboven aangegeven, gekozen om apparatuur te beschermen tegen zuurafzetting op de verwarmingsoppervlakken van de ketel. Bovendien moet de temperatuur van de gassen zorgen voor de condensatie van NOx en SOx buiten de gasbaan, om corrosieve processen niet alleen in de ketel maar ook in de rookkanalen en de schoorsteen te beschermen. Natuurlijk zijn er bepaalde normen die de toegestane concentraties van stikstofoxiden en zwaveloxiden beperken, maar dit neemt niet weg dat deze verbrandingsproducten zich ophopen in de atmosfeer van de aarde en neerslaan in de vorm van zure neerslag.
De zwavel die aanwezig is in stookolie en kolen, evenals de afvoer van onverbrande deeltjes van vast brandstof (inclusief as), stelt extra eisen aan de reiniging van rookgassen. Het gebruik van rookgasreinigingssystemen verhoogt aanzienlijk de kosten en complicaties van het hergebruik van warmte uit rookgassen, waardoor dergelijke maatregelen economisch gezien weinig aantrekkelijk zijn en vaak praktisch niet rendabel.
In sommige gevallen stellen lokale overheden een minimale temperatuur van de rookgassen bij de uitmonding van de pijp vast om een adequate verspreiding van de uitlaatgassen te waarborgen en geen rookpluimen te hebben. Bovendien kunnen sommige bedrijven uit eigen beweging een dergelijke praktijk toepassen om hun imago te verbeteren, aangezien het grote publiek de aanwezigheid van een zichtbare rookpluim vaak interpreteert als een teken van milieuvervuiling, terwijl het ontbreken van een rookpluim kan worden beschouwd als een teken van schone productie.
Al deze factoren leiden ertoe dat onder bepaalde weersomstandigheden bedrijven de rookgassen voor de uitstoot in de atmosfeer specifiek kunnen verwarmen. Hoewel, door de samenstelling van de uitgaande gassen van de op aardgas werkende ketel te begrijpen (deze is hierboven gedetailleerd besproken), wordt het duidelijk dat de witte 'rook' die uit de schoorsteen komt (bij een goede afstelling van de verbrandingsmodus) grotendeels bestaat uit waterdamp, die ontstaat door de verbrandingsreactie van aardgas in de ketel.
Bestrijding van corrosie vereist het gebruik van materialen die bestand zijn tegen de negatieve effecten ervan (er zijn dergelijke materialen en ze kunnen worden gebruikt in installaties die gas, producten van aardolieverwerking en zelfs afval als brandstof gebruiken), evenals de organisatie van de verzameling, verwerking en verwijdering van zure condensaat.
Technologie
De implementatie van een reeks maatregelen om de temperatuur van de rookgassen achter de ketel op de bestaande onderneming te verlagen, zorgt voor een verhoging van de efficiëntie van de gehele installatie waarvan de ketel de kern vormt, gebruikmakend van de ketel zelf (de warmte die daarin wordt geproduceerd).
De essentie van dergelijke oplossingen is dat er op het deel van de rookgaskanalen vóór de schoorsteen een warmtewisselaar wordt geïnstalleerd die de warmte van de rookgassen opvangt door een koelmiddel (bijvoorbeeld water). Dit water kan zowel het eindproduct zijn dat verwarmd moet worden, als een tussenliggend medium dat warmte door extra warmtewisselaars aan een andere kring doorgeeft.
Het principe schema is weergegeven op de afbeelding:
De verzameling van het gevormde condensaat vindt plaats in het volume van het nieuwe warmtewisselingsapparaat, dat is gemaakt van corrosiebestendige materialen. Dit is te danken aan het feit dat de temperatuurgrens van het dauwpunt voor de vochtigheid in de uitgaande gassen precies binnen de warmtewisselaar wordt overschreden. Zo wordt niet alleen de fysieke warmte van de rookgassen nuttig gebruikt, maar ook de latente warmte van de condensatie van de in de damp aanwezige waterdamp. Het apparaat zelf moet zó worden ontworpen dat zijn constructie geen overmatige aerodynamische weerstand veroorzaakt en aldus de werkomstandigheden van de ketelunit niet verslechtert.
