Recuperación de calor de gases de combustión: respetuoso con el medio ambiente

En la búsqueda de formas de mejorar la eficiencia de las empresas en el sector energético, así como de otras instalaciones industriales que utilizan equipos que queman combustibles fósiles (vapor, calderas de agua caliente, hornos de proceso, etc.), la cuestión de utilizar el potencial de los gases de combustión no se plantea en primer lugar.

Mientras tanto, con base en los estándares de cálculo existentes desarrollados hace décadas, y los estándares establecidos para seleccionar indicadores clave de rendimiento para tales equipos, las organizaciones operativas pierden dinero al dejarlos literalmente en la tubería, empeorando simultáneamente la situación ambiental a escala global.

Si, como el equipo del Primer Ingeniero , cree que está mal perder la oportunidad de cuidar el medio ambiente y la salud de los habitantes de su ciudad en beneficio del presupuesto empresarial, lea el artículo sobre cómo convertir los gases de combustión en energía.

Estándares de aprendizaje

El parámetro clave que determina la eficiencia de la unidad de caldera es la temperatura de los gases de combustión. El calor perdido con los gases de combustión constituye una parte importante de todas las pérdidas de calor (junto con las pérdidas de calor por subcombustión química y mecánica del combustible, las pérdidas por el calor físico de la escoria y las fugas de calor al medio ambiente debido al enfriamiento externo). Estas pérdidas tienen una influencia decisiva en la eficiencia de la caldera, reduciendo su eficiencia. Por lo tanto, entendemos que cuanto menor es la temperatura de los gases de combustión, mayor es la eficiencia de la caldera.

La temperatura óptima de los gases de escape para diferentes tipos de combustible y los parámetros de funcionamiento de la caldera se determinan sobre la base de cálculos técnicos y económicos en la etapa más temprana de su creación. Al mismo tiempo, el uso útil máximo del calor de los gases de escape se logra tradicionalmente aumentando el tamaño de las superficies de calentamiento por convección, así como el desarrollo de superficies de cola: economizadores de agua, calentadores de aire regenerativos.

Pero incluso a pesar de la introducción de tecnologías y equipos para la recuperación de calor más completa, la temperatura de los gases de combustión de acuerdo con la documentación reglamentaria actual debe estar en el rango de:

• 120-180 ° para calderas de combustible sólido (dependiendo de la humedad del combustible y los parámetros de funcionamiento de la caldera),
• 120-160 ° para calderas de fuel oil (dependiendo de su contenido de azufre),
• 120-130 ° para calderas de gas natural.

Los valores indicados se determinan teniendo en cuenta los factores de seguridad medioambiental, pero antes que nada, en función de los requisitos de funcionamiento y durabilidad del equipo.

Por lo tanto, el umbral mínimo se establece de tal manera que se elimine el riesgo de condensación en la parte convectiva de la caldera y más a lo largo del camino (en los conductos de humo y la chimenea). Sin embargo, para evitar la corrosión, no es necesario sacrificar el calor que se emite a la atmósfera en lugar de hacer un trabajo útil.

Corrosión Eliminar riesgos

No argumentamos que la corrosión es un fenómeno desagradable que puede poner en peligro el funcionamiento seguro de la planta de calderas y reducir significativamente su esperanza de vida.

Cuando el gas de combustión se enfría a una temperatura de punto de rocío o inferior, se produce condensación de vapor de agua, con el cual los compuestos de NOx, SOx, que, cuando reaccionan con el agua, forman ácidos, afectan destructivamente las superficies internas de la caldera. Dependiendo del tipo de combustible quemado, la temperatura del punto de rocío ácido puede ser diferente, así como la composición de los ácidos que precipitan en forma de condensado. El resultado, sin embargo, es uno: corrosión.

Los gases de combustión de las calderas de gas natural consisten principalmente en los siguientes productos de combustión: vapor de agua (H ₂ O), dióxido de carbono (CO ₂ ), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos combustibles no quemados nHm (los dos últimos aparecen durante la combustión incompleta de combustible cuando el modo de combustión no se depura).

