W poszukiwaniu sposobów zwiększenia efektywności przedsiębiorstw sektora energetycznego oraz innych obiektów przemysłowych, w których wykorzystywane jest wyposażenie spalające paliwa kopalne (kotły parowe, wodne, piece technologiczne itd.), kwestie związane z wykorzystaniem potencjału spalin nie pojawiają się na pierwszym planie.
Tymczasem, opierając się na istniejących normach obliczeniowych, opracowanych dziesiątki lat temu, oraz ustalonych standardach wyboru kluczowych wskaźników działalności tego rodzaju wyposażenia, organizacje eksploatujące tracą pieniądze, dosłownie wypuszczając je w komin, jednocześnie pogarszając stan środowiska na globalną skalę.
Jeśli, podobnie jak zespół „”, uważacie, że nieprawidłowe jest pomijanie możliwości dbania o środowisko i zdrowie mieszkańców waszego miasta przy korzyściach dla budżetu przedsiębiorstwa, przeczytajcie artykuł o tym, jak przekształcić spaliny w zasób energetyczny.
Badanie standardów
Kluczowym parametrem określającym sprawność kotła jest temperatura spalin. Ciepło tracone z wydostającymi się spalinami stanowi znaczną część wszystkich strat cieplnych (obok strat ciepła z chemicznego i mechanicznego niedopalenia paliwa, strat ciepła z fizycznymi ewentualnościami żużla oraz wycieków ciepła do otoczenia w wyniku zewnętrznego chłodzenia). Straty te mają decydujący wpływ na ekonomikę pracy kotła, obniżając jego sprawność. W ten sposób rozumiemy, że im niższa temperatura spalin, tym wyższa efektywność kotła.
Optymalna temperatura spalin dla różnych rodzajów paliw i parametrów roboczych kotła jest określana na podstawie obliczeń techniczno-ekonomicznych na najwcześniejszym etapie jego tworzenia. Przy tym maksymalnie użyteczne wykorzystanie ciepła spalin tradycyjnie osiąga się poprzez zwiększenie powierzchni konwekcyjnych wymiany ciepła, a także rozwój powierzchni tylnej – wymienników ciepła wodnych oraz regeneracyjnych podgrzewaczy powietrza.
Jednak nawet pomimo wdrożenia technologii i wyposażenia do maksymalnej utylizacji ciepła, temperatura spalin zgodnie z obowiązującą dokumentacją normatywną powinna mieścić się w zakresie:
- 120-180 °C dla kotłów na paliwo stałe (w zależności od wilgotności paliwa i parametrów roboczych kotła),
- 120-160 °C dla kotłów na olej opałowy (w zależności od zawartości siarki w nim),
- 120-130 °C dla kotłów na gaz ziemny.
Podane wartości określono z uwzględnieniem czynników ekologicznych, ale przede wszystkim w oparciu o wymagania dotyczące funkcjonalności i trwałości urządzenia.
Minimalny próg ustala się w taki sposób, aby wykluczyć ryzyko kondensacji w części konwekcyjnej kotła i dalej w ciągu (w kanałach spalinowych i kominie). Jednakże, aby zapobiec korozji, nie jest konieczne rezygnowanie z ciepła, które jest wydalane do atmosfery zamiast wykorzystywane do pracy użytecznej.
Korozja. Wykluczamy ryzyka
Nie można się spierać, korozja to zjawisko nieprzyjemne, które może zagrozić bezpiecznej pracy kotłowni i znacznie skrócić przewidziany czas użytkowania.
Podczas chłodzenia spalin do temperatury punktu rosy i poniżej, następuje kondensacja par wodnych, wraz z którymi przechodzą w stan ciekły związki NOx, SOx, które, reagując z wodą, tworzą kwasy szkodliwie działające na wewnętrzne powierzchnie kotła. W zależności od rodzaju paliwa, temperatura punktu rosy kwasu może być różna, podobnie jak skład kwasów wydobywających się w postaci kondensatu. Rezultat jest jednak jeden – korozja.
Gazy spalinowe kotłów pracujących na gaz ziemny składają się głównie z następujących produktów spalania: pary wodnej (H2O), dwutlenku węgla (CO2), tlenku węgla (CO) oraz niespalonych węglowodorów CnHm (dwa ostatnie występują przy niepełnym spalaniu paliwa, gdy tryb spalania jest nieustawiony).
