À la recherche de moyens d'améliorer l'efficacité des entreprises du secteur de l'énergie, ainsi que d'autres installations industrielles qui utilisent des équipements qui brûlent des combustibles fossiles (vapeur, chaudières à eau chaude, fours de traitement, etc.), la question de l'utilisation du potentiel des gaz de combustion n'est pas posée en premier lieu.
Pendant ce temps, sur la base des normes de calcul existantes développées il y a des décennies et des normes établies pour la sélection d'indicateurs de performance clés pour de tels équipements, les organisations d'exploitation perdent de l'argent en les laissant littéralement dans le tuyau, aggravant simultanément la situation environnementale à l'échelle mondiale.
Si, comme l'équipe du
Premier Ingénieur , vous pensez qu'il est faux de manquer l'opportunité de prendre soin de l'environnement et de la santé des habitants de votre ville au profit du budget de l'entreprise, lisez l'article sur la façon de transformer les fumées en énergie.
Normes d'apprentissage
Le paramètre clé qui détermine l'efficacité de la chaudière est la température des fumées. La chaleur perdue avec les gaz de combustion représente une partie importante de toutes les pertes de chaleur (ainsi que les pertes de chaleur dues à la sous-combustion chimique et mécanique du combustible, les pertes dues à la chaleur physique des scories et les fuites de chaleur dans l'environnement dues au refroidissement externe). Ces pertes ont une influence décisive sur l'efficacité de la chaudière, en réduisant son efficacité. Ainsi, nous comprenons que plus la température des fumées est basse, plus le rendement de la chaudière est élevé.
La température optimale des gaz d'échappement pour différents types de combustibles et les paramètres de fonctionnement de la chaudière sont déterminés sur la base de calculs techniques et économiques au stade le plus précoce de sa création. Dans le même temps, l'utilisation maximale utile de la chaleur des gaz d'échappement est traditionnellement obtenue en augmentant la taille des surfaces de chauffage par convection, ainsi que le développement des surfaces de queue - économiseurs d'eau, réchauffeurs d'air régénératifs.
Mais même en dépit de l'introduction de technologies et d'équipements pour la récupération de chaleur la plus complète, la température des fumées selon la documentation réglementaire actuelle devrait être de l'ordre de:
- 120-180 ° pour les chaudières à combustibles solides (en fonction de l'humidité du combustible et des paramètres de fonctionnement de la chaudière),
- 120-160 ° pour les chaudières fioul (en fonction de sa teneur en soufre),
- 120-130 ° pour les chaudières à gaz naturel.
Les valeurs indiquées sont déterminées en tenant compte des facteurs de sécurité environnementale, mais tout d'abord en fonction des exigences d'opérabilité et de durabilité de l'équipement.
Ainsi, le seuil minimum est fixé de manière à éliminer le risque de condensation dans la partie convective de la chaudière et plus loin le long du chemin (dans les conduits de fumée et la cheminée). Cependant, pour éviter la corrosion, il n'est pas du tout nécessaire de sacrifier la chaleur qui est émise dans l'atmosphère au lieu de faire un travail utile.
La corrosion Éliminez les risques
Nous ne prétendons pas que la corrosion est un phénomène désagréable qui peut compromettre le fonctionnement en toute sécurité de la chaudière et réduire considérablement sa durée de vie.
Lorsque les gaz de combustion sont refroidis à une température de point de rosée ou inférieure, une condensation de vapeur d'eau se produit, avec laquelle les NOx, les composés SOx, qui, lorsqu'ils réagissent avec l'eau, forment des acides, affectent de manière destructrice les surfaces internes de la chaudière. Selon le type de combustible brûlé, la température du point de rosée acide peut être différente, ainsi que la composition des acides précipitant sous forme de condensat. Le résultat, cependant, est un - la corrosion.
Les gaz de combustion des chaudières à gaz naturel sont principalement constitués des produits de combustion suivants: vapeur d'eau (H
2 O), dioxyde de carbone (CO
2 ), monoxyde de carbone (CO) et hydrocarbures combustibles non brûlés nHm (ces deux derniers apparaissent lors d'une combustion incomplète du combustible lorsque le mode de combustion n'est pas débogué).
Étant donné que l'air atmosphérique contient une grande quantité d'azote, entre autres, les oxydes d'azote NO et NO
2 , appelés génériquement NOx, semblent nocifs pour l'environnement et la santé humaine dans les produits de combustion. Combinés à l'eau, les oxydes d'azote forment un acide nitrique corrosif.
Lors de la combustion de mazout et de charbon, des oxydes de soufre appelés SOx apparaissent dans les produits de combustion. Leur impact environnemental négatif est également largement étudié et non remis en question. Le condensat acide formé lors de l'interaction avec l'eau provoque une corrosion par le soufre des surfaces chauffantes.
Traditionnellement, la température des fumées, comme illustré ci-dessus, est choisie de manière à protéger l'équipement des précipitations acides sur les surfaces chauffantes de la chaudière. De plus, la température des gaz doit assurer la condensation des NOx et SOx à l'extérieur du chemin de gaz afin de protéger non seulement la chaudière elle-même, mais aussi les conduits de cheminée des processus de corrosion. Bien sûr, il existe certaines normes qui limitent la concentration autorisée d'émissions d'oxydes d'azote et de soufre, mais cela n'annule nullement le fait de l'accumulation de ces produits de combustion dans l'atmosphère terrestre et de leur précipitation sous forme de précipitations acides à sa surface.
Le soufre contenu dans le mazout et le charbon, ainsi que l'entraînement de particules non brûlées de combustible solide (y compris les cendres) imposent des conditions supplémentaires pour la purification des gaz de combustion. L'utilisation de systèmes de purification de gaz augmente considérablement le coût et complique le processus d'utilisation de la chaleur des gaz de combustion, ce qui rend ces événements peu attrayants d'un point de vue économique et souvent presque pas rentables.
Dans certains cas, les autorités locales ont fixé une température minimale des fumées à l'embouchure du tuyau pour assurer une dispersion adéquate des fumées et l'absence de panache de fumées. En outre, certaines entreprises peuvent, de leur propre initiative, appliquer cette pratique pour améliorer leur image, car le grand public interprète souvent la présence d'un panache de fumée visible comme un signe de pollution de l'environnement, tandis que l'absence d'un panache de fumée peut être considérée comme un signe de production propre.
Tout cela conduit au fait que, dans certaines conditions météorologiques, les entreprises peuvent spécifiquement chauffer les fumées avant de les rejeter dans l'atmosphère. Bien que, en comprenant la composition des gaz de combustion d'une chaudière à gaz naturel (décrite plus en détail ci-dessus), il devient évident que la "fumée" blanche provenant du tuyau (avec le réglage correct du mode de combustion) est pour la plupart de la vapeur d'eau générée dans le résultat d'une réaction de combustion de gaz naturel dans une chaudière.
Le contrôle de la corrosion nécessite l'utilisation de matériaux résistants à ses effets négatifs (ces matériaux existent et peuvent être utilisés dans des usines utilisant du gaz, des produits pétroliers et même des déchets), ainsi que l'organisation de la collecte, du traitement des condensats acides et de leur élimination.
La technologie
La mise en œuvre d'un ensemble de mesures pour réduire la température des fumées derrière la chaudière de l'entreprise existante permet d'augmenter l'efficacité de l'ensemble de l'installation, qui comprend la chaudière, en utilisant tout d'abord la chaudière elle-même (la chaleur qui y est générée).
Le concept de telles solutions, en substance, se résume à une chose: un échangeur de chaleur est monté sur le conduit de gaz de la cheminée, qui reçoit la chaleur des gaz de combustion du milieu de refroidissement (par exemple, l'eau). Cette eau peut être soit directement le caloporteur final, qui doit être chauffé, soit un agent intermédiaire qui transfère la chaleur via des équipements d'échange de chaleur supplémentaires vers un autre circuit.
Le diagramme schématique est présenté dans la figure:
La collecte des condensats se produit directement dans le volume du nouvel échangeur de chaleur, qui est fait de matériaux résistants à la corrosion. Cela est dû au fait que le seuil de température du point de rosée pour l'humidité contenue dans le volume des fumées est dépassé précisément à l'intérieur de l'échangeur de chaleur. Ainsi, il est utile d'utiliser non seulement la chaleur physique des fumées, mais également la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau qu'ils contiennent. Le dispositif lui-même doit être calculé de manière à ce que sa construction n'exerce pas une traînée aérodynamique excessive et, par conséquent, une détérioration des conditions de fonctionnement de la chaudière.
La conception de l'échangeur de chaleur peut être soit un échangeur de chaleur à récupération conventionnel, où la chaleur est transférée des gaz aux liquides à travers la paroi de séparation, soit un échangeur de chaleur par contact dans lequel les gaz de combustion entrent en contact direct avec l'eau qui est pulvérisée par des buses dans leur écoulement.
Pour un échangeur de chaleur à récupération, résoudre le problème des condensats acides revient à organiser sa collecte et sa neutralisation. Dans le cas d'un échangeur de chaleur à contact, une approche légèrement différente est utilisée, quelque peu similaire à la purge périodique du système d'alimentation en eau en circulation: à mesure que l'acidité du liquide en circulation augmente, une certaine quantité de celui-ci est introduite dans le réservoir de stockage, où il est traité avec des réactifs puis éliminé dans les eaux de drainage, ou en l'envoyant au cycle technologique.
Les applications individuelles de gaz de combustion peuvent être limitées en raison de la différence entre la température des gaz et la nécessité d'une température spécifique à l'entrée du processus consommateur d'énergie. Cependant, pour de telles situations apparemment dans l'impasse, une approche a été développée qui s'appuie sur des technologies et des équipements qualitativement nouveaux.
Afin d'augmenter l'efficacité du processus de récupération de chaleur des fumées dans la pratique mondiale, des solutions innovantes basées sur les pompes à chaleur sont de plus en plus utilisées comme élément clé du système. Dans certains secteurs industriels (par exemple, dans la bioénergie), de telles solutions sont utilisées sur la plupart des chaudières mises en service. Dans ce cas, des économies supplémentaires de ressources énergétiques primaires sont réalisées grâce à l'utilisation de machines électriques à compression de vapeur non traditionnelles, mais à des pompes à chaleur à bromure de lithium (ABTN) plus fiables et technologiquement avancées, qui ne nécessitent pas d'électricité mais de chaleur pour fonctionner (souvent, il peut s'agir de chaleur résiduelle inutilisée). , qui est présent en abondance dans presque toutes les entreprises). Cette chaleur provenant d'une source de chauffage externe active le cycle ABTN interne, ce qui vous permet de convertir le potentiel de température disponible des gaz de combustion et de le transférer dans des environnements plus chauffés.
Résultat
Le refroidissement des fumées de la chaudière à l'aide de telles solutions peut être assez profond - jusqu'à 30 et même 20 ° C par rapport aux 120-130 ° C initiaux. La chaleur reçue est suffisante pour chauffer l'eau pour les besoins de traitement chimique de l'eau, d'appoint, d'alimentation en eau chaude et même d'un système de chauffage.
Dans ce cas, l'économie de carburant peut atteindre 5 ÷ 10% et une augmentation de l'efficacité de la chaudière - 2 ÷ 3%.
Ainsi, l'introduction de la technologie décrite nous permet de résoudre plusieurs problèmes à la fois. C’est:
- l'utilisation la plus complète et la plus utile de la chaleur des fumées (ainsi que de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau),
- réduction des émissions de NOx et SOx dans l'atmosphère,
- obtenir une ressource supplémentaire - l'eau purifiée (qui peut être utile pour toute entreprise, par exemple, comme alimentation pour le système de chauffage et d'autres circuits d'eau),
- élimination de la torche fumigène (elle devient à peine visible ou disparaît complètement).
La pratique montre que l'opportunité d'utiliser de telles solutions dépend principalement:
- les possibilités d'utilisation utile de la chaleur existante des fumées,
- la durée d'utilisation de la chaleur reçue en un an,
- les coûts énergétiques de l'entreprise,
- la présence d'un dépassement de la concentration maximale autorisée d'émissions de NOx et de SOx (ainsi que la sévérité de la législation environnementale locale),
- une méthode de neutralisation du condensat et des options pour son utilisation ultérieure.