Dado que el aire atmosférico contiene una gran cantidad de nitrógeno, entre otras cosas, los óxidos de nitrógeno NO y NO ₂ , denominados genéricamente NOx, parecen ser perjudiciales para el medio ambiente y la salud humana en los productos de combustión. Combinando con agua, los óxidos de nitrógeno forman un ácido nítrico corrosivo.

Al quemar fuel oil y carbón, los óxidos de azufre llamados SOx aparecen en los productos de combustión. Su impacto ambiental negativo también es ampliamente estudiado y no cuestionado. El condensado ácido formado durante la interacción con el agua provoca corrosión por azufre en las superficies de calentamiento.

Tradicionalmente, la temperatura de los gases de combustión, como se muestra arriba, se elige de tal manera que proteja el equipo de la precipitación ácida en las superficies de calentamiento de la caldera. Además, la temperatura de los gases debe garantizar la condensación de NOx y SOx fuera de la ruta del gas para proteger no solo la caldera en sí, sino también los conductos de chimenea de los procesos de corrosión. Por supuesto, hay ciertos estándares que limitan la concentración permisible de emisiones de óxidos de nitrógeno y azufre, pero esto no cancela en absoluto el hecho de la acumulación de estos productos de combustión en la atmósfera de la Tierra y su precipitación en forma de precipitación ácida en su superficie.

El azufre contenido en el fuel oil y el carbón, así como el arrastre de partículas no quemadas de combustible sólido (incluidas las cenizas) imponen condiciones adicionales para la purificación de los gases de combustión. El uso de sistemas de purificación de gas aumenta significativamente el costo y complica el proceso de utilización del calor de los gases de combustión, lo que hace que tales eventos sean débilmente atractivos desde un punto de vista económico y, a menudo, prácticamente no se pueden recuperar.

En algunos casos, las autoridades locales establecen una temperatura mínima de gases de combustión en la boca de la tubería para garantizar una adecuada dispersión de gases de combustión y la ausencia de una columna de humo. Además, algunas empresas pueden, por iniciativa propia, aplicar esta práctica para mejorar su imagen, ya que el público en general interpreta la presencia de una columna de humo visible como un signo de contaminación ambiental, mientras que la ausencia de una columna de humo puede considerarse un signo de producción limpia.

Todo esto lleva al hecho de que, bajo ciertas condiciones climáticas, las empresas pueden calentar específicamente los gases de combustión antes de liberarlos a la atmósfera. Aunque, al comprender la composición de los gases de combustión de una caldera de gas natural (descrita con más detalle anteriormente), resulta obvio que el "humo" blanco que sale de la tubería (con la configuración correcta del modo de combustión) es en su mayor parte vapor de agua generado en El resultado de una reacción de combustión de gas natural en un horno de caldera.

El control de la corrosión requiere el uso de materiales que sean resistentes a sus efectos negativos (tales materiales existen y pueden usarse en plantas que usan gas, productos de petróleo e incluso desechos), así como la organización de la recolección, el procesamiento del condensado ácido y su eliminación.

Tecnología

La implementación de un conjunto de medidas para reducir la temperatura de los gases de combustión detrás de la caldera en la empresa existente proporciona un aumento en la eficiencia de toda la instalación, que incluye la unidad de caldera, que utiliza, en primer lugar, la caldera misma (el calor generado en ella).

El concepto de tales soluciones, en esencia, se reduce a una cosa: se monta un intercambiador de calor en el conducto de gas a la chimenea, que recibe el calor de los gases de combustión del medio de enfriamiento (por ejemplo, agua). Esta agua puede ser directamente el portador de calor final, que debe calentarse, o un agente intermedio, que transfiere calor a través de equipos de intercambio de calor adicionales a otro circuito.