Ponieważ w atmosferze znajduje się duża ilość azotu, w produktach spalania pojawiają się także tlenki azotu NO i NO2, ogólnie nazywane NOx, szkodliwie wpływające na środowisko i zdrowie ludzi. Łącząc się z wodą, tlenki azotu tworzą aktywną korozyjnie kwas azotowy.
Podczas spalania mazutu i węgla w produktach spalania pojawiają się tlenki siarki, zwane SOx. Ich negatywny wpływ na środowisko również jest szeroko badany i nie budzi wątpliwości. Powstający w wyniku interakcji z wodą kwasowy kondensat wywołuje korozję siarkową powierzchni ogrzewania.
Tradycyjnie temperatura spalin, jak wykazano powyżej, jest wybierana w taki sposób, aby chronić wyposażenie przed opadaniem kwasu na powierzchniach grzewczych kotła. Ponadto temperatura gazów powinna zapewnić kondensację NOx i SOx poza kanałem gazowym, aby chronić przed procesami korozji nie tylko sam kocioł, ale także przewody gazowe z kominem. Oczywiście istnieją określone normy ograniczające dopuszczalne stężenia emisji tlenków azotu i siarki, ale to w żaden sposób nie znosi faktu gromadzenia się tych produktów spalania w atmosferze Ziemi i opadania ich w postaci kwaśnych deszczy na jej powierzchnię.
Siarka zawarta w mazucie i węglu oraz ubytek niespalonych cząstek stałego paliwa (w tym popiołu) nakładają dodatkowe warunki dotyczące oczyszczania spalin. Stosowanie systemów oczyszczania gazów znacznie podraża i komplikuje proces wykorzystania ciepła spalin, czyniąc takie przedsięwzięcia mało atrakcyjnymi z ekonomicznego punktu widzenia, a często praktycznie nieopłacalnymi.
W niektórych przypadkach lokalne władze ustalają minimalną temperaturę spalin przy wylocie rury w celu zapewnienia adekwatnego rozproszenia spalin i braku smogowego strumienia. Ponadto niektóre przedsiębiorstwa mogą z własnej inicjatywy stosować podobną praktykę, aby poprawić swój wizerunek, ponieważ szeroka opinii publiczna często interpretuje obecność widocznego smogowego strumienia jako znak zanieczyszczenia środowiska, podczas gdy brak tego strumienia może być postrzegany jako znak czystej produkcji.
Wszystko to prowadzi do sytuacji, w której w określonych warunkach atmosferycznych zakłady mogą celowo podgrzewać gazy spalinowe przed ich uwolnieniem do atmosfery. Jednak, analizując skład gazów odlotowych kotła, który działa na gaz ziemny (został szczegółowo omówiony powyżej), staje się oczywiste, że biały „dym”, który wydobywa się z komina (przy prawidłowej regulacji trybu spalania), to w dużej mierze para wodna powstająca w wyniku reakcji spalania gazu ziemnego w piecu kotła.
Zwalczenie korozji wymaga zastosowania materiałów odpornych na jej negatywne działanie (takie materiały istnieją i mogą być stosowane w instalacjach, które jako paliwo wykorzystują gaz, produkty rafinacji ropy naftowej, a nawet odpady), a także organizacji zbierania, przetwarzania kwaśnego kondensatu i jego utylizacji.
Technologia
Wdrożenie zestawu działań mających na celu obniżenie temperatury spalin za kotłem w istniejącym zakładzie zapewnia zwiększenie sprawności całej instalacji, w skład której wchodzi agregat kotłowy, wykorzystując przede wszystkim sam kocioł (ciepło wytwarzane w nim).
Koncepcja takich rozwiązań polega zasadniczo na tym, że na przewodzie gazowym przed kominem montowany jest wymiennik ciepła, który odbiera ciepło spalin chłodzącym medium (na przykład wodą). Woda ta może być zarówno bezpośrednio końcowym nośnikiem ciepła, który należy podgrzać, jak i pośrednim czynnikiem, który przekazuje ciepło za pomocą dodatkowego sprzętu wymiany ciepła do innego obiegu.
Schemat zasady działania przedstawiono na rysunku:
Zbieranie powstającego kondensatu odbywa się bezpośrednio w objętości nowego aparatu wymiany ciepła, który wykonany jest z materiałów odpornych na korozję. Jest to spowodowane tym, że próg temperatury punktu rosy dla wilgoci zawartej w objętości gazów odlotowych jest przekraczany właśnie wewnątrz wymiennika ciepła. W ten sposób wykorzystuje się nie tylko fizyczne ciepło spalin, ale także ukrytą energię cieplną kondensacji zawartych w nich par wodnych. Sam aparat musi być projektowany w taki sposób, aby jego konstrukcja nie wytwarzała nadmiernego oporu aerodynamicznego, a w efekcie nie pogarszała warunków pracy kotłowego agregatu.
