Poszukując sposobów na zwiększenie efektywności przedsiębiorstw sektora energetycznego, a także innych obiektów przemysłowych wykorzystujących urządzenia spalające paliwa kopalne (kotły parowe, gorącą wodę, piece technologiczne itp.), pojawia się kwestia wykorzystania potencjału spalin gazy nie są w ogóle podnoszone.
Tymczasem opierając się na istniejących standardach obliczeniowych opracowanych kilkadziesiąt lat temu i ustalonych standardach doboru kluczowych wskaźników wydajności tego sprzętu, organizacje operacyjne tracą pieniądze, dosłownie wyrzucając je w błoto, pogarszając jednocześnie sytuację środowiskową w skali globalnej.
Jeśli, podobnie jak polecenie „„uważasz, że nie warto przegapić okazji, aby zadbać o środowisko i zdrowie mieszkańców swojego miasta z korzyścią dla budżetu przedsiębiorstwa, przeczytaj artykuł o tym, jak zamienić spaliny w surowiec energetyczny.
Studia standardów
Kluczowym parametrem decydującym o sprawności zespołu kotłowego jest temperatura gazów spalinowych. Ciepło utracone ze spalinami stanowi znaczną część wszystkich strat ciepła (wraz ze stratami ciepła na skutek chemicznego i mechanicznego niedopalenia paliwa, stratami ciepła fizycznego z żużli, a także wyciekami ciepła do otoczenia na skutek chłodzenia zewnętrznego). Straty te mają decydujący wpływ na sprawność kotła, zmniejszając jego sprawność. Rozumiemy zatem, że im niższa temperatura spalin, tym wyższa sprawność kotła.
Optymalna temperatura spalin dla poszczególnych rodzajów paliwa oraz parametry pracy kotła ustalana jest na podstawie obliczeń techniczno-ekonomicznych już na wczesnym etapie jego tworzenia. Jednocześnie maksymalne użyteczne wykorzystanie ciepła spalin tradycyjnie osiąga się poprzez zwiększenie wielkości konwekcyjnych powierzchni grzewczych, a także rozwój powierzchni ogonowych - ekonomizerów wody, regeneracyjnych nagrzewnic powietrza.
Ale nawet pomimo wprowadzenia technologii i urządzeń zapewniających jak najpełniejszy odzysk ciepła, temperatura gazów spalinowych, zgodnie z aktualną dokumentacją regulacyjną, musi mieścić się w zakresie:
- 120-180°C dla kotłów na paliwo stałe (w zależności od wilgotności paliwa i parametrów pracy kotła),
- 120-160°C dla kotłów na olej opałowy (w zależności od zawartości w nim siarki),
- 120-130°C dla kotłów na gaz ziemny.
Wskazane wartości są ustalane z uwzględnieniem czynników bezpieczeństwa środowiskowego, ale przede wszystkim w oparciu o wymagania dotyczące wydajności i trwałości sprzętu.
Tym samym próg minimalny ustala się w taki sposób, aby wyeliminować ryzyko kondensacji w części konwekcyjnej kotła oraz dalej wzdłuż przewodu (w kanałach spalinowych i kominie). Jednakże, aby zapobiec korozji, wcale nie jest konieczne poświęcanie ciepła, które jest uwalniane do atmosfery, zamiast wykonywać pożyteczną pracę.
Korozja. Wyeliminuj ryzyko
Nie twierdzimy, że korozja jest nieprzyjemnym zjawiskiem, które może zagrozić bezpiecznej pracy instalacji kotłowej i znacznie skrócić jej zamierzony okres użytkowania.
Podczas schładzania spalin do temperatury punktu rosy i niższej następuje kondensacja pary wodnej, wraz z którą w stan ciekły przechodzą także związki NOx, SOx, które w reakcji z wodą tworzą kwasy działające destrukcyjnie na powierzchnie wewnętrzne kotła. W zależności od rodzaju spalanego paliwa może zmieniać się temperatura punktu rosy kwasu, a także skład kwasów wytrąconych w postaci kondensatu. Skutek jest jednak ten sam – korozja.
Spaliny kotłów zasilanych gazem ziemnym składają się głównie z następujących produktów spalania: pary wodnej (H2O), dwutlenku węgla (CO2), tlenku węgla (CO) oraz niespalonych palnych węglowodorów CnHm (te dwa ostatnie powstają podczas niecałkowitego spalania paliwa, gdy tryb spalania nie jest regulowany).
