Na busca por maneiras de aumentar a eficiência de empresas do setor energético e outros objetos industriais que utilizam equipamentos que queimam combustíveis fósseis (caldeiras a vapor, caldeiras aquecedoras, fornos tecnológicos, etc.), a questão do uso do potencial dos gases de escape não é levantada em primeiro plano.
No entanto, baseando-se em normas de cálculo existentes, desenvolvidas há várias décadas, e em padrões estabelecidos para a escolha de indicadores-chave de desempenho desse tipo de equipamento, as organizações operacionais perdem dinheiro, liberando-os literalmente para o ar, enquanto pioram a situação ambiental em uma escala global.
Se, assim como a equipe do "", você considera errôneo perder a oportunidade de cuidar do meio ambiente e da saúde dos cidadãos de sua cidade com benefícios para o orçamento da empresa, leia o artigo sobre como transformar os gases de escape em um recurso energético.
Estudando os padrões
O parâmetro-chave que determina a eficiência do equipamento de caldeira é a temperatura dos gases que saem. O calor perdido com os gases de escape representa uma parte significativa de todas as perdas de calor (junto com as perdas de calor devido à queima química e mecânica incompleta do combustível, perdas de calor físico de cinzas e também fugas de calor para o ambiente devido ao resfriamento externo). Essas perdas têm um impacto crucial na eficiência econômica do funcionamento da caldeira, reduzindo sua eficiência. Assim, entendemos que quanto mais baixa a temperatura dos gases de escape, maior a eficiência da caldeira.
A temperatura ótima dos gases de escape para diferentes tipos de combustível e parâmetros operacionais da caldeira é determinada com base em cálculos técnico-econômicos na fase mais inicial de sua criação. O uso maximamente útil do calor dos gases de escape é tradicionalmente alcançado por meio do aumento das dimensões das superfícies de aquecimento convectivas, bem como do desenvolvimento de superfícies finais – economizadores de água e aquecedores de ar regenerativos.
Mas mesmo com a implementação de tecnologias e equipamentos para o aproveitamento máximo do calor, a temperatura dos gases de escape, de acordo com a legislação vigente, deve permanecer na faixa:
- 120-180 °C para caldeiras a combustíveis sólidos (dependendo da umidade do combustível e das condições de operação da caldeira),
- 120-160 °C para caldeiras a óleo diesel (dependendo do teor de enxofre na mesma),
- 120-130 °C para caldeiras a gás natural.
Os valores indicados foram definidos considerando fatores de segurança ambiental, mas, em primeiro lugar, com base nas exigências de funcionamento e durabilidade do equipamento.
Assim, o limite mínimo é configurado de forma a excluir o risco de formação de condensado na parte convectiva da caldeira e ao longo do sistema (nos dutos de gás e na chaminé). No entanto, para prevenir a corrosão, não é necessário sacrificar o calor que é descartado na atmosfera em vez de ser utilizado para trabalho útil.
Corrosão. Eliminamos os riscos.
Não se pode negar, a corrosão é um fenômeno desagradável que pode colocar em risco a operação segura da instalação de caldeira e reduzir significativamente sua vida útil designada.
Ao resfriar os gases de combustão até a temperatura do ponto de orvalho e abaixo, ocorre a condensação do vapor d'água, junto com a qual passam para o estado líquido os compostos NOx, SOx, que, ao reagirem com a água, formam ácidos que têm um efeito destrutivo nas superfícies internas da caldeira. Dependendo do tipo de combustível queimado, a temperatura do ponto de orvalho ácido pode variar, assim como a composição dos ácidos que se condensam. O resultado, no entanto, é um: corrosão.
Os gases de escapamento de caldeiras que utilizam gás natural consistem principalmente nos seguintes produtos da combustão: vapor d'água (H2O), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos incombustos CnHm (os dois últimos aparecem em caso de combustão incompleta do combustível, quando o modo de queima não está ajustado).