Konstrukcja wymiennika ciepła może mieć formę zwykłego wymiennika regeneracyjnego, w którym transfer ciepła z gazów do cieczy odbywa się poprzez ścianę dzielącą, lub wymiennika kontaktowego, w którym gazy spalinowe bezpośrednio stykają się z wodą, która jest rozpryskiwana przez dysze w ich przepływie.
Dla wymiennika regeneracyjnego rozwiązanie kwestii kondensatu kwasowego sprowadza się do organizacji jego zbioru i neutralizacji. W przypadku wymiennika kontaktowego stosuje się nieco inne podejście, w pewnym sensie podobne do okresowej wentylacji systemu wody obiegowej: w miarę wzrostu kwasowości cyrkulującej cieczy pewna jej ilość jest pobierana do zbiornika retencyjnego, gdzie poddawana jest obróbce reagentami, a następnie woda jest usuwana do kanalizacji drenażowej lub kierowana do cyklu technologicznego.
Niektóre zastosowania energii gazów spalinowych mogą być ograniczone z powodu różnicy między temperaturą gazów a wymaganiami, jeśli chodzi o określoną temperaturę na wejściu procesu zużywającego energię. Niemniej jednak i w takich, wydawałoby się, beznadziejnych sytuacjach opracowano podejście, które bazuje na nowoczesnych technologiach i urządzeniach.
W celu zwiększenia efektywności procesu utylizacji ciepła gazów spalinowych, w praktyce światowej jako kluczowy element systemu coraz częściej stosowane są innowacyjne rozwiązania oparte na pompach ciepła. W niektórych sektorach przemysłu (np. w bioenergetyce) takie rozwiązania są stosowane w większości uruchamianych kotłów. Dodatkowe oszczędności pierwotnych zasobów energetycznych są w ten sposób osiągane dzięki zastosowaniu nie tradycyjnych maszyn elektrycznych parowo-kompresyjnych, ale bardziej niezawodnych i technologicznych absorpcyjnych pomp ciepła bromku litowego (APCB), do działania których potrzebne jest nie elektryczność, ale ciepło (często może to być niewykorzystane ciepło odpadowe, które w nadmiarze znajduje się praktycznie w każdej firmie). Takie ciepło z zewnętrznego źródła ogrzewania aktywuje wewnętrzny cykl APCB, który pozwala na przekształcenie dostępnego potencjału temperaturowego spalin i przekazanie go do cieplejszych mediów.
Wynik
Chłodzenie spalin z kotła przy zastosowaniu podobnych rozwiązań może być wystarczająco głębokie – do 30 a nawet 20 °C z początkowych 120-130 °C. Uzyskane ciepło jest wystarczające, aby podgrzać wodę potrzebną do chemicznych procesów uzdatniania wody, uzupełnienia, zaopatrzenia w ciepłą wodę oraz nawet dla sieci ciepłowniczej.
Oszczędność paliwa w takim przypadku może wynosić 5÷10 %, a wzrost sprawności kotłowego agregatu – 2÷3 %.
W ten sposób wdrożenie opisanej technologii pozwala na rozwiązanie kilku zadań jednocześnie. Oto:
- maksymalne i pożyteczne wykorzystanie ciepła spalin (a także ukrytej ciepłoty kondensacji par wodnych),
- zmniejszenie emisji NOx i SOx do atmosfery,
- uzyskanie dodatkowego zasobu – oczyszczonej wody (która znajdzie zastosowanie w każdym zakładzie, na przykład jako uzupełnienie sieci ciepłowniczej i innych obiegów wodnych),
- likwidacja paleniska (staje się niemal niewidoczny lub znika całkowicie).
Praktyka pokazuje, że zasadność zastosowania podobnych rozwiązań w pierwszej kolejności zależy od:
- możliwości pożytecznego wykorzystania istniejącego ciepła spalin,
- czasookresu wykorzystania uzyskanej energii cieplnej w roku,
- kosztów zasobów energetycznych w zakładzie,
- istnienia przekroczenia dopuszczalnej koncentracji emisji NOx i SOx (a także od surowości lokalnych przepisów dotyczących ochrony środowiska),
- sposobu neutralizacji kondensatu oraz opcji jego dalszego wykorzystania.
Źródło: habr.com
