În căutarea metodelor de creștere a eficienței întreprinderilor din sectorul energetic, precum și a altor obiective industriale care utilizează echipamente ce ard combustibili fosili (boilere de abur, boilere de apă, cuptoare tehnologice etc.), problema utilizării potențialului gazelor de ardere nu este ridicată în prima instanță.
Între timp, bazându-se pe normele de calcul existente, elaborate cu zeci de ani în urmă, și pe standardele stabilite pentru alegerea indicatorilor cheie de performanță a echipamentului respectiv, organizațiile de exploatare pierd bani, literalmente aruncându-i în conductă, în timp ce contribuie la deteriorarea mediului înconjurător la scară globală.
Dacă, ca și echipa „“, considerați că este greșit să pierdeți ocazia de a avea grijă de mediu și de sănătatea locuitorilor orașului dumneavoastră în beneficiul bugetului întreprinderii, citiți articolul despre cum să transformați gazele de ardere într-o resursă energetică.
Studii de standarde
Parametrul cheie care determină eficiența unui agregat de cazan este temperatura gazelor de evacuare. Căldura pierdută prin gaze de evacuare reprezintă o parte semnificativă din toate pierderile de căldură (alături de pierderile de căldură din arderea chimică și mecanică incompletă a combustibilului, pierderile cauzate de căldura fizică a zgurenelor, precum și pierderile de căldură în mediu datorate răcirii exterioare). Aceste pierderi au un impact decisiv asupra eficienței economice a funcționării cazanului, reducându-i eficiența. Astfel, înțelegem că cu cât temperatura gazelor de ardere este mai mică, cu atât eficiența cazanului este mai mare.
Temperatura optimă a gazelor de evacuare pentru diferite tipuri de combustibili și parametrii de funcționare ai cazanului este determinată pe baza calculelor tehnico-economice încă din etapa inițială a construcției sale. În acest context, utilizarea maximă a căldurii gazelor de evacuare este de obicei realizată prin creșterea dimensiunilor suprafețelor convenționale de transfer de căldură, precum și prin dezvoltarea suprafețelor de ventilație – economizoare de apă și preîncălzitoare regenerabile de aer.
Dar chiar și în ciuda implementării tehnologiilor și echipamentelor pentru o utilizare cât mai completă a căldurii, temperatura gazelor de evacuare conform legislației actuale trebuie să se afle în intervalul:
- 120-180 °C pentru cazanele cu combustibil solid (în funcție de umiditatea combustibilului și de parametrii de funcționare ai cazanului),
- 120-160 °C pentru cazanele pe motorină (în funcție de conținutul de sulf în aceasta),
- 120-130 °C pentru cazanele pe gaz natural.
Valorile indicate sunt stabilite având în vedere factorii de siguranță ecologică, dar, mai presus de toate, în funcție de cerințele de funcționare și durabilitate a echipamentului.
Astfel, pragul minim este setat în așa fel încât să se elimine riscul formării condensului în partea convecțională a cazanului și mai departe în tract (în canalele de gaz și coșurile de fum). Totuși, pentru a preveni coroziunea nu este necesar să renunțăm la căldura care este eliberată în atmosferă în loc să fie utilizată pentru a realiza o muncă utilă.
Coroziunea. Excludem riscurile
Nu ne contrazicem, coroziunea este un fenomen neplăcut, capabil să pună în pericol asigurarea funcționării în siguranță a instalației de cazan și să reducă semnificativ durata sa de exploatare.
Atunci când gazele de fum sunt răcite la temperatura punctului de rouă sau sub aceasta, are loc condensarea vaporilor de apă, împreună cu aceasta trec în stare lichidă și compușii NOx, SOx, care, reacționând cu apa, formează acizi, având un efect distructiv asupra suprafețelor interioare ale cazanului. În funcție de tipul de combustibil ars, temperatura punctului de rouă acid este diferită, la fel și compoziția acizilor care se formează sub formă de condensat. Rezultatul, însă, este același – coroziune.