Ponieważ powietrze atmosferyczne zawiera dużą ilość azotu, w produktach spalania pojawiają się między innymi tlenki azotu NO i NO2, zwane łącznie NOx, które mają szkodliwy wpływ na środowisko i zdrowie ludzi. W połączeniu z wodą tlenki azotu tworzą żrący kwas azotowy.
Podczas spalania oleju opałowego i węgla w produktach spalania pojawiają się tlenki siarki zwane SOx. Szeroko zbadano także ich negatywny wpływ na środowisko i nie budzi on wątpliwości. Kwaśny kondensat powstający podczas interakcji z wodą powoduje korozję siarkową powierzchni grzewczych.
Tradycyjnie temperaturę spalin, jak pokazano powyżej, dobiera się w taki sposób, aby zabezpieczyć urządzenia przed wytrącaniem się kwasów na powierzchniach grzewczych kotła. Ponadto temperatura gazów musi zapewniać kondensację NOx i SOx na zewnątrz ścieżki gazu, aby chronić nie tylko sam kocioł, ale także przewody kominowe przed procesami korozyjnymi. Oczywiście istnieją pewne normy ograniczające dopuszczalne stężenia emisji tlenków azotu i siarki, jednak w żaden sposób nie neguje to faktu, że te produkty spalania kumulują się w atmosferze ziemskiej i wypadają w postaci kwaśnych opadów na jej powierzchni .
Siarka zawarta w oleju opałowym i węglu oraz porywanie niespalonych cząstek paliwa stałego (w tym popiołu) stawiają dodatkowe warunki oczyszczania gazów spalinowych. Stosowanie systemów oczyszczania gazów znacznie zwiększa koszt i złożoność procesu wykorzystania ciepła ze spalin, czyniąc tego typu działania mało atrakcyjnymi z ekonomicznego punktu widzenia, a często praktycznie nieopłacalnymi.
W niektórych przypadkach władze lokalne ustalają minimalną temperaturę gazów spalinowych u wylotu komina, aby zapewnić odpowiednią dyspersję gazów spalinowych i brak smug. Ponadto niektóre przedsiębiorstwa mogą dobrowolnie przyjąć takie praktyki w celu poprawy swojego wizerunku, ponieważ opinia publiczna często interpretuje obecność widocznej smugi dymu jako oznakę zanieczyszczenia środowiska, natomiast brak smugi dymu może być postrzegany jako oznaka czystości produkcja.
Wszystko to prowadzi do tego, że w określonych warunkach pogodowych przedsiębiorstwa mogą specjalnie podgrzewać spaliny przed wypuszczeniem ich do atmosfery. Chociaż rozumiejąc skład gazów spalinowych kotła pracującego na gazie ziemnym (omówiono to szczegółowo powyżej), staje się oczywiste, że biały „dym” wydobywający się z komina (jeśli tryb spalania jest poprawnie skonfigurowany) to w większości para wodna powstająca w wyniku reakcji spalania gazu ziemnego w palenisku kotła.
Walka z korozją wymaga stosowania materiałów odpornych na jej negatywne działanie (takie materiały istnieją i można je stosować w instalacjach wykorzystujących jako paliwo gaz, produkty naftowe, a nawet odpady), a także organizacji odbioru, przetwarzania kwaśnych kondensat i jego utylizacja.
Технология
Wprowadzenie zestawu środków mających na celu obniżenie temperatury spalin za kotłem w istniejącym przedsiębiorstwie zapewnia wzrost sprawności całej instalacji, w skład której wchodzi zespół kotłowy, wykorzystując przede wszystkim sam kocioł (ciepło w nim wytworzone).
Koncepcja takich rozwiązań sprowadza się w zasadzie do jednego: na odcinku przewodu spalinowego aż do komina montowany jest wymiennik ciepła, który pochłania ciepło spalin za pomocą czynnika chłodzącego (np. wody). Woda ta może być bezpośrednio końcowym czynnikiem chłodzącym wymagającym podgrzania lub czynnikiem pośrednim, który przenosi ciepło przez dodatkowy sprzęt do wymiany ciepła do innego obwodu.
Schemat ideowy pokazano na rysunku:
Powstały kondensat zbiera się bezpośrednio w objętości nowego wymiennika ciepła, który jest wykonany z materiałów odpornych na korozję. Dzieje się tak dlatego, że próg temperatury punktu rosy dla wilgoci zawartej w objętości spalin zostaje przekroczony dokładnie wewnątrz wymiennika ciepła. Zatem nie tylko ciepło fizyczne gazów spalinowych jest z pożytkiem wykorzystywane, ale także ciepło utajone kondensacji zawartej w nich pary wodnej. Samo urządzenie musi być zaprojektowane w taki sposób, aby jego konstrukcja nie powodowała nadmiernych oporów aerodynamicznych i w efekcie nie pogarszała warunków pracy zespołu kotłowego.