De constructie van het warmteterugwinapparaat kan een gewone recuperatieve warmtewisselaar zijn, waarin de warmteoverdracht van gassen naar vloeistoffen plaatsvindt via een scheidingswand, of een contactwarmtewisselaar, waarbij de uitlaatgassen rechtstreeks in contact komen met water dat door sproeiers in hun stroom wordt verstoven.
Voor de recuperatieve warmtewisselaar kan de oplossing voor het zure condensaat worden opgelost door het verzamelen en neutraliseren ervan. In het geval van de contactwarmtewisselaar wordt echter een andere aanpak toegepast, die in sommige opzichten lijkt op de periodieke spoeling van het koelwatersysteem: naarmate de zuurgraad van de circulerende vloeistof toeneemt, wordt een bepaald gedeelte in een opslagtank gehaald, waar het wordt behandeld met reagentia en vervolgens in de afvoersystemen of in het technologieproces wordt afgevoerd.
Sommige toepassingen van de energie van de uitlaatgassen kunnen beperkt zijn door het verschil tussen de temperatuur van de gassen en de vereisten voor een bepaalde temperatuur aan de ingang van het energieverbruikende proces. Voor dergelijke schijnbaar hopeloze situaties is echter een aanpak ontwikkeld die gebaseerd is op kwalitatief nieuwe technologieën en apparatuur.
Om de efficiëntie van het warmteterugwinningproces van uitlaatgassen te verhogen, worden in de wereldwijde praktijk innovatieve oplossingen op basis van warmtepompen steeds vaker als sleutelelement van het systeem toegepast. In bepaalde sectoren van de industrie (zoals de bio-energie) worden dergelijke oplossingen toegepast op de meeste in gebruik genomen ketels. Verdere besparing op primaire energiebronnen wordt in dit geval bereikt door het gebruik van niet-traditionele stoomcompressie-elektrische machines, maar door betrouwbaardere en technologisch geavanceerdere absorptie-broom-lithium-warmtepompen (ABLWP), die geen elektriciteit maar warmte nodig hebben om te functioneren (vaak kan dit onbenutte restwarmte zijn, die in overvloed aanwezig is in bijna elk bedrijf). Deze warmte van een externe verwarmingsbron activeert de interne cyclus van de ABLWP, die de beschikbare temperatuurpotentieel van de uitgaande gassen omzet en het overdraagt aan hoger verwarmde media.
Resultaat
De koeling van de uitlaatgassen van de ketel met behulp van dergelijke oplossingen kan behoorlijk diepgaand zijn – tot 30 en zelfs 20 °C van de oorspronkelijke 120-130 °C. De verkregen warmte is voldoende om water op te warmen voor de behoeften van chemische waterbehandeling, bijvulling, warmwatervoorziening en zelfs voor het warmtenet.
Brandstofbesparing kan hierbij oplopen tot 5-10 %, terwijl de efficiëntie van de ketelinstallatie met 2-3 % kan toenemen.
De implementatie van de beschreven technologie stelt ons in staat om verschillende taken tegelijk aan te pakken. Dit zijn:
- de maximaal volledige en nuttige benutting van de warmte van de rookgassen (en ook de latente warmte van de condensatie van waterdamp),
- de vermindering van de emissie van NOx en SOx in de atmosfeer,
- het verkrijgen van een extra hulpbron – gereinigd water (dat nuttig kan worden toegepast in elke onderneming, bijvoorbeeld als bijvulling van het warmtenet en andere watercircuits),
- de eliminatie van de rookpluim (deze wordt nauwelijks zichtbaar of verdwijnt zelfs helemaal).
De praktijk toont aan dat de haalbaarheid van het toepassen van dergelijke oplossingen vooral afhangt van:
- de mogelijkheid van nuttige benutting van de aanwezige warmte van de rookgassen,
- de duur van het gebruik van de verkregen thermische energie gedurende het jaar,
- de kosten van energiebronnen in de onderneming,
- de aanwezigheid van een overschrijding van de toegestane concentratie van emissies van NOx en SOx (en ook van de strengheid van de lokale milieuwetgeving),
- de methode van neutralisatie van het condensaat en de mogelijkheden voor verder gebruik ervan.
Bron: habr.com