Gazele de evacuare ale cazanelor care funcționează pe gaz natural constau în principal din următoarele produse de ardere: vapori de apă (H2O), dioxid de carbon (CO2), monoxid de carbon (CO) și hidrocarburi combustibile nearsă CnHm (ultimele două apar în cazul arderei incomplete a combustibilului, când regimul de ardere nu este reglat).
Fiindcă în aerul atmosferic se află o cantitate mare de azot, printre altele, în produsele de ardere apar oxizi de azot NO și NO2, denumiți global NOx, care afectează negativ mediul și sănătatea umană. Combinându-se cu apa, oxizii de azot formează acidul nitric activ corrosiv.
At the burning of fuel oil and coal, sulfur oxides, known as SOx, are produced in the combustion products. Their negative impact on the environment has been widely studied and is beyond doubt. The acid condensate formed when interacting with water causes sulfide corrosion of heating surfaces.
Traditionally, the temperature of flue gases, as shown above, is chosen in such a way as to protect equipment from acid precipitation on the heating surfaces of the boiler. Moreover, the gas temperature must ensure the condensation of NOx and SOx outside the gas duct to protect not only the boiler itself but also the flue gas ducts and chimney from corrosion processes. Of course, there are specific standards that limit the allowable concentrations of nitrogen and sulfur oxides emissions, but this does not negate the fact that these combustion products accumulate in the Earth's atmosphere and fall back as acid precipitation on its surface.
The sulfur contained in fuel oil and coal, as well as the carryover of unburned solid fuel particles (including ash), impose additional requirements for the cleaning of flue gases. The use of gas cleaning systems significantly increases the cost and complexity of flue gas heat recovery processes, making such measures unattractive from an economic perspective and often practically unprofitable.
In some cases, local authorities set a minimum flue gas temperature at the outlet of the stack to ensure adequate dispersion of outgoing gases and the absence of a smoke plume. Additionally, some companies may voluntarily adopt such practices to improve their image, as the general public often interprets the presence of a visible smoke plume as a sign of environmental pollution, while the absence of a smoke plume may be seen as a sign of clean production.
Toate acestea duc la situația în care, în anumite condiții meteorologice, întreprinderile pot încălzi deliberat gazele de ardere înainte de a le elibera în atmosferă. Deși, prin înțelegerea compoziției gazelor evacuate de boilerul care funcționează cu gaz natural (ceea ce a fost detaliat mai sus), devine evident că „fum” alb care iese din horn (în cazul unei setări corespunzătoare a modului de ardere) este în mare parte vapori de apă care se formează ca rezultat al reacției de ardere a gazului natural în camera de ardere a boilerului.
Combaterea coroziunii necesită utilizarea de materiale rezistente la efectele sale negative (astfel de materiale există și pot fi utilizate în instalațiile care folosesc ca combustibil gaz, produse din rafinarea petrolului și chiar deșeuri), precum și organizarea colectării, prelucrării condensatului acid și eliminarea acestuia.
Tehnologie
Implementarea unui set de măsuri pentru reducerea temperaturii gazelor de ardere din spatele boilerului la o întreprindere existentă asigură creșterea eficienței energetice a întregii instalații, din care face parte unitatea de boiler, folosind în primul rând boilerul însuși (căldura generată în acesta).
Conceptul unor astfel de soluții, în esență, se reduce la un singur lucru: pe porțiunea de gaz duct înainte de horn se montează un schimbător de căldură, care absoarbe căldura gazelor de ardere prin intermediul unui mediu de răcire (de exemplu, apă). Această apă poate fi atât un agent termic final care trebuie încălzit, cât și un agent intermediar care transferă căldura prin echipamente de schimb de căldură suplimentare către un alt circuit.
Schema principială este prezentată în figură:
Colectarea condensatului generat se realizează direct în volumul noului aparat de schimb de căldură, care este fabricat din materiale rezistente la coroziune. Acest lucru se datorează faptului că pragul de temperatură a punctului de rouă pentru umiditatea conținută în volumul gazelor evacuate este depășit exact în interiorul schimbătorului de căldură. Astfel, se utilizează nu doar căldura fizică a gazelor de ardere, ci și căldura latentă a condensării vaporilor de apă conținuți în acestea. Aparatul, la rândul său, trebuie să fie proiectat astfel încât să nu creeze o rezistență aerodinamică excesivă și, ca urmare, să nu afecteze condițiile de funcționare ale unității de boiler.