Como o ar atmosférico contém uma grande quantidade de nitrogênio, entre outras substâncias, nos produtos da combustão surgem óxidos de nitrogênio NO e NO2, genericamente chamados de NOx, que têm um impacto prejudicial no meio ambiente e na saúde humana. Ao se combinar com a água, os óxidos de nitrogênio formam o ácido nítrico, que é corrosivo.
A queima de óleo combustível e carvão gera óxidos de enxofre, conhecidos como SOx, nos produtos da combustão. Seu impacto ambiental negativo também tem sido amplamente estudado e não é questionado. O condensado ácido formado ao interagir com a água provoca corrosão sulfurosa nas superfícies de aquecimento.
Tradicionalmente, a temperatura dos gases de escape, conforme mostrado acima, é escolhida para proteger o equipamento da deposição de ácido nas superfícies de aquecimento da caldeira. Além disso, a temperatura dos gases deve permitir a condensação de NOx e SOx fora do caminho do gás, a fim de proteger não apenas a própria caldeira, mas também os dutos de gás e a chaminé contra processos corrosivos. Certamente, existem normas que limitam as concentrações admissíveis de emissões de óxidos de nitrogênio e enxofre, mas isso não anula o fato do acúmulo desses produtos de combustão na atmosfera da Terra e da sua precipitação como chuvas ácidas na sua superfície.
O enxofre presente no óleo combustível e no carvão, bem como a presença de partículas não queimadas de combustível sólido (incluindo cinzas), impõem condições adicionais para a purificação dos gases de combustão. A aplicação de sistemas de controle de poluição do ar encarece e complica significativamente o processo de recuperação de calor dos gases combustíveis, tornando tais iniciativas pouco atraentes do ponto de vista econômico e, muitas vezes, praticamente não viáveis.
Em alguns casos, as autoridades locais estabelecem uma temperatura mínima para os gases de combustão na saída da chaminé, visando garantir uma dispersão adequada dos gases de escape e evitar a formação de uma tocha de fumaça. Além disso, algumas empresas podem, por iniciativa própria, adotar essa prática para melhorar sua imagem, uma vez que o público em geral frequentemente interpreta a presença de uma tocha de fumaça visível como um sinal de poluição ambiental, enquanto a ausência dessa tocha pode ser vista como um símbolo de produção limpa.
Tudo isso leva ao fato de que, em determinadas condições climáticas, as empresas podem aquecer intencionalmente os gases de combustão antes de liberá-los na atmosfera. No entanto, ao entender a composição dos gases que saem da caldeira, que funciona com gás natural (já detalhado acima), torna-se óbvio que a "fumaça" branca que sai do tubo (quando a configuração da queima está correta) é, em sua maior parte, vapor de água, que se forma como resultado da combustão do gás natural na câmara da caldeira.
O combate à corrosão requer o uso de materiais que sejam resistentes a seu impacto negativo (esses materiais existem e podem ser utilizados em instalações que utilizam gás, produtos de refino de petróleo e até mesmo resíduos como combustível), bem como a organização da coleta, reciclagem de condensado ácido e sua eliminação.
Tecnologia
A implementação de um conjunto de medidas para reduzir a temperatura dos gases de combustão após a caldeira em uma instalação existente garante um aumento na eficiência de toda a unidade, que inclui o equipamento da caldeira, usando, antes de tudo, a própria caldeira (o calor gerado nela).
O conceito dessas soluções se resume a uma ideia principal: em uma seção da chaminé até a chaminé, instala-se um trocador de calor que absorve o calor dos gases de combustão através de um meio de resfriamento (por exemplo, água). Essa água pode ser tanto um transportador final de calor que precisa ser aquecido, quanto um agente intermediário que transfere calor por meio de equipamento adicional de troca de calor para outro circuito.
O diagrama fundamental está apresentado na figura:
A coleta do condensado gerado ocorre diretamente no volume do novo trocador de calor, que é feito de materiais resistentes à corrosão. Isso se deve ao fato de que o limite de temperatura do ponto de orvalho para a umidade contida no volume dos gases que saem é ultrapassado exatamente dentro do trocador de calor. Assim, não apenas o calor físico dos gases de combustão é aproveitado, mas também o calor oculto da condensação dos vapores de água que eles contêm. O próprio dispositivo deve ser projetado de modo que sua estrutura não cause resistência aerodinâmica excessiva, resultando em condições de operação prejudiciais para o equipamento da caldeira.
A estrutura do trocador de calor pode ser tanto um trocador de calor regenerativo comum, onde a transferência de calor dos gases para o líquido ocorre através de uma parede divisória, quanto um trocador de calor de contato, onde os gases de combustão entram em contato direto com a água, que é pulverizada por bicos em seu fluxo.
Para o trocador de calor regenerativo, a solução para o condensado ácido se resume à organização de sua coleta e neutralização. No caso do trocador de calor de contato, aplica-se uma abordagem um pouco diferente, semelhante à ventilação periódica do sistema de abastecimento de água de refrigeração: à medida que a acidez do líquido em circulação aumenta, uma parte dele é retirada para um tanque de acumulação, onde é tratado com reagentes, com a posterior disposição da água no esgoto, ou direcionada para o ciclo tecnológico.
Aplicações individuais da energia dos gases de combustão podem ser limitadas devido à diferença entre a temperatura dos gases e as necessidades de temperatura específica na entrada do processo de consumo de energia. No entanto, para essas situações aparentemente sem solução, foi desenvolvido um enfoque que se baseia em tecnologias e equipamentos qualitativamente novos.
Com o objetivo de aumentar a eficiência do processo de reciclagem do calor dos gases de combustão, práticas globais utilizam cada vez mais soluções inovadoras baseadas em bombas de calor. Em certos setores da indústria (por exemplo, na bioenergia), essas soluções são empregadas na maioria das caldeiras já em operação. A economia adicional de recursos energéticos primários é alcançada pela utilização de máquinas elétricas de compressão de vapor não convencionais e sim mais confiáveis e tecnológicas: bombas de calor absorcionais de brometo de lítio (ABTN), que requerem calor para operar, muitas vezes oriundo de calor residual não utilizado, que está amplamente disponível na maioria das empresas. Esse calor de fontes externas ativa o ciclo interno das ABTNs, permitindo a conversão do potencial térmico dos gases de escape e sua transferência para meios de temperatura mais elevada.
Resultado
O resfriamento dos gases de escape da caldeira com a aplicação de soluções semelhantes pode ser bastante profundo – até 30 e até 20 °C a partir dos 120-130 °C iniciais. O calor obtido é suficiente para aquecer a água para as necessidades de tratamento químico da água, abastecimento e até mesmo para redes de aquecimento.
A economia de combustível pode atingir 5 a 10%, enquanto o aumento da eficiência do equipamento de caldeira pode chegar a 2 a 3%.
Assim, a implementação da tecnologia descrita permite resolver várias tarefas simultaneamente. Isso é:
- o uso máximo e útil do calor dos gases de combustão (assim como do calor oculto da condensação dos vapores de água),
- a redução dos volumes de emissões de NOx e SOx na atmosfera,
- a obtenção de um recurso adicional – água tratada (que pode ser utilizada em qualquer empresa, por exemplo, como reabastecimento de redes de aquecimento e outros circuitos de água),
- a eliminação da chama de escape (ela se torna quase invisível ou desaparece completamente).
A prática mostra que a viabilidade da aplicação de soluções semelhantes depende, em primeiro lugar, de:
- a possibilidade de aproveitamento útil do calor dos gases de combustão,
- a duração do uso da energia térmica obtida ao longo do ano,
- o custo dos recursos energéticos na empresa,
- a existência de excesso da concentração máxima permitida de emissões de NOx e SOx (assim como da rigidez da legislação ambiental local),
- o método de neutralização do condensado e as opções para seu uso posterior.
Fonte: habr.com