El diagrama esquemático se presenta en la figura:


La recolección de condensado ocurre directamente en el volumen del nuevo intercambiador de calor, que está hecho de materiales resistentes a la corrosión. Esto se debe al hecho de que el umbral de temperatura del punto de rocío para la humedad contenida en el volumen del gas de combustión se supera precisamente dentro del intercambiador de calor. Por lo tanto, es útil usar no solo el calor físico de los gases de combustión, sino también el calor latente de condensación del vapor de agua contenido en ellos. El dispositivo en sí debe calcularse de tal manera que su construcción no ejerza una resistencia aerodinámica excesiva y, como resultado, el deterioro de las condiciones de funcionamiento de la unidad de caldera.

El diseño del intercambiador de calor puede ser un intercambiador de calor recuperativo convencional, donde el calor se transfiere de los gases a los líquidos a través de la pared divisoria, o un intercambiador de calor de contacto en el que los gases de combustión entran en contacto directo con el agua rociada por las boquillas en su flujo.

Para un intercambiador de calor recuperativo, resolver el problema del condensado ácido se reduce a organizar su recolección y neutralización. En el caso de un intercambiador de calor de contacto, se utiliza un enfoque ligeramente diferente, algo similar a la purga periódica del sistema de suministro de agua circulante: a medida que aumenta la acidez del líquido circulante, una cierta cantidad se lleva al tanque de almacenamiento, donde se trata con reactivos y luego se elimina el agua en el sistema de drenaje. o enviándolo al ciclo tecnológico.

Las aplicaciones individuales de gases de combustión pueden estar limitadas debido a la diferencia entre la temperatura de los gases y la necesidad de una temperatura específica en la entrada del proceso que consume energía. Sin embargo, para tales situaciones aparentemente de punto muerto, se ha desarrollado un enfoque que se basa en tecnologías y equipos cualitativamente nuevos.

Con el fin de aumentar la eficiencia del proceso de recuperación de calor de gases de combustión en la práctica mundial, cada vez se utilizan cada vez más soluciones innovadoras basadas en bombas de calor como elemento clave del sistema. En sectores industriales individuales (por ejemplo, en bioenergía), tales soluciones se utilizan en la mayoría de las calderas puestas en funcionamiento. El ahorro adicional de recursos de energía primaria en este caso se logra mediante el uso de máquinas eléctricas de compresión de vapor no tradicionales, sino con bombas de calor de absorción de bromuro de litio (ABTN) más confiables y tecnológicamente avanzadas, que no requieren electricidad sino calor para funcionar (a menudo puede ser calor residual no utilizado , que está presente en abundancia en casi cualquier empresa). Tal calor de una fuente de calefacción externa activa el ciclo ABTN interno, que le permite convertir el potencial de temperatura disponible de los gases de combustión y transferirlo a ambientes más calientes.

Resultado

El enfriamiento de los gases de combustión de la caldera con tales soluciones puede ser bastante profundo: hasta 30 e incluso 20 ° C desde los 120-130 ° C iniciales. El calor recibido es suficiente para calentar el agua para las necesidades de tratamiento químico del agua, maquillaje, suministro de agua caliente e incluso un sistema de calefacción.

En este caso, la economía de combustible puede alcanzar 5 ÷ 10%, y un aumento en la eficiencia de la unidad de caldera - 2 ÷ 3%.

Por lo tanto, la introducción de la tecnología descrita nos permite resolver varios problemas a la vez. Esto es:

• El uso más completo y útil del calor de los gases de combustión (así como el calor latente de condensación del vapor de agua),
• reducción de las emisiones de NOx y SOx a la atmósfera,
• obtener un recurso adicional: agua purificada (que puede ser útil para cualquier empresa, por ejemplo, como alimentación para el sistema de calefacción y otros circuitos de agua),
• eliminación de la antorcha de humo (se vuelve apenas visible o desaparece por completo).

La práctica muestra que la conveniencia de usar tales soluciones depende principalmente de:

• Las posibilidades de utilización útil del calor existente de los gases de combustión.
• la duración del uso del calor recibido en un año,
• costos de energía en la empresa,
• la presencia de exceder la concentración máxima permisible de emisiones de NOx y SOx (así como la severidad de la legislación ambiental local),
• Un método para neutralizar el condensado y las opciones para su uso posterior.