Structura aparatului de schimb de căldură poate fi fie un schimbător de căldură recuperativ obișnuit, unde transferul de căldură de la gaze la lichid se produce printr-un perete de separare, fie un schimbător de căldură de contact, în care gazele de ardere intră în contact direct cu apa, care este pulverizată prin duze în fluxul acestora.
Pentru schimbătorul de căldură recuperativ, soluția pentru condensul acidoasă se reduce la organizarea colectării și neutralizării acestuia. În cazul schimbătorului de căldură de contact, se aplică o abordare ușor diferită, asemănătoare cu spălarea periodică a sistemului de apă circulantă: pe măsură ce aciditatea lichidului circulant crește, o parte din acesta este prelevată într-un rezervor de acumulare, unde se efectuează tratarea cu reactivi, urmată de eliminarea apei în canalizarea de drenaj sau direcționarea acesteia în ciclul tehnologic.
Aplicarea separată a energiei gazelor de ardere poate fi limitată din cauza diferenței dintre temperatura gazelor și necesitățile de temperatură specifică la intrarea procesului consumator de energie. Cu toate acestea, și pentru astfel de situații aparent fără ieșire, a fost dezvoltată o abordare care se bazează pe tehnologiile și echipamentele de nouă calitate.
În scopul creșterii eficienței procesului de valorificare a căldurii gazelor de ardere, în practica mondială, soluțiile inovatoare bazate pe pompe de căldură sunt utilizate din ce în ce mai frecvent ca element cheie al sistemului. În anumite sectoare industriale (de exemplu, în bioenergetică), aceste soluții sunt aplicate la majoritatea cazanelor introduse în exploatare. Economisirea suplimentară a resurselor energetice primare în acest caz se realizează prin utilizarea nu a mașinilor electrice cu compresie pe aburi tradiționale, ci a pompelor de căldură absorbtive cu bromură de litiu (ABTL), care au nevoie, pentru funcționare, nu de electricitate, ci de căldură (de multe ori aceasta poate fi căldura residuală neutilizată, care există din abundentă în aproape orice întreprindere). Această căldură dintr-o sursă externă de încălzire activează ciclul intern al ABTL, care permite transformarea potențialului termic disponibil al gazelor de evacuare și transferarea acestuia către medii mai încălzite.
Rezultatul
Răcirea gazelor de ardere ale cazanului cu ajutorul unor soluții similare poate fi destul de profundă – până la 30 și chiar 20 °C de la inițialele 120-130 °C. Căldura obținută este suficientă pentru a încălzi apa necesară pentru pregătirea chimică a apei, completare, furnizarea de apă caldă și chiar pentru rețelele de încălzire.
Economisirea combustibilului poate ajunge la 5-10%, iar creșterea eficienței cazanului – 2-3%.
Astfel, implementarea tehnologiei descrise permite rezolvarea simultană a mai multor sarcini. Acestea sunt:
- utilizarea maximă și eficientă a căldurii gazelor de fum (precum și a căldurii ascunse de condensare a vapourilor de apă),
- reducerea volumului emisiilor de NOx și SOx în atmosferă,
- obținerea unei resurse suplimentare – apă purificată (care va găsi aplicație utilă în orice întreprindere, de exemplu, ca supliment pentru rețelele de încălzire și alte circuite de apă),
- eliminarea torțelor de fum (acestea devin barely visible sau dispar complet).
Practic, se dovedește că fezabilitatea aplicării unor soluții similare depinde în primul rând de:
- posibilitatea utilizării utile a căldurii gazelor de fum existente,
- durata de utilizare a energiei termice obținute pe parcursul anului,
- costul resurselor energetice în întreprindere,
- existenta depășirii concentrației maxime admise a emisiilor de NOx și SOx (precum și de severitatea legislației ecologice locale),
- metoda de neutralizare a condensatului și opțiunile pentru utilizarea sa ulterioară.
Sursa: habr.com