Konstrukcja wymiennika ciepła może być albo konwencjonalnym rekuperacyjnym wymiennikiem ciepła, gdzie przekazywanie ciepła z gazów do cieczy następuje przez przegrodę, albo kontaktowym wymiennikiem ciepła, w którym gazy spalinowe mają bezpośredni kontakt z wodą, która jest rozpylana przez dysze w ich przepływie.
W przypadku rekuperacyjnego wymiennika ciepła rozwiązanie problemu kwaśnego kondensatu sprowadza się do uporządkowania jego gromadzenia i neutralizacji. W przypadku kontaktowego wymiennika ciepła stosuje się nieco inne podejście, nieco podobne do okresowego oczyszczania układu zaopatrzenia w wodę obiegową: wraz ze wzrostem kwasowości krążącej cieczy pewna jej ilość jest pobierana do zbiornika magazynowego, gdzie poddaje się go działaniu odczynników, a następnie odprowadza wodę do kanalizacji lub kieruje ją do obiegu technologicznego.
Niektóre zastosowania energii gazów spalinowych mogą być ograniczone ze względu na różnice między temperaturą gazów a specyficznymi wymaganiami temperaturowymi na wlocie procesu zużywającego energię. Jednak nawet w przypadku tak pozornie ślepych sytuacji opracowano podejście opierające się na jakościowo nowych technologiach i sprzęcie.
W celu zwiększenia efektywności procesu odzysku ciepła ze spalin, w praktyce światowej coraz częściej stosowane są innowacyjne rozwiązania oparte na pompach ciepła jako kluczowym elemencie systemu. W niektórych gałęziach przemysłu (np. bioenergia) tego typu rozwiązania stosowane są w większości uruchamianych kotłów. Dodatkowe oszczędności w zasobach energii pierwotnej osiąga się w tym przypadku poprzez zastosowanie nie tradycyjnych maszyn elektrycznych sprężających parę, ale bardziej niezawodnych i zaawansowanych technologicznie absorpcyjnych pomp ciepła z bromkiem litu (ABTH), które do działania wymagają raczej ciepła niż prądu (często jest to może być niewykorzystanym ciepłem odpadowym, którego jest pod dostatkiem w niemal każdym przedsiębiorstwie). To ciepło z zewnętrznego źródła ciepła aktywuje wewnętrzny cykl ABTH, który pozwala na przekształcenie dostępnego potencjału temperaturowego gazów spalinowych i przeniesienie go do bardziej ogrzanych środowisk.
Doświadcz mocnych i skutecznych rezultatów
Chłodzenie gazów spalinowych z kotłów przy pomocy takich rozwiązań może być dość głębokie - do 30, a nawet 20°C od początkowych 120-130°C. Powstałe ciepło wystarczy do podgrzania wody na potrzeby chemicznego uzdatniania wody, jej uzupełniania, zaopatrzenia w ciepłą wodę, a nawet sieci ciepłowniczej.
W tym przypadku oszczędność paliwa może sięgać 5 10%, a wzrost sprawności zespołu kotłowego może sięgać 2 3%.
Tym samym wdrożenie opisanej technologii pozwala na rozwiązanie kilku problemów jednocześnie. Ten:
- najpełniejsze i najkorzystniejsze wykorzystanie ciepła gazów spalinowych (a także ciepła utajonego skraplania pary wodnej),
- redukcja emisji NOx i SOx do atmosfery,
- uzyskanie dodatkowego zasobu – oczyszczonej wody (którą można z pożytkiem wykorzystać w każdym przedsiębiorstwie, np. jako zasilanie sieci ciepłowniczych i innych obiegów wodnych),
- eliminacja smugi dymu (staje się ledwo widoczna lub całkowicie znika).
Praktyka pokazuje, że możliwość zastosowania takich rozwiązań zależy przede wszystkim od:
- możliwość użytecznego wykorzystania dostępnego ciepła ze spalin,
- okres wykorzystania otrzymanej energii cieplnej w ciągu roku,
- koszt zasobów energetycznych w przedsiębiorstwie,
- obecność przekroczeń maksymalnie dopuszczalnego stężenia emisji NOx i SOx (oraz dotkliwość lokalnych przepisów ochrony środowiska),
- sposób neutralizacji kondensatu i możliwości jego dalszego wykorzystania.
Źródło: www.habr